顶拉式型钢折弯机结构设计和弯曲加工方法

马子领 上官林建 郝用兴 王兆杰 王兆臣

（1.华北水利水电大学 机械学院，郑州 450045；2.河南省中智重型机械设备有限公司，新乡 453000； 3.河南智汕谷信息科技有限公司，郑州 450045）

型钢折弯机是当前隧道工程、桥梁工程以及铁路工程等各种施工场景常用的施工装备，可以根据不同弯曲度需求将型钢弯折成各种不同的形状[1]。传统的型钢折弯机由主电机、摆线针轮减速器、滚轮、油泵电机、齿轮油泵、溢流阀、电磁换向阀、工作油缸、顶轮以及油箱等部件组成。传统的型钢折弯机只在中间部位设置一个顶液压缸，且顶液压缸是影响弯曲特性的因素之一[2]，因此针对不同弯曲要求和不同规格型号型材时，折弯机难以满足不同的需求。尤其在弯曲较小半径时和弯曲较大截面型钢时容易使型钢产生不可控变形[3-5]，主要是造成型钢中间薄板产生不可控变形，导致其无法满足使用要求。此外，传统的型钢折弯机在弯曲型钢时，一般需要弯曲多次才能将型钢的弯曲度控制到预定目标，而不能在弯曲过程中根据实际的弯曲效果实时调整弯曲机构。为解决上述不可控弯曲变形，本文从改进折弯机施加变形力的角度重新设计装备结构。

1 顶拉式型钢折弯机结构组成

顶拉式型钢折弯机通过改进现有型钢折弯机得到，主要包括型钢限位输送机构、型钢双向同步弯曲装置和弯曲度测量装置。它的CAD结构原理图如图1～图8所示。顶拉式型钢折弯机的工作对象包括工字钢和H型钢等。型钢的结构包括相对设置的前端板、后端板和连接在前端板和后端板之间的中间板。

图1 顶拉式折弯机主视图

图2 顶拉式折弯机俯视图

图3 型钢双向同步弯曲装置

图4 图1中B部位放大图

图5 型钢限位矫正装置

图6 图5中C部位放大图

图7 弯曲度测量装置（图2中D部位放大图）

图8 驱动装置

1.1 型钢限位输送机构

型钢限位输送机构包括工作台，右端为型钢的上料端，左端为型钢的下料端。工作台左端部设有用于驱动型钢的左驱动装置，右端部设有用于驱动型钢的右驱动装置。左驱动装置和右驱动装置结构相同，其主动轮均通过摩擦力驱动型钢运动。左右驱动装置之间的工作台上，左右间隔设有若干用于承托矫正型钢的限位矫正装置。工作台左右方向的中部位置，设有用于在垂直型钢长度方向上对型钢施加弯曲力的型钢双向同步弯曲装置。型钢双向同步弯曲装置在左右方向上，位于两个型钢限位矫正装置之间。

1.2 型钢限位矫正装置

型钢限位矫正装置包括中空的固定架，每套限位矫正装置在被输送的型钢前后两侧对称设有两套固定架，两个固定架下部通过轴承设有用于承托型钢的托辊，其上部设有用于限定型钢顶部位置的压辊。压辊通过轴承转动连接滑动座。托辊通过轴承转动连接固定座，且固定座与固定架固定连接。滑动座向上固定连接受力筒，受力筒内插设有调节丝杠，调节丝杠向上伸出固定架且其顶部连接水平设置的把手。受力筒中部设有螺纹孔，调节丝杠与螺纹孔相应的部分设有环形凹槽。受力筒通过螺纹孔螺纹连接定位螺栓，定位螺栓伸入环形凹槽。设置环形凹槽，可使调节丝杠的上下运动通过受力筒和滑动座转化为压辊的上下运动，既可以对压辊施加向下的压力，又能将压辊向上提起。限位矫正装置限制了型钢畸变的空间，从而保证型钢的匀称变形和变形过程的稳定。

1.3 型钢双向同步弯曲装置

型钢双向同步弯曲装置包括固定连接在工作台上的支撑架，由拉缸安装座、顶缸安装座、两道上导轨和两道下导轨组成。支撑架顶部沿前后方向平行并排固定设有两道上导轨；支撑架底部沿前后方向平行并排固定设有两道下导轨；支撑架中部前后相对设有顶轮箱和拉轮箱，顶轮箱位于拉轮箱正前方。顶轮箱和拉轮箱的顶部均与上导轨滑动配合且两者的底部均与下导轨滑动配合。顶轮箱内固定有竖向设置的顶轮轴，顶轮轴通过轴承连接顶轮。拉轮箱上部固定有竖向设置的上拉轮轴，拉轮箱下部固定有竖向设置的下拉轮轴。上拉轮轴通过轴承连接上拉轮，下拉轮轴通过轴承连接下拉轮，上拉轮和下拉轮之间的间隙与型钢的中间板厚度相适配。上拉轮和下拉轮均用于向后紧压型钢的后端板，顶轮用于向后紧压型钢的前端板。支撑架后部通过拉缸安装座安装拉缸液压缸，支撑架前部通过顶缸安装座安装顶缸液压缸。拉缸液压缸的伸出杆铰接拉缸连接座，拉缸连接座与拉轮箱固定连接；顶缸液压缸的伸出杆铰接顶缸连接座，顶缸连接座与顶轮箱固定连接；顶轮后端与拉轮后端之间的距离与型钢宽度相适配。

1.4 弯曲度测量装置

弯曲度测量装置包括横梁，横梁铰接在型钢限位输送机构的工作台的下料端部。横梁与型钢限位输送机构的工作台之间连接有拉簧，横梁中部固定连接弯曲度测量位移传感器。弯曲度测量位移传感器具有用于测量型钢拱高的伸缩测量杆，伸缩测量杆的自由端与型钢背离其圆心的一侧表面相接。弯曲度测量位移传感器两侧的横梁上对称设有弦长杆，弦长杆的自由端与型钢背离其圆心的一侧表面相接。弦长杆的自由端和伸缩测量杆的自由端均呈锥形，且尖端朝向型钢。这样的结构使两根弦长杆之间的长度更加精确，也使伸缩测量杆的伸缩长度更加精准，提高了型钢弯曲度的测量精度。

2 顶拉式型钢折弯机弯曲加工方法

顶拉式型钢折弯机工作时，顶缸液压缸与拉缸液压缸的运动方向相同，且同步运动，从而实现型钢弯曲变形时其前端板和后端板同时均匀受力，保证中间板按要求变形而不发生不可控的扭曲变形。

顶拉式型钢弯曲加工方法的实施步骤如下。

步骤1，准备工作。通过旋转把手，确保各压辊与托辊之间的距离大于型钢的前端板和后端板的高度。

步骤2，初始上料。首先，将型钢从左向右依次穿过各限位矫正装置和型钢双向同步弯曲装置，使各限位矫正装置处的型钢从其压辊和托辊之间穿过，使型钢双向同步弯曲装置处的型钢从上拉轮和下拉轮之间的间隙穿过。将型钢的前端板向前与顶轮后端相接，并将型钢的后端板向前与上拉轮和下拉轮的后端相接，调节旋转把手，使压辊向下与型钢相接触，要求不仅能实现压辊和托辊在上下方向上对型钢进行限位，还不能使压辊与型钢之间的摩擦力过大而降低型钢输送过程中的能耗。

步骤3，弯曲加工。拉缸液压缸和顶缸液压缸应同步动作。拉缸液压缸的伸出杆通过拉缸连接座、拉轮箱、上拉轮轴以及下拉轮轴带动上拉轮和下拉轮向后拉动型钢的后端板。顶缸液压缸的伸出杆通过顶缸连接座、顶轮箱、顶轮轴以及顶轮向后顶压型钢的前端板。型钢由于其前端板和后端板同步受力而发生弯曲。型钢在弯曲过程中由于其前部和后部同时受力，因此型钢各部分受力更均匀，可有效降低弯曲过程中产生不可控变形的概率。

步骤4，送出工作台。同步启动左驱动装置和右驱动装置的电动机，然后电动机驱动主动轮并通过摩擦力驱动型钢向左移动。移动中的型钢在通过型钢双向同步弯曲装置时，由于其前端板和后端板同步受力而发生弯曲，而弯曲后的型钢向左送出工作台。

3 顶拉式型钢折弯机弯曲度调整方法

弯曲后的型钢被向左送出工作台时，每段弯曲的型钢均为弧线，且具有圆心。在拉簧的作用下，弦长杆和伸缩测量杆均紧压在弯曲的型钢上，从而保证伸缩测量杆测量拱高的准确性。

测量型钢弯曲度时，两根弦长杆的长度固定，因此两根弦长杆自由端之间的距离（即被测型钢段的弦长）也固定。伸缩测量杆测量出的被测型钢段的拱高仅由型钢的弯曲度来决定，且拱高与弯曲度之间具有一一对应关系。通过伸缩测量杆测量出被测型钢段的拱高，可以换算出型钢的弯 曲度。

加工同一批次的型钢具有统一的目标弯曲度。目标弯曲度对应预定拱高，即型钢弯曲至目标弯曲度后，弯曲度测量位移传感器测量出的拱高就是预定拱高。

加工过程中，弯曲度测量装置测量加工后型钢的实测拱高时，如果实测拱高低于预定拱高，说明型钢的弯曲程度低于目标弯曲度。此时调整型钢双向同步弯曲装置，即加大顶缸液压缸的伸出杆的伸出量，同时减少拉缸液压缸的伸出杆的伸出量，增大型钢的弯曲程度。如果实测拱高高于预定拱高，说明型钢的弯曲程度高于目标弯曲度。此时调整型钢双向同步弯曲装置，即减少顶缸液压缸伸出杆的伸出量，同时增加拉缸液压缸的伸出杆的伸出量，减小型钢的弯曲程度。如果实测拱高等于预定拱高，则表明型钢的弯曲程度刚好，不需要调整顶拉式型钢折弯机的工作状态。可见，可通过弯曲度调整操作，将型钢的弯曲度控制在目标弯曲度和预定拱高的公差范围内。

调整型钢的弯曲度时，通过电控装置接收弯曲度测量位移传感器的信号，并相应调整顶缸液压缸的伸出杆和拉缸液压缸的伸出杆的伸出量。电控装置通过接收拉缸位移传感器和顶缸位移传感器的信号，精确调整顶缸液压缸的伸出杆和拉缸液压缸的伸出杆的伸出量。通过拉缸位移传感器和顶缸位移传感器可以精确监控拉缸液压缸和顶缸液压缸的动作，从而使拉缸液压缸和顶缸液压缸的动作幅度与预定值（取决于预定的型钢弯曲程度）相同。

4 结语

本文设计的顶拉式型钢折弯机采用双向同步均匀受力的方式，保证型钢弯曲变形时整体匀称变形，从而避免中间板单向受力产生畸变。矫正限位装置进一步保证了型钢在顶拉液压缸作用下其前后端能够适配变形，以保持型材稳定。此外，型钢弯曲度测量装置可以实现实时测量，保证了工件质量。