劉子金，魯衛(wèi)濤，肖 飛

（中國(guó)建筑科學(xué)研究院 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000）

鋼筋調(diào)直切斷機(jī)能耗試驗(yàn)方法研究

劉子金，魯衛(wèi)濤，肖 飛

（中國(guó)建筑科學(xué)研究院 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000）

針對(duì)鋼筋調(diào)直切斷機(jī)綠色性能評(píng)價(jià)提出了電能消耗試驗(yàn)方法，分析了調(diào)直機(jī)構(gòu)和切斷機(jī)構(gòu)電能消耗的影響因素，明確了標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況、試驗(yàn)用鋼筋、試驗(yàn)用儀器、試驗(yàn)過(guò)程和能效計(jì)算公式，對(duì)推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、研發(fā)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品具有重要指導(dǎo)作用。

鋼筋機(jī)械；調(diào)直切斷；能耗；試驗(yàn)方法

隨著人們對(duì)綠色環(huán)保型施工設(shè)備需求的日益提高，如何界定是否為節(jié)能環(huán)保型建筑施工設(shè)備問(wèn)題越來(lái)越引起社會(huì)重視。鋼筋調(diào)直切斷加工機(jī)械是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程施工的重要設(shè)備之一，為了引領(lǐng)施工企業(yè)積極采用節(jié)能環(huán)保型鋼筋加工機(jī)械，推動(dòng)綠色施工和綠色建筑發(fā)展，開(kāi)展鋼筋調(diào)直切斷加工機(jī)械能耗試驗(yàn)方法研究具有十分重要意義。

鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的調(diào)直機(jī)構(gòu)按照調(diào)直方式主要分為調(diào)直筒矯直塊矯直、調(diào)直筒曲線輥矯直、單（多）方向平行輥矯直、平行輥與調(diào)直筒組合矯直，如圖1、圖2、圖3、圖4所示。切斷機(jī)構(gòu)按照切斷動(dòng)力源提供方式主要分為液壓切斷和機(jī)械切斷；按照切斷時(shí)刻是否運(yùn)動(dòng)主要分為固定切斷和隨動(dòng)切斷（簡(jiǎn)稱飛剪），如圖5、圖6所示。鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的電能消耗主要集中在調(diào)直和切斷兩部分，調(diào)直切斷方式不同，對(duì)鋼筋加工速度、調(diào)直直線度、切斷長(zhǎng)度誤差和橫肋肋損影響是不同的，對(duì)加工鋼筋時(shí)的耗能大小具有直接影響。

圖1 調(diào)直筒矯直塊矯直

圖2 調(diào)直筒曲線輥調(diào)直

圖3 單（多）方向平行輥矯直

圖4 平行輥與調(diào)直筒組合矯直

圖5 機(jī)械式（或液壓式）固定剪切

圖6 機(jī)械式（或液壓式）隨動(dòng)剪切

1 鋼筋調(diào)直能耗影響因素分析

鋼筋調(diào)直主要通過(guò)不同類(lèi)別調(diào)直機(jī)構(gòu)消除鋼筋收卷時(shí)產(chǎn)生的螺旋內(nèi)應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)：鋼筋直徑越大、強(qiáng)度越高、延性越高、加工速度越快，調(diào)直時(shí)所需牽引力和調(diào)直筒旋轉(zhuǎn)阻力越大，加工相同數(shù)量的鋼筋時(shí)所需能耗越高；矯直塊偏心距離越大、矯直平行輥內(nèi)槽曲率半徑越大、鋼筋向前運(yùn)動(dòng)調(diào)直時(shí)鋼筋接觸面包角越大，所需能耗越高；設(shè)置矯直輪組數(shù)量越多或調(diào)直筒內(nèi)調(diào)直塊數(shù)量越多，所需能耗越大；帶肋鋼筋相對(duì)于不帶肋鋼筋加工所需能耗要高，調(diào)直精度越高所需能耗越高，起制動(dòng)時(shí)需要克服旋轉(zhuǎn)零部件的慣性，起制動(dòng)頻次越高耗能越大。

2 鋼筋切斷能耗影響因素分析

根據(jù)鋼筋切斷力計(jì)算公式P=πd2×0.9σb/4可知，鋼筋切斷力的大小不僅與鋼筋直徑d有關(guān)，而且與鋼筋抗拉極限強(qiáng)度σb有關(guān)。根據(jù)鋼筋切斷機(jī)功率計(jì)算公式：可知，鋼筋切斷能耗與電機(jī)軸端阻力矩M、電機(jī)軸端轉(zhuǎn)速n和傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率η有關(guān)。電機(jī)軸端阻力矩與鋼筋切斷力有關(guān)，切斷力越大所需輸出力矩越高；電機(jī)軸端輸出轉(zhuǎn)速與動(dòng)刀切斷頻率有關(guān)，在一定傳動(dòng)減速比下，轉(zhuǎn)速越高切斷頻率越高。傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率與傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有關(guān)，不同類(lèi)型的傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率是不同的，如V型皮帶傳動(dòng)效率取0.96，齒輪傳動(dòng)效率取0.97，還有曲柄滑塊傳動(dòng)效率、聯(lián)軸器傳動(dòng)效率、軸承傳動(dòng)效率等，傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)效率為從電機(jī)輸出軸到動(dòng)刀片之間各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率的乘積。因此鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的切斷能耗主要與鋼筋直徑、鋼筋抗拉極限強(qiáng)度、切斷機(jī)切斷頻次和傳動(dòng)系統(tǒng)效率等主要因素有關(guān)。由于鋼筋切斷是一個(gè)斷續(xù)過(guò)程，切斷時(shí)刻切斷力峰值較大，非切斷時(shí)刻處于空載狀態(tài)，為了降低能耗，在傳動(dòng)系統(tǒng)中增設(shè)飛輪機(jī)構(gòu)，以減少峰值時(shí)的能耗。

3 鋼筋調(diào)直切斷機(jī)能耗試驗(yàn)方法研究

鋼筋調(diào)直切斷機(jī)加工鋼筋能耗主要集中在調(diào)直和切斷兩部分，調(diào)直和切斷兩個(gè)過(guò)程既有同步工作時(shí)刻，也有非同步工作時(shí)刻，而且大部分工作為調(diào)直時(shí)間。影響鋼筋調(diào)直切斷機(jī)能耗因素是多方面的，為了使能耗試驗(yàn)?zāi)苡幸粋€(gè)統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，我們通過(guò)研究確定對(duì)試驗(yàn)工況、試驗(yàn)用鋼筋、鋼筋定尺長(zhǎng)度和加工鋼筋數(shù)量做了統(tǒng)一規(guī)定。試驗(yàn)用鋼筋采用HRB400熱軋帶肋鋼筋，試驗(yàn)工況規(guī)定設(shè)備最大加工鋼筋規(guī)格直徑，包括單筋和雙筋。關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)速問(wèn)題，對(duì)于定速、可調(diào)速或者多檔牽引速度的鋼筋調(diào)直切斷機(jī)，應(yīng)調(diào)節(jié)到與可加工最大規(guī)格單筋或雙筋最經(jīng)濟(jì)加工速度相對(duì)應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，由制造企業(yè)確定，并在檢測(cè)報(bào)告中明確。對(duì)于具有預(yù)設(shè)置鋼筋加工參數(shù)的設(shè)備和沒(méi)有預(yù)設(shè)置鋼筋加工參數(shù)的設(shè)備統(tǒng)一按照連續(xù)加工一個(gè)試驗(yàn)周期進(jìn)行，加工鋼筋數(shù)量以3m、6m、9m各5個(gè)工作循環(huán)為一試驗(yàn)周期，測(cè)取從啟動(dòng)到加工完成的全過(guò)程加工用時(shí)，其中包含了加工參數(shù)中間調(diào)整過(guò)程的輔助用時(shí)。

國(guó)外鋼筋加工機(jī)械的電能消耗用在某一加工鋼筋平均每小時(shí)電能消耗量條件下，加工每噸鋼筋的電能消耗值來(lái)評(píng)價(jià)；我們通過(guò)研究確定采用電能消耗效率（簡(jiǎn)稱能效）即設(shè)備在規(guī)定加工HRB400最大規(guī)格直徑鋼筋工況下每消耗一度電能所能加工鋼筋的質(zhì)量指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，兩者沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，形成互為倒數(shù)關(guān)系。

電能消耗測(cè)量使用一種多參數(shù)電量檢測(cè)智能儀表與上位機(jī)軟件程序相結(jié)合的電能消耗測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用高精度多功能電參數(shù)儀表，同時(shí)配合使用Modbus協(xié)議通信器件，并采用基于C#程序語(yǔ)言的上位機(jī)軟件構(gòu)成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋調(diào)直切斷機(jī)能耗參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量。通過(guò)對(duì)鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的電耗測(cè)量，測(cè)取電能消耗數(shù)值，結(jié)合加工效率對(duì)鋼筋調(diào)直切斷機(jī)能效指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。鋼筋調(diào)直切斷機(jī)電能消耗測(cè)量和測(cè)量接線如圖7、圖8所示。

圖7 鋼筋調(diào)直切斷機(jī)電能消耗測(cè)量示意圖

圖8 電能消耗測(cè)量接線示意圖（三相四線法）

加工每組鋼筋用時(shí)間的測(cè)量，采用上位機(jī)軟件程序計(jì)時(shí)；加工每組鋼筋質(zhì)量的采用電子秤稱量。試驗(yàn)方法如下。

1）對(duì)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中鋼筋調(diào)直切斷機(jī)基本參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，并記錄填表。

2）按照電能消耗測(cè)量接線示意圖，將多功能電量檢測(cè)儀通過(guò)互感器接入到鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的控制箱電源線輸入端。

3）將試驗(yàn)用鋼筋穿入調(diào)直切斷機(jī)調(diào)制機(jī)構(gòu)，設(shè)定加工參數(shù)或做好人工上料準(zhǔn)備。

4）啟動(dòng)設(shè)備加工鋼筋，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)和測(cè)量鋼筋加工用電量消耗，以連續(xù)生產(chǎn)長(zhǎng)度分別為3m、6m、9m定尺鋼筋各5個(gè)工作循環(huán)為一個(gè)試驗(yàn)周期，一個(gè)試驗(yàn)周期加工結(jié)束后設(shè)備停機(jī)，計(jì)時(shí)結(jié)束。從上位機(jī)讀取加工用時(shí)間T（s）和電量值W（度），將一個(gè)試驗(yàn)周期加工的鋼筋用電子秤稱量其質(zhì)量M（kg）。

5）按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況連續(xù)進(jìn)行3個(gè)試驗(yàn)周期的鋼筋加工，3個(gè)試驗(yàn)周期鋼筋的加工和數(shù)據(jù)測(cè)量應(yīng)在同一臺(tái)設(shè)備、同一地點(diǎn)、同一鋼筋盤(pán)卷完成。

6）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果按下列公式，分別計(jì)算鋼筋調(diào)直切斷機(jī)電能消耗率、加工效率、能耗效率，計(jì)算結(jié)果應(yīng)記錄填表

電能消耗率G

式中 G——單位時(shí)間的電能消耗，kWh/h；

W—— 一組鋼筋電量消耗值，kWh；

T——一組鋼筋加工用時(shí)間，s。

加工效率Q

式中 Q——鋼筋加工效率，t/h；

M——一組加工鋼筋質(zhì)量，kg。

能耗效率E

式中 E—— 鋼筋調(diào)直切斷機(jī)能效，t/kWh。

7）取3次試驗(yàn)結(jié)果中能效E值的算術(shù)平均值為最終試驗(yàn)結(jié)果。

4 鋼筋調(diào)直切斷機(jī)能耗數(shù)據(jù)測(cè)試

根據(jù)上述確定的鋼筋調(diào)直切斷機(jī)能耗試驗(yàn)方法，我們對(duì)某一公司生產(chǎn)的GT5-12鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的能耗進(jìn)行了測(cè)試。該設(shè)備采用平行輥調(diào)直、機(jī)械飛剪切斷方式加工鋼筋。選擇直徑8mm和直徑10mm兩種HRB400規(guī)格鋼筋進(jìn)行試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：該設(shè)備加工直徑8mm的HRB400鋼筋能耗效率為0.3649t/kWh，加工效率為1.9907t/h，電能消耗率為5.4561kWh/h，每組鋼筋的計(jì)算值離散度很小，能效相對(duì)誤差最大僅為0.6%。如果用國(guó)外常用的平均能耗指標(biāo)來(lái)計(jì)算，只要計(jì)算能效指標(biāo)的倒數(shù)即為加工每噸鋼筋的電能消耗值，本機(jī)加工每噸鋼筋平均能耗值為2.7405kWh。

5 研究結(jié)論

鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的能耗試驗(yàn)方法研究是在參考我國(guó)其它主要工程機(jī)械能耗試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行的，該技術(shù)成果已形成協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)填補(bǔ)了我國(guó)鋼筋加工機(jī)械能耗效率試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的空白。通過(guò)對(duì)設(shè)備的檢測(cè)驗(yàn)證，該試驗(yàn)方法是可行的，測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和各性能指標(biāo)計(jì)算與設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際狀況是相符合的，能夠應(yīng)用到鋼筋機(jī)械綠色性能評(píng)價(jià)方法中。

［1］GXB/TY0025-2014，輪胎式裝載機(jī)燃油消耗試驗(yàn)方法［S］.

［2］ GXB/TY0026-2014，液壓挖掘機(jī)燃油消耗試驗(yàn)方法［S］.

［3］JB/T12078，建筑施工機(jī)械與設(shè)備鋼筋調(diào)直切斷機(jī)［S］.

［4］侯寶佳.我國(guó)綠色施工機(jī)械發(fā)展研究［J］.建筑機(jī)械化，2015，（4）：27-31.

［5］吳學(xué)松.液壓挖掘機(jī)油耗測(cè)試與綠色性能評(píng)價(jià)探討［J］.建筑機(jī)械化，2015，（4）：32-35.

（編輯 吳學(xué)松）

Research of reinforcing bars straighten cutter energy consumption

LIU Zi-jin， LU Wei-tao， XIAO Fei

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“綠色建造與施工協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（2012BAJ03B01）

TU64+9

B

1001-1366（2015）08-0025-04

2015-06-15