熱軋卷取設(shè)備芯軸的設(shè)計與研究

李建功，曲祥旭

(華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山063000)

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熱軋卷取設(shè)備芯軸的設(shè)計與研究

李建功，曲祥旭

(華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山063000)

摘要：熱軋卷取法為PHC管樁端板的生產(chǎn)提供了一種新的工藝，該方法充分利用了軋制后帶鋼的余熱并通過橫向卷取將帶鋼卷繞成螺旋形，后經(jīng)切割壓平焊接等工序得到端板毛坯。使用該方法的卷取設(shè)備中卷繞部分機(jī)構(gòu)尤為重要，需要對帶鋼的卡緊定位以及芯軸的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：熱軋卷取卷繞芯軸

0引言

PHC管樁指的是預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁，是一種空心圓柱型混凝土預(yù)制構(gòu)件，管樁端板是用于管樁兩端連接和固定預(yù)應(yīng)力鋼筋的重要構(gòu)件，材質(zhì)為Q235[1]。熱軋卷取法生產(chǎn)端板解決了以往加工方法中效率低和能源浪費(fèi)的問題，這種方法為PHC管樁端板的加工開創(chuàng)了一種新的路線[2]。卷取機(jī)構(gòu)的設(shè)計首先要考慮的是疊卷問題，因為如果產(chǎn)生疊卷,將會導(dǎo)致產(chǎn)品報廢甚至損壞機(jī)械設(shè)備[3]，根據(jù)實際加工經(jīng)驗，如果帶鋼前兩圈可以緊密的繞芯軸卷成螺旋形，就可以避免疊卷問題的產(chǎn)生[4-5]；其次根據(jù)實際PHC管樁端板尺寸的不同，在設(shè)計中要考慮可以卷取不同直徑端板的帶鋼。

整體示意圖如圖1。

1.電機(jī)；2.v帶輪；3.減速器；4.輥道；5.卷取軸；6.離合器；7.擋板。圖1　卷取機(jī)構(gòu)示意圖

1卷取過程

通過擋板及卷軸法蘭上的擋塊使帶鋼卡緊到芯軸下端，帶鋼隨著芯軸的轉(zhuǎn)動而卷繞到軸上。卷繞第一圈時由于楔形塊的擠壓使得第二圈形成螺旋形，從而避免疊卷。輥道承受帶鋼的支撐力。卷繞過程結(jié)束之后通過芯軸兩側(cè)的凹槽，使用工具實現(xiàn)卸卷。由梁的彎曲理論可知, 在芯軸橫截面積相同的情況下, 空芯截面抗彎剛度強(qiáng)于實心截面，因此, 通常選取空心截面的芯軸。通過有限元軟件ABAQUS將彎矩加載到芯軸的最外端時不同的空心截面應(yīng)力及應(yīng)變的大小，從而選取合適的空心截面尺寸[6]。

圖2　左側(cè)法蘭

選取一常用尺寸外徑φ500 mm/內(nèi)徑φ300 mm 厚20 mm的PHC管樁端板為例，卷軸的外徑φ300 mm，初選內(nèi)徑φ50 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖2,3,4所示。

帶鋼：Q235，屈服強(qiáng)度σs=235 MPa,抗拉強(qiáng)度σb=420 MPa。

圖3　芯軸　　　　　　　　圖4　裝配

芯軸：40 Cr， 屈服強(qiáng)度σs=785 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=980 MPa,外徑D=300 mm，長L=500 mm。

2彎矩計算

根據(jù)繞制成形過程建立帶鋼、芯軸、壓板三個部件模型[7]。由于芯軸和壓板的剛度遠(yuǎn)大于帶鋼，并且所關(guān)心對象是帶鋼的橫截面變形，采用三維解析剛體部件對芯軸和壓板進(jìn)行建模。在接觸分析中，接觸對的主面是芯軸和壓板，都為剛體部件，在分析中更容易收斂[8]。幾何模型如圖5所示。

計算結(jié)果，帶鋼應(yīng)力分布如圖6所示。

圖5　ABAQUS中三維模型　　　圖6　帶鋼應(yīng)力圖

從圖6中可看出，卷取成形過程中，帶鋼與芯軸的連接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，隨著帶鋼的繼續(xù)卷繞，應(yīng)力趨于穩(wěn)定。創(chuàng)建場變量輸出，得到帶鋼卷取時彎矩變化如圖7所示。

3芯軸強(qiáng)度分析

圖7　彎矩圖

得到帶鋼卷取時最大彎矩為2.6×104N·m，芯軸長L=500 mm，外徑D=300 mm。將最大彎矩施加到卷軸的最右端，通過ABAQUS分析比較空心直徑分別為50 mm，100 mm，150 mm時芯軸的應(yīng)力和應(yīng)變，結(jié)果如圖8-圖13。

圖8　內(nèi)徑d=50 mm時，應(yīng)力　　　　圖9　內(nèi)徑d=50 mm時，變形

圖10　內(nèi)徑d=100 mm時，應(yīng)力　　　　圖11　內(nèi)徑d=100 mm時，變形

圖12　內(nèi)徑d=150 mm時，應(yīng)力　　　　圖13　內(nèi)徑d=150 mm時，變形

由圖可以看出，芯軸外徑相同的情況下，內(nèi)徑由50 mm增加到150 mm時，應(yīng)力和應(yīng)變也隨之變大。從圖7、圖9、圖11應(yīng)力圖中可知最大值出現(xiàn)在芯軸的左端根部，為9.33 MPa，當(dāng)內(nèi)徑為φ150 mm時，施加彎矩之后芯軸末端最大位移s=0.034 9 mm。最大位移滿足要求，因此選定芯軸內(nèi)徑d=150 mm，工程圖如圖14。

圖14　芯軸工程圖

4芯軸校核

4.1外力分析

圖15　應(yīng)力分布圖

將卷取軸簡化為懸臂梁，將力和力偶施加到軸的末端。其中力F使軸在垂直平面內(nèi)發(fā)生彎曲，力偶Me使軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因此，軸上產(chǎn)生彎曲扭轉(zhuǎn)組合變形。

通過計算得到卷軸受力和施加在卷軸的彎矩分別為：

F=1.48×105NMe=2.6×107N·mm

4.2應(yīng)力分析

由于同時作用著彎矩和扭矩，所以在危險截面處將同時存在著彎曲正應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，圖中C、E兩點的正應(yīng)力和切應(yīng)力都達(dá)到最大值，故這兩點為危險點，這兩點的彎曲正應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力分別為：

(1)

建立強(qiáng)度條件

(2)

卷取軸為圓軸，故Wn=2Wz，并將(1)帶入(2)中按第三強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度條件為：

(3)

=333 764mm3

(4)

(5)

截面的計算直徑小于卷軸的實際直徑，軸的強(qiáng)度足夠。

5結(jié)論

以常用尺寸外徑φ500 mm/內(nèi)徑φ300 mm×厚20 mm的PHC管樁端板為例，初步設(shè)計了法蘭盤和芯軸的結(jié)構(gòu)。通過有限元軟件ABAQUS模擬了熱軋卷取法中帶鋼卷繞過程，從而得到最大彎矩，并以此校核了軸的強(qiáng)度。為實際生產(chǎn)中熱軋卷取機(jī)的設(shè)計及芯軸的優(yōu)化提供參考，并使熱軋卷取法生產(chǎn)圓環(huán)類零件得以更加廣泛的推廣，對降低成本和提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號：TG333.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)03-0018-03

作者簡介：李建功(1962-)，男，教授，本科，主要研究方向：機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)械動力學(xué)，計算機(jī)輔助工程。

收稿日期：2015-08-15

Design of the core shaft for the hot rolling and coiling apparatus

LI Jiangong, QU Xiangxu

Abstract:In this study, we provided a new technique for the production of the PHC pipe end plate by hot rolling and coiling, which makes full use of the waste heat after rolling, coils the strip steel into a spiral, and gets the end plate through cutting, flattening and welding. In this method, the winding mechanism of the coiling apparatus is especially important. Therefore, analysis of the positioning of the strip steel and the strength of the core shaft was carried out.

Keywords:hot rolling and coiling; winding; core shaft