钢筋混凝土排水管立式内模(芯模)振动设备的开发

钢筋混凝土排水管立式内模（芯模）振动设备的开发中国混凝土与水泥制品协会排水管工作部年会中国混凝土与水泥制品网[2007-12-20]褚建中（苏州混凝土水泥制品研究院，苏州科星混凝土水泥制品装备有限公司江苏苏州215004）为克服我国钢筋混凝土排水管传统生产工艺的诸多弊端，苏州混凝土水泥制品研究院、苏州科星混凝土水泥制品装备有限公司通过调研，于2003年6月立项（国家科技部、科研院所技术开发研究项目）研制“立式内模振动排水管生产设备”。至2005年6月完成该设备的研制，并在项目研究的基础上进行延伸，建立了十七条“立式内模振动排水管生产线”，其中一条生产线出口至哈萨克斯坦。产品长度2m-3m，口径覆盖600mm至3000mm。形成了该设备的产品系列，并拥有自主知识产权，设备经过三年多时间的运行（第一条生产线于2004年8月正式生产），情况良好，部分性能超过了同类进口设备，生产的排水管经测试，内压和外载值分别为国标的5倍和2倍。该科研项目获建材科技进步二等奖。该设备的开发成功，受到行业内的欢迎，现正通过加大成果转化力度，使该设备在钢筋混凝土排水管生产中得到普遍应用。一、项目基本情况1、项目开发背景由于经济的发展和人民生活水平的提高、城市规模的扩大和居民数量的增加，我国城市污水排放量不断上升，据不完全统计已达7000万吨/日以上，污水治理已被国家列入重点工作，随着污水处理厂、城市污水管网和合流污水治理工程的大量新建和扩建，大口径排水管的需量逐年大幅度增加，原有的大口径钢筋混凝土排水管生产线在产品质量和产量上均不能满足要求，卧式离心和悬辊制管工艺一般适合生产2米以下的中小口径排水管，传统的湿法立式振捣工艺生产的大口径排水管也存在一系列问题。离心制管工艺生产的排水管在堆放过程中易产生内壁干缩裂缝，脱模时易粘皮，浮浆影响管体强度和内壁光滑，模具合缝处易跑浆漏水。悬辊制管工艺辊压过程中管子钢筋骨架易移位变形，超过1.5米管径的管子易产生内壁塌落，外壁沉陷，内壁超厚和承口不密实是该工艺最易发生的问题。湿法振捣的混凝土管，内部组织致密性差，毛细孔及细微裂缝较多，吸水率高，抗渗性能差，污水腐蚀的耐久性差，管道开裂，钢筋侵蚀膨胀，导致管体破坏现象时有发生。湿法插入式振捣工艺生产的大口径管道，在插入振捣生产过程中，容易使混凝土内钢筋移位及露筋，从而严重影响了管体的结构强度和耐久性，并且由于这种生产工艺形式本身的缺陷，导致工效低下，在产量上难以满足要求。湿法振动工艺形式由于采用高水灰比的流动性混凝土，难以生产高强度的混凝土制品，为提高早期脱模强度，必须采用蒸养工序，从而增加了能源消耗，而且在制备过程中，管子的上部水分多，集料少，均质性差。配筋稠密处振捣不密实。从而不能适应新的管道施工作业。在顶管施工中由于几何尺寸偏差大，使顶进方向偏移，顶力传递不良，并经常发生管道顶裂。由于上述生产工艺本身的缺陷，排水管生产单位需要一种新的生产工艺装备，以满足大口径排水管道的质量和产量的市场需求，并同时改善生产环节中的环境保护和节约能源等问题。通过对振动工艺以及德国、丹麦、奥地利等国家立式振动成型制管工艺设备的分析研究，提出干法立式内模振动，瞬时脱模排水管制管工艺及设备，通过内模振动使喂入管模间的混凝土充满并排出气体，从而得到密实的混凝土结构；由于对混凝土施加的是高频振动，水泥颗粒在振动撞击过程中表面的胶凝体不断脱落，露出新的表面，从而提高了单位体积内胶体的数量和参与水化作用的水泥表面积，提高了水泥石的密实度与强度。管端采用碾压使承口混凝土更加密实，并成型出规整的承插口形状。采用均匀的内模振动传递至混凝土，对不同口径的管道，通过调整内模内振动器的频率，能够使管子得到最佳的密实效果和表面质量。由于振动力足够大而且均匀，成型时可以使用干硬性混凝土，从而使瞬时脱模得以实现。无需蒸气养护，极大地提高了生产效率，节约了能源，并降低了模具的一次性投入和生产成本。由于是内模振动，不会由于操作不良使振动器接触钢筋，钢筋基本没有移位现象。插口部位采用液压碾压方法，使插口部分混凝土受压受振受搓，保证混凝土的密实性。苏州混凝土水泥制品研究院对混凝土制品的立式振动工艺进行了长期的多方位研究，其成果处于国内领先水平。早在1985年，我院就推出了“混凝土空心柱立式高频振动成型设备”。并在90年代专门组织技术力量，对排水管的立式振动成型工艺进行了深入的研究。以此为基础，进行大口径混凝土排水管立式内模振动制管设备的开发研究条件比较成熟。并设想该设备研制成功后可与我院承担的2001年度科技部技术开发研究专项资金项目（编号：NCSTE—2001—JKZX—196）“绿色耐腐蚀混凝土排水管的开发研究项目”配套实施，以实现优质高效生产耐腐蚀混凝土排水管产品。2、项目来源经过调研及分析，2002年7月完成该项目研究立项的可行性分析，提出项目申请，2003年6月科技部发文“国科发财字[2003]170号”批复，该项目立项，并下达开发研究专项资金。项目名称为“立式内模振动排水管生产设备的开发研究”（编号2003EG132163）；项目资金195万，其中专项资金拨款95万，单位自筹100万；属科研院所技术开发研究专项资金项目；先进制造技术领域；项目研究周期24个月。3、国内外研究现状欧美发达国家生产钢筋混凝土排水管主要生产工艺为“径向挤压法”和“立式振动成型法”，径向挤压制管工艺生产装备自动化程度生产效率高，通常适合于口径1200mm以下的管子。立式振动成型制管工艺设备八十年代德国、丹麦、奥地利等国家开展了较为系统的研究，主要方法有外模附壁式振动成型、芯模振动成型，在大口径排水管道生产中得到了广泛的应用。随着装备的日趋成熟，芯模振动制管工艺装备，不仅自动化程度高，并且更适合于大口径管的生产，最大生产管径可达3600mm，同时此种装备还可以生产带基座管道、方涵、检查井等异形管道。芯模振动制管设备相对其他传统工艺装备比较复杂，融合了机、电、液压和自动控制技术，它代表了混凝土制管领域装备的较高水平，比较著名的专业生产厂商有丹麦的佩特哈博公司，美国哈卡公司，意大利科利公司，德国的祖布林公司和宝姆格特纳公司等。我国的一些排水管生产企业，为适应市场对大口径管的需求，在原有设备基础上进行改造，大多为插入式或外模附壁湿法振动设备，我院在83年就混凝土空心柱的湿法内模振动成型工艺开展了大量的研究，通过省级鉴定并生产出成套设备。但由于工艺及装备诸多缺点，未能在生产中得以推广。80年代末期，上海成品厂率先引进芯模振动制管设备，至今先后有十多家从美国、丹麦、德国等公司引进该生产工艺装备，国内企业对此工艺设备进行了研制，2004年8月苏州混凝土水泥制品研究院、苏州科星混凝土水泥制品装备公司Ф1350-Ф2400长度2.5m立式内模振动制管设备试制完成，在南宁鸿基水泥制品公司的大力配合下，成功地进行了七种规格的混凝土排水管生产中试，此后在半年时间内不断进行调整、改进，2005年上半年正常生产运行，情况良好，随后又对Ф600-Ф1500、Ф1800-Ф3000内模振动制管设备进行了研究，试制成功，从而覆盖了长度3m以下，口径从Ф600-Ф3000的排水管生产能力，形成了装备系列。现正进一步在计算机自动控制、自动监控，一机产品多元化（如检查井、方涵、特殊的异形管道、PH2-12的防腐混凝土管）等方面进行延伸研究。二、主要研制内容及技术关键1、项目研究目的及研究目标由于市场因素和市政发展，大口径排水管原有生产设备在工作效率、产品质量节能、环保等方面已满足不了要求，用一种新的工艺装备替代势在必行，而立式内模振动，瞬时脱模工艺装备的提出，使满足我国城市建设高性能排水管应用将成为现实，该项目的实施，对促进我国建材工业的生产装备技术进步，以及加强环境保护、节约能源都具有重要的意义。我院是混凝土排水管及排水管生产设备国家标准制订承担单位，并且承担了我国排水管生产行业的技术支持职能，此项目落实至我院实施，可以很好地解决技术上的前后衔接，能有效地掌握最先进的大口径排水管制管工艺及装备技术，促进行业技术进步，在国内保持领先地位的同时，增强我院科技产业的实力，对本单位的改革和发展将起有力的推动作用。本项目的完成，可形成具有自主知识产权的成套技术。本项目研究目标为：完成干法振捣、立式成型、瞬时脱模、自然养护大口径排水管生产工艺及设备的研究试制工作，并建设一条年产20Km，φ1350mm～3000mm大口径排水管生产线，在城市排污工程中应用推广。项目完成的技术水平为国际先进，项目成果的市场意义为完善水泥制品行业排水管先进制备工艺，填补技术空白。2、项目研制内容排水管立式内模振动成型的设想是将砂、石、水、水泥、外加剂等材料计量后搅拌均匀配制成干硬性混凝土；钢筋用滚焊机制成骨架，放入排水管外膜内，连外模一起吊入已固定好内模的制管工位；将混凝土喂入管模，同时内模振动；碾压排水管混凝土插口，排水管成型；连外模一起将排水管吊离成型工位（脱内膜）；脱外膜，并保湿自然养护；待混凝土具有一定强度后翻管、脱底模，运至堆场继续自然养护，然后检验，装运出厂。研究开发内容为：①适用于干法立式振动生产工艺的混凝土材性及配合比研究；②大口径排水管干法振动、立式成型、瞬时脱模制备工艺的研究；③立式内模振动装置的研究；④适合于干法振动、立式成型工艺的混凝土布料装置的研究；⑤大口径排水管承、插口液压碾压装置的研究；⑥该成型工艺的内外模具的研究；⑦适用于瞬时脱模大口径排水管专用吊具及装运设备的研究；⑧干法振动、立式成型工艺排水管生产线电、气、液压、控制系统的研究。主要技术创新：①干法振动、瞬时脱模大口径排水管生产工艺方法；②内模均匀振动、振力可调，大口径排水管振动成型装置；③管插口搓动碾压混凝土密实装置。④防止混凝土下料离析的可360度回转布料装置。为保证该工艺方法的实施以及成套装备的试制成功，关键技术为：①优化干硬性混凝土的配比及材料性能，使之脱模后有足够的堆结强度；②确定内模振动的频率范围、振动力及内模振动方式，以保证振动的可靠性和主机的合理使用寿命。3、项目研究过程在调研分析的基础上确定了本项目立式内模振动生产排水管的工艺方法；为体现立式内模振动排水管工艺的先进性、实用性，设计时要求生产节拍应达到管体长度L2500，管径≤ф1650时，生产效率3根/小时；管径ф1800—ф2200间，生产效率2根/小时；管径ф2200时，生产效率1-1.5根/小时。根据工艺初步确定的生产参数指标建立数学模型，根据计算结果，确定了振动装置的最大振幅、频率要求，完成了整个内置振动器、振动器与动力源主轴承座间的连接、振动器与内模间涨紧连接、振动器内部高速运转的润滑等初步设计。由于设备处于300KN，最高振频转速4500rpm工作条件下，为使振动器运转平稳，我们采用了同一平面三个呈1200夹角主电机驱动;同时为满足不同管径长度的排水管生产以及生产过程中不同的激振要求，使用一台大功率变频器对三台主电机进行变频调速。根据本装备高起点的设计思路，主动力驱动部分以选择液压马达和液压油缸为主；根据系统以及振动器的工作发热计算，确定内置振动器采用强制油冷却方案；参照国外先进设备的各种型式以及防止混凝土下料过程的离析，管径ф1350—ф3000的生产设备混凝土布料形式采取3600回转皮带机构；为防止模具在使用过程中的焊接应力释放变形，保证混凝土制品尺寸精度，根据国内模具的加工特点，在模具制造中采取二次回火热处理加工工艺。由于产生振动的缘故，振动器与主轴承的连接方式不能采用刚性连接，而只能采用连接。先期设计自制了偶连器连接，由于对连接轴的同心要求比较高，中试使用中效果不理想，我们在试用一段时间后改用特制的柔性连接器，改用后使用情况很好。2004年6月，立式内模振动排水管生产设备（Ф1350-Ф2400L2.5m）在南宁鸿基水泥制品公司的大力支持下，完成现场安装。2004年7月9日，进行了第一次满载试车（Ф1650L2.5m钢筋混凝土排水管）没有成功，主要原因有振动装置润滑、冷却密封、液压门架定位装置、喂料系统、油马达动力不