一種多功能鋼筋彎曲機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

柏才行 孟遂民 何嬌嬌

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

鋼筋彎曲機是用來將切斷配料的鋼筋，按配筋圖要求彎曲成需要的形狀和尺寸的專業(yè)設(shè)備.輸電鐵塔基礎(chǔ)施工過程中，需要大量的鋼筋材料，一般鋼筋經(jīng)常需要進行一定彎曲以滿足工程需要.目前工程上使用較為廣泛的是國產(chǎn)GW40型電動鋼筋彎曲機，其特點是構(gòu)造簡單、適用性強，能將直徑在40mm以下的鋼筋彎制成各種角度［1].我國對鋼筋彎曲成形的技術(shù)也達到很高的水平，鋼筋彎曲機已經(jīng)出現(xiàn)了多種型號和彎曲類型，如由中國建筑科學(xué)研究院建筑機械化研究所與沈陽市建筑施工機械廠共同研制的GW32型、GW40型鋼筋彎曲機，于1986年11月相繼在沈陽和合肥通過了部級技術(shù)鑒定.這兩種新型的鋼筋彎曲機都是在參照國外樣機的基礎(chǔ)上并結(jié)合我國的具體國情研制成功的換代新產(chǎn)品.其中GW32彎曲機填補了我國鋼筋彎曲機系列產(chǎn)品的空白［2].

本文設(shè)計的鋼筋彎曲機是針對鋼筋直徑為12～30mm 20MnSi設(shè)計的，其型號為 GW30，相對于GW40型、GW32型來說有了一些改進，主要是在控制和模具的改進方面.控制方面對角度控制和自動回位控制做了一定的設(shè)計.傳統(tǒng)的手動型鋼筋彎曲機是采用點動按鈕設(shè)計的，在打彎鋼筋和歸位時，手都要一直按住按鈕，勞動強度大，人精神要非常集中，容易產(chǎn)生疲勞.另外彎曲鋼筋的角度純依賴于工人操作的熟練程度［3].相對傳統(tǒng)彎曲機需要人工操作才可以回位來說，本鋼筋彎曲機使得工作人員的工作量減輕了不少；鋼筋彎曲角度控制使得鋼筋可以彎曲成所需要的角度，形成各種形狀以適應(yīng)建筑和其他行業(yè)的需要.對于模具來說，盡量設(shè)計簡單實用，且設(shè)計各種可以調(diào)節(jié)的機構(gòu)，使得模具具有通用性，對于不同直徑的鋼筋都可以使用，這樣提高了模具的使用性.工人進行一定的訓(xùn)練，操作熟練后則生產(chǎn)效率有大幅提高，當(dāng)然對于大批件的加工來說，更可以體現(xiàn)本鋼筋彎曲機的高效率.

1 鋼筋彎曲受力分析與計算

1.1 工作狀態(tài)

鋼筋受力情況及計算有關(guān)的幾何尺寸標(biāo)記如圖1所示.

圖1 鋼筋的受力分析

設(shè)彎曲鋼筋所需彎矩：

式中，F(xiàn)為拔料桿對鋼筋的作用力；Fr為F的徑向分力；α為F與鋼筋軸線夾角.

當(dāng)MT一定時，α越大則拔料桿及主軸徑向負荷越??；α＝arccos（L1／L2），L2一定，L0越大，則α越大，因此，彎曲機的工作盤應(yīng)加大直徑，增大拔料桿中心到主軸中心距離L0.

1.2 彎曲鋼筋所需主軸扭矩及功率

按照鋼筋彎曲加工規(guī)范規(guī)定的彎曲半徑彎曲鋼筋，其彎曲部分的變形量均接近或超過材料的額定延伸率，鋼筋應(yīng)力超過屈服極限產(chǎn)生塑性變形.

1.3 材料達到屈服極限時的始彎矩

根據(jù)設(shè)計條件按Φ30螺紋鋼筋公稱直徑計算：

式中，M0為始彎矩，W為抗彎截面模數(shù)，其抗彎截面模數(shù)W在設(shè)計手冊中查取，K1為截面系數(shù)，對圓截面K1＝1.7.

［4]，對于20MnSi可以進行180°彎轉(zhuǎn)，螺紋鋼筋σs＝335N／mm2（GB1499），則得出始彎矩M0＝1 528.47N·m.

1.4 鋼筋變形硬化后的終彎矩

材料的彎曲過程剛剛開始主要是彈性變形，接著將發(fā)生塑性變形，當(dāng)其達到屈服極限之后開始變形硬化（強化），將產(chǎn)生變形硬化后的終彎矩：

式中，K1為相對強化系數(shù)，K1＝1.7，K2＝0.63～0.7，取為0.7，D為彎心直徑，D＝3d，則得出終彎矩M＝1 780.28N·m.

1.5 鋼筋彎曲所需彎矩

根據(jù)以上的設(shè)計計算20MnSiΦ30鋼筋（σb≤490 N／mm2）彎曲所需彎矩：

式中，K為彎曲時的滾動摩擦系數(shù)，K＝1.05.

2 控制原理與控制電路設(shè)計

2.1 工作盤角度控制原理與自動回位原理

如圖2所示，工作盤圓周均勻分布有80個直徑為6.4mm的圓孔，用于插入公稱為M6的小螺栓，以控制工作盤工作轉(zhuǎn)動的角度，如此來控制鋼筋彎曲的角度.

圖2 工作盤工作原理圖

圓周為360°，所以相鄰兩孔間的夾角為：360°／80＝4.5°，所以一些比較特殊的角度可以用孔的數(shù)目表示出來：45°相當(dāng)于10個孔，90°相當(dāng)于20個孔；60°相當(dāng)于13.3個孔，允許有一定角度誤差，可以取整為13個；120°相當(dāng)于26.7個孔，可以取整為27個，以此類推，其它的特殊角度都可以用孔數(shù)表示出來，也可以在這些比較常用的角度相對應(yīng)的孔上做一定的標(biāo)記，以便識別.

如圖2所示，有兩個行程控制開關(guān)來控制角度與回位，左邊的行程開關(guān)1為角度行程控制開關(guān)，用于角度的控制，其操動器觸頭位于工作盤下方.當(dāng)小螺栓插在不同的孔位時，工作狀態(tài)下，當(dāng)螺栓下端碰觸到行程開關(guān)1的操動器后，行程開關(guān)的一個觸電斷開，另一個觸電接觸，工作盤便會反向轉(zhuǎn)動，直到回到原位（原點）才停止轉(zhuǎn)動.具體電路控制參看圖4和圖5.圖2行程開關(guān)4為回位行程控制開關(guān)，用于工作盤的自動回位控制，其操動器的觸頭位于工作盤的側(cè)壁，在側(cè)壁上設(shè)計有一個小孔用來進行原點位置的設(shè)定.工作原理為：在工作盤轉(zhuǎn)動時，其操動器處于壓縮狀態(tài)，例如在以上的情況下，當(dāng)工作盤轉(zhuǎn)動一定角度開始反轉(zhuǎn)的時候，工作盤的側(cè)壁孔位接觸回位行程開關(guān)4的操動器的觸頭時，觸頭在彈簧彈力作用下恢復(fù)原位，觸電斷開，于是工作盤停止工作.

2.2 控制面板與控制電路

此多功能鋼筋彎曲機的控制面板如圖3所示.控制電路圖如圖4～5所示.

2.3 控制過程

其具體控制如下（對照控制面板上的旋鈕、按鈕與電路圖）.

圖5 鋼筋彎曲機反轉(zhuǎn)時的電路圖

1）關(guān)機：Q斷開（此時旋鈕2打在2檔位）；開機：Q閉合（此時旋鈕2打在1或3檔位）.

2）點動：Q1斷開（此時旋鈕1打在1檔位）；連動：Q1閉合（此時旋鈕1打在2檔位）.

3）停車：常閉開關(guān)SB1控制.

4）順轉(zhuǎn)行程：旋鈕1處于檔位2連動，旋鈕2處于檔位1順轉(zhuǎn)行程；操作完成功能：工作盤順時針轉(zhuǎn)動達到所設(shè)定角度后自動反轉(zhuǎn)回到原點.

5）逆轉(zhuǎn)行程：旋鈕1處于檔位2連動，旋鈕2處于檔位3逆轉(zhuǎn)行程；操作完成功能：工作盤逆時針轉(zhuǎn)動達到所設(shè)定角度后自動反轉(zhuǎn)回到原點.

圖4到圖5的變化是旋鈕2由檔位1變到3，這個過程可以通過組合開關(guān)來實現(xiàn).

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)功能

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼筋彎曲機的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示：原動機為電動機，查閱文獻［5]，選型號為 Y100L2－4，傳動部分由V帶傳動、減速器、蝸輪蝸桿傳動構(gòu)成；執(zhí)行部分則由工作轉(zhuǎn)盤及其附屬零部件、孔眼條板上設(shè)置的各種工作裝置構(gòu)成；孔眼條板上的裝置包括可調(diào)擋架（如圖7所示）還有可調(diào)支撐（如圖8所示）等.其臺面布置如圖9所示.

圖6 鋼筋彎曲機的結(jié)構(gòu)

圖10為帶刻度的可調(diào)擋塊，其作用如下：

1）擋住鋼筋，保證鋼筋的彎曲.先取來鋼筋估計一下鋼筋的粗細，調(diào)節(jié)可調(diào)螺母，使擋塊可以在豎直方向（即孔眼條板的中心線方向）調(diào)節(jié)，以使鋼筋與擋塊的側(cè)壁表面貼合，保證鋼筋在彎曲的時候不會有蠕動等情況.

2）粗略測量鋼筋彎曲的長度.擋塊上邊設(shè)計有刻度，由于工作盤中心距板眼條板中心距離為250mm，所以可以設(shè)計擋塊中心的刻度為250，由于左右板眼條板都可能要用到擋塊，所以可以把刻度設(shè)計成左右對稱的，如圖10所示.這樣一來，擋塊左右都可以進行鋼筋長度的粗略估計.如圖12所示，開始工作時如有長度測量要求，可以在左右兩邊都放上一個擋架，右邊的擋塊可以利用可調(diào)擋塊來調(diào)整長度.鋼筋夾緊裝置（如圖11所示）的作用是把鋼筋和可調(diào)擋架的擋板進行夾緊，以完成矩形、正六邊形等彎曲形狀.

圖12 鋼筋彎曲機的示意圖

3.2 實現(xiàn)功能

此多功能鋼筋彎曲機可以彎制出各種形狀的鋼筋型材，供建筑和其他行業(yè)使用.列舉一些常用和常見的形狀如圖13所示.

圖13 鋼筋彎曲常見的幾何形狀

1）矩形的實現(xiàn)：其實現(xiàn)形式如圖14所示，首先如圖14（a），先在兩塊刻度擋塊下測量要彎曲的長度，再移去右邊的擋塊進行彎曲，如圖14（b），彎曲了90°，再把彎曲的90°角拿到左邊擋塊上，用90°的擋板加以固定，彎曲長度可以在左擋塊上讀出（粗略），在擋板上用鋼筋夾緊裝置夾緊鋼筋，再進行彎曲，得到結(jié)果如圖14（d）所示；同理再把剛彎曲好的90°角放置在左邊的擋塊并用90°擋板固定，并調(diào)整彎曲長度，如此反復(fù)，則可以將矩形（正方形，長方形）輕易地成型出來.

2）正六邊形的實現(xiàn)如圖15所示.原理同上面的矩形成型法，這里不敷述.

3）圓形的實現(xiàn)如圖16所示.

圖16 曲線鋼筋成型方法

4 結(jié) 語

該多功能鋼筋彎曲機總體設(shè)計結(jié)構(gòu)較為簡單，可以實現(xiàn)各種鋼筋形狀，易于操作，大大提高了工作人員的工作效率，控制電路簡單且易于掌握，控制面板也簡單易控，可以實現(xiàn)點動、連動、順轉(zhuǎn)行程（即順轉(zhuǎn)彎曲達到預(yù)定角度后自動回位）、逆轉(zhuǎn)行程（即逆轉(zhuǎn)彎曲達到預(yù)定角度后自動回位），同時具有行走輪，便于轉(zhuǎn)移.使用時要注意一些事項：①進行鋼筋加工時先進行試彎，找到需要彎曲角度所需要的孔在圓周上的位置；②擋塊上所設(shè)計的刻度只是給予粗略讀取鋼筋的長度，同時起到標(biāo)記位的作用.因為彎曲后鋼筋的長度可能有所變化，所以要得到理想的長度，也要進行試驗，找到較為理想的刻度標(biāo)記；③由于有些零部件設(shè)計成利用螺栓的預(yù)緊力來緊固，所以要保證預(yù)緊力足夠大，使得緊固可靠.

參考文獻：

［1]蘇祥茂，莫章金，黃聲武.建筑施工機械［M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1998：128.

［2]吳學(xué)松.兩種新型鋼筋彎曲機－GW32、GW40［J].建筑機械化，1987（5）：26－27.

［3]張學(xué)軍.鋼筋機械及預(yù)應(yīng)力機械使用手冊［M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［4]孟志良，李宏斌，程亞鵬，等.建筑機械［M].北京：科學(xué)出版社，2001：192－193.

［5]成大先.機械設(shè)計手冊［M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.