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(guó)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(guò)調(diào)研，于2003年6月立項(xiàng)（國(guó)家科技部、科研院所技術(shù)開(kāi)發(fā)研究項(xiàng)目）研制“立式內(nèi)模振動(dòng)排水管生產(chǎn)設(shè)備”。至2005年6月完成該設(shè)備的研制，并在項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸，建立了十七條“立式內(nèi)模振動(dòng)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(zhǎng)度2 m-3m，口徑覆蓋600mm至3000mm。形成了該設(shè)備的產(chǎn)品系列，并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，設(shè)備經(jīng)過(guò)三年多時(shí)間的運(yùn)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(guò)了同類(lèi)進(jìn)口設(shè)備，生產(chǎn)的排水管經(jīng)測(cè)試，內(nèi)壓和外載值分別為國(guó)標(biāo)的5倍和2倍。該科研項(xiàng)目獲建材科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。該設(shè)備的開(kāi)發(fā)成功，受到行業(yè)內(nèi)的歡迎，現(xiàn)正通過(guò)加大成果轉(zhuǎn)化力度，使該設(shè)備在鋼筋混凝土排水管生產(chǎn)中得到普遍應(yīng)用。

一、項(xiàng)目基本情況

1、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)背景
　

　　由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高、城市規(guī)模的擴(kuò)大和居民數(shù)量的增加，我國(guó)城市污水排放量不斷上升，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)已達(dá)7000萬(wàn)噸/日以上，污水治理已被國(guó)家列入重點(diǎn)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(kuò)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(zhì)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(wèn)題。

離心制管工藝生產(chǎn)的排水管在堆放過(guò)程中易產(chǎn)生內(nèi)壁干縮裂縫，脫模時(shí)易粘皮，浮漿影響管體強(qiáng)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(guò)程中管子鋼筋骨架易移位變形，超過(guò)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(shí)是該工藝最易發(fā)生的問(wèn)題。

　　濕法振搗的混凝土管，內(nèi)部組織致密性差，毛細(xì)孔及細(xì)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(kāi)裂，鋼筋侵蝕膨脹，導(dǎo)致管體破壞現(xiàn)象時(shí)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(guò)程中，容易使混凝土內(nèi)鋼筋移位及露筋，從而嚴(yán)重影響了管體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性，并且由于這種生產(chǎn)工藝形式本身的缺陷，導(dǎo)致工效低下，在產(chǎn)量上難以滿足要求。

　　濕法振動(dòng)工藝形式由于采用高水灰比的流動(dòng)性混凝土，難以生產(chǎn)高強(qiáng)度的混凝土制品，為提高早期脫模強(qiáng)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(guò)程中，管子的上部水分多，集料少，均質(zhì)性差。配筋稠密處振搗不密實(shí)。從而不能適應(yīng)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(jìn)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(zhì)量和產(chǎn)量的市場(chǎng)需求，并同時(shí)改善生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源等問(wèn)題。

　　通過(guò)對(duì)振動(dòng)工藝以及德國(guó)、丹麥、奧地利等國(guó)家立式振動(dòng)成型制管工藝設(shè)備的分析研究，提出干法立式內(nèi)模振動(dòng)，瞬時(shí)脫模排水管制管工藝及設(shè)備，通過(guò)內(nèi)模振動(dòng)使喂入管模間的混凝土充滿并排出氣體，從而得到密實(shí)的混凝土結(jié)構(gòu)；由于對(duì)混凝土施加的是高頻振動(dòng)，水泥顆粒在振動(dòng)撞擊過(guò)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(shí)度與強(qiáng)度。管端采用碾壓使承口混凝土更加密實(shí)，并成型出規(guī)整的承插口形狀。采用均勻的內(nèi)模振動(dòng)傳遞至混凝土，對(duì)不同口徑的管道，通過(guò)調(diào)整內(nèi)模內(nèi)振動(dòng)器的頻率，能夠使管子得到最佳的密實(shí)效果和表面質(zhì)量。由于振動(dòng)力足夠大而且均勻，成型時(shí)可以使用干硬性混凝土，從而使瞬時(shí)脫模得以實(shí)現(xiàn)。無(wú)需蒸氣養(yǎng)護(hù)，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(dòng)，不會(huì)由于操作不良使振動(dòng)器接觸鋼筋，鋼筋基本沒(méi)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(shí)性。

　　蘇州混凝土水泥制品研究院對(duì)混凝土制品的立式振動(dòng)工藝進(jìn)行了長(zhǎng)期的多方位研究，其成果處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)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(dòng)成型設(shè)備”。并在90年代專(zhuān)門(mén)組織技術(shù)力量，對(duì)排水管的立式振動(dòng)成型工藝進(jìn)行了深入的研究。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行大口徑混凝土排水管立式內(nèi)模振動(dòng)制管設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究條件比較成熟。并設(shè)想該設(shè)備研制成功后可與我院承擔(dān)的2001年度科技部技術(shù)開(kāi)發(fā)研究專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（編號(hào)：NCSTE—2001—JKZX—196）“綠色耐腐蝕混凝土排水管的開(kāi)發(fā)研究項(xiàng)目”配套實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)耐腐蝕混凝土排水管產(chǎn)品。

2、項(xiàng)目來(lái)源

　　經(jīng)過(guò)調(diào)研及分析，2002年7月完成該項(xiàng)目研究立項(xiàng)的可行性分析，提出項(xiàng)目申請(qǐng)，2003年6月科技部發(fā)文“國(guó)科發(fā)財(cái)字[2003]170號(hào)”批復(fù)，該項(xiàng)目立項(xiàng)，并下達(dá)開(kāi)發(fā)研究專(zhuān)項(xiàng)資金。

　　項(xiàng)目名稱(chēng)為“立式內(nèi)模振動(dòng)排水管生產(chǎn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究”（編號(hào)2003EG132163）；項(xiàng)目資金195萬(wàn)，其中專(zhuān)項(xiàng)資金撥款95萬(wàn)，單位自籌100萬(wàn)；屬科研院所技術(shù)開(kāi)發(fā)研究專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目；先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域；項(xiàng)目研究周期24個(gè)月。

3、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　歐美發(fā)達(dá)國(guó)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(dòng)成型法”，徑向擠壓制管工藝生產(chǎn)裝備自動(dòng)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(dòng)成型制管工藝設(shè)備八十年代德國(guó)、丹麥、奧地利等國(guó)家開(kāi)展了較為系統(tǒng)的研究，主要方法有外模附壁式振動(dòng)成型、芯模振動(dòng)成型，在大口徑排水管道生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　隨著裝備的日趨成熟，芯模振動(dòng)制管工藝裝備，不僅自動(dòng)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(dá)3600mm，同時(shí)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(dòng)制管設(shè)備相對(duì)其他傳統(tǒng)工藝裝備比較復(fù)雜，融合了機(jī)、電、液壓和自動(dòng)控制技術(shù)，它代表了混凝土制管領(lǐng)域裝備的較高水平，比較著名的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠商有丹麥的佩特哈博公司，美國(guó)哈卡公司，意大利科利公司，德國(guó)的祖布林公司和寶姆格特納公司等。

　　我國(guó)的一些排水管生產(chǎn)企業(yè)，為適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)大口徑管的需求，在原有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，大多為插入式或外模附壁濕法振動(dòng)設(shè)備，我院在83年就混凝土空心柱的濕法內(nèi)模振動(dòng)成型工藝開(kāi)展了大量的研究，通過(guò)省級(jí)鑒定并生產(chǎn)出成套設(shè)備。但由于工藝及裝備諸多缺點(diǎn)，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(jìn)芯模振動(dòng)制管設(shè)備，至今先后有十多家從美國(guó)、丹麥、德國(guó)等公司引進(jìn)該生產(chǎn)工藝裝備，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)此工藝設(shè)備進(jìn)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(zhǎng)度2.5m立式內(nèi)模振動(dòng)制管設(shè)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(jìn)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(shí)間內(nèi)不斷進(jìn)行調(diào)整、改進(jìn)，2005年上半年正常生產(chǎn)運(yùn)行，情況良好，隨后又對(duì)Ф600-Ф1500、Ф1800-Ф3000內(nèi)模振動(dòng)制管設(shè)備進(jìn)行了研究，試制成功，從而覆蓋了長(zhǎng)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。現(xiàn)正進(jìn)一步在計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、自動(dòng)監(jiān)控，一機(jī)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(jìn)行延伸研究。

二、主要研制內(nèi)容及技術(shù)關(guān)鍵

1、項(xiàng)目研究目的及研究目標(biāo)

　　由于市場(chǎng)因素和市政發(fā)展，大口徑排水管原有生產(chǎn)設(shè)備在工作效率、產(chǎn)品質(zhì)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(shì)在必行，而立式內(nèi)模振動(dòng)，瞬時(shí)脫模工藝裝備的提出，使?jié)M足我國(guó)城市建設(shè)高性能排水管應(yīng)用將成為現(xiàn)實(shí)，該項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)促進(jìn)我國(guó)建材工業(yè)的生產(chǎn)裝備技術(shù)進(jìn)步，以及加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、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(shè)備國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制訂承擔(dān)單位，并且承擔(dān)了我國(guó)排水管生產(chǎn)行業(yè)的技術(shù)支持職能，此項(xiàng)目落實(shí)至我院實(shí)施，可以很好地解決技術(shù)上的前后銜接，能有效地掌握最先進(jìn)的大口徑排水管制管工藝及裝備技術(shù)，促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，在國(guó)內(nèi)保持領(lǐng)先地位的同時(shí)，增強(qiáng)我院科技產(chǎn)業(yè)的實(shí)力，對(duì)本單位的改革和發(fā)展將起有力的推動(dòng)作用。

　　本項(xiàng)目的完成，可形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)。

　　本項(xiàng)目研究目標(biāo)為：完成干法振搗、立式成型、瞬時(shí)脫模、自然養(yǎng)護(hù)大口徑排水管生產(chǎn)工藝及設(shè)備的研究試制工作，并建設(shè)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(yīng)用推廣。

　　項(xiàng)目完成的技術(shù)水平為國(guó)際先進(jìn)，項(xiàng)目成果的市場(chǎng)意義為完善水泥制品行業(yè)排水管先進(jìn)制備工藝，填補(bǔ)技術(shù)空白。

2、項(xiàng)目研制內(nèi)容

　　排水管立式內(nèi)模振動(dòng)成型的設(shè)想是將砂、石、水、水泥、外加劑等材料計(jì)量后攪拌均勻配制成干硬性混凝土；鋼筋用滾焊機(jī)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(shí)內(nèi)模振動(dòng)；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(hù)；待混凝土具有一定強(qiáng)度后翻管、脫底模，運(yùn)至堆場(chǎng)繼續(xù)自然養(yǎng)護(hù)，然后檢驗(yàn)，裝運(yùn)出廠。

研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容為：

①適用于干法立式振動(dòng)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(dòng)、立式成型、瞬時(shí)脫模制備工藝的研究；

③立式內(nèi)模振動(dòng)裝置的研究；

④適合于干法振動(dòng)、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(shí)脫模大口徑排水管專(zhuān)用吊具及裝運(yùn)設(shè)備的研究；

⑧干法振動(dòng)、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(shù)創(chuàng)新：

①干法振動(dòng)、瞬時(shí)脫模大口徑排水管生產(chǎn)工藝方法；

②內(nèi)模均勻振動(dòng)、振力可調(diào)，大口徑排水管振動(dòng)成型裝置；

③管插口搓動(dòng)碾壓混凝土密實(shí)裝置。

④防止混凝土下料離析的可360度回轉(zhuǎn)布料裝置。

為保證該工藝方法的實(shí)施以及成套裝備的試制成功，關(guān)鍵技術(shù)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(jié)強(qiáng)度；
②確定內(nèi)模振動(dòng)的頻率范圍、振動(dòng)力及內(nèi)模振動(dòng)方式，以保證振動(dòng)的可靠性和主機(jī)的合理使用壽命。

3、項(xiàng)目研究過(guò)程

在調(diào)研分析的基礎(chǔ)上確定了本項(xiàng)目立式內(nèi)模振動(dòng)生產(chǎn)排水管的工藝方法；

　　為體現(xiàn)立式內(nèi)模振動(dòng)排水管工藝的先進(jìn)性、實(shí)用性，設(shè)計(jì)時(shí)要求生產(chǎn)節(jié)拍應(yīng)達(dá)到管體長(zhǎng)度L2500，管徑≤ф1650時(shí)，生產(chǎn)效率3根/小時(shí)；管徑ф1800—ф2200間，生產(chǎn)效率2根/小時(shí)；管徑>ф2200時(shí)，生產(chǎn)效率1-1.5根/小時(shí)。

　　根據(jù)工藝初步確定的生產(chǎn)參數(shù)指標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定了振動(dòng)裝置的最大振幅、頻率要求，完成了整個(gè)內(nèi)置振動(dòng)器、振動(dòng)器與動(dòng)力源主軸承座間的連接、振動(dòng)器與內(nèi)模間漲緊連接、振動(dòng)器內(nèi)部高速運(yùn)轉(zhuǎn)的潤(rùn)滑等初步設(shè)計(jì)。

　　由于設(shè)備處于300KN，最高振頻轉(zhuǎn)速4500rpm工作條件下，為使振動(dòng)器運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，我們采用了同一平面三個(gè)呈120⁰夾角主電機(jī)驅(qū)動(dòng);同時(shí)為滿足不同管徑長(zhǎng)度的排水管生產(chǎn)以及生產(chǎn)過(guò)程中不同的激振要求，使用一臺(tái)大功率變頻器對(duì)三臺(tái)主電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。

　　根據(jù)本裝備高起點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路，主動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分以選擇液壓馬達(dá)和液壓油缸為主；根據(jù)系統(tǒng)以及振動(dòng)器的工作發(fā)熱計(jì)算，確定內(nèi)置振動(dòng)器采用強(qiáng)制油冷卻方案；參照國(guó)外先進(jìn)設(shè)備的各種型式以及防止混凝土下料過(guò)程的離析，管徑ф1350—ф3000的生產(chǎn)設(shè)備混凝土布料形式采取 360⁰回轉(zhuǎn)皮帶機(jī)構(gòu)；為防止模具在使用過(guò)程中的焊接應(yīng)力釋放變形，保證混凝土制品尺寸精度，根據(jù)國(guó)內(nèi)模具的加工特點(diǎn)，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(dòng)的緣故，振動(dòng)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(shè)計(jì)自制了偶連器連接，由于對(duì)連接軸的同心要求比較高，中試使用中效果不理想，我們?cè)谠囉靡欢螘r(shí)間后改用特制的柔性連接器，改用后使用情況很好。