馬子領(lǐng) 上官林建 郝用興 王兆杰 王兆臣

（1.華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，鄭州 450045；2.河南省中智重型機(jī)械設(shè)備有限公司，新鄉(xiāng) 453000； 3.河南智汕谷信息科技有限公司，鄭州 450045）

型鋼折彎?rùn)C(jī)是當(dāng)前隧道工程、橋梁工程以及鐵路工程等各種施工場(chǎng)景常用的施工裝備，可以根據(jù)不同彎曲度需求將型鋼彎折成各種不同的形狀[1]。傳統(tǒng)的型鋼折彎?rùn)C(jī)由主電機(jī)、擺線針輪減速器、滾輪、油泵電機(jī)、齒輪油泵、溢流閥、電磁換向閥、工作油缸、頂輪以及油箱等部件組成。傳統(tǒng)的型鋼折彎?rùn)C(jī)只在中間部位設(shè)置一個(gè)頂液壓缸，且頂液壓缸是影響彎曲特性的因素之一[2]，因此針對(duì)不同彎曲要求和不同規(guī)格型號(hào)型材時(shí)，折彎?rùn)C(jī)難以滿足不同的需求。尤其在彎曲較小半徑時(shí)和彎曲較大截面型鋼時(shí)容易使型鋼產(chǎn)生不可控變形[3-5]，主要是造成型鋼中間薄板產(chǎn)生不可控變形，導(dǎo)致其無(wú)法滿足使用要求。此外，傳統(tǒng)的型鋼折彎?rùn)C(jī)在彎曲型鋼時(shí)，一般需要彎曲多次才能將型鋼的彎曲度控制到預(yù)定目標(biāo)，而不能在彎曲過(guò)程中根據(jù)實(shí)際的彎曲效果實(shí)時(shí)調(diào)整彎曲機(jī)構(gòu)。為解決上述不可控彎曲變形，本文從改進(jìn)折彎?rùn)C(jī)施加變形力的角度重新設(shè)計(jì)裝備結(jié)構(gòu)。

1 頂拉式型鋼折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)組成

頂拉式型鋼折彎?rùn)C(jī)通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有型鋼折彎?rùn)C(jī)得到，主要包括型鋼限位輸送機(jī)構(gòu)、型鋼雙向同步彎曲裝置和彎曲度測(cè)量裝置。它的CAD結(jié)構(gòu)原理圖如圖1～圖8所示。頂拉式型鋼折彎?rùn)C(jī)的工作對(duì)象包括工字鋼和H型鋼等。型鋼的結(jié)構(gòu)包括相對(duì)設(shè)置的前端板、后端板和連接在前端板和后端板之間的中間板。

圖1 頂拉式折彎?rùn)C(jī)主視圖

圖2 頂拉式折彎?rùn)C(jī)俯視圖

圖3 型鋼雙向同步彎曲裝置

圖4 圖1中B部位放大圖

圖5 型鋼限位矯正裝置

圖6 圖5中C部位放大圖

圖7 彎曲度測(cè)量裝置（圖2中D部位放大圖）

圖8 驅(qū)動(dòng)裝置

1.1 型鋼限位輸送機(jī)構(gòu)

型鋼限位輸送機(jī)構(gòu)包括工作臺(tái)，右端為型鋼的上料端，左端為型鋼的下料端。工作臺(tái)左端部設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)型鋼的左驅(qū)動(dòng)裝置，右端部設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)型鋼的右驅(qū)動(dòng)裝置。左驅(qū)動(dòng)裝置和右驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)相同，其主動(dòng)輪均通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)型鋼運(yùn)動(dòng)。左右驅(qū)動(dòng)裝置之間的工作臺(tái)上，左右間隔設(shè)有若干用于承托矯正型鋼的限位矯正裝置。工作臺(tái)左右方向的中部位置，設(shè)有用于在垂直型鋼長(zhǎng)度方向上對(duì)型鋼施加彎曲力的型鋼雙向同步彎曲裝置。型鋼雙向同步彎曲裝置在左右方向上，位于兩個(gè)型鋼限位矯正裝置之間。

1.2 型鋼限位矯正裝置

型鋼限位矯正裝置包括中空的固定架，每套限位矯正裝置在被輸送的型鋼前后兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有兩套固定架，兩個(gè)固定架下部通過(guò)軸承設(shè)有用于承托型鋼的托輥，其上部設(shè)有用于限定型鋼頂部位置的壓輥。壓輥通過(guò)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接滑動(dòng)座。托輥通過(guò)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接固定座，且固定座與固定架固定連接。滑動(dòng)座向上固定連接受力筒，受力筒內(nèi)插設(shè)有調(diào)節(jié)絲杠，調(diào)節(jié)絲杠向上伸出固定架且其頂部連接水平設(shè)置的把手。受力筒中部設(shè)有螺紋孔，調(diào)節(jié)絲杠與螺紋孔相應(yīng)的部分設(shè)有環(huán)形凹槽。受力筒通過(guò)螺紋孔螺紋連接定位螺栓，定位螺栓伸入環(huán)形凹槽。設(shè)置環(huán)形凹槽，可使調(diào)節(jié)絲杠的上下運(yùn)動(dòng)通過(guò)受力筒和滑動(dòng)座轉(zhuǎn)化為壓輥的上下運(yùn)動(dòng)，既可以對(duì)壓輥施加向下的壓力，又能將壓輥向上提起。限位矯正裝置限制了型鋼畸變的空間，從而保證型鋼的勻稱變形和變形過(guò)程的穩(wěn)定。

1.3 型鋼雙向同步彎曲裝置

型鋼雙向同步彎曲裝置包括固定連接在工作臺(tái)上的支撐架，由拉缸安裝座、頂缸安裝座、兩道上導(dǎo)軌和兩道下導(dǎo)軌組成。支撐架頂部沿前后方向平行并排固定設(shè)有兩道上導(dǎo)軌；支撐架底部沿前后方向平行并排固定設(shè)有兩道下導(dǎo)軌；支撐架中部前后相對(duì)設(shè)有頂輪箱和拉輪箱，頂輪箱位于拉輪箱正前方。頂輪箱和拉輪箱的頂部均與上導(dǎo)軌滑動(dòng)配合且兩者的底部均與下導(dǎo)軌滑動(dòng)配合。頂輪箱內(nèi)固定有豎向設(shè)置的頂輪軸，頂輪軸通過(guò)軸承連接頂輪。拉輪箱上部固定有豎向設(shè)置的上拉輪軸，拉輪箱下部固定有豎向設(shè)置的下拉輪軸。上拉輪軸通過(guò)軸承連接上拉輪，下拉輪軸通過(guò)軸承連接下拉輪，上拉輪和下拉輪之間的間隙與型鋼的中間板厚度相適配。上拉輪和下拉輪均用于向后緊壓型鋼的后端板，頂輪用于向后緊壓型鋼的前端板。支撐架后部通過(guò)拉缸安裝座安裝拉缸液壓缸，支撐架前部通過(guò)頂缸安裝座安裝頂缸液壓缸。拉缸液壓缸的伸出桿鉸接拉缸連接座，拉缸連接座與拉輪箱固定連接；頂缸液壓缸的伸出桿鉸接頂缸連接座，頂缸連接座與頂輪箱固定連接；頂輪后端與拉輪后端之間的距離與型鋼寬度相適配。

1.4 彎曲度測(cè)量裝置

彎曲度測(cè)量裝置包括橫梁，橫梁鉸接在型鋼限位輸送機(jī)構(gòu)的工作臺(tái)的下料端部。橫梁與型鋼限位輸送機(jī)構(gòu)的工作臺(tái)之間連接有拉簧，橫梁中部固定連接彎曲度測(cè)量位移傳感器。彎曲度測(cè)量位移傳感器具有用于測(cè)量型鋼拱高的伸縮測(cè)量桿，伸縮測(cè)量桿的自由端與型鋼背離其圓心的一側(cè)表面相接。彎曲度測(cè)量位移傳感器兩側(cè)的橫梁上對(duì)稱設(shè)有弦長(zhǎng)桿，弦長(zhǎng)桿的自由端與型鋼背離其圓心的一側(cè)表面相接。弦長(zhǎng)桿的自由端和伸縮測(cè)量桿的自由端均呈錐形，且尖端朝向型鋼。這樣的結(jié)構(gòu)使兩根弦長(zhǎng)桿之間的長(zhǎng)度更加精確，也使伸縮測(cè)量桿的伸縮長(zhǎng)度更加精準(zhǔn)，提高了型鋼彎曲度的測(cè)量精度。

2 頂拉式型鋼折彎?rùn)C(jī)彎曲加工方法

頂拉式型鋼折彎?rùn)C(jī)工作時(shí)，頂缸液壓缸與拉缸液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向相同，且同步運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)型鋼彎曲變形時(shí)其前端板和后端板同時(shí)均勻受力，保證中間板按要求變形而不發(fā)生不可控的扭曲變形。

頂拉式型鋼彎曲加工方法的實(shí)施步驟如下。

步驟1，準(zhǔn)備工作。通過(guò)旋轉(zhuǎn)把手，確保各壓輥與托輥之間的距離大于型鋼的前端板和后端板的高度。

步驟2，初始上料。首先，將型鋼從左向右依次穿過(guò)各限位矯正裝置和型鋼雙向同步彎曲裝置，使各限位矯正裝置處的型鋼從其壓輥和托輥之間穿過(guò)，使型鋼雙向同步彎曲裝置處的型鋼從上拉輪和下拉輪之間的間隙穿過(guò)。將型鋼的前端板向前與頂輪后端相接，并將型鋼的后端板向前與上拉輪和下拉輪的后端相接，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)把手，使壓輥向下與型鋼相接觸，要求不僅能實(shí)現(xiàn)壓輥和托輥在上下方向上對(duì)型鋼進(jìn)行限位，還不能使壓輥與型鋼之間的摩擦力過(guò)大而降低型鋼輸送過(guò)程中的能耗。

步驟3，彎曲加工。拉缸液壓缸和頂缸液壓缸應(yīng)同步動(dòng)作。拉缸液壓缸的伸出桿通過(guò)拉缸連接座、拉輪箱、上拉輪軸以及下拉輪軸帶動(dòng)上拉輪和下拉輪向后拉動(dòng)型鋼的后端板。頂缸液壓缸的伸出桿通過(guò)頂缸連接座、頂輪箱、頂輪軸以及頂輪向后頂壓型鋼的前端板。型鋼由于其前端板和后端板同步受力而發(fā)生彎曲。型鋼在彎曲過(guò)程中由于其前部和后部同時(shí)受力，因此型鋼各部分受力更均勻，可有效降低彎曲過(guò)程中產(chǎn)生不可控變形的概率。

步驟4，送出工作臺(tái)。同步啟動(dòng)左驅(qū)動(dòng)裝置和右驅(qū)動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)，然后電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪并通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)型鋼向左移動(dòng)。移動(dòng)中的型鋼在通過(guò)型鋼雙向同步彎曲裝置時(shí)，由于其前端板和后端板同步受力而發(fā)生彎曲，而彎曲后的型鋼向左送出工作臺(tái)。

3 頂拉式型鋼折彎?rùn)C(jī)彎曲度調(diào)整方法

彎曲后的型鋼被向左送出工作臺(tái)時(shí)，每段彎曲的型鋼均為弧線，且具有圓心。在拉簧的作用下，弦長(zhǎng)桿和伸縮測(cè)量桿均緊壓在彎曲的型鋼上，從而保證伸縮測(cè)量桿測(cè)量拱高的準(zhǔn)確性。

測(cè)量型鋼彎曲度時(shí)，兩根弦長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度固定，因此兩根弦長(zhǎng)桿自由端之間的距離（即被測(cè)型鋼段的弦長(zhǎng)）也固定。伸縮測(cè)量桿測(cè)量出的被測(cè)型鋼段的拱高僅由型鋼的彎曲度來(lái)決定，且拱高與彎曲度之間具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)伸縮測(cè)量桿測(cè)量出被測(cè)型鋼段的拱高，可以換算出型鋼的彎 曲度。

加工同一批次的型鋼具有統(tǒng)一的目標(biāo)彎曲度。目標(biāo)彎曲度對(duì)應(yīng)預(yù)定拱高，即型鋼彎曲至目標(biāo)彎曲度后，彎曲度測(cè)量位移傳感器測(cè)量出的拱高就是預(yù)定拱高。

加工過(guò)程中，彎曲度測(cè)量裝置測(cè)量加工后型鋼的實(shí)測(cè)拱高時(shí)，如果實(shí)測(cè)拱高低于預(yù)定拱高，說(shuō)明型鋼的彎曲程度低于目標(biāo)彎曲度。此時(shí)調(diào)整型鋼雙向同步彎曲裝置，即加大頂缸液壓缸的伸出桿的伸出量，同時(shí)減少拉缸液壓缸的伸出桿的伸出量，增大型鋼的彎曲程度。如果實(shí)測(cè)拱高高于預(yù)定拱高，說(shuō)明型鋼的彎曲程度高于目標(biāo)彎曲度。此時(shí)調(diào)整型鋼雙向同步彎曲裝置，即減少頂缸液壓缸伸出桿的伸出量，同時(shí)增加拉缸液壓缸的伸出桿的伸出量，減小型鋼的彎曲程度。如果實(shí)測(cè)拱高等于預(yù)定拱高，則表明型鋼的彎曲程度剛好，不需要調(diào)整頂拉式型鋼折彎?rùn)C(jī)的工作狀態(tài)。可見，可通過(guò)彎曲度調(diào)整操作，將型鋼的彎曲度控制在目標(biāo)彎曲度和預(yù)定拱高的公差范圍內(nèi)。

調(diào)整型鋼的彎曲度時(shí)，通過(guò)電控裝置接收彎曲度測(cè)量位移傳感器的信號(hào)，并相應(yīng)調(diào)整頂缸液壓缸的伸出桿和拉缸液壓缸的伸出桿的伸出量。電控裝置通過(guò)接收拉缸位移傳感器和頂缸位移傳感器的信號(hào)，精確調(diào)整頂缸液壓缸的伸出桿和拉缸液壓缸的伸出桿的伸出量。通過(guò)拉缸位移傳感器和頂缸位移傳感器可以精確監(jiān)控拉缸液壓缸和頂缸液壓缸的動(dòng)作，從而使拉缸液壓缸和頂缸液壓缸的動(dòng)作幅度與預(yù)定值（取決于預(yù)定的型鋼彎曲程度）相同。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的頂拉式型鋼折彎?rùn)C(jī)采用雙向同步均勻受力的方式，保證型鋼彎曲變形時(shí)整體勻稱變形，從而避免中間板單向受力產(chǎn)生畸變。矯正限位裝置進(jìn)一步保證了型鋼在頂拉液壓缸作用下其前后端能夠適配變形，以保持型材穩(wěn)定。此外，型鋼彎曲度測(cè)量裝置可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，保證了工件質(zhì)量。