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(jī)是用來(lái)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(zhuān)業(yè)設(shè)備.輸電鐵塔基礎(chǔ)施工過(guò)程中，需要大量的鋼筋材料，一般鋼筋經(jīng)常需要進(jìn)行一定彎曲以滿(mǎn)足工程需要.目前工程上使用較為廣泛的是國(guó)產(chǎn)GW40型電動(dòng)鋼筋彎曲機(jī)，其特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)，能將直徑在40mm以下的鋼筋彎制成各種角度［1].我國(guó)對(duì)鋼筋彎曲成形的技術(shù)也達(dá)到很高的水平，鋼筋彎曲機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)了多種型號(hào)和彎曲類(lèi)型，如由中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑機(jī)械化研究所與沈陽(yáng)市建筑施工機(jī)械廠共同研制的GW32型、GW40型鋼筋彎曲機(jī)，于1986年11月相繼在沈陽(yáng)和合肥通過(guò)了部級(jí)技術(shù)鑒定.這兩種新型的鋼筋彎曲機(jī)都是在參照國(guó)外樣機(jī)的基礎(chǔ)上并結(jié)合我國(guó)的具體國(guó)情研制成功的換代新產(chǎn)品.其中GW32彎曲機(jī)填補(bǔ)了我國(guó)鋼筋彎曲機(jī)系列產(chǎn)品的空白［2].

本文設(shè)計(jì)的鋼筋彎曲機(jī)是針對(duì)鋼筋直徑為12～30mm 20MnSi設(shè)計(jì)的，其型號(hào)為 GW30，相對(duì)于GW40型、GW32型來(lái)說(shuō)有了一些改進(jìn)，主要是在控制和模具的改進(jìn)方面.控制方面對(duì)角度控制和自動(dòng)回位控制做了一定的設(shè)計(jì).傳統(tǒng)的手動(dòng)型鋼筋彎曲機(jī)是采用點(diǎn)動(dòng)按鈕設(shè)計(jì)的，在打彎鋼筋和歸位時(shí)，手都要一直按住按鈕，勞動(dòng)強(qiáng)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(lài)于工人操作的熟練程度［3].相對(duì)傳統(tǒng)彎曲機(jī)需要人工操作才可以回位來(lái)說(shuō)，本鋼筋彎曲機(jī)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(duì)于模具來(lái)說(shuō)，盡量設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，且設(shè)計(jì)各種可以調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)，使得模具具有通用性，對(duì)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(jìn)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(duì)于大批件的加工來(lái)說(shuō)，更可以體現(xiàn)本鋼筋彎曲機(jī)的高效率.

1 鋼筋彎曲受力分析與計(jì)算

1.1 工作狀態(tài)

鋼筋受力情況及計(jì)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(duì)鋼筋的作用力；Fr為F的徑向分力；α為F與鋼筋軸線(xiàn)夾角.

當(dāng)MT一定時(shí)，α越大則拔料桿及主軸徑向負(fù)荷越??；α＝arccos（L1／L2），L2一定，L0越大，則α越大，因此，彎曲機(jī)的工作盤(pán)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(guò)材料的額定延伸率，鋼筋應(yīng)力超過(guò)屈服極限產(chǎn)生塑性變形.

1.3 材料達(dá)到屈服極限時(shí)的始彎矩

根據(jù)設(shè)計(jì)條件按Φ30螺紋鋼筋公稱(chēng)直徑計(jì)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(jì)手冊(cè)中查取，K1為截面系數(shù)，對(duì)圓截面K1＝1.7.

［4]，對(duì)于20MnSi可以進(jìn)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(guò)程剛剛開(kāi)始主要是彈性變形，接著將發(fā)生塑性變形，當(dāng)其達(dá)到屈服極限之后開(kāi)始變形硬化（強(qiáng)化），將產(chǎn)生變形硬化后的終彎矩：

式中，K1為相對(duì)強(qiáng)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(jì)計(jì)算20MnSiΦ30鋼筋（σb≤490 N／mm2）彎曲所需彎矩：

式中，K為彎曲時(shí)的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，K＝1.05.

2 控制原理與控制電路設(shè)計(jì)

2.1 工作盤(pán)角度控制原理與自動(dòng)回位原理

如圖2所示，工作盤(pán)圓周均勻分布有80個(gè)直徑為6.4mm的圓孔，用于插入公稱(chēng)為M6的小螺栓，以控制工作盤(pán)工作轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，如此來(lái)控制鋼筋彎曲的角度.

圖2 工作盤(pán)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(lái)：45°相當(dāng)于10個(gè)孔，90°相當(dāng)于20個(gè)孔；60°相當(dāng)于13.3個(gè)孔，允許有一定角度誤差，可以取整為13個(gè)；120°相當(dāng)于26.7個(gè)孔，可以取整為27個(gè)，以此類(lèi)推，其它的特殊角度都可以用孔數(shù)表示出來(lái)，也可以在這些比較常用的角度相對(duì)應(yīng)的孔上做一定的標(biāo)記，以便識(shí)別.

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

2.2 控制面板與控制電路

此多功能鋼筋彎曲機(jī)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(guò)程

其具體控制如下（對(duì)照控制面板上的旋鈕、按鈕與電路圖）.

圖5 鋼筋彎曲機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的電路圖

1）關(guān)機(jī)：Q斷開(kāi)（此時(shí)旋鈕2打在2檔位）；開(kāi)機(jī)：Q閉合（此時(shí)旋鈕2打在1或3檔位）.

2）點(diǎn)動(dòng)：Q1斷開(kāi)（此時(shí)旋鈕1打在1檔位）；連動(dòng)：Q1閉合（此時(shí)旋鈕1打在2檔位）.

3）停車(chē)：常閉開(kāi)關(guān)SB1控制.

4）順轉(zhuǎn)行程：旋鈕1處于檔位2連動(dòng)，旋鈕2處于檔位1順轉(zhuǎn)行程；操作完成功能：工作盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到所設(shè)定角度后自動(dòng)反轉(zhuǎn)回到原點(diǎn).

5）逆轉(zhuǎn)行程：旋鈕1處于檔位2連動(dòng)，旋鈕2處于檔位3逆轉(zhuǎn)行程；操作完成功能：工作盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到所設(shè)定角度后自動(dòng)反轉(zhuǎn)回到原點(diǎn).

圖4到圖5的變化是旋鈕2由檔位1變到3，這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)組合開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn).

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)功能

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼筋彎曲機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示：原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，查閱文獻(xiàn)［5]，選型號(hào)為 Y100L2－4，傳動(dòng)部分由V帶傳動(dòng)、減速器、蝸輪蝸桿傳動(dòng)構(gòu)成；執(zhí)行部分則由工作轉(zhuǎn)盤(pán)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(tái)面布置如圖9所示.

圖6 鋼筋彎曲機(jī)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(lái)鋼筋估計(jì)一下鋼筋的粗細(xì)，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(xiàn)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(shí)候不會(huì)有蠕動(dòng)等情況.

2）粗略測(cè)量鋼筋彎曲的長(zhǎng)度.擋塊上邊設(shè)計(jì)有刻度，由于工作盤(pán)中心距板眼條板中心距離為250mm，所以可以設(shè)計(jì)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(jì)成左右對(duì)稱(chēng)的，如圖10所示.這樣一來(lái)，擋塊左右都可以進(jìn)行鋼筋長(zhǎng)度的粗略估計(jì).如圖12所示，開(kāi)始工作時(shí)如有長(zhǎng)度測(cè)量要求，可以在左右兩邊都放上一個(gè)擋架，右邊的擋塊可以利用可調(diào)擋塊來(lái)調(diào)整長(zhǎng)度.鋼筋?yuàn)A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(jìn)行夾緊，以完成矩形、正六邊形等彎曲形狀.

圖12 鋼筋彎曲機(jī)的示意圖

3.2 實(shí)現(xiàn)功能

此多功能鋼筋彎曲機(jī)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(jiàn)的形狀如圖13所示.

圖13 鋼筋彎曲常見(jiàn)的幾何形狀

1）矩形的實(shí)現(xiàn)：其實(shí)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(cè)量要彎曲的長(zhǎng)度，再移去右邊的擋塊進(jìn)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(zhǎng)度可以在左擋塊上讀出（粗略），在擋板上用鋼筋?yuàn)A緊裝置夾緊鋼筋，再進(jìn)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(zhǎng)度，如此反復(fù)，則可以將矩形（正方形，長(zhǎng)方形）輕易地成型出來(lái).

2）正六邊形的實(shí)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(shí)現(xiàn)如圖16所示.

圖16 曲線(xiàn)鋼筋成型方法

4 結(jié) 語(yǔ)

該多功能鋼筋彎曲機(jī)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可以實(shí)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(jiǎn)單且易于掌握，控制面板也簡(jiǎn)單易控，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)、連動(dòng)、順轉(zhuǎn)行程（即順轉(zhuǎn)彎曲達(dá)到預(yù)定角度后自動(dòng)回位）、逆轉(zhuǎn)行程（即逆轉(zhuǎn)彎曲達(dá)到預(yù)定角度后自動(dòng)回位），同時(shí)具有行走輪，便于轉(zhuǎn)移.使用時(shí)要注意一些事項(xiàng)：①進(jìn)行鋼筋加工時(shí)先進(jìn)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(jì)的刻度只是給予粗略讀取鋼筋的長(zhǎng)度，同時(shí)起到標(biāo)記位的作用.因?yàn)閺澢箐摻畹拈L(zhǎng)度可能有所變化，所以要得到理想的長(zhǎng)度，也要進(jìn)行試驗(yàn)，找到較為理想的刻度標(biāo)記；③由于有些零部件設(shè)計(jì)成利用螺栓的預(yù)緊力來(lái)緊固，所以要保證預(yù)緊力足夠大，使得緊固可靠.

參考文獻(xiàn)：

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