采用铝合金天沟代替钢制天沟的开发与应用

2019-10-29 版权声明 举报文章

近年来,随着设施农业的迅速发展,对温室建造水平的要求越来越高,各种高性能的温室应运而生。温室上用的,主要构件排水沟(熟称天沟)基本使用的是普通3毫米钢板压制成型。其缺点是自身重量重、抗弯能力及耐腐蚀性差、保温性能不好、综和成本高于铝合金材料。

天沟在温室结构上担负两项重要任务:一是屋顶的承重及与各结构件的连接,二是屋面雨水的收集和排除。采用铝合金材料制作的天沟,完全满足以上两个条件,以铝代钢不仅提高温室使用年限,而且使用功能增加,节约温室的运行成本,会产生明显经济效益和社会效益。

以铝合金天沟代替钢制天沟的研发

铝合金型材是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,在航空、航天、汽车、机械制造、船舶,建筑及装修中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展,对铝合金结构件的需求日益增多,这主要取决于铝合金,有着重量轻,比强度大,可焊接性,易于冷热加工,可制成各种型材、板材,抗腐蚀性能好;但是纯铝的强度很低,退火状态 σb 值约为8 kgf/mm2,故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验,人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化CC铝,这就得到了一系列的铝合金。 添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度,σb 值分别可达 24~60 kgf/mm2。这样αα使得其“比强度”(强度与比重的比值 σb/ρ)胜过很多合金钢,成为理想的结构材料。特别适用于要求跨度大,重量轻的大轻型屋面结构。

温室天沟,就具有上述特点,根据铝合金的特性设计符合天沟要求的截面是铝合金材料代替钢制天沟的关键,天沟在温室上的主要功能是承重、连接各部结构件,屋面雨水的收集,排除。如果简单的按钢制天沟形状来仿制,因钢制天沟是一个开放的V字形状,普通铝合金单位抗拉强度低于普通钢材的抗拉强的,不能满足天沟承重的要求因此就必须考虑既能满足承重需要,又能与各结构件连接方便,稳定牢固的专用截面。

铝合金天沟材料的选择及工艺控制。如上图根据天沟特性,首先要选择适当的合金材料,如果单独从承重考虑,选择高强度的合金牌号,一是材料本身价值高,挤压成本及后期热处理要远远高于普通合金材料,用户承担过高的费用,在市场上很难推广。选择适当的合金材料,设计合理的型材断面,来满足承重的需要,6063材料是铝型材生产过程中常用的一种材料,材料价格相对较低,挤压加工及热处理工艺简单,一般情况下,它的抗拉强度178N/MM,在加工过程中,原材料中添加细化剂以及严格控制工艺 材料抗拉强度可达到6061材料标准。190N/MM-200N/MM。

如图1,铝合金天沟外形,把它制成一个空腔的管材,使其抗弯强度有了一个很大的提高。经过抗弯试验,钢铝对比,他能满足天沟承重的需要。最大的优点是,当雨量特别集中时,雨量漫过天沟上檐时,钢制天沟就发生漏水,铝合金天沟能保持不发生漏水。

铝合金天沟断面设计

根据天沟使用具体情况,除承重之外还要考虑以下几方面①如何与人字梁连接稳定牢固,②天沟与天沟的接缝处的连接③天沟与柱子的连接固定④连接孔与排水槽的加工。

天沟与人字梁连接

根据钢制的连接方法,天沟与人字梁连接在天沟外顶端设计一个外檐,在人字梁上开出一个卡槽,让人字梁能直接插在天沟外檐上,但这样它还不够稳定,在安装过程中遇到晃动,容易脱出。为保证不出以上问题,在人字梁底边设计一个挂钩,与天沟挂住,用自攻螺钉与人字梁紧固,可以避免人字梁在天沟外檐上脱出,在设计天沟挂点时,还要考虑,人字梁结露后产生凝结水的排出。外檐的角度要与尖顶的45°配合合理,以保证三角形的稳定性。

天沟在实际使用中,排列较长

在实际使用中,天沟排列较长,一般短则60~70 m,长的上百米,由于受到多方面因素影响,每根天沟不可能生产的很长,天沟与天沟之间必然产生接头,处理好接缝部分,着重应关注接缝的强度,不能因接缝影响天沟的强度,天沟是集水排水的载体,接缝处不能漏水。

解决以上两个问题,必须考虑一个既简单又合理的方案,设计一个与天沟内腔形状相同的连接件,上部与天沟内腔相同,两个肩部正好卡在天沟空腔扩大部分,起到承重作用,下部要留出一定空间,不能影响天沟内腔的排水,内腔连接件,应设计一个与天沟内腔同样的空腔材料,以便减轻重量,节约成本。为解决外部漏水,外部还应设计一个外形与天沟形状相同的分体的包裹件,与挂钩槽挂上,下部用螺丝紧固既解决漏水问题,又加强了天沟的钢度。为防止接缝漏水,还应在接缝处粘贴一条1~2 mm厚、50~60 mm宽、长度与外连接板弧度一样长的软橡胶板,连接板紧固后,把橡胶板压紧,以达到接缝不漏水的要求。

天沟与柱子的连接至关重要

天沟在使用当中,温室屋面的全部荷载通过人字梁,全部传给天沟,经过天沟传给框架的立柱,天沟与柱子的连接至关重要,铝合金天沟设计上,要考虑他的连接牢固性、安装方便、在保证安全的前提下尽量降低成本。

铝合金天沟还应能安装外遮阳立柱,温室顶部都要装外遮阳,他是用立柱组合成各个单元,上部需要安装拉幕线,遮阳网。在遮阳网全部拉开后,遇到大风,柱子要承受很大的侧向力。因此立柱与天沟的连接点,要求较高的强度,另外立柱是分布在整个建筑物长度上,每4 m一个,还应考虑安装螺丝方便。

后加工设备

生产出的材料,不能直接使用,还需加工出安装孔、排水槽,加工点较多,加工成实际使用的产品,难度较大,其特点是长度较长,(每根通常使用的长度为十米)加工点多、加工位置多、精度高、设备重现性好、运行稳定不出质量问题、效率要高。

铝合金天沟代替钢天沟成本

铝合金天沟建造的温室是一种采用新材料、新技术的项目,组装方便,回收价值高,拆解后,可回收原投资的75%,(使用寿命比普通钢天沟高出几倍以上)延长温室使用年限、节约投资、资源再利用,减少了镀锌材料的使用,降低污染,保护环境。

在行业当中有一个误区,认为钢的一定要比铝的便宜很多,其实在两种材料处在不同价位时,两种天沟价位对比:钢天沟每米重8.5 kg,钢板价格每公斤 4.5元、压制成型费每公斤1.5 元、镀锌费用1.5 元、钢天沟每公斤单价 7.5 kg/元,合计每米钢天沟成本63.75元 ,铝合金天沟每米重3.5 kg,铝锭价格在14 元/kg时,加工成品20 元/kg,铝合金天沟每米成本70 元,铝合金天沟比钢天沟造价每米高6.25 元。每平米增加成本3 元。

从温室使用年限上来分析,温室使用年限的长短,主要取决与天沟的使用年限,天沟在温室内部长期在高湿、高温的条件下工作,外部受雨水、露水的的腐蚀。由其近年来,我国大部分地区空气质量不好,空气中二氧化硫含量超高,雨水、露水pH值偏酸性。由于这些自然环境的影响,使天沟的腐蚀速度加快,致使温室的使用年限缩短。从一次性投入,使用年限上及回收价值来分析,钢天沟成本要远远高于铝合金天沟,此项目推广后,市场前景非常广泛。

实际应用

天津大港金星铝业有限公司经过几年来的开发及实际应用,产品与钢制天沟对比。优势及效果明显,实际案例有山西晋城蔬菜育苗中心、江苏常州花卉种植基地、山东泰安东方航空公司蔬菜种植基地,等。

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