頂拉式型鋼折彎機結構設計和彎曲加工方法

馬子領 上官林建 郝用興 王兆杰 王兆臣

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

型鋼折彎機是當前隧道工程、橋梁工程以及鐵路工程等各種施工場景常用的施工裝備，可以根據不同彎曲度需求將型鋼彎折成各種不同的形狀[1]。傳統(tǒng)的型鋼折彎機由主電機、擺線針輪減速器、滾輪、油泵電機、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)的型鋼折彎機只在中間部位設置一個頂液壓缸，且頂液壓缸是影響彎曲特性的因素之一[2]，因此針對不同彎曲要求和不同規(guī)格型號型材時，折彎機難以滿足不同的需求。尤其在彎曲較小半徑時和彎曲較大截面型鋼時容易使型鋼產生不可控變形[3-5]，主要是造成型鋼中間薄板產生不可控變形，導致其無法滿足使用要求。此外，傳統(tǒng)的型鋼折彎機在彎曲型鋼時，一般需要彎曲多次才能將型鋼的彎曲度控制到預定目標，而不能在彎曲過程中根據實際的彎曲效果實時調整彎曲機構。為解決上述不可控彎曲變形，本文從改進折彎機施加變形力的角度重新設計裝備結構。

1 頂拉式型鋼折彎機結構組成

頂拉式型鋼折彎機通過改進現(xiàn)有型鋼折彎機得到，主要包括型鋼限位輸送機構、型鋼雙向同步彎曲裝置和彎曲度測量裝置。它的CAD結構原理圖如圖1～圖8所示。頂拉式型鋼折彎機的工作對象包括工字鋼和H型鋼等。型鋼的結構包括相對設置的前端板、后端板和連接在前端板和后端板之間的中間板。

圖1 頂拉式折彎機主視圖

圖2 頂拉式折彎機俯視圖

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 彎曲度測量裝置（圖2中D部位放大圖）

圖8 驅動裝置

1.1 型鋼限位輸送機構

型鋼限位輸送機構包括工作臺，右端為型鋼的上料端，左端為型鋼的下料端。工作臺左端部設有用于驅動型鋼的左驅動裝置，右端部設有用于驅動型鋼的右驅動裝置。左驅動裝置和右驅動裝置結構相同，其主動輪均通過摩擦力驅動型鋼運動。左右驅動裝置之間的工作臺上，左右間隔設有若干用于承托矯正型鋼的限位矯正裝置。工作臺左右方向的中部位置，設有用于在垂直型鋼長度方向上對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對稱設有兩套固定架，兩個固定架下部通過軸承設有用于承托型鋼的托輥，其上部設有用于限定型鋼頂部位置的壓輥。壓輥通過軸承轉動連接滑動座。托輥通過軸承轉動連接固定座，且固定座與固定架固定連接?；瑒幼蛏瞎潭ㄟB接受力筒，受力筒內插設有調節(jié)絲杠，調節(jié)絲杠向上伸出固定架且其頂部連接水平設置的把手。受力筒中部設有螺紋孔，調節(jié)絲杠與螺紋孔相應的部分設有環(huán)形凹槽。受力筒通過螺紋孔螺紋連接定位螺栓，定位螺栓伸入環(huán)形凹槽。設置環(huán)形凹槽，可使調節(jié)絲杠的上下運動通過受力筒和滑動座轉化為壓輥的上下運動，既可以對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上的支撐架，由拉缸安裝座、頂缸安裝座、兩道上導軌和兩道下導軌組成。支撐架頂部沿前后方向平行并排固定設有兩道上導軌；支撐架底部沿前后方向平行并排固定設有兩道下導軌；支撐架中部前后相對設有頂輪箱和拉輪箱，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軌滑動配合且兩者的底部均與下導軌滑動配合。頂輪箱內固定有豎向設置的頂輪軸，頂輪軸通過軸承連接頂輪。拉輪箱上部固定有豎向設置的上拉輪軸，拉輪箱下部固定有豎向設置的下拉輪軸。上拉輪軸通過軸承連接上拉輪，下拉輪軸通過軸承連接下拉輪，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。支撐架后部通過拉缸安裝座安裝拉缸液壓缸，支撐架前部通過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 彎曲度測量裝置

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

2 頂拉式型鋼折彎機彎曲加工方法

頂拉式型鋼折彎機工作時，頂缸液壓缸與拉缸液壓缸的運動方向相同，且同步運動，從而實現(xiàn)型鋼彎曲變形時其前端板和后端板同時均勻受力，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施步驟如下。

步驟1，準備工作。通過旋轉把手，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，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。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，調節(jié)旋轉把手，使壓輥向下與型鋼相接觸，要求不僅能實現(xiàn)壓輥和托輥在上下方向上對型鋼進行限位，還不能使壓輥與型鋼之間的摩擦力過大而降低型鋼輸送過程中的能耗。

步驟3，彎曲加工。拉缸液壓缸和頂缸液壓缸應同步動作。拉缸液壓缸的伸出桿通過拉缸連接座、拉輪箱、上拉輪軸以及下拉輪軸帶動上拉輪和下拉輪向后拉動型鋼的后端板。頂缸液壓缸的伸出桿通過頂缸連接座、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。型鋼在彎曲過程中由于其前部和后部同時受力，因此型鋼各部分受力更均勻，可有效降低彎曲過程中產生不可控變形的概率。

步驟4，送出工作臺。同步啟動左驅動裝置和右驅動裝置的電動機，然后電動機驅動主動輪并通過摩擦力驅動型鋼向左移動。移動中的型鋼在通過型鋼雙向同步彎曲裝置時，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。

3 頂拉式型鋼折彎機彎曲度調整方法

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

測量型鋼彎曲度時，兩根弦長桿的長度固定，因此兩根弦長桿自由端之間的距離（即被測型鋼段的弦長）也固定。伸縮測量桿測量出的被測型鋼段的拱高僅由型鋼的彎曲度來決定，且拱高與彎曲度之間具有一一對應關系。通過伸縮測量桿測量出被測型鋼段的拱高，可以換算出型鋼的彎 曲度。

加工同一批次的型鋼具有統(tǒng)一的目標彎曲度。目標彎曲度對應預定拱高，即型鋼彎曲至目標彎曲度后，彎曲度測量位移傳感器測量出的拱高就是預定拱高。

加工過程中，彎曲度測量裝置測量加工后型鋼的實測拱高時，如果實測拱高低于預定拱高，說明型鋼的彎曲程度低于目標彎曲度。此時調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。如果實測拱高高于預定拱高，說明型鋼的彎曲程度高于目標彎曲度。此時調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。如果實測拱高等于預定拱高，則表明型鋼的彎曲程度剛好，不需要調整頂拉式型鋼折彎機的工作狀態(tài)?？梢?，可通過彎曲度調整操作，將型鋼的彎曲度控制在目標彎曲度和預定拱高的公差范圍內。

調整型鋼的彎曲度時，通過電控裝置接收彎曲度測量位移傳感器的信號，并相應調整頂缸液壓缸的伸出桿和拉缸液壓缸的伸出桿的伸出量。電控裝置通過接收拉缸位移傳感器和頂缸位移傳感器的信號，精確調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作，從而使拉缸液壓缸和頂缸液壓缸的動作幅度與預定值（取決于預定的型鋼彎曲程度）相同。

4 結語

本文設計的頂拉式型鋼折彎機采用雙向同步均勻受力的方式，保證型鋼彎曲變形時整體勻稱變形，從而避免中間板單向受力產生畸變。矯正限位裝置進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，型鋼彎曲度測量裝置可以實現(xiàn)實時測量，保證了工件質量。