一種多功能鋼筋彎曲機的結構設計

柏才行 孟遂民 何嬌嬌

（三峽大學 電氣與新能源學院，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設備.輸電鐵塔基礎施工過程中，需要大量的鋼筋材料，一般鋼筋經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GW40型電動鋼筋彎曲機，其特點是構造簡單、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也達到很高的水平，鋼筋彎曲機已經出現了多種型號和彎曲類型，如由中國建筑科學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上并結合我國的具體國情研制成功的換代新產品.其中GW32彎曲機填補了我國鋼筋彎曲機系列產品的空白［2].

本文設計的鋼筋彎曲機是針對鋼筋直徑為12～30mm 20MnSi設計的，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計.傳統的手動型鋼筋彎曲機是采用點動按鈕設計的，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建筑和其他行業的需要.對于模具來說，盡量設計簡單實用，且設計各種可以調節的機構，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.工人進行一定的訓練，操作熟練后則生產效率有大幅提高，當然對于大批件的加工來說，更可以體現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

鋼筋受力情況及計算有關的幾何尺寸標記如圖1所示.

圖1 鋼筋的受力分析

設彎曲鋼筋所需彎矩：

式中，F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MT一定時，α越大則拔料桿及主軸徑向負荷越?。沪粒絘rccos（L1／L2），L2一定，L0越大，則α越大，因此，彎曲機的工作盤應加大直徑，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范規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，鋼筋應力超過屈服極限產生塑性變形.

1.3 材料達到屈服極限時的始彎矩

根據設計條件按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，其抗彎截面模數W在設計手冊中查取，K1為截面系數，對圓截面K1＝1.7.

［4]，對于20MnSi可以進行180°彎轉，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，接著將發生塑性變形，當其達到屈服極限之后開始變形硬化（強化），將產生變形硬化后的終彎矩：

式中，K1為相對強化系數，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

根據以上的設計計算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，K＝1.05.

2 控制原理與控制電路設計

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目表示出來：45°相當于10個孔，90°相當于20個孔；60°相當于13.3個孔，允許有一定角度誤差，可以取整為13個；120°相當于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表示出來，也可以在這些比較常用的角度相對應的孔上做一定的標記，以便識別.

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

1）關機：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SB1控制.

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

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

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來實現.

3 結構設計與實現功能

3.1 結構設計

鋼筋彎曲機的結構設計如圖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、蝸輪蝸桿傳動構成；執行部分則由工作轉盤及其附屬零部件、孔眼條板上設置的各種工作裝置構成；孔眼條板上的裝置包括可調擋架（如圖7所示）還有可調支撐（如圖8所示）等.其臺面布置如圖9所示.

圖6 鋼筋彎曲機的結構

圖10為帶刻度的可調擋塊，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，調節可調螺母，使擋塊可以在豎直方向（即孔眼條板的中心線方向）調節，以使鋼筋與擋塊的側壁表面貼合，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擋塊來調整長度.鋼筋夾緊裝置（如圖11所示）的作用是把鋼筋和可調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：其實現形式如圖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，并調整彎曲長度，如此反復，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）圓形的實現如圖16所示.

圖16 曲線鋼筋成型方法

4 結 語

該多功能鋼筋彎曲機總體設計結構較為簡單，可以實現各種鋼筋形狀，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，可以實現點動、連動、順轉行程（即順轉彎曲達到預定角度后自動回位）、逆轉行程（即逆轉彎曲達到預定角度后自動回位），同時具有行走輪，便于轉移.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擋塊上所設計的刻度只是給予粗略讀取鋼筋的長度，同時起到標記位的作用.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記；③由于有些零部件設計成利用螺栓的預緊力來緊固，所以要保證預緊力足夠大，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：重慶大學出版社，1998：128.

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

［3]張學軍.鋼筋機械及預應力機械使用手冊［M].北京：中國建筑工業出版社，1997.

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

［5]成大先.機械設計手冊［M].北京：化學工業出版社，1998.