呂 磊

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030000）

高速公路的修建緩解了出行困難的問(wèn)題，而高速路護(hù)欄的增設(shè)則減少了意外事故后的損失。但是，在高速度下不同重量的車輛沖擊護(hù)欄板，損壞程度也有不同，損壞程度較大的護(hù)欄板自然直接報(bào)廢，而損壞程度較小的護(hù)欄板便可以修復(fù)再利用。

傳統(tǒng)的護(hù)欄板矯直機(jī)利用冷彎成型原理,使用上輥裝置和傳動(dòng)輥構(gòu)成杠桿原理，產(chǎn)生過(guò)彎曲變型，經(jīng)過(guò)彈性恢復(fù)達(dá)到所要求的矯正形狀，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)護(hù)欄板矯直機(jī)

從圖1 看出，需要多輥軋制的矯直機(jī)因體積、重量都很大，所以無(wú)法自由移動(dòng)，發(fā)生事故后，對(duì)損壞的護(hù)欄板只能返廠重修。因此，在護(hù)欄板損壞后到修復(fù)好安裝過(guò)程中，最浪費(fèi)時(shí)間的就是運(yùn)送返廠和回場(chǎng)的過(guò)程，所以如果矯直機(jī)能自由移動(dòng)，就可以省去大量時(shí)間?？梢?jiàn)，減小矯直機(jī)構(gòu)體積和重量是最直接、最簡(jiǎn)單的方法，通過(guò)減小所占空間，從而達(dá)到便攜式移動(dòng)的目的。另外，分析計(jì)算得到以壓塊軋制作為主要整形方式的矯直機(jī)構(gòu)。

1 護(hù)欄板的參數(shù)分析

1.1 護(hù)欄板的形狀及尺寸

以DB01 型標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄板為例，其波形形狀為圓弧形，截面狀況為等截面，其截面形狀見(jiàn)圖2。

圖2 DB01 型標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄板截面圖

其截面尺寸見(jiàn)表1。

表1 波形護(hù)欄板截面尺寸

相關(guān)截面參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 波形護(hù)欄板截面參數(shù)

1.2 護(hù)欄板材料分析

護(hù)欄板的原材料使用國(guó)際Q235 低碳鋼板等，表面處理方式為擠壓成型后浸塑，力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 護(hù)欄板力學(xué)性能

2 矯形方案的制定

2.1 護(hù)欄板損壞情況分析

從安全性角度出發(fā)，護(hù)欄板如果損壞程度太深、變形過(guò)大，比如出現(xiàn)明顯折痕、翻邊甚至裂開(kāi)的變形時(shí)，肯定是無(wú)法修復(fù)的，如果彎扭變形過(guò)大，則應(yīng)該考慮直接報(bào)廢。當(dāng)發(fā)生較小的彎曲或扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，可對(duì)其進(jìn)行矯正修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)二次利用。

2.2 矯正機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)護(hù)欄板損壞后出現(xiàn)彎曲和扭曲兩種變形，提出液壓模具整形方案對(duì)護(hù)欄板修復(fù)。方案將護(hù)欄板的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形分開(kāi)修復(fù)，矯正扭轉(zhuǎn)變形時(shí)護(hù)欄板由矯正彎曲部分壓緊使其呈懸臂梁狀態(tài)，兩模具先將護(hù)欄板整形，然后通過(guò)將護(hù)欄板過(guò)扭后經(jīng)彈性恢復(fù)的方式修復(fù)扭轉(zhuǎn)變形。矯正彎曲變形時(shí)，護(hù)欄板由矯正彎曲部分兩個(gè)下模具支撐呈簡(jiǎn)支梁狀態(tài)，然后用上模具下壓，使護(hù)欄板過(guò)彎后經(jīng)彈性恢復(fù)的方式來(lái)修復(fù)彎曲變形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)護(hù)欄板進(jìn)行矯直達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)分析該方案具有5 個(gè)特點(diǎn)。

使用方便，操作簡(jiǎn)單。對(duì)壓塊的要求精度低，易制造。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投入成本低。所需壓塊少，可有效減小機(jī)器體積。整形效率較低。

3 矯形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 矯彎結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于護(hù)欄板彎曲變形的矯正，通過(guò)用兩個(gè)下模具支撐，使其呈簡(jiǎn)支梁狀態(tài)，令上模具下壓，使護(hù)欄板產(chǎn)生過(guò)彎曲變形，后經(jīng)其自身彈性變形恢復(fù)以達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。所以此部分的簡(jiǎn)單原理，見(jiàn)圖3。

圖3 護(hù)欄板力學(xué)性能

3.2 矯彎?rùn)C(jī)構(gòu)模具設(shè)計(jì)

3.2.1 模具形狀及尺寸設(shè)計(jì)

兩下模具是用來(lái)支撐波形護(hù)欄，而上模具是為了下壓護(hù)欄板使其產(chǎn)生變形的，為了使護(hù)欄板受力均勻，下模具上表面需要設(shè)計(jì)成與護(hù)欄板接觸面相同的形狀，即波形面，上模具的下表面亦是如此。下模具不但需要穩(wěn)定的支撐護(hù)欄板，還不能因?yàn)槌叽邕^(guò)大而影響修復(fù)效果，而上模具為了受力更加均勻，長(zhǎng)度可以加大一些。所以根據(jù)護(hù)欄板的尺寸初步制定下模具法面尺寸為長(zhǎng)×寬=310 mm×150 mm，上模具法面尺寸為長(zhǎng)×寬=310 mm×130 mm，兩下模具之間的距離，依據(jù)整個(gè)機(jī)器的尺寸，兩者之間最大距離可以暫定為500 mm，見(jiàn)圖4 和圖5。

圖4 矯正彎曲變形上模具

圖5 矯正彎曲變形下模具

3.2.2 模具材料的選擇

在選擇模具材料前，需分析護(hù)欄板的受力情況，得到兩個(gè)下模具的受力情況，再選擇適合的材料，保證在修復(fù)過(guò)程中的可靠性及使用的經(jīng)濟(jì)性。兩個(gè)下模具在矯正彎曲變形過(guò)程中受力情況見(jiàn)圖6。

圖6 矯彎下模具受力簡(jiǎn)圖

由表3 可知，Q235 鋼護(hù)欄板的屈服極限為235 MPa，經(jīng)計(jì)算可求出所需壓力4.83 t。

由圖3 矯彎部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知，在修復(fù)過(guò)程中，兩個(gè)下模具承受護(hù)欄板向下的壓力，為了能使護(hù)欄板在修復(fù)過(guò)程中受力平穩(wěn)，兩下模具的抗拉強(qiáng)度一定要足夠，而矯彎上模具是要給護(hù)欄板壓力使其產(chǎn)生變形，因此它的抗拉強(qiáng)度也要足夠。

兩下模具的受到的力分別是來(lái)自護(hù)欄板向下的壓力和來(lái)自系統(tǒng)向上的推力，兩個(gè)力在同一條直線上，且兩個(gè)模具上表面法面面積為0.045 9 m2，故兩下模具所受應(yīng)力為0.515 MPa。

由計(jì)算結(jié)果知，兩下模具所受應(yīng)力非常小，故兩下模具的材料可選用45 鋼，為增加它的耐磨性、防腐蝕性等，可對(duì)其進(jìn)行滲碳淬火處理。

圖7 所示，矯彎部分上模具所受的力有來(lái)自護(hù)欄板的壓力以及來(lái)自液壓系統(tǒng)的推力，從圖中看出，上模具下表面（及波形表面）的受力情況為全面受來(lái)自護(hù)欄板的反力，而其上表面是小面積的受來(lái)自液壓缸的推力，上模具上表面的受力面為平面，受力面積為上模具和液壓缸的連接面積，將其預(yù)設(shè)計(jì)為100 mm×100 mm。模具上下表面受力相等，但因?yàn)槭芰γ娣e的不同，其應(yīng)力也不同，從圖中可以直觀地看出其上表面受力面積較小，所以其應(yīng)力應(yīng)相對(duì)較大，可以通過(guò)計(jì)算模具上表面的應(yīng)力來(lái)選擇模具的材料。

圖7 矯彎上模具受力圖

圖中F2為上模具上表面所受的力，及來(lái)自液壓缸的推力，由分析知F2=47 299.12 N，而其受力面積0.01 m2，則其應(yīng)力為4.73 MPa。

從計(jì)算結(jié)果中看出，上模具上表面受力處的應(yīng)力也很小，根據(jù)選擇下模具的原則分析，我們依然可以將上模具的材料定為45 鋼，滲碳淬火處理。

3.3 矯彎?rùn)C(jī)構(gòu)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

矯彎部分只有上下模具是無(wú)法工作的，需要為兩下模具的水平移動(dòng)和上模具豎直方向的直線移動(dòng)增設(shè)兩組直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。

3.3.1 下模具導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)

1）下模具導(dǎo)軌形狀選擇。兩下模具的運(yùn)動(dòng)為水平方向的直線運(yùn)動(dòng)。而兩個(gè)下模具的移動(dòng)只是為了使兩者分離或者合并以完成不同修復(fù)時(shí)刻的不同工作，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌間的相對(duì)速度較高，對(duì)于在移動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的平行度、直線度等各種誤差并沒(méi)有太大的要求，只要滿足最基本的尺寸設(shè)定就可以，所以這里的導(dǎo)軌選擇主運(yùn)動(dòng)類型導(dǎo)軌，其摩擦性質(zhì)為混合摩擦。根據(jù)導(dǎo)軌需要滿足的要求及對(duì)幾種類型導(dǎo)軌的介紹，可以選擇雙矩形導(dǎo)軌組合來(lái)完成兩下模具的移動(dòng)。

2）導(dǎo)軌材料的選擇。經(jīng)分析兩下模具的移動(dòng)比較頻繁，但是在移動(dòng)的過(guò)程中除了它們自身摩擦力外幾乎沒(méi)有其他外力。所以說(shuō)，矯彎下模具導(dǎo)軌的消耗幾乎只有摩擦損壞，而且兩下模具的移動(dòng)精度要求也不高，綜合起來(lái)，下模具導(dǎo)軌選擇是耐磨性要好和投入成本少。故選擇HT200 為下模具導(dǎo)軌的材料。

3）導(dǎo)軌截面尺寸的確定。導(dǎo)軌截面尺寸沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)機(jī)構(gòu)自己制定。從機(jī)構(gòu)整體尺寸角度考慮，將下模具導(dǎo)軌截面尺寸制定為長(zhǎng)×寬=30 mm×40 mm，導(dǎo)軌平鋪在油箱上，總體長(zhǎng)度為650 mm。

3.3.2 上模具導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)

1）上模具導(dǎo)軌形狀選擇。上模具的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)液壓力推動(dòng)，對(duì)護(hù)欄板產(chǎn)生壓力使其變形，從而達(dá)到矯彎的目的，然后升起松開(kāi)護(hù)欄板，使其可以自由移動(dòng)，向前進(jìn)給。為了使護(hù)欄板受力均勻，在模具精度保證的前提下，應(yīng)使導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度盡量高，這樣才能保證矯彎后的質(zhì)量。因?yàn)樯夏＞咴谙聣旱倪^(guò)程中采用緩壓方式，運(yùn)動(dòng)速度較低，所以在設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí)保證導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。且上模具導(dǎo)軌在其運(yùn)動(dòng)中受力只有較小的軸向壓力，如果防護(hù)正常，導(dǎo)軌的損壞會(huì)非常小，故選擇雙圓柱導(dǎo)軌。

2）導(dǎo)軌材料的選擇。上模具的運(yùn)動(dòng)在每次材料進(jìn)給后都會(huì)產(chǎn)生，運(yùn)動(dòng)頻率很頻繁，但是在上模具壓緊護(hù)欄板的過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)速度較慢，而且?guī)缀鯖](méi)有徑向力，使導(dǎo)軌間的摩擦比較小，所以選擇導(dǎo)軌材料時(shí)主要從經(jīng)濟(jì)性方面考慮即可。

3）導(dǎo)軌截面尺寸的確定。根據(jù)力學(xué)計(jì)算分析上模具導(dǎo)軌的直徑設(shè)為30 mm。

3.4 矯扭機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

護(hù)欄板在損壞時(shí)為彎扭組合變形，修復(fù)時(shí)單獨(dú)針對(duì)彎曲變形修復(fù)時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要對(duì)扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行修復(fù)才能達(dá)到二次利用的目的。

3.4.1 矯扭機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

對(duì)于矯扭機(jī)構(gòu)，將矯彎?rùn)C(jī)構(gòu)兩下模具合并到一起，用矯彎上模具下壓將護(hù)欄板固定，然后矯扭上模具下壓先將護(hù)欄板整形，矯扭系統(tǒng)在液壓力的推動(dòng)下沿某一中心轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)過(guò)扭后護(hù)欄板自身的彈性恢復(fù)來(lái)修復(fù)護(hù)欄板的扭轉(zhuǎn)變形。這種矯扭機(jī)構(gòu)將矯正扭轉(zhuǎn)變形的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)置放在油箱上壁上，在工作時(shí)，矯扭系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)中心即為護(hù)欄板的中心。這種方案具有較小油箱體積、回轉(zhuǎn)中心與護(hù)欄板中心同心的特點(diǎn)，所以不存在額外變形情況。

3.4.2 矯扭機(jī)構(gòu)模具設(shè)計(jì)

矯扭下模具形狀和尺寸的確定。經(jīng)查證，Q235鋼的需用切應(yīng)力為50 MPa，其重心位置為4.4 cm，要使其產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)所需要的扭矩為

其中Wt為波形護(hù)欄板的抗扭模量，對(duì)于波形護(hù)欄板有

因?yàn)椴ㄐ巫o(hù)欄板的形狀與余弦曲線類似，所以我們可以將其截面圖形類比為余弦曲線來(lái)求它的抗扭模量為

將（3）式代入（1）式可求出要使護(hù)欄板產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形所需要的扭矩為1 940 N/m

所以，所需的液壓力為

由（4）式可以看出，推力和回轉(zhuǎn)半徑成反比，為了減小推力，在回轉(zhuǎn)半徑合理的前提下，可以將其值選大些，最終確定回轉(zhuǎn)直徑為600 mm。

矯扭上模具的設(shè)計(jì)。根據(jù)矯扭機(jī)構(gòu)的原理，在矯正扭轉(zhuǎn)變形的過(guò)程中，矯扭機(jī)構(gòu)上模具的作用和矯彎?rùn)C(jī)構(gòu)的上模具作用一樣，都是通過(guò)下壓與下模具配合將護(hù)欄板整形壓緊，所以矯扭上模具的形狀可與矯彎上模具的形狀相同。但是矯扭機(jī)構(gòu)是為了使護(hù)欄板產(chǎn)生過(guò)扭轉(zhuǎn)變形，所以與護(hù)欄板的接觸面積較矯彎?rùn)C(jī)構(gòu)會(huì)小一些，為了保證工作的可靠性，接觸面積不能過(guò)小，需要將其尺寸定為長(zhǎng)×寬=310 mm×100 mm。

4 結(jié)論

該便攜式波形矯正機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小。機(jī)構(gòu)的模具導(dǎo)軌以及支架等部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸較小，有效減小修復(fù)機(jī)的占地面積，達(dá)到了能自由移動(dòng)的目的。

2）修復(fù)質(zhì)量較好。因?yàn)槎际悄＞邏褐疲栽谄街倍燃靶螤畹男迯?fù)上能達(dá)到較高的質(zhì)量。

該便攜式波形矯正機(jī)構(gòu)有不足之處。

1）修復(fù)過(guò)程復(fù)雜且效率較低。修復(fù)過(guò)程是將矯彎和矯扭分開(kāi)完成，不像傳統(tǒng)的護(hù)欄板矯直機(jī)那樣，一次通過(guò)可以完成矯彎和矯扭兩種工作，所以在修復(fù)中，傳統(tǒng)護(hù)欄板修復(fù)的效率更高一些。

2）自動(dòng)化程度較低。本機(jī)構(gòu)中沒(méi)有增設(shè)護(hù)欄板進(jìn)給機(jī)構(gòu)，需要人工送料，相對(duì)于傳統(tǒng)矯直機(jī)來(lái)說(shuō)，在自動(dòng)化程度方面低一些。