ГНУТЫЙ СТАЛЬНОЙ ПРОФИЛЬ ДОРОЖНОГО ОГРАЖДЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК B21D5/06 B21D7/00 

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при изготовлении сортовых гнутых профилей.

Холодногнутые сортовые профили самой разнообразной конфигурации поперечного сечения и различного назначения (в том числе - для дорожных ограждений автомагистралей) получают на специальных профилегибочных станах. Эти профили состоят из отдельных элементов, сопряженных местами изгиба с заданными радиусами, и могут изготавливаться из разных металлов, например из углеродистой стали общего назначения (таких, как ст.3кп и 4кп). Сортамент производимых гнутых профилей достаточно полно представлен в справочнике под ред. И.С. Тришевского "Гнутые профили проката", М., "Металлургия", 1980, с. 147-301. Значительную часть сортамента составляют профили с гофрами жесткости различной формы: прямоугольными, трапециевидными, треугольными и полукруглыми.

Известен гнутый профиль (гофрированный лист), концевым выступам которого придана такая форма, что вырез на одном конце листа соответствует выступу на другом его конце (см. пат ГДР 146206, кл. F 28 F 3/06 от 28.01.81 г.).

Известен также гнутый профиль, содержащий средние и краевые вертикальные и горизонтальные элементы, сопряженные участками изгиба, у которого средний горизонтальный элемент выполнен выпуклым наружу с заданной стрелой прогиба (см. а.с. СССР 1726086, кл. В 21 D 5/06 от 28.02.90 г.).

Недостатком этих профилей является невозможность эффективного их использования в качестве дорожных ограждений автомагистралей.

Наиболее близким к заявляемому объекту является гнутый профиль по пат. РФ 2147954, кл. В 21 D 5/06, В 21 D 7/08, В 21 D 13/06 от 08.12.98 г. (опубл. в БИ 12, 2000 г.).

Этот профиль, предназначенный для использования в качестве дорожного ограждения, содержит в поперечном сечении трапециевидный гофр с горизонтальными полками у основания, боковые стенки и участки изгиба и характеризуется наличием на каждой из полок дополнительных полукруглых гофров, направление которых совпадает с направлением центрального гофра, причем высота этого гофра и углы наклона его граней к горизонтали зависят соответственно от высоты стенок и углов их наклона, радиус дополнительных гофров равен их глубине, а величина радиусов изгиба составляет 2,7...3,3 от толщины профиля, что повышает его жесткость (сопротивление деформации).

Недостатком известного объекта является малая эффективность его использования на высокоскоростных и горных автомагистралях вследствие недостаточного сопротивления изгибу при повышенных динамических нагрузках (ударах).

Технической задачей изобретения является улучшение потребительских (эксплуатационных) свойств гнутых стальных профилей дорожного ограждения за счет повышения их жесткости при динамических нагрузках, а также уменьшение, вследствие этого, расхода металла на их изготовление.

Для решения указанной задачи у гнутого стального профиля толщиной S, содержащего в поперечном сечении центральный трапециевидный гофр с горизонтальными полками у его оснований, боковые наклонные стенки и участки изгиба по заданному радиусу r, центральный гофр выполнен с высотой Н, превышающей высоту упомянутых стенок в 2,4...2,6 раза и с шириной В=(2,35...2,45)Н, с углом наклона его граней к горизонтали в пределах 72...74^o и в 1,05...1,08 раза меньше угла наклона стенок, а на середине вершины центрального гофра выполнен дополнительный и противоположно ему направленный прямоугольный гофр с высотой, равной 0,44...0,46 высоты центрального гофра, и с ребрами, закругленными по радиусам, равным 0,57...0,61 его высоты h, при этом ширина дополнительного гофра составляет (1,5...1,6)h, а величина r=(2,50...2,85)S.

Указанные соотношения величин параметров профиля получены методом математического моделирования и скорректированы по результатам экспериментов, т. е. являются эмпирическими.

Сущность заявляемого технического решения заключается в оптимизации конфигурации и параметров гнутого профиля с целью обеспечения максимальных его прочностных характеристик (в частности - моментов инерции и сопротивления сечения) при минимальной площади поперечного сечения. Действительно, как показала опытная проверка эксплуатационных свойств профиля (см. ниже), вышеприведенные соотношения между основными его параметрами дают максимальную его жесткость и высокое сопротивление динамическим (ударным) нагрузкам, что особенно важно для обеспечения безопасности движения по скоростным и горным автомагистралям.

Гнутые стальные профили дорожных ограждений обычно используются с цинковым покрытием, которое наиболее приемлемо для сталей с низким содержанием кремния (например, кипящие стали). Кроме того, для сборки таких профилей в них пробиваются отверстия в определенных элементах.

При этом используемая сталь должна быть, прежде всего, пластичной, чтобы исключить трещинообразование при пробивке отверстий. Кроме того, профили не должны иметь так называемых концевых дефектов (например, отклонений углов наклона отдельных элементов от заданных величин), затрудняющих сборку ограждений. С этой точки зрения наиболее подходят стали с низким содержанием углерода, но имеющие достаточно высокие механические свойства (например, ст. 3кп и 4кп).

Все вышеперечисленные аспекты и определяют эксплуатационные свойства профилей дорожного ограждения. Следует заметить, что найденные соотношения параметров профиля оптимальны только в случае его изготовления из стали, а при использовании других металлов (например, алюминия и его сплавов) - они будут иными.

Предлагаемый гнутый профиль (его поперечное сечение) показан на чертеже.

Профиль толщиной S содержит центральный трапециевидный гофр 1 высотой Н и шириной В, грани 2 которого наклонены к горизонтали под углом α и основание которого сопряжено с горизонтальными полками 3, на внешних кромках которых выполнены боковые стенки 4 высотой h_с, наклоненные к горизонтали под углом β, причем В=(2,35...2,45)Н, H=(2,4...2,6)h_c и β = (1,05...1,08)α. На вершине гофра 1 дополнительно выполнен прямоугольный гофр 5 (т.е. его плоские вертикальные и горизонтальные грани взаимно перпендикулярны), с направлением, противоположным гофру 1 (вниз), и с высотой h=(0,44...0,46)H; ребра гофра 5 закруглены по радиусам R=(0,57...0,61)h, а ширина этого гофра b=(l,5...1,6)h. Все участки изгиба 6 выполнены по радиусам r=(2,50...2,85)S.

При монтаже дорожного ограждения профиль устанавливается горизонтально и крепится к вертикальным стойкам с помощью отверстий на вершине центрального гофра 1, которые пробиваются на концах штанги профиля.

Опытную проверку заявляемого гнутого профиля производили в ООО "Профиль-ГП" Магнитогорского меткомбината и в Магнитогорском государственном техническом университете.

С этой целью на профилегибочном агрегате 2÷8х100÷600 ММК были изготовлены различные варианты предлагаемого профиля из полосовой заготовки одинаковой ширины и толщины, отличавшиеся некоторыми своими параметрами, а также гнутый профиль, выбранный в качестве ближайшего аналога (см. выше). В опытах оценивалась склонность к трещинообразованию при профилировании, качество их геометрии, жесткость при испытаниях на продольный изгиб и динамические нагрузки. Было установлено следующее.

При уменьшении величины Н:h_с и увеличении отношения В:Н снижалась жесткость профиля при продольном изгибе, а при увеличении Н:h_с и уменьшении отношения В: Н - уменьшалось сопротивление ударной нагрузки (в основном - из-за продольного скручивания профиля). Несмотря на то, что max у заявляемого профиля меньше, чем у известного, продольная жесткость первого из них была больше почти на 15%, благодаря наличию на вершине центрального гофра дополнительного гофра, направление которого обусловлено особенностями крепления профиля к стойкам.

Уменьшение величины угла α предлагаемого профиля (по сравнению с таковым у известного) не сказалось на жесткости его сечения (видимо из-за наличия дополнительного гофра 5 - см. чертеж), но в то же время несколько (примерно на 10%) повысило износостойкость выпуклых элементов нижних валков при формообразовании гофра. В то же время, уменьшение величины отношения α/β увеличило "крутизну" боковых стенок 4, что повысило стойкость профиля к ударным нагрузкам.

Параметры дополнительного гофра следует считать оптимальными: уменьшение h_с снижало жесткость профиля, а ее увеличение, во-первых, уменьшало износостойкость выпуклых элементов верхних валков при формообразовании гофра (к этому же вело и уменьшение величин R) и, во-вторых, повышало вероятность дополнительного травмирования автомобиля при наезде на ограждение. Уменьшение ширины "b" гофра 5 затрудняло его формообразование, а увеличение - затрудняло пробивку концевых отверстий и монтаж ограждения. Увеличение R приводило к снижению жесткости профиля и его сопротивления ударным нагрузкам.

Уменьшение средней величины отношения r/S предлагаемого профиля (2,68 против 3,0 у известного профиля) не увеличило трещинообразования при пробивке отверстий на концах штанг, так как этот профиль изготавливается из полосовой заготовки большей толщины (3,5...4,0 мм) и прочности (ст.3кп и 4кп), что приводит лишь к незначительному уменьшению радиусов r в штампах. В то же время, уменьшение r/S повышает износостойкость валков (за счет продления их рабочей кампании) и несколько увеличивает жесткость профиля.

Сравнительные испытания заявляемого и известного профилей (при изготовлении обоих из одной марки стали) на ударные нагрузки показали, что первый из них (при изготовлении из полосовой заготовки одинаковой ширины и толщины) обладает большей стойкостью на 20...30%, а качество цинкового покрытия ст. 3кп и 4кп удовлетворяет всем требованиям потребителей. Таким образом, использование нового гнутого профиля позволяет сократить расход металла при изготовлении равнопрочных профилей.

Так как изготавливаемый в настоящее время и широко применяемый профиль дорожного ограждения типа "В" (по ТУ 14-101-360-96) нередко используется (в особенности - на горных дорогах) в едином комплексе (сборке) с гнутыми корытными профилями (для повышения жесткости), были проведены сравнительные испытания "сдвоенного" профиля и заявляемого. Жесткость рассматриваемого нового профиля оказалась практически равной вышеназванному, а вес 1 пог.м уменьшился почти на 8%.

Таким образом, опытная проверка подтвердила приемлемость найденного технического решения для выполнения поставленной задачи и его преимущества перед известным объектом.

По данным Центральной лаборатории контроля ОАО "ММК", использование заявляемого профиля в качестве элемента дорожных ограждений автомагистралей улучшает их эксплуатационные характеристики, что позволяет повысить оптовую цену на изделия, уменьшая расход металла (при одинаковой жесткости известных и новых профилей) на 8...20%.

Пример конкретного выполнения
Гнутый профиль дорожного ограждения выполнен из полосовой ст.3кп толщиной S=3,7 мм; поперечное сечение профиля показано на чертеже.

Параметры профиля:
В_п=387 мм; Н=100 мм; В=240 мм; h=45 мм; h_c=40 мм;
b=70 мм; α=73^o; β=77,5^o; r=10 мм; R=26,5 мм.

Таким образом:
Н:h_c=2,5; β:α=1,065; В:Н=2,4; h=0,45Н; R=0,59h_c;
b=l,55h; r=2,7S.

Моменты сопротивления сечения профиля:
W_x≈59 cм³;W_y≈55 cм³.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к производству гнутых профилей проката для дорожного ограждения. Профиль содержит в поперечном сечении центральный трапециевидный гофр с горизонтальными полками у его оснований, боковые наклонные стенки и участки изгиба по заданному радиусу, центральный гофр выполнен с высотой, превышающей высоту упомянутых стенок, и с шириной, превышающей его высоту с углом наклона его граней к горизонтали меньше угла наклона стенок. На середине вершины центрального гофра выполнен дополнительный и противоположно направленный ему прямоугольный гофр с высотой меньше высоты центрального гофра и с ребрами, закрепленными по заданным радиусам, шириной меньше его высоты. Участки изгиба выполнены по заданному радиусу. Повышается жесткость гнутых стальных профилей при динамических нагрузках и уменьшается металлоемкость. 1 ил.

Гнутый стальной профиль дорожного ограждения, содержащий в поперечном сечении центральный трапециевидный гофр с горизонтальными полками у его оснований, боковые наклонные стенки и участки изгиба по заданному радиусу r, отличающийся тем, что центральный гофр выполнен с высотой Н, превышающей высоту упомянутых стенок в 2,4. . . 2,6 раза, и с шириной В = (2,35. . . 2,45)Н, с углом наклона его граней к горизонтали в пределах 72. . . 74^o и в 1,05. . . 1,08 раза меньше угла наклона стенок, а на середине вершины центрального гофра выполнен дополнительный и противоположно направленный ему прямоугольный гофр с высотой h, равной 0,44. . . 0,46 высоты центрального гофра, и с ребрами, закругленными по радиусам, равным 0,57. . . 0,61 его высоты h, при этом ширина дополнительного гофра составляет (1,5. . . 1,6)h, а величина r= (2,50. . . 2,85)S, где S - толщина гнутого стального профиля.