鋼筋混凝土排水管立式內(nèi)模（芯模）振動設備的開發(fā)

褚建中

（蘇州混凝土水泥制品研究院，蘇州科星混凝土水泥制品裝備有限公司 江蘇蘇州215004）

 

　　為克服我國鋼筋混凝土排水管傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的諸多弊端，蘇州混凝土水泥制品研究院、蘇州科星混凝土水泥制品裝備有限公司通過調研，于2003年6月立項（國家科技部、科研院所技術開發(fā)研究項目）研制“立式內(nèi)模振動排水管生產(chǎn)設備”。至2005年6月完成該設備的研制，并在項目研究的基礎上進行延伸，建立了十七條“立式內(nèi)模振動排水管生產(chǎn)線”，其中一條生產(chǎn)線出口至哈薩克斯坦。產(chǎn)品長度2 m-3m，口徑覆蓋600mm至3000mm。形成了該設備的產(chǎn)品系列，并擁有自主知識產(chǎn)權，設備經(jīng)過三年多時間的運行（第一條生產(chǎn)線于2004年8月正式生產(chǎn)），情況良好，部分性能超過了同類進口設備，生產(chǎn)的排水管經(jīng)測試，內(nèi)壓和外載值分別為國標的5倍和2倍。該科研項目獲建材科技進步二等獎。該設備的開發(fā)成功，受到行業(yè)內(nèi)的歡迎，現(xiàn)正通過加大成果轉化力度，使該設備在鋼筋混凝土排水管生產(chǎn)中得到普遍應用。

一、項目基本情況

1、項目開發(fā)背景
　

　　由于經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高、城市規(guī)模的擴大和居民數(shù)量的增加，我國城市污水排放量不斷上升，據(jù)不完全統(tǒng)計已達7000萬噸/日以上，污水治理已被國家列入重點工作，隨著污水處理廠、城市污水管網(wǎng)和合流污水治理工程的大量新建和擴建，大口徑排水管的需量逐年大幅度增加，原有的大口徑鋼筋混凝土排水管生產(chǎn)線在產(chǎn)品質量和產(chǎn)量上均不能滿足要求，臥式離心和懸輥制管工藝一般適合生產(chǎn)2米以下的中小口徑排水管，傳統(tǒng)的濕法立式振搗工藝生產(chǎn)的大口徑排水管也存在一系列問題。

離心制管工藝生產(chǎn)的排水管在堆放過程中易產(chǎn)生內(nèi)壁干縮裂縫，脫模時易粘皮，浮漿影響管體強度和內(nèi)壁光滑，模具合縫處易跑漿漏水。

　　懸輥制管工藝輥壓過程中管子鋼筋骨架易移位變形，超過1.5米管徑的管子易產(chǎn)生內(nèi)壁塌落，外壁沉陷，內(nèi)壁超厚和承口不密實是該工藝最易發(fā)生的問題。

　　濕法振搗的混凝土管，內(nèi)部組織致密性差，毛細孔及細微裂縫較多，吸水率高，抗?jié)B性能差，污水腐蝕的耐久性差，管道開裂，鋼筋侵蝕膨脹，導致管體破壞現(xiàn)象時有發(fā)生。

　　濕法插入式振搗工藝生產(chǎn)的大口徑管道，在插入振搗生產(chǎn)過程中，容易使混凝土內(nèi)鋼筋移位及露筋，從而嚴重影響了管體的結構強度和耐久性，并且由于這種生產(chǎn)工藝形式本身的缺陷，導致工效低下，在產(chǎn)量上難以滿足要求。

　　濕法振動工藝形式由于采用高水灰比的流動性混凝土，難以生產(chǎn)高強度的混凝土制品，為提高早期脫模強度，必須采用蒸養(yǎng)工序，從而增加了能源消耗，而且在制備過程中，管子的上部水分多，集料少，均質性差。配筋稠密處振搗不密實。從而不能適應新的管道施工作業(yè)。在頂管施工中由于幾何尺寸偏差大，使頂進方向偏移，頂力傳遞不良，并經(jīng)常發(fā)生管道頂裂。

　　由于上述生產(chǎn)工藝本身的缺陷，排水管生產(chǎn)單位需要一種新的生產(chǎn)工藝裝備，以滿足大口徑排水管道的質量和產(chǎn)量的市場需求，并同時改善生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的環(huán)境保護和節(jié)約能源等問題。

　　通過對振動工藝以及德國、丹麥、奧地利等國家立式振動成型制管工藝設備的分析研究，提出干法立式內(nèi)模振動，瞬時脫模排水管制管工藝及設備，通過內(nèi)模振動使喂入管模間的混凝土充滿并排出氣體，從而得到密實的混凝土結構；由于對混凝土施加的是高頻振動，水泥顆粒在振動撞擊過程中表面的膠凝體不斷脫落，露出新的表面，從而提高了單位體積內(nèi)膠體的數(shù)量和參與水化作用的水泥表面積，提高了水泥石的密實度與強度。管端采用碾壓使承口混凝土更加密實，并成型出規(guī)整的承插口形狀。采用均勻的內(nèi)模振動傳遞至混凝土，對不同口徑的管道，通過調整內(nèi)模內(nèi)振動器的頻率，能夠使管子得到最佳的密實效果和表面質量。由于振動力足夠大而且均勻，成型時可以使用干硬性混凝土，從而使瞬時脫模得以實現(xiàn)。無需蒸氣養(yǎng)護，極大地提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了能源，并降低了模具的一次性投入和生產(chǎn)成本。由于是內(nèi)模振動，不會由于操作不良使振動器接觸鋼筋，鋼筋基本沒有移位現(xiàn)象。插口部位采用液壓碾壓方法，使插口部分混凝土受壓受振受搓，保證混凝土的密實性。

　　蘇州混凝土水泥制品研究院對混凝土制品的立式振動工藝進行了長期的多方位研究，其成果處于國內(nèi)領先水平。早在1985年，我院就推出了“混凝土空心柱立式高頻振動成型設備”。并在90年代專門組織技術力量，對排水管的立式振動成型工藝進行了深入的研究。以此為基礎，進行大口徑混凝土排水管立式內(nèi)模振動制管設備的開發(fā)研究條件比較成熟。并設想該設備研制成功后可與我院承擔的2001年度科技部技術開發(fā)研究專項資金項目（編號：NCSTE—2001—JKZX—196）“綠色耐腐蝕混凝土排水管的開發(fā)研究項目”配套實施，以實現(xiàn)優(yōu)質高效生產(chǎn)耐腐蝕混凝土排水管產(chǎn)品。

2、項目來源

　　經(jīng)過調研及分析，2002年7月完成該項目研究立項的可行性分析，提出項目申請，2003年6月科技部發(fā)文“國科發(fā)財字[2003]170號”批復，該項目立項，并下達開發(fā)研究專項資金。

　　項目名稱為“立式內(nèi)模振動排水管生產(chǎn)設備的開發(fā)研究”（編號2003EG132163）；項目資金195萬，其中專項資金撥款95萬，單位自籌100萬；屬科研院所技術開發(fā)研究專項資金項目；先進制造技術領域；項目研究周期24個月。

3、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　歐美發(fā)達國家生產(chǎn)鋼筋混凝土排水管主要生產(chǎn)工藝為“徑向擠壓法”和“立式振動成型法”，徑向擠壓制管工藝生產(chǎn)裝備自動化程度生產(chǎn)效率高，通常適合于口徑1200mm以下的管子。立式振動成型制管工藝設備八十年代德國、丹麥、奧地利等國家開展了較為系統(tǒng)的研究，主要方法有外模附壁式振動成型、芯模振動成型，在大口徑排水管道生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。

　　隨著裝備的日趨成熟，芯模振動制管工藝裝備，不僅自動化程度高，并且更適合于大口徑管的生產(chǎn)，最大生產(chǎn)管徑可達3600mm，同時此種裝備還可以生產(chǎn)帶基座管道、方涵、檢查井等異形管道。

　　芯模振動制管設備相對其他傳統(tǒng)工藝裝備比較復雜，融合了機、電、液壓和自動控制技術，它代表了混凝土制管領域裝備的較高水平，比較著名的專業(yè)生產(chǎn)廠商有丹麥的佩特哈博公司，美國哈卡公司，意大利科利公司，德國的祖布林公司和寶姆格特納公司等。

　　我國的一些排水管生產(chǎn)企業(yè)，為適應市場對大口徑管的需求，在原有設備基礎上進行改造，大多為插入式或外模附壁濕法振動設備，我院在83年就混凝土空心柱的濕法內(nèi)模振動成型工藝開展了大量的研究，通過省級鑒定并生產(chǎn)出成套設備。但由于工藝及裝備諸多缺點，未能在生產(chǎn)中得以推廣。

　　80年代末期，上海成品廠率先引進芯模振動制管設備，至今先后有十多家從美國、丹麥、德國等公司引進該生產(chǎn)工藝裝備，國內(nèi)企業(yè)對此工藝設備進行了研制， 2004年8月蘇州混凝土水泥制品研究院、蘇州科星混凝土水泥制品裝備公司Ф1350-Ф2400長度2.5m立式內(nèi)模振動制管設備試制完成，在南寧鴻基水泥制品公司的大力配合下，成功地進行了七種規(guī)格的混凝土排水管生產(chǎn)中試，此后在半年時間內(nèi)不斷進行調整、改進，2005年上半年正常生產(chǎn)運行，情況良好，隨后又對Ф600-Ф1500、Ф1800-Ф3000內(nèi)模振動制管設備進行了研究，試制成功，從而覆蓋了長度3m以下，口徑從Ф600-Ф3000的排水管生產(chǎn)能力，形成了裝備系列?，F(xiàn)正進一步在計算機自動控制、自動監(jiān)控，一機產(chǎn)品多元化（如檢查井、方涵、特殊的異形管道、PH2-12的防腐混凝土管）等方面進行延伸研究。

二、主要研制內(nèi)容及技術關鍵

1、項目研究目的及研究目標

　　由于市場因素和市政發(fā)展，大口徑排水管原有生產(chǎn)設備在工作效率、產(chǎn)品質量節(jié)能、環(huán)保等方面已滿足不了要求，用一種新的工藝裝備替代勢在必行，而立式內(nèi)模振動，瞬時脫模工藝裝備的提出，使?jié)M足我國城市建設高性能排水管應用將成為現(xiàn)實，該項目的實施，對促進我國建材工業(yè)的生產(chǎn)裝備技術進步，以及加強環(huán)境保護、節(jié)約能源都具有重要的意義。

　　我院是混凝土排水管及排水管生產(chǎn)設備國家標準制訂承擔單位，并且承擔了我國排水管生產(chǎn)行業(yè)的技術支持職能，此項目落實至我院實施，可以很好地解決技術上的前后銜接，能有效地掌握最先進的大口徑排水管制管工藝及裝備技術，促進行業(yè)技術進步，在國內(nèi)保持領先地位的同時，增強我院科技產(chǎn)業(yè)的實力，對本單位的改革和發(fā)展將起有力的推動作用。

　　本項目的完成，可形成具有自主知識產(chǎn)權的成套技術。

　　本項目研究目標為：完成干法振搗、立式成型、瞬時脫模、自然養(yǎng)護大口徑排水管生產(chǎn)工藝及設備的研究試制工作，并建設一條年產(chǎn)20Km，φ1350mm～3000mm大口徑排水管生產(chǎn)線，在城市排污工程中應用推廣。

　　項目完成的技術水平為國際先進，項目成果的市場意義為完善水泥制品行業(yè)排水管先進制備工藝，填補技術空白。

2、項目研制內(nèi)容

　　排水管立式內(nèi)模振動成型的設想是將砂、石、水、水泥、外加劑等材料計量后攪拌均勻配制成干硬性混凝土；鋼筋用滾焊機制成骨架，放入排水管外膜內(nèi)，連外模一起吊入已固定好內(nèi)模的制管工位；將混凝土喂入管模，同時內(nèi)模振動；碾壓排水管混凝土插口，排水管成型；連外模一起將排水管吊離成型工位（脫內(nèi)膜）；脫外膜，并保濕自然養(yǎng)護；待混凝土具有一定強度后翻管、脫底模，運至堆場繼續(xù)自然養(yǎng)護，然后檢驗，裝運出廠。

研究開發(fā)內(nèi)容為：

①適用于干法立式振動生產(chǎn)工藝的混凝土材性及配合比研究；

②大口徑排水管干法振動、立式成型、瞬時脫模制備工藝的研究；

③立式內(nèi)模振動裝置的研究；

④適合于干法振動、立式成型工藝的混凝土布料裝置的研究；

⑤大口徑排水管承、插口液壓碾壓裝置的研究；

⑥該成型工藝的內(nèi)外模具的研究；

⑦適用于瞬時脫模大口徑排水管專用吊具及裝運設備的研究；

⑧干法振動、立式成型工藝排水管生產(chǎn)線電、氣、液壓、控制系統(tǒng)的研究。

主要技術創(chuàng)新：

①干法振動、瞬時脫模大口徑排水管生產(chǎn)工藝方法；

②內(nèi)模均勻振動、振力可調，大口徑排水管振動成型裝置；

③管插口搓動碾壓混凝土密實裝置。

④防止混凝土下料離析的可360度回轉布料裝置。

為保證該工藝方法的實施以及成套裝備的試制成功，關鍵技術為：

①優(yōu)化干硬性混凝土的配比及材料性能，使之脫模后有足夠的堆結強度；
②確定內(nèi)模振動的頻率范圍、振動力及內(nèi)模振動方式，以保證振動的可靠性和主機的合理使用壽命。

3、項目研究過程

在調研分析的基礎上確定了本項目立式內(nèi)模振動生產(chǎn)排水管的工藝方法；

　　為體現(xiàn)立式內(nèi)模振動排水管工藝的先進性、實用性，設計時要求生產(chǎn)節(jié)拍應達到管體長度L2500，管徑≤ф1650時，生產(chǎn)效率3根/小時；管徑ф1800—ф2200間，生產(chǎn)效率2根/小時；管徑>ф2200時，生產(chǎn)效率1-1.5根/小時。

　　根據(jù)工藝初步確定的生產(chǎn)參數(shù)指標建立數(shù)學模型，根據(jù)計算結果，確定了振動裝置的最大振幅、頻率要求，完成了整個內(nèi)置振動器、振動器與動力源主軸承座間的連接、振動器與內(nèi)模間漲緊連接、振動器內(nèi)部高速運轉的潤滑等初步設計。

　　由于設備處于300KN，最高振頻轉速4500rpm工作條件下，為使振動器運轉平穩(wěn)，我們采用了同一平面三個呈120⁰夾角主電機驅動;同時為滿足不同管徑長度的排水管生產(chǎn)以及生產(chǎn)過程中不同的激振要求，使用一臺大功率變頻器對三臺主電機進行變頻調速。

　　根據(jù)本裝備高起點的設計思路，主動力驅動部分以選擇液壓馬達和液壓油缸為主；根據(jù)系統(tǒng)以及振動器的工作發(fā)熱計算，確定內(nèi)置振動器采用強制油冷卻方案；參照國外先進設備的各種型式以及防止混凝土下料過程的離析，管徑ф1350—ф3000的生產(chǎn)設備混凝土布料形式采取 360⁰回轉皮帶機構；為防止模具在使用過程中的焊接應力釋放變形，保證混凝土制品尺寸精度，根據(jù)國內(nèi)模具的加工特點，在模具制造中采取二次回火熱處理加工工藝。

　　由于產(chǎn)生振動的緣故，振動器與主軸承的連接方式不能采用剛性連接，而只能采用連接。先期設計自制了偶連器連接，由于對連接軸的同心要求比較高，中試使用中效果不理想，我們在試用一段時間后改用特制的柔性連接器，改用后使用情況很好。