中國(guó)水電工程局曾在國(guó)外接到一批半圓形水泥管的生產(chǎn)任務(wù)，內(nèi)徑為350～1550mm、壁厚40～70mm、長(zhǎng)度為7米，共11個(gè)規(guī)格的水泥管。經(jīng)了解，我國(guó)建材機(jī)械行業(yè)和水泥制品行業(yè)尚無(wú)類似產(chǎn)品和設(shè)備，一般都為圓管，且長(zhǎng)度在5m以下，對(duì)于7m長(zhǎng)半圓形預(yù)應(yīng)力水泥管沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)可借鑒。研發(fā)小組根據(jù)國(guó)內(nèi)圓管生產(chǎn)設(shè)備制作標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)踐中不斷摸索、不斷改進(jìn)，經(jīng)過(guò)歷時(shí)8個(gè)多月上百次的技術(shù)攻關(guān)和試驗(yàn)，最終成功研制出此產(chǎn)品的生產(chǎn)成型機(jī)，并摸索出一套生產(chǎn)工藝，其技術(shù)指標(biāo)和性能完全滿足生產(chǎn)要求。

一、半圓形水泥管成型機(jī)的研制

1.1 生產(chǎn)工藝原理

與普通離心水泥制品成型的不同點(diǎn)就是在離心過(guò)程中增加了振動(dòng)環(huán)節(jié)。按照約定，產(chǎn)品必須滿足一定的抗?jié)B要求，而普通離心工藝無(wú)法滿足該水泥管混凝土的密實(shí)度要求。因此，研制時(shí)在離心過(guò)程中增加了振動(dòng)工序，對(duì)正在高速旋轉(zhuǎn)的水泥管模具及模具內(nèi)混凝土施加高頻振動(dòng)，使混合料中的碎石、砂、水泥和水得到一定的合理分布，提高混凝土的密實(shí)度。振動(dòng)裝置是在水泥制管機(jī)一側(cè)安裝四個(gè)帶有刻槽的油壓振動(dòng)輪，分布于水泥管的兩端和中間部位，在液壓油缸的推動(dòng)下與水泥管模具跑輪接觸產(chǎn)生振動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)離心振動(dòng)。同時(shí)振動(dòng)時(shí)四個(gè)振動(dòng)輪可同時(shí)開(kāi)啟也可分別振動(dòng)，在分料時(shí)隨著布料進(jìn)度而分別開(kāi)啟相應(yīng)位置的振動(dòng)輪，中速振動(dòng)時(shí)，可全部開(kāi)啟振動(dòng)；并可根據(jù)管徑的大小，采取不同的振動(dòng)時(shí)間。振動(dòng)時(shí)間通過(guò)操作控制臺(tái)來(lái)實(shí)施控制。

1.2 半圓形水泥管成型機(jī)的主要設(shè)備

半圓形預(yù)應(yīng)力水泥管成型機(jī)包括以下幾個(gè)部分：①高頻振動(dòng)離心機(jī)；②水泥管模具；③鋼筋加工設(shè)備；④混凝土攪拌站；⑤混凝土布料機(jī)；⑥蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)。

1.2.1 離心系統(tǒng)  離心系統(tǒng)包括離心電機(jī)、托輪及托架兩個(gè)部分。離心機(jī)采用的支承方法為托輪式，依靠磨擦力帶動(dòng)模具跑輪旋轉(zhuǎn)。振動(dòng)系統(tǒng)包括托架、液壓油缸、振動(dòng)輪幾個(gè)部分（附圖）。

1.2.2 離心振動(dòng)工藝中的離心速度  在振動(dòng)離心成型中，所要控制的工藝技術(shù)參數(shù)主要是離心速度與離心時(shí)間的問(wèn)題。包括低速振動(dòng)布料、中速振動(dòng)成型和高速離心密實(shí)排漿3個(gè)工序。對(duì)應(yīng)的離心速度分為低速、中速、高速，3個(gè)階段應(yīng)計(jì)算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和控制時(shí)間。

低速布料時(shí)，水泥管模具轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制在120r/min左右，對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為150r/min。布料時(shí)間隨水泥管型號(hào)不同所需混凝土量而變化，一般控制在5～20min。采用低速布料是易于觀察縱向及四周方向布料的均勻程度，達(dá)到初步成型的目的。

中速離心成型與振動(dòng)時(shí)的水泥管模具轉(zhuǎn)速一般控制在250～350r/min，不同型號(hào)的水泥管通過(guò)控制模具的線速度來(lái)實(shí)現(xiàn)混凝土相應(yīng)的離心力和振動(dòng)力。此階段的時(shí)間控制在1～4min。采用振動(dòng)布料方法，可加快布料速度，同時(shí)解決布料不均勻的缺陷。

高速離心轉(zhuǎn)速一般控制在520r/min，對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為650r/min。此階段的時(shí)間為5～15min。高速離心的目的是為了達(dá)到密實(shí)、排漿，析出多余流離水和增加內(nèi)壁光潔度的目的。

研制完成后的振動(dòng)離心機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

序號(hào)	項(xiàng)目	單位	水泥管直徑（mm）型號(hào)
			350	400	500	600	700	800	950	1100	1250	1400	1550
1	托輪輪距	mm	5000
2	托輪軸距	mm	1400			1780				2300
3	托輪直徑	mm	800			900				950
4	托輪寬度	mm	90			100				110
5	托輪中心與鋼模中心 連線的夾角（a）	℃	85～110
6	電機(jī)型號(hào)		YCTZ355-4A			YCT400-6A				YCT400-4A
7	電機(jī)功率	kw	55			75				110
8	電機(jī)轉(zhuǎn)速	r/min	140～1360			140～850				400～1400
9	主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速范圍	r/min	140～1360無(wú)級(jí)調(diào)速			140～850無(wú)級(jí)調(diào)速				178～625無(wú)級(jí)調(diào)速
10	振倫直徑	mm	250			300				300
11	油缸行程	mm	340			400				410

1.2.3 水泥管模具設(shè)計(jì)與制作  水泥管模具由筒體、跑輪、筋板、企口板、隔板及合模螺栓等部件組成。為滿足半圓形水泥管的外形尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)在圓形模具兩半圓的合模處增設(shè)隔板。隔板要求通長(zhǎng)平直、離心時(shí)不變形。研究小組將隔板與模具的環(huán)形肋設(shè)計(jì)成為一體，解決了隔板的剛度問(wèn)題。合模時(shí)用合模螺栓固定在一起，使同一模具內(nèi)同時(shí)生產(chǎn)兩根同規(guī)格半圓形水泥管產(chǎn)品。

水泥管模具的加工即要保證模具準(zhǔn)確的外形尺寸，又要保證高頻振動(dòng)條件下模具的強(qiáng)度和剛度，確保模具的同心度，保證長(zhǎng)期的動(dòng)負(fù)荷作用下不發(fā)生變形；同時(shí)還要求表面光潔，以減少脫模阻力。模具采用Q235A鋼板（厚度8mm）焊接回火而成的圓形鋼模板，應(yīng)符合JC613《混凝土和鋼筋混凝土排水管鋼�！窐�(biāo)準(zhǔn)要求，主要技術(shù)參數(shù)如表2。

鋼模筒體			跑輪		振動(dòng)環(huán)
長(zhǎng)度偏差	內(nèi)壁線直度	內(nèi)徑偏差	徑向跳動(dòng)	輪距偏差	徑向跳動(dòng)	輪距偏差
±5mm	7000/2500mm	±1mm	≤0.5mm	≤5mm	≤2mm	≤5mm

水泥管模具還需配備相應(yīng)的附屬設(shè)備。主要配套的機(jī)械設(shè)備有起重機(jī)、漲拉機(jī)等。起重機(jī)型號(hào)可根據(jù)水泥管的重量和起吊高度及作業(yè)空間（橫向距離）來(lái)確定。漲拉機(jī)包括液壓漲拉千斤頂、電動(dòng)油泵、外接油管和測(cè)力儀表。型號(hào)可根據(jù)所需漲拉力和鋼絲型號(hào)來(lái)確定。在本工程中，漲拉機(jī)油泵型號(hào)為ZB4-500，鋼絲拉伸機(jī)為YB-50。

1.2.4 喂料系統(tǒng)  喂料系統(tǒng)由行走電機(jī)、儲(chǔ)料倉(cāng)、喂料小車、喂料臂、輸送皮帶及托架和行走軌道組成。喂料機(jī)的工作程序是首先將混凝土攪拌站生產(chǎn)線傳送來(lái)的混合料暫存于喂料機(jī)的儲(chǔ)料倉(cāng)料斗內(nèi)，當(dāng)離心機(jī)帶模具啟動(dòng)后，料斗內(nèi)的螺旋輸送裝置開(kāi)始運(yùn)行，并均勻地向模具內(nèi)喂料。為滿足喂料的足量和均勻性要求，喂料機(jī)必須邊喂料邊行走，并能自動(dòng)控制行走平穩(wěn)，皮帶運(yùn)行速度均勻。根據(jù)多次試驗(yàn)、調(diào)整、皮帶傳送速度定為1.25m/s。為保證混凝土從料半順利進(jìn)入喂料臂，料半上帶有0.8kw附著式振動(dòng)器，使混凝土能連續(xù)均勻到達(dá)指定的模具位置。

喂料小車是喂料機(jī)的主要部件，小車由調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)、沿專用輕軌行走。安裝在喂料小車上的喂料懸臂長(zhǎng)8m，安裝有傳送皮帶，對(duì)小車產(chǎn)生一定的前傾彎力，為保證喂料時(shí)喂料臂平直、順暢作業(yè)，在喂料小車上設(shè)計(jì)了配重，同時(shí)將喂料臂按使用載重量設(shè)計(jì)成斜坡形，保證了喂料臂的平直度。根據(jù)多次試驗(yàn)、調(diào)整，皮帶傳送速度定為1.25m/s。

喂料機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

適用管徑（mm）	行走電機(jī)型號(hào)	行走電機(jī)功率（kw）	傳送帶電機(jī)功率（kw）	螺旋輸送器 葉片直徑（mm）	傳送帶寬度（mm）	傳送帶速度（m/s）
350～500	YCT160-4A	2.2	1.5	175	112	1.25
600～950	YCT160-4B	3.0	3.0	220	200	1.25
1100～1550	Y100L-4A	3.0	3.0	300	300	1.25

二、半圓形水泥管的生產(chǎn)工藝流程

半圓形預(yù)應(yīng)力水泥管生產(chǎn)工藝主要包括：模具清理與隔離劑涂刷、鋼筋制作、綁扎、鋼筋網(wǎng)架安裝及合模、預(yù)應(yīng)力筋漲拉、原材料清洗及混凝土生產(chǎn)、低速轉(zhuǎn)動(dòng)布料、中速離心成型、中速振動(dòng)密實(shí)與高速離心成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)、拆模擺放等。

2.1 鋼筋綁扎與漲拉

鋼筋骨架可以用手工捆扎。鋼筋骨架要有足夠的剛度，接點(diǎn)牢固，不塌不松動(dòng)，無(wú)明顯的扭曲和大小頭現(xiàn)象，在運(yùn)輸骨架，裝模及成型水泥管時(shí)能夠保證其整體性，環(huán)向分布筋位置偏差±5mm，（連續(xù)10環(huán)平均值）。采用20～22號(hào)鍍鋅鐵絲捆扎，所有環(huán)向筋與縱向筋交叉點(diǎn)均應(yīng)捆扎牢固，沿縱向筋長(zhǎng)度排列的綁扎應(yīng)是正反向交叉形成。

預(yù)應(yīng)力鋼筋漲拉是鋼筋加工系統(tǒng)的關(guān)鍵，研制中對(duì)漲拉錨具、擴(kuò)口段預(yù)應(yīng)力筋的定位等問(wèn)題作了深入分析，采用預(yù)應(yīng)力筋筋鍛頭固定、油壓漲拉機(jī)單根對(duì)稱漲拉、螺桿螺帽錨固等方式。預(yù)應(yīng)力筋墩頭必須完整，鋼筋墩頭強(qiáng)度不得低于鋼筋標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的90%。其次，水泥管模具必須清理干凈，剔除殘存水泥漿渣；選用油脂、乳化油脂、松香皂類等隔離劑。漲拉所用的各種機(jī)具和儀表，應(yīng)事先維護(hù)和校驗(yàn)。漲拉時(shí)，為減少預(yù)應(yīng)力損失，采用超漲拉方式，漲拉后，螺帽與螺母之間應(yīng)緊固不松動(dòng)，保證與混凝土黏結(jié)牢固，便于漲拉螺栓拆卸。

2.2 混凝土生產(chǎn)

離心混凝土的配合比設(shè)計(jì)按JGJ55《普通砼配合比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行，水泥管構(gòu)件設(shè)計(jì)強(qiáng)度不得低于C40，出廠強(qiáng)度不得低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%。

由于離心振動(dòng)工藝的要求，砂率要高，否則混凝土的和易性達(dá)不到要求，影響布料和成型質(zhì)量。砂率一般掌握在0.4左右。水泥量滿足強(qiáng)度的需要，如果要求混凝土強(qiáng)度達(dá)到40MPa，一般水泥量在450kg/m3以上。水灰比一般在0.3左右，隨著水泥管壁厚度的增加，所用混凝土的水灰比應(yīng)相應(yīng)減小。

因水泥管各種規(guī)格的管壁厚度不同，拌制混凝土中用水量也會(huì)不同。為了得到性能良好的混凝土，提高混凝土的各種性能，縮短混凝土的蒸養(yǎng)時(shí)間，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)、改進(jìn)，最終確定了各種型號(hào)水泥管的混凝土配合比差異如表4。

水泥管型號(hào)	壁厚（mm）	水灰比	用水量（kg/m3）	坍落度（mm）	砂率（%）
C350	40	0.36	185	15	45
C400
C500
C600		0.35	179	13	42
C700
C800	50
C950					40
C1100
C1250	60	0.34	173	10
C1400	70
C1550	80

2.3 蒸汽養(yǎng)護(hù)與拆模

水泥管成型后進(jìn)入蒸汽養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)。常溫濕熱養(yǎng)護(hù)方式采用燃油鍋爐產(chǎn)生的常壓水蒸汽在蒸養(yǎng)池內(nèi)進(jìn)行。首先將成型的水泥管模具放入蒸養(yǎng)池，進(jìn)行溫室養(yǎng)護(hù)（稱靜停期），靜養(yǎng)約60min。第二進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)（稱為升溫期），升溫期取決于混凝土的允許升溫速度及最高養(yǎng)護(hù)溫度。升溫速度必須控制在20℃～25℃/h，防止升溫過(guò)快造成混凝土干裂。第三用150min左右時(shí)間逐步升溫到80℃～90℃，再恒溫保持6h結(jié)束（稱恒溫期），大直徑水泥管由于混凝土厚度大，蒸養(yǎng)時(shí)間要相應(yīng)增加。第四蒸養(yǎng)結(jié)束后，恒溫溫度降到室溫溫度（稱為降溫期），降溫速度為35℃～50℃/h。對(duì)于冬季，還要增加60min的降溫，以防止溫度驟降造成模具收縮過(guò)快難以拆卸。

拆模前，將模具從蒸養(yǎng)池內(nèi)取出，放到固定支架上，首先拆卸兩端漲拉螺栓，對(duì)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行對(duì)稱放張，然后再拆卸合口螺栓和跑輪螺栓。拆卸時(shí)，先將上片模吊走放到固定支架上，進(jìn)行清理。再用行車吊起一側(cè)慢慢豎起，將模具倒扣到預(yù)先放置好的廢輪胎上（防止磕碰），用木榔頭敲擊模具將水泥管振下來(lái)。最后將水泥管兩端的漲拉孔用水泥砂漿堵死，防止銹蝕。

三、研發(fā)試驗(yàn)中解決的主要技術(shù)問(wèn)題

3.1 課題研究的主要技術(shù)難點(diǎn)

3.1.1 課題研制生產(chǎn)的水泥管單節(jié)長(zhǎng)度比國(guó)內(nèi)普遍生產(chǎn)（一般為5m）的長(zhǎng)2m，每節(jié)總長(zhǎng)7.17m，水泥管內(nèi)部的骨架筋和預(yù)應(yīng)力筋規(guī)格形狀及受力情況都與國(guó)內(nèi)常規(guī)生產(chǎn)的不同，無(wú)法借鑒國(guó)內(nèi)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)。

3.1.2 研制的水泥管抗?jié)B性和內(nèi)壁光潔度要求較高，一般離心機(jī)無(wú)法滿足該水泥管的密實(shí)度和光潔度要求，因此研制時(shí)增加了振動(dòng)這一工藝環(huán)節(jié)。

3.1.3 課題研究制造的生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)工藝中增加了振動(dòng)離心和高速離心兩個(gè)工藝環(huán)節(jié)。振動(dòng)離心過(guò)程是為了使混凝土振動(dòng)密實(shí)、達(dá)到分布均勻，避免混凝土分層和不均勻分布，從而達(dá)到混凝土的密實(shí)度要求。

3.1.4 課題研究在預(yù)制生產(chǎn)工序中采用了運(yùn)動(dòng)式布料，即在水泥管模具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，喂料機(jī)沿模具長(zhǎng)度方向移動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行混凝土布料，達(dá)到布料均勻的效果。

3.2 專用設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)性能

3.2.1 離心機(jī)組  通過(guò)水泥管生產(chǎn)試驗(yàn)，專用設(shè)備離心機(jī)組系統(tǒng)主要設(shè)備滿足設(shè)計(jì)要求，在滿負(fù)荷工況下能達(dá)到最大轉(zhuǎn)速的要求，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠批量生產(chǎn)工程所用的半圓形預(yù)應(yīng)力水泥管。

3.2.2 振動(dòng)裝置性能  離心機(jī)增加振動(dòng)裝置功能有效，通過(guò)荷載試驗(yàn)、抗?jié)B試驗(yàn)，能滿足水泥管混凝土強(qiáng)度和密實(shí)度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，水泥管內(nèi)壁表面光滑度較好，糙率低，達(dá)到設(shè)計(jì)流量要求。

3.2.3 喂料系統(tǒng)功能  能夠達(dá)到向模具中間供料，沿模具軸線在模具長(zhǎng)度范圍內(nèi)均勻布料的功能，布料系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，滿足離心振動(dòng)工藝生產(chǎn)水泥管的要求。

3.2.4 模具工況性能  在振動(dòng)工況下高速運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，能滿足在長(zhǎng)期的動(dòng)負(fù)荷作用下不發(fā)生變形，保持模具的同心度及足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)表光潔，結(jié)構(gòu)合理，拆裝方便，可以作為定型產(chǎn)品。

四、成果應(yīng)用情況

課題組研制的半圓形水泥管離心振動(dòng)成型機(jī)將振動(dòng)和離心兩種工藝結(jié)合在一起，結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定；研制出的生產(chǎn)工藝方法先進(jìn)，便于操作，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能滿足批量生產(chǎn)需要。生產(chǎn)出的半圓形水泥管產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)要求，具有外觀質(zhì)量好、尺寸偏差小、內(nèi)壁光滑、強(qiáng)度高、抗?jié)B性能好、架設(shè)容易等特點(diǎn)，滿足工程引水要求。

該研究成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)半圓形水泥管生產(chǎn)領(lǐng)域的空白。達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。