钢筋调直机双槽辊输入轴的静力分析

陈士忠，王永华，陈博，吴玉厚

（沈阳建筑大学交通与机械工程学院，辽宁 沈阳 110168）

钢筋调直机双槽辊输入轴的静力分析

陈士忠，王永华，陈博，吴玉厚

（沈阳建筑大学交通与机械工程学院，辽宁 沈阳 110168）

为了研究钢筋施加给不同直径调直辊的载荷对双槽辊输入轴的影响，运用三维软件Solidworks，对钢筋调直机部分机体进行建模，并且使用有限元分析软件Ansys Workbench，对不同直径调直辊施加相同的载荷，进而对双槽辊输入轴进行应力应变分析。模拟得出双槽辊输入轴的应力、应变的大小及分布。对模拟结果进行分析比较后得出，在对不同直径调直辊施加相同载荷时，双槽辊输入轴轴肩处出现应力最大值，在调直辊一侧的轴肩附近虽然有应力集中，但是即使是在调直辊直径最小123mm时，其最大应力也仅为389.68MPa，远小于材料屈服应力540MPa，且其安全系数也满足要求。

双槽辊输入轴；Solidworks；Ansys Workbench；安全系数；静态分析

0 引言

钢筋调直机是钢筋加工必不可少的设备之一，近年来各生产厂家为了提高产品的技术性能，不断优化结构，努力降低生产成本，并不断开发新的机型［1］，钢筋调直机是钢筋后期的加工过程中不能够缺少的调直设备［2］。在调直钢筋的过程中，双槽辊输入轴起到了至关重要的作用，它是组成钢筋调直机的主要零件，同时也是支撑轴上零件、传递运动和动力的关键部件［3］。实际设计中，强度计算和结构设计相互影响、相互关联，需要不断地交互进行。有限元技术［4］经过迄今约半个世纪的发展，已经日趋成熟应用，它发挥着越来越重要的作用在近乎所有的工程设计领域中。国内外各个厂家已经在各种零件设计中广泛地应用有限元分析方法，并在机床基础件（如床身、立柱、框架等）和轴部件等静、动态特性分析计算中取得成就。西安交通大学张波、陈天宁［5］等在ANSYS环境中建立了机床阶梯轴部件的有限元动力学模型，并对阶梯轴部件进行了静、动态特性的计算和动态优化设计。武汉理工大学陈龙、文湘隆［6］等人以ANSYS为基础对各类轴进行了分析与优化设计。本文通过计算出输入轴与调直辊接触部分的最小直径，对不同直径的双槽下调直辊施加载荷，利用有限元分析软件Ansys Workbench对双槽辊输入轴进行分析，这样可以比较精确的掌握调直辊工作时双槽辊输入轴的应力和应变分布情况，为理论设计和实际工程应用提供了理论依据。

1 钢筋调直机的模型建立

利用Solidworks三维软件［7］对钢筋调直机进行建模，所设计的钢筋调直机主要有双槽下调直辊、双槽辊输入轴、活动架体、上调直辊、调压螺杆、介轮轴、箱体组成。

这种辊式调直机的理论基础是钢筋在弹塑性条件下，会有弹性势能的产生，所以会有弹复变形［8］的发生。不管钢筋其原始曲率的大小和弯曲方向，在辊式调直机的调直过程中，钢筋的残留曲率［9］会逐渐降低，甚至最后会大小相等。各个上调直辊的压下量［10］越来越小，被调直的钢筋的残留曲率也会越来越小直到接近零值，进而符合所需要的调直质量。在调直过程中，双槽辊输入轴承载着调直辊，通常辊式调直机在精调直辊前面要安装大压弯装置，也就是使钢筋实现大变形的调直辊，一般都是前三个调直辊［11］，本文主要研究第一个调直辊下的双槽辊输入轴。

通过上述调直原理可知，双槽辊输入轴和调直辊是主要的受力机构，因此主要来研究在钢筋的属性以及直径一定的情况下，不同直径调直辊下输入轴的受力情况，研究其结构特性，以为后续更进一步的优化奠定基础。

2 双槽辊输入轴的研究

2.1双槽辊输入轴材料属性设定

由于在调直过程中，双槽辊输入轴起到了至关重要的作用，它支承转动零件调直辊并与之一起回转以传递运动和动力，输入轴选用40Cr钢材，它是中碳调制钢，该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，该钢具有最佳的综合力学性能。

表1　双槽辊输入轴的材料参数（40Cr）

2.2双槽辊输入轴的模型

对轴进行结构设计时，如果按许用切应力来计算，只需要按轴所受的转矩来计算强度，简单方便，通常用这种方法来初步估算轴的直径。对于以传递转矩为主的传动轴和不重要的轴，也可作为最后计算结果。为了弥补弯矩的影响，可适当降低许用切应力。实心圆轴的强度条件［13］为：

写成设计公式［14］为：

式中：τT—切应力（MPa）；WT—轴的抗扭截面系数（mm3）；T—轴所受的转矩（N·mm）；［τ］T—许用切应力（MPa）。上式求出的直径，只宜作为承受转矩作用的轴段的最小直径。当轴上开有键槽时，应增大轴颈以考虑键槽对轴强度的削弱。当直径d≤100mm时，单键应增大5%～7%，双键应增大10%～15%。当直径d〉100mm时，单键应增大3%，双键应增大7%。最后将轴径圆整为标准直径。综合上面的计算可得双槽辊输入轴承载调直辊的部位直径为45mm。

调直辊是双槽的，在调直Φ6～10mm钢筋时，可以采用小直径槽辊那面来进行调直，在调直Φ10～14mm钢筋时，可以转换为大直径槽辊那面来进行调直。经过计算，可以得出调直辊的直径范围是123mm～153mm。

2.3双槽辊输入轴网格划分和施加载

（1）双槽辊输入轴网格划分。图1为双槽辊输入轴及调直辊的网格划分［15］，划分单元格是建立有限元模型的一个重要的影响因素，单元格的划分形式直接影响了计算的精度和计算量。本文中采用扫掠的方式划分来得到整个模型的网格结构，最后整个模型共得到34662个单元，58908个节点。

图1　双槽辊输入轴及调直辊

（2）施加载荷。根据手册［16］可得知钢筋的屈服强度400Mpa，抗拉抗压强度为360Mpa，极限强度为600Mpa，假设调直的钢筋直径为D=8mm，钢筋压弯时接触调直辊的部分取L=40mm。经过式（3）式（5）计算得出第一个调直辊所受的抗压力为361.728KN，达到极限强度时的力为602.88KN，屈服力为401.92KN，在第一个辊施加屈服力，施力在双槽下调直辊F1处，以此来看受到不同直径调直辊的压力时，双槽辊输入轴的变化。

2.4双槽辊输入轴应力变形分析

式（1）与式（2）可以得出双槽辊输入轴承载调直辊部分的直径为45mm，调直辊是在所选择材料的参数以及设定好钢筋的数值的情况下，设定为123mm～153mm，在这个直径范围内，需要做出双槽辊输入轴的静力分析。利用Ansys Workbench仿真出不同直径调直辊下的双槽辊输入轴的应力、应变分布图，如图2～图5所示。

图2　直径123mm调直辊下的双槽辊输入轴应力变形云图

图3　直径133mm调直辊下的双槽辊输入轴应力变形云图

图4　直径143mm调直辊下的双槽辊输入轴应力变形云图

图5　直径153mm调直辊下的双槽辊输入轴应力变形云图

由图2～图5可以看出双槽下调直辊直径为123mm时，当额定载荷全部加载于F1处时，双槽辊输入轴的最大应力为389.68MPa，最大变形为1.9484mm，最大应力与最大变形均出现在轴肩处。双槽下调直辊直径为133mm时，双槽辊输入轴的最大应力为334.21MPa，最大变形为1.6711mm，最大应力与最大变形均出现在轴肩处。双槽下调直辊直径为143mm时，双槽辊输入轴的最大应力为296.02MPa，最大变形为1.4801mm，最大应力与最大变形均出现在轴肩处。双槽下调直辊直径为153mm时，双槽辊输入轴的最大应力为271.19MPa，最大变形为1.3559mm，最大应力与最大变形均出现在轴肩处。综上可以得知随着调直辊直径增大，双槽辊输入轴应力最大的区域是在调直辊一侧与轴接触的轴肩处，该区域由于调直辊直径尺寸的变化，产生较大的应力集中。该区域在输入钢筋给调直辊的载荷状态下最大应力和最大变形如上所述，由于双槽辊输入轴的材料是40Cr，屈服极限为540MPa，在对不同直径的调直辊施加载荷下双槽辊输入轴的安全系数分别为［H1］=1.4，［H2］= 1.6，［H3］=1.8，［H4］=2.0。查阅相关手册，通常铸件的设计许用安全系数在1.6～2.5即可满足要求，对于变形，相对于轴肩处直径为50mm的双槽辊输入轴来说，这种变形量也是可以接受的。双槽辊输入轴的应力、应变随着调直辊直径增大时的变化趋势（略）。

3 结论

（1）双槽辊输入轴在调直辊调直过程中，轴肩处出现应力最大值，双槽辊输入轴应力变化与直径变化成反比关系，变形大小与直径变化也成反比关系，应力变化区域与直径变化成正比关系。

（2）由静力分析可知，双槽辊输入轴总体结构满足要求，在调直辊一侧的轴肩附近虽然有应力集中，但是即使是在调直辊直径最小123mm时，其最大应力也仅为389.68MPa，远小于材料屈服应力540MPa，且其安全系数也满足要求。

（3）双槽辊输入轴最大应力均出现轴肩处，并且最大变形量也均出现在轴肩处，所以必须对该区域结构加以改进，同时对该区域进行特殊的热处理，在后续研究可以进行优化。

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Reinforced Straightening Machine Dual Slot Roll Input Shaft Static Analysis

CHEN Shi-Zhong，WANG Yong-Hua，CHEN Bo，WU Yu-Hou
（School of Traffic and Mechanical Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang Liaoning 110168，China）

In order to study the influence of different diameters to Straightening roller load on the dual slot input shaft of the roll bar，use 3D software Solidworks，bar straightening machine for parts of the body modeling and finite element analysis software Ansys Workbench，Straightening rollers of different diameters for the same applied load，dual slot roll simulation results of the input shaft stress and strain of the size and distribution.After the results were analyzed and compared to simulation results，when straightening rollers of different diameters of the same load is applied，stress and changes in diameter is proportional to the area.Although the shoulder in the vicinity of the side of the roll straightening stress concentration，but even when the straightening roll minimum 123 mm diameter，maximum stress is only 389.68MPa，far less than the material yield stress 540MPa，and which also meet the requirements of the safety factor.

dual slot roll input shaft；Solidworks；Ansys Workbench；safety factor；static analysis

TU603

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-062-03

2015-02-05

住房和城乡建设部科学技术项目（2014-K3-010）

陈士忠（1979-），男，黑龙江绥化人，副教授，博士后。主要研究方向：建筑机械和质子交换膜燃料电池技术研究；通讯作者：王永华（1990-），女，辽宁沈阳人，硕士研究生。主要研究方向：建筑机械。