半圆形渠槽离心振动成型机设备研制

2003年,中国水电十三局在北非国家阿尔及利亚承接了总长为336km半圆形预应力混凝土输水渠槽生产、安装工程任务,产品规格为φ350～φ1550,有效长度为7m,其中350型壁厚仅为40mm,产品生产难度很高,国内又没有成熟设备可供借鉴,为此工程局抽调了专业技术人员与国内有混凝土管制作经验的陕西省红旗水泥制品总厂的相关部门进行合作,共同组成了半圆形预应力混凝土渠槽研究开发小组,对预应力混凝土渠槽生产设备和生产工艺进行研究和开发。研究小组根据国内圆管生产设备制作标准,在实践中不断摸索、不断改进,经过历时8个多月上百次的技术攻关和试验,最终成功研制出半圆形渠槽生产成型机,并摸索出一套生产半圆形渠槽的工艺技术,从现场对直径Φ350mm预应力混凝土渠槽采用双倍荷载和渗水试验结果表明,其技术指标和性能完全满足工程要求,研制取得成功,然后转入阿尔及利亚自行建厂生产工程所需的渠槽产品。

1渠槽离心振动成型机设备的研制

根据渠槽产品的特点,渠槽生产线拟采用离心振动工艺。国外混凝土制品离心振动工艺是一种成熟工艺,本渠槽混凝土的成型原理与一般混凝土管基本相同,管模的构造与常规混凝土管模差别不大;但由于渠槽的混凝土结构为半圆形,单节长度比国内普遍生产的5m管还长2m,总长达7m;内部的骨架筋和预应力筋由于规格形状变化,必须要重新设计和计算;合同中对渠槽的内壁表面要求很高,并规定设计承载力值应承受2倍于渠槽满水运行的水重时,不出现大于0.2mm的裂缝。因此,对渠槽生产设备的要求也极高。

1.1 振动离心机研制

振动离心机包括:离心机组、振动装置、刹车装置、调速电机、液压泵站和电控柜等组件。

由于渠槽离心机与一般制管离心机有所不同,渠槽是属于薄壁混凝土构件,Φ350mm的渠槽壁厚仅40mm,一般离心机无法满足该渠槽混凝土的密实度要求,因此,在离心过程中要对正在高速旋转的管模及管模内混凝土施加高频振动,以增加混凝土的密实度。在振动离心机研制过程中,设计人员通过安装在离心机一侧的四个带有刻槽的振动轮在液压油缸的推动下与模具跑轮接触来实现离心振动,管模摩擦带动振动轮旋转产生频率为10000Hz～20000Hz的振动力,并根据管径的大小,采取不同振动时间,振动时间通过振作控制台来实施控制。

1.1.1 振动离心成型机的特点

利用渠槽钢模内壁高速旋转带动混凝土混合料运动,在离心力、重力、粘着力、摩擦力与振动力的共同作用下,使混凝土混合料沿钢模内壁均匀分布、密实,并将多余水分挤出,从而取得高密实、高强度的混凝土渠槽。半圆型渠槽是通过上半模和下半模之间增加隔板,把圆形管分隔成两个半圆形渠槽完成的。隔板在钢模内外边的宽度控制了渠槽的壁厚。

渠槽离心机采用的支承方法为托轮式,由调速电动机带动主动轮,并依靠摩擦力带动钢模跑轮旋转。其特点是构造简单、加工容易、操作方便、生产效率高。托轮和钢模均为钢制,离心成型时由于相互撞击,噪音较大,当钢模加工精度差及其他原因造成钢模变形时,不仅加大噪音,而且引起钢模剧烈振动、跳动。因此离心机托轮和钢模加工必须有较高的精度,必须经过同心度校验。

1.1.2 振动离心成型机与国内普通离心成型机的区别

(1)增加了四个齿轮状液压振捣轮,布料速度和成型速度及混凝土质量得到提高,但高频振动时噪声大,特别是多台离心机同时工作时更为突出,同时振动造成离心机的部分零件早期损坏。

(2)经过高速离心过程后,增加了1～2次倒浆过程(把钢模的一端提起使多余的水泥浆充分流出),使渠槽内表面更加光滑。

(3)在被动托轮上增加了刹车装置,使钢模转速降低到最低限度(水或水泥浆在重力作用下不再贴壁)时,立即刹车,使混凝土中排出的水不再冲刷渠槽内表面,保护了渠槽在高速离心时所形成的高亮内表面。

(4)经过大量生产实践,把承口处的振捣轮采用的单独控制。布料工艺需要先从承口处开始,因此承口处布料时单独启动,布料结束停止振动,直线段和插口处布料时,只开启其它三个振捣轮。只有在中速振捣时,四个振捣轮同时开启。这样避免了因承口处振捣时间过长造成的混凝土分层严重现象。

1.2 管模设计与制作

管模由筒体、跑轮、筋板、企口板、隔板及合模螺栓等部件组成。为满足半圆形渠槽的外形尺寸,设计时在圆形模具两个半圆的合模处增设隔板,隔板要求通长平直、离心时不变形,研究小组将隔板与模具的环形肋设计成为一体,解决了隔板的刚度问题,合模时用合模螺栓固定在一起,使用一管模内同时生产两根同规格半圆形渠槽产品。

1.3 喂料机设计、制作与调整

喂料机由储料仓、喂料小车、喂料臂、轻轨组成。设计时,研制人员认真分析了喂料机的工作原理,即:将混凝土搅拌站生产线传送来的混合料暂存于喂料机的储料仓料斗内,当离心机带动管模启动后,料斗内的螺旋输送装置开始运行,并均匀地向管模内喂料,为满足喂料的足量和均匀性要求,喂料机必须边喂料边行走,并能自动控制以提高工作效率。为保证混凝土从料斗顺利进入喂料臂,料斗上带有0.8kW附着式振动器,使混凝土能连续均匀到过指定的管模位置。

喂料小车是喂料机的主要部件,小车由调速电机驱动、沿专用轻轨行走。安装在喂料小车的喂料悬臂长近8m,并安装有传送皮带,对小车产生巨大的前倾弯力,为保证喂料时喂料臂平直、顺畅作业,在喂料小车上设计了配重,同时将喂料臂按使用载重量设计成斜坡形,保证了喂料臂的平直度。

2结语

(1)离心振动成型机的设计开发,完全达到了产品技术性能要求,产品应用于阿尔及利亚项目中。其技术指标和性能完全满足工程要求,替代了进口设备,具有较高经济效益和社会效益。

(2)利用高速离心并经高频振动密实成型的半圆型预应力混凝土渠槽在国内尚未有同类规格的产品,期有效长度为7m,也是国内所没有的。本成果经查询应为实用新型产品,填补了国内预应力混凝土输水渠槽生产的空白。

(3)半圆型预应力混凝土输水渠槽具有强度高,抗渗性好、架设容易,取水方便,节省水资源,环保及经济实用等特点,一般可满足0.1～1.5m3/s的引水要求。它适用于水资源缺乏,地表渗水严重,高洼不平的丘陵、平原等地区的大面积农田水利灌溉工程,也可能过加设泵站提供远距离输水任务。在国内特别适用于西北黄土丘陵缺水地区、南方低矮丘陵、华北平原等不同地形,有着广阔的发展空间。