一種便攜式波形板矯正機矯正機構設計

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題，而高速路護欄的增設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欄板，損壞程度也有不同，損壞程度較大的護欄板自然直接報廢，而損壞程度較小的護欄板便可以修復再利用。

傳統(tǒng)的護欄板矯直機利用冷彎成型原理,使用上輥裝置和傳動輥構成杠桿原理，產(chǎn)生過彎曲變型，經(jīng)過彈性恢復達到所要求的矯正形狀，結構見圖1。

圖1 傳統(tǒng)護欄板矯直機

從圖1 看出，需要多輥軋制的矯直機因體積、重量都很大，所以無法自由移動，發(fā)生事故后，對損壞的護欄板只能返廠重修。因此，在護欄板損壞后到修復好安裝過程中，最浪費時間的就是運送返廠和回場的過程，所以如果矯直機能自由移動，就可以省去大量時間。可見，減小矯直機構體積和重量是最直接、最簡單的方法，通過減小所占空間，從而達到便攜式移動的目的。另外，分析計算得到以壓塊軋制作為主要整形方式的矯直機構。

1 護欄板的參數(shù)分析

1.1 護欄板的形狀及尺寸

以DB01 型標準護欄板為例，其波形形狀為圓弧形，截面狀況為等截面，其截面形狀見圖2。

圖2 DB01 型標準護欄板截面圖

其截面尺寸見表1。

表1 波形護欄板截面尺寸

相關截面參數(shù)見表2。

表2 波形護欄板截面參數(shù)

1.2 護欄板材料分析

護欄板的原材料使用國際Q235 低碳鋼板等，表面處理方式為擠壓成型后浸塑，力學性能見表3。

表3 護欄板力學性能

2 矯形方案的制定

2.1 護欄板損壞情況分析

從安全性角度出發(fā)，護欄板如果損壞程度太深、變形過大，比如出現(xiàn)明顯折痕、翻邊甚至裂開的變形時，肯定是無法修復的，如果彎扭變形過大，則應該考慮直接報廢。當發(fā)生較小的彎曲或扭轉變形時，可對其進行矯正修復，從而實現(xiàn)二次利用。

2.2 矯正機構方案設計

針對護欄板損壞后出現(xiàn)彎曲和扭曲兩種變形，提出液壓模具整形方案對護欄板修復。方案將護欄板的彎曲變形和扭轉變形分開修復，矯正扭轉變形時護欄板由矯正彎曲部分壓緊使其呈懸臂梁狀態(tài)，兩模具先將護欄板整形，然后通過將護欄板過扭后經(jīng)彈性恢復的方式修復扭轉變形。矯正彎曲變形時，護欄板由矯正彎曲部分兩個下模具支撐呈簡支梁狀態(tài)，然后用上模具下壓，使護欄板過彎后經(jīng)彈性恢復的方式來修復彎曲變形，從而實現(xiàn)對護欄板進行矯直達到質(zhì)量標準。通過分析該方案具有5 個特點。

使用方便，操作簡單。對壓塊的要求精度低，易制造。結構簡單，投入成本低。所需壓塊少，可有效減小機器體積。整形效率較低。

3 矯形機構結構設計

3.1 矯彎結構結構設計

對于護欄板彎曲變形的矯正，通過用兩個下模具支撐，使其呈簡支梁狀態(tài)，令上模具下壓，使護欄板產(chǎn)生過彎曲變形，后經(jīng)其自身彈性變形恢復以達到質(zhì)量標準。所以此部分的簡單原理，見圖3。

圖3 護欄板力學性能

3.2 矯彎機構模具設計

3.2.1 模具形狀及尺寸設計

兩下模具是用來支撐波形護欄，而上模具是為了下壓護欄板使其產(chǎn)生變形的，為了使護欄板受力均勻，下模具上表面需要設計成與護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)定的支撐護欄板，還不能因為尺寸過大而影響修復效果，而上模具為了受力更加均勻，長度可以加大一些。所以根據(jù)護欄板的尺寸初步制定下模具法面尺寸為長×寬=310 mm×150 mm，上模具法面尺寸為長×寬=310 mm×130 mm，兩下模具之間的距離，依據(jù)整個機器的尺寸，兩者之間最大距離可以暫定為500 mm，見圖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，需分析護欄板的受力情況，得到兩個下模具的受力情況，再選擇適合的材料，保證在修復過程中的可靠性及使用的經(jīng)濟性。兩個下模具在矯正彎曲變形過程中受力情況見圖6。

圖6 矯彎下模具受力簡圖

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

由圖3 矯彎部分結構簡圖可知，在修復過程中，兩個下模具承受護欄板向下的壓力，為了能使護欄板在修復過程中受力平穩(wěn)，兩下模具的抗拉強度一定要足夠，而矯彎上模具是要給護欄板壓力使其產(chǎn)生變形，因此它的抗拉強度也要足夠。

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

由計算結果知，兩下模具所受應力非常小，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，可對其進行滲碳淬火處理。

圖7 所示，矯彎部分上模具所受的力有來自護欄板的壓力以及來自液壓系統(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自護欄板的反力，而其上表面是小面積的受來自液壓缸的推力，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，將其預設計為100 mm×100 mm。模具上下表面受力相等，但因為受力面積的不同，其應力也不同，從圖中可以直觀地看出其上表面受力面積較小，所以其應力應相對較大，可以通過計算模具上表面的應力來選擇模具的材料。

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，則其應力為4.73 MPa。

從計算結果中看出，上模具上表面受力處的應力也很小，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 矯彎機構導軌設計

矯彎部分只有上下模具是無法工作的，需要為兩下模具的水平移動和上模具豎直方向的直線移動增設兩組直線運動導軌。

3.3.1 下模具導軌的設計

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

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

3）導軌截面尺寸的確定。導軌截面尺寸沒有標準，根據(jù)機構自己制定。從機構整體尺寸角度考慮，將下模具導軌截面尺寸制定為長×寬=30 mm×40 mm，導軌平鋪在油箱上，總體長度為650 mm。

3.3.2 上模具導軌的設計

1）上模具導軌形狀選擇。上模具的運動是通過液壓力推動，對護欄板產(chǎn)生壓力使其變形，從而達到矯彎的目的，然后升起松開護欄板，使其可以自由移動，向前進給。為了使護欄板受力均勻，在模具精度保證的前提下，應使導軌的導向精度盡量高，這樣才能保證矯彎后的質(zhì)量。因為上模具在下壓的過程中采用緩壓方式，運動速度較低，所以在設計導軌時保證導軌的運動平穩(wěn)性。且上模具導軌在其運動中受力只有較小的軸向壓力，如果防護正常，導軌的損壞會非常小，故選擇雙圓柱導軌。

2）導軌材料的選擇。上模具的運動在每次材料進給后都會產(chǎn)生，運動頻率很頻繁，但是在上模具壓緊護欄板的過程中，其運動速度較慢，而且?guī)缀鯖]有徑向力，使導軌間的摩擦比較小，所以選擇導軌材料時主要從經(jīng)濟性方面考慮即可。

3）導軌截面尺寸的確定。根據(jù)力學計算分析上模具導軌的直徑設為30 mm。

3.4 矯扭機構的設計

護欄板在損壞時為彎扭組合變形，修復時單獨針對彎曲變形修復時遠遠不夠，還需要對扭轉變形進行修復才能達到二次利用的目的。

3.4.1 矯扭機構方案設計

對于矯扭機構，將矯彎機構兩下模具合并到一起，用矯彎上模具下壓將護欄板固定，然后矯扭上模具下壓先將護欄板整形，矯扭系統(tǒng)在液壓力的推動下沿某一中心轉動，通過過扭后護欄板自身的彈性恢復來修復護欄板的扭轉變形。這種矯扭機構將矯正扭轉變形的機構系統(tǒng)置放在油箱上壁上，在工作時，矯扭系統(tǒng)的回轉中心即為護欄板的中心。這種方案具有較小油箱體積、回轉中心與護欄板中心同心的特點，所以不存在額外變形情況。

3.4.2 矯扭機構模具設計

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

其中Wt為波形護欄板的抗扭模量，對于波形護欄板有

因為波形護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求它的抗扭模量為

將（3）式代入（1）式可求出要使護欄板產(chǎn)生扭轉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，推力和回轉半徑成反比，為了減小推力，在回轉半徑合理的前提下，可以將其值選大些，最終確定回轉直徑為600 mm。

矯扭上模具的設計。根據(jù)矯扭機構的原理，在矯正扭轉變形的過程中，矯扭機構上模具的作用和矯彎機構的上模具作用一樣，都是通過下壓與下模具配合將護欄板整形壓緊，所以矯扭上模具的形狀可與矯彎上模具的形狀相同。但是矯扭機構是為了使護欄板產(chǎn)生過扭轉變形，所以與護欄板的接觸面積較矯彎機構會小一些，為了保證工作的可靠性，接觸面積不能過小，需要將其尺寸定為長×寬=310 mm×100 mm。

4 結論

該便攜式波形矯正機構具有以下優(yōu)點。

1）結構簡單，占地面積小。機構的模具導軌以及支架等部分結構簡單，尺寸較小，有效減小修復機的占地面積，達到了能自由移動的目的。

2）修復質(zhì)量較好。因為都是模具壓制，所以在平直度及形狀的修復上能達到較高的質(zhì)量。

該便攜式波形矯正機構有不足之處。

1）修復過程復雜且效率較低。修復過程是將矯彎和矯扭分開完成，不像傳統(tǒng)的護欄板矯直機那樣，一次通過可以完成矯彎和矯扭兩種工作，所以在修復中，傳統(tǒng)護欄板修復的效率更高一些。

2）自動化程度較低。本機構中沒有增設護欄板進給機構，需要人工送料，相對于傳統(tǒng)矯直機來說，在自動化程度方面低一些。