Hiện nay, công nghệ bê tông dự ứng lực được áp dụng 100% trong xây dựng các công trình cầu đường. Công nghệ này cũng đang được ứng dụng phổ biến trong xây dựng nhà cao tầng, các kết cấu ống khói nhà máy, kết cấu bê tông thủy điện,…. Để có thể luồn cáp dự ứng lực vào kết cấu bê tông cần phải tạo lỗ trong khối bê tông. Máy cuốn ống gen là thiết bị sản xuất ra ống gen tạo lỗ trong khối bê tông với nhiều loại đường kính khác nhau phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng kết cấu. Do vậy nhu cầu về máy cuốn ông gen trong xây dựng cầu đường và xây dựng các công trình dân dụng, thủy lợi là rất lớn.
Trong nước có một số đơn vị bước đầu đã thiết kế chế tạo máy cuốn ống gen phục vụ cho công nghệ bê tông cốt thép dự ứng lực như bộ môn Gia công áp lực
trường đại học Bách Khoa Hà Nội ( chế tạo máy cho công ty cổ phần Cầu 12, Cầu 11, Cầu 7) . Trong khi các thiết bị hiện đại đang được sử dụng tại các đơn vị thi công chủ yếu là nhập ngoại của Trung Quốc, các thiết bị này có nhược điểm là nặng nề, khó di chuyển, việc nhập thiết bị máy móc kèm theo mua công nghệ nên giá thành cao. Các máy cuốn ống gen thường được các đơn vị thi công nhập để sử dụng hiện nay là: máy cuốn ống gen SBTF, SBKJ của hãng JIANGSU của Trung Quốc, máy cuốn ống gen LS của châu Âu, máy cuốn ống gen KQG 300 của hãng SUK, máy cuốn ống gen VSL của Thụy Sỹ,…Máy cuốn ống gen của một số đơn vị chế tạo trong nước vẫn còn tồn tại nhiều ưu nhược điểm như: Sử dụng nguồn động lực dẫn động là động cơ điện roto lồng sóc và sử dụng hộp số cơ khó để thay đổi tóc độ quay nên khởi động không êm dịu, thao tác cuốn ống rất khó, kém an toàn và dễ gây tai nạn cho người vận hành. Không có hệ thống bánh xe nên gây khó khăn trong việc di chuyển máy móc đến các vị trí khác nhau khi thi công ngoài công trường, thiết bị làm việc không ổn định, chất lượng ống gen chưa đạt yêu cầu.
Ống gen được sản xuất ra từ lá thép mạ kẽm có ưu điểm là nhẹ, độ dày bất kì, độ cứng cao, độ bền lý hóa cao, có thể ứng dụng trong cả ngành điện, viễn thông rất thuận tiện với giá thành hạ.
Hiện nay máy cuốn ống gen được sử dụng tại các đơn vị thi công trong nước chủ yếu là các thiết bị ngoại nhập với giá thành cao, các phụ tùng thay thế nhập ngoại ảnh hưởng đến công tác thay thế, sửa chữa thiết bị làm chậm tiến độ thi công các công trình, trọng lượng máy lớn nên việc di chuyển khó khăn.
Kết luận chương 1:
Trên cơ sở khảo sát về nhu cầu ống gen phục vụ công nghệ bê tông dự ứng lực và tình hình khai thác máy cuốn ống gen ta thấy trong thi công các công trình giao thông vận tải và các công trình dân dụng và công nghiệp chúng ta cần sử dụng hàng triệu mét ống gen các loại phục vụ thi công bê tông cốt thép dự ứng lực, nếu nhập ngoại thời gian cung cấp lâu, và rất tốn công vận chuyển. Gần đây ống gen đã được các đơn vị sản xuất trong nước đảm bảo thời gian cung cấp nhanh và giảm đáng kể giá thành, tuy nhiên, số lượng sản xuất ra vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng và chất lượng ống gen còn chưa được đảm bảo.Đứng trước thực tế đó, vấn đề nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy cuốn ống gen trong nước là rất cần thiết.
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH UỐN TẤM 2.1 Đặc điểm quá trình uốn kim loại
(Tham khảo tài liệu 3)
Khái niệm:
Uốn là một nguyên công nhằm biến đổi các phôi có trục thẳng thành các chi tiết có trục cong
Ứng dụng:
Hình 2.1: Một số dạng uốn
Sơ đồ lực tác dụng khi uốn:
Hình 2.2: Sơ đồ uốn trên khuôn dập
Quá trình uốn trên khuôn do tác động đồng thời cả chày và cối với các điểm dặt lực P và Q ở một khoảng cách nhất định. Lực P và Q sẽ tạo ra momen uốn làm thay đổi hình dạng của phôi. Trong quá trình uốn độ cong của phần phôi bị biến dạng sẽ tăng lên, các lớp kim loại ở mặt ngoài góc uốn thì bị kéo, các lớp bên trong bị nén.
Khi giảm bán kính uốn biến dạng dẻo sẽ bao trùm toàn bộ chiều dày của phôi. Khi góc uốn α= 900 độ dài vùng biến dạng dẻo gần bằng ¼ tay đòng uốn l
Đặc điểm của quá trình uốn kim loại là khi uốn các kim loại tấm để đạt được những chi tiết có kích thước và hình dạng cần thiết, người ta nhận thấy rằng với tỷ số chiều rộng và chiều dày của phôi khác nhau, với mức độ biến dạng khác nhau (tỷ số giữa bán kính uốn và chiều dày vật liệu khác nhau) và giá trị góc uốn khác nhau thì quá trình biến dạng xảy ra tại vùng uốn cũng có những đặc điểm khác nhau. Tại vùng uốn các thớ ngang vẫn phẳng và vuông góc với trục phôi. Các thớ dọc bị biến dạng khác nhau ở hai phía của phôi, các lớp kim loại ở phía trong góc uốn (phía bán kính nhỏ) thì bị nén và co ngắn theo hướng dọc đồng thời bị kéo và giãn dài theo hướng dọc và đồng thời bị nén và co ngắn theo hướng ngang, tạo thành độ cong ngang.
Khi uốn những dải phôi rộng (b > 2S), chiều dày vật liệu giảm, mặt cắt ngang của phôi bị thay đổi không đáng kể, có thể coi như không đổi bởi vì trở lực biến dạng của vật liệu có chiều rộng chống lại sự biến dạng theo hướng ngang. Khi đó các lớp kim loại ở phía trong góc uốn chỉ bị nén và co ngắn theo hướng dọc còn các lớp kim loại ở phía ngoài góc uốn chỉ bị kéo và giãn dài theo hướng dọc.
Khi uốn với mức độ biến dạng lớn, các lớp kim loại ở phía ngoài phôi bị kéo và giãn dài đáng kể, dễ gây ra hiện tượng nứt gẫy. Vì vậy khi cắt phôi uốn cần phải chú ý bố trí sao cho đường uốn vuông góc với thớ cán của phôi, tránh để đường uốn song song với thớ cán.
Tại vùng uốn có những lớp kim loại bị nén và co ngắn lại đồng thời có những lớp kim loại bị kéo và giãn dài theo hướng dọc vì vậy giữa các lớp đó thế nào cũng tồn tại một lớp có chiều dài bằng chiều dài ban đầu của phôi. Lớp này gọi là lớp trung hòa biến dạng.Lớp trung hòa biến dạng là cơ sở tốt nhất để xác định kích thước của phôi khi uốn và xác định bán kính uốn nhỏ nhất cho phép.
Khi uốn với bán kính uốn lớn, mức độ biến dạng ít, vị trí lớp trung hòa biến dạng nằm ở giữa chiều dày của dải phôi. Bán kính cong ρbd của lớp trung hòa được xác định theo công thức sau :ρbd = r + x.S
Trong đó:
r - bán kính uốn (mm)
S - chiều dày vật liệu (mm)
x - hệ số xác định khoảng cách lớp trung hòa đến bán kính uốn phía trong.
Biến dạng đàn hồi khi uốn
Đặc điểm :
Biến dạng đàn hồi gây ra sự biến đổi hình dạng kích thước của chi tiết sau khi uốn so với hình dạng kích thước của khuôn như bán kính uốn góc uốn:
Hình 2.3: Sự biến dạng đàn hồi khi uốn
Hậu quả
Khi có tải tác dụng lên phôi, các lớp kim loại nằm ở vùng kéo có biến dạng đàn hồi sẽ bị co ngắn lại, ở vùng nén bị giãn ra. Biến dạng đàn hồi khác nhau tại vùng kéo và vùng nén gây ra sự quay tiết diện ngang của phôi và tạo ra góc đàn hồi ∆α làm cho bán kính cong và góc uốn bị thay đổi
Xác định kích thước làm việc của khuôn có thêm biến dạng đàn hồi: rch=rđ/hồi- ∆r = rchi tiết- ∆r
αC = αđ/hồi ± ∆α = αchi tiết ± ∆α
2.2 Uốn liên tục
(Tham khảo tài liệu 2)
2.2.1 Nguyên lý uốn liên tục.
Bằng phương pháp uốn liên tục có thể sản xuất được nhiều chủng loại hình uốn và ống hàn.
Hình 2.4: Công nghệ uốn liên tục và biên dạng các sản phẩm
Các khâu công nghệ chính trong sản xuất hình uốn và ống hàn bao gồm: - Uốn phôi thành hình uốn hoặc phôi ống;
- Hàn phôi ống;
- Cán giảm đường kính (cán giảm kính) hoặc cán ổn định đường kính (cán định kính) ống để mở rộng kích thước và nâng cao chất lượng ống hàn.
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý uốn liên tục
Tùy theo yêu cầu sản xuất hình uốn hay ống hàn mà quy trình công nghệ sẽ bao gồm những khâu công nghệ cụ thể. Ví dụ, để sản xuất hình chữ U, chỉ sử dụng khâu công nghệ uốn phôi thành hình uốn, còn để sản xuất ống hàn ta phải sử dụng cả ba khâu công nghệ nêu trên (hình 2.5).
Quá trình uốn liên tục và quá trình uốn trong khuôn dập là các quá trình biến dạng dẻo theo chiều rộng phôi với độ cong tăng dần, còn chiều dày phôi không thay đổi. Tuy nhiên, có một điểm khác so với uốn trong khuôn dập là quá trình uốn liên
tục chịu ảnh hưởng của trạng thái ứng suất – biến dạng ở miền biến dạng ngoài cùng tiếp xúc giữa phôi và trục uốn.
Việc nghiên cứu lý thuyết quá trình uốn phôi càn xuất phát từ các giả thiết: - Mặt cong lồi và mặt cong lõm của phôi luôn luôn đồng tâm;
- Chiều dày phôi không biến đổi trong quá trình uốn;
- Sau biến dạng, tiết diện ngang của phôi vẫn phẳng và vuông góc với trục đối xứng của phôi;
- Trong quá trình uốn, giả thiết về biến dạng phẳng là đúng;
- Mặt ngoài và mặt trong phôi không chịu lực tác dụng bên ngoài (giả thiết này chỉ đúng đối với vùng biến dạng ngoài miền tiếp xúc).
Để khảo sát trạng thái ứng suất – biến dạng trong quá trình uốn, ta thiếp lập hệ trục tọa độ không gian Orzθ (hình 2.6): trục oz là đường sinh mặt cong phôi, trục or trùng với pháp tuyến mặt cong phôi tại điểm O, còn trục oθ trùng với tiếp tuyến mặt cong phôi tại điểm o. Như vậy có 3 ứng suất chính: σr- ứng suất pháp, σz – ứng suất dọc, σθ - ứng suất tiếp. Cả ba ứng suất σr, σz ,σθ đều chỉ phụ thuộc vào tọa độ r. Trong đó σθ>σz>σr .
Nếu ta lấy một phân tố phôi hình chữ nhật ABCD trên tiết diện ngang của phôi phảng ban đầu, thì sau khi biến dạng, phân tố đó biến dạng thành hình vành khăn A’B’C’D’ (hình 2.7).
Trên các lớp mặt ngoài phôi, kích thước của phân tố phôi tăng theo chiều tiếp tuyến phôi và giảm theo hướng pháp tuyến, còn trên lớp mặt trong phôi, kích thước của phân tố phôi giảm theo hướng tiếp tuyến và tăng theo hướng pháp tuyến. Như vậy, chiều dày phôi uốn bị chia thành 2 lớp có những đặc tính biến dạng trái ngược nhau và ắt hẳn giữa 2 lớp đó tồn tại một mặt cong mà kích thước các phân tố
Hình 2.9: Sơ đồ trạng thái ứng suất của phôi uốn tại miền biến
dạng trong và ngoài vùng tiếp xúc
a.Tại tiết diện phôi bị uốn b. Biến dạng ngoài vùng tiếp xúc c. Biến dạng trong vùng tiếp xúc
Hình 2.7: Tiết diện ngang của phân tố trước và sau biến dạng
Hình 2.8: Sơ đồ trạng thái ứng suất biến dạng trong uốn phôi với
các chiều rộng b và chiều dày s khác nhau
a, Trạng thái úng suất khối, biến dạng phẳng ( b >> s)
b, Trạng thái ứng suất phẳng, biến dạng khối (b ≈ s)
phôi trên đó theo hướng tiếp tuyến hoàn toàn không biến đổi. Ta gọi mặt cong đó là mặt cong trung hòa biến dạng và bán kính cong đó là bán kính trung hòa biến dạng ρbd. Hiện tượng đó có tính chất tức thời, ở các thời điểm uốn khác nhau có các mặt trung hòa biến dạng khác nhau.
Theo trục oθ (hình 2.6) có tác dụng của ứng suất tiếp σθ : trên các lớp mặt ngoài phôi – kéo, còn trên các lớp mặt trong phôi – nén. Lớp trung hòa ứng suất nằm ở lớp giữa chiều dày phôi và bán kính cong lớp trung hòa ứng suất đó gọi là bán kính trung hòa biến dạng ρưs.Theo trục oz có tác dụng của ứng suất kéo dọc σz.Khi phôi bị kéo, ứng suất kéo dọc σz ở lớp giữa chiều dày phôi sẽ không bằng 0 (đường chấm gạch trên hình 2.8). Theo trục or có tác dụng của ứng suất pháp nén σr
, giá trị của nó quá nhỏ, có thể coi bằng 0. Trong vùng ngoài miền tiếp xúc giá trị cực đại của σr tương ứng với lớp giữa chiều dày phôi (đường chấm gạch). Trên các lớp mặt ngoài và mặt trong phôi σr = 0. Trong quá trình uốn, chấp nhận sơ đồ trạng thái ứng suất phẳng đối với phôi.
Khi biến dạng phôi trong lỗ hình hàn, trạng thái ứng suất thay đổi: ứng suất tiếp nén σθ tác dụng trên toàn bộ chiều dày phôi, còn giá trị ứng suất pháp σr tăng.
Sơ đồ phẳng của trạng thái ứng suất trong quá trình uốn được thay thế bởi sơ đồ khối trong ép giảm bán kính.
Nếu σr.tb>σ . σ . , (trong đó: σr.tb - ứng suất pháp tuyến trung bình bằng một nửa giá trị cực đại, σθ.tb - ứng suất tiếp tung bình và σz.tb - ứng suất dọc trung bình bằng một nửa giá trị cực đại) thì quá trình ép giảm kính trong lỗ hình trục hàn sẽ làm tăng chiều dày phôi. Trên thực tế, sự tăng chiều dày của phôi không đáng kể.Chất lượng hàn khi đó phụ thuộc vào áp lực trên mép biên phôi trong lỗ hình trục hàn.Áp lực trong lỗ hình trục hàn phụ thuộc vào mức độ ép giảm kính.
Điều kiện cân bằng của phân tố phôi trong quá trình uốn được thể hiện bởi
phương trình vi phân: = ( ) (2.1)
Còn điều kiện dẻo được thể hiện bằng công thức:
Trong đó: σi – cường độ ứng suất.
Trên lớp mặt ngoài phôi có:r >ρưs và σθ hay σr >0, σθ> 0, σr< 0. Trong đó: ρưs – bán kính lớp trung hòa ứng suất.
Trên các lớp mặt trong phôi ta có:r <ρưs và σθ hay σr < 0, σθ< 0, σr> 0; Trên lớp trung hòa có: r = ρưs và σθ = σr.
Trong quá trình biến dạng dẻo, thể tích của bất kỳ một phân tố phôi nào cũng không đổi (định luật thể tích không đổi). Trước khi biến dạng, ta có lấy phân tố phôi hình chữ nhật ABCD, sau khi biến dạng, phân tố phôi này có dạng A’B’C’D’ (hình 2.7). Theo định luật thể tích không đổi ta có thể viết:
s0b0 = (rtrφ + rngφ)(rng – rtr) (2.3)
Nhưng rng – rtr = s (2.4)
Trong đó: s0 – chiều dày phôi ban đầu;s – chiều dày phôi trong quá trình uốn;b0
– chiều rộng phôi ban đầu.
Như vậy, từ (2.3) ta có thể suy ra:
rng + rtr = 2( ) (2.5)
Từ đó ta rút ra:rng = + và rtr = −
Hình uốn thường có chiều dày không lớn ( S = 1÷12 mm) và ít thay đổi trong quá trình biến dạng, nên ta có thể coi S0 = S ≈ const. Khi đó:
rng = + (2.6)
rtr = −
Tiếp theo, ta vẽ trên phân tố phôi ban đầu một mặt phẳng MN cách mặt phẳng DC một đoạn là y: MN = b0. Sau khi biến dạng, mặt phẳng MN biến thành mặt phẳng M’N’ và có độ dài bằng b (hình 2.7). Khi đó:
yb0 = (rtrφ + b)( – rtr)
Trong đó: b – chiều rộng của phôi trong quá trình uốn. Nhưng = r nên từ phương trình (1.6) ta rút ra:
b2 = − 2φ2 + 2b0yφ (2.7) Để thiết lập được tính chất biến đổi của chiều rộng phân tố phôi đang khảo sát ta lấy đạo hàm phương trình (2.7) theo φ:
2b = b0(2y – S) + (2.8)
Nếu vế phải của phương trình (2.8) dương thì chiều rộng phân tố phôi giãn dài, còn nếu ấm, thì chiều rộng phân tố phôi co lại. Rõ ràng là, khi = 0thì y = ybd và ρ = ρbd, b = bbd =ρbdφ. Trong đó ρbd – bán kính đường cong trung hòa biến dạng.
Thay các giá trị đó vào phương trình (2.7) và (2.8) ta có: (ρbdφ)2 = + ( )2 + b0φ(2ybd – S)
b0(2ydb – S) + φ = 0 Giải phương trình trên ta nhận được:
ρbd = ( − ) =
Thường thường, tỉ lện S/r = 1/20 ÷1/50 nên ta có thể thực hiện phép tính gần đúng:
ρbd = rng 1 − ≈ rng (1 - ) Từ đó suy ra: sbd = rng -