大型渠道混凝土机械化衬砌成型设备研制
摘要:由山东省南水北调建设工程指挥部和山东省水利勘测设计院共同承担研制的国家"十五"重大技术装备(科技攻关)———大型渠道混凝土机械化衬砌成型设备研制,依托南水北调东线山东干线济平干渠工程,采用先进科学的研究方法和正确的技术路线以及创新型的项目实施管理模式,通过对斜坡混凝土布料技术、振动碾压成型技术、振捣滑模衬砌成型技术、层密实成型技术、自动找正技术及衬砌成套设备的控制技术等多项技术研究,研制开发了大型渠道混凝土机械化衬砌成型设备。
1 前 言
南水北调工程作为一项利国利民的战略性工程共分东、中、西三条输水线路。东线从长江下游扬州附近引水到天津。
输水主干线全长1 156 km,惠及江苏、山东、河北、天津4省市。中线工程将从加坝扩容后的丹江口水库陶岔渠首闸引水,沿规划线路开挖渠道输水,自流到北京、天津,途径湖北、河南、河北,输水总干线全长1 267 km。西线工程是在长江上游通天河支流雅砻江和大渡河上游筑坝建库,开凿穿过长江与黄河分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞,调长江水入黄河上游,主要解决青海、甘肃、宁夏、陕西、山西等6省(自治区)黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题[1]。在如此广阔的地域内建设如此大的调水工程遇到的施工难题之多可想而知,其中大型渠道混凝土机械化衬砌就是其中之一。
目前我国渠道衬砌大多采用人工衬砌,施工效率低,工期长,质量不稳定。针对上述缺点,结合国务院对南水北调工程质量、工期的要求和工程特点,大型渠道混凝土机械化衬砌成型设备研制被列为国家“十五”重大技术装备研制项目。该项目由山东省南水北调建设工程指挥部和山东省水利勘测设计院承担研制。
课题研制组,依托南水北调东线山东干线济平干渠工程,采用先进科学的研究方法和正确的技术路线以及创新型的项目实施管理模式,根据合同分工,按计划进度安排,通过对斜坡混凝土布料、振动碾压成型、振捣滑模衬砌成型、层密实成型、衬砌成套设备的控制等多项技术研究,自主创新,研制开发了适合南水北调工程,具有自主知识产权的大型渠道混凝土振动碾压成套设备和大型渠道混凝土振捣滑模成套设备。
2 主要技术研究
2.1 设备动力、传动方案论证
内燃机为动力源,液压传动。该方案的主要特点:野外施工灵活方便;液压件尺寸体积小,便于机构布置,运行平稳,噪音低。主要缺点是系统复杂,设备造价高,操作维护不便。
电动机为动力源,机械传动,整机液压自动升降调整。该方案的主要特点:成本相对较低,传动方式简单,但因野外作业,电网电源不易解决,需配移动式柴油发电机;对电动机防护等级要求较高。主要优点是设备制造成本相对较低,结构和传动方式简单,操作维修方便,适合我国国情。
通过对技术、经济等方面综合比较,最后采用电动机为动力源,机械传动,整机液压自动升降调整方案。
2.2 框架结构及其模块化设计
建立三维立体模型,采用FDM技术,对结构进行应力、应变分析和运动仿真,将最优化的设计图应用于设备制造,大大减少了样机试验费用。
由于渠道的坡长和坡比各不相同,为了满足不同渠道坡长、坡比的要求,框架结构采用模块式加变角度模块设计。通过更换部分模块即可实现长度和坡比的变化,使设备满足不同渠长和坡比的混凝土施工要求。
2.3 斜坡混凝土的布料技术
斜坡混凝土布料技术的关键在于渠道斜坡混凝土的输送。通过在框架上增设混凝土输送皮带机、混凝土料仓和螺旋输送装置实现混凝土的布料。在施工过程中,考虑到渠道坡比、混凝土塌落度变化等对布料的影响,在料仓内设置双螺旋结构。上螺旋正转工作,将料从料仓顶部向下输送,下螺旋根据料仓料位情况,作正转或反转工作,以保证下部用料或出现下部料堆积过多,造成下螺旋抱死或混凝土涌出料仓。
螺旋装置采用特殊材料和特殊热处理工艺,提高其使用寿命;运用CAE技术对装置运转状态进行可靠度分析,以便在其使用过程的平稳运转。
2.4 斜坡混凝土密实成型技术
斜坡混凝土的密实情况直接关系到混凝土的衬砌质量,关系重大,必须重视。根据对多方案的反复论证,最后采用两种振动密实方式,即外置振动和插入式振捣。根据施工对设备的要求,外置振动采用振动电机,应用在振动碾压成型装置上,插入式振捣应用在振捣滑模衬砌成型机上。为减少施工过程中混凝土对振捣棒的阻力,插入式振捣棒外型设计为弯曲的,安装在可以90°转动的轴上,通过轴的旋转来实现振捣棒在不同工况下的调节。主要设计要点为:关键易损部位采用高强度纳米陶瓷材料,使振捣棒的使用寿命提高许多倍;应用ANSYS软件对结构进行动力分析和优化;采用高频振捣技术,提高混凝土的密实与提浆。
2.5 运行机构的设计
运行机构主要包括振动碾压装置的行走和整机行走技术。本机构主要进行结构静力、动力优化分析及采用新材料、新制造工艺提高部件的使用寿命。
2.6 自动找平技术
设备在工作时如果遇到地基下沉传感器与导线接触状态会发生变化,通过传感器接收装置对数据变化的分析,计算出轨道侧向或上下位移差并报警,同时根据计算结果反馈到液压升降调平系统,通过调整设备框架以保持正常工作状态。
2.7 自动控制技术
采用高可靠性PLC(可编程控制器)作为逻辑处理的核心单元。PLC具有CPU芯片和I/O接口以及数字模拟量扩展模块,通过实现编制的PLC控制程序来控制各系统运行工作。由于PLC强大的程序控制功能,使得设备复杂的工作过程变得容易操作。由于采用PLC代替了复杂的继电器控制,使得电控系统元件减少,外围电路接线更加简单,减少了电器元件的故障率,明显提高了电控系统的可靠性。
电控系统还配有液晶文本显示器。该显示器通过RS-485接口与PLC相连,实现人机对话,当施工进入弯道区段时,通过文本显示器设置弯道半径和比例参数,PLC通过变频器自动调整上、下行走电机速度,保证弯道部分的施工质量。
3 主要技术应用
应用上述技术制造的布料机、振动碾压成型机、振捣滑模衬砌机系列设备简介如下。
3.1 布料机
斜坡混凝土布料机主要有行走机构总成、螺旋布料总成、升降系统、设备框架、自动找正及自动控制系统等部分组成。该设备在大型渠道机械化衬砌过程中可实现一次自动完成喂料、输料、布料,将混凝土均匀的摊铺到坡脚、坡面和渠肩上。
3.1.1 进料方式 布料机主要用于为滚动碾压成型机摊铺混凝土,其进料方式可分为螺旋输送方式和皮带输送方式对比分析论证后确定采用皮带上料。机架上部设有混凝土输料斗,罐车输送的混凝土通过皮带传输到料仓的上部。由于施工道路宽度限制和罐车等施工车辆的通行要求,上料皮带机需能灵活调节,以满足不同的工地环境。
3.1.2 布料方式 给料采用特制的皮带机,布料采用双螺旋布料方式,两套螺旋布料器在布料过程中相互配合,防止混凝土下滑。
3.1.3 控制方式 采用自动控制与行走导向、自动找正系统,实现控制整机自动找正、自动导向,上、下布料螺旋旋向和转速、布料均匀度、布料和行走协调一致。
3.1.4 螺旋驱动系统等各部件功率和整机驱动功率选择 运用CAE技术,建立三维设备模型,根据以往施工经验,对模型受力分析,从而求得螺旋驱动系统等各部件功率和整机驱动功率。
3.2 振动碾压成型机
振动碾压成型机主要由行走系统、升降调整系统、框架结构、振动成型系统和自动控制系统等部分组成。主要功能是一次完成渠道坡角、坡面和渠肩上的混凝土振捣、密实、提浆、成型,兼作精修坡面,振动碾压成型垫层。
3.2.1 框架结构 框架采用模块式设计,通过简单维修即可在二次工程中应用。对框架进行三维立体模型设计,采用FDM分析,保证强度、刚度等方面满足要求,防止框架变形过大,避免整机发生共振。
3.2.2 振动碾压的实现 振动成型系统是振动碾压成型设备的实质部件,主要由衬砌行走小车装置、碾压装置和振动装置三大部分。设计分为上下两层,上层为衬砌行走小车装置,下层为碾压装置和振动装置。为避免衬砌小车高度方向尺寸过大,减少设备的生产制造成本,采用重合式空间设计,上下两层结构中间采用弹性连接装置,以减小振动成型系统对框架的冲击,增加设备的可靠性。
3.2.3 振动碾压成型系统行走方式的实现 振动成型系统的衬砌行走小车沿渠道方向上下行走,其行走轨道和方式的合理、可靠性决定了成型面的平整度和成型质量以及整机工作可靠性,因此选用特种销链轨道、销齿传动,这种实现结构简单、运行平稳、可靠。根据衬砌要求在轨道合适位置设置限位开关,利用传感器自动控制衬砌小车的往返。
3.2.4 电动机功率和转矩 考虑设备自重在轨道上的摩擦力、行走过程中碾压滚筒和混凝土之间的摩擦力、混凝土对振动成型系统的反托力等,确定行走电动机的功率和转矩。通过调整振动电动机的激振力、激振频率等满足不同的施工条件。根据碾压滚筒与混凝土之间的摩擦力、振动电动机工作状态下与混凝土之间的压力大小,确定碾压滚筒电动机的功率和转矩。
3.2.5 控制方式 振动碾压衬砌成型机共有整机行走装置、衬砌行走小车装置、碾压装置和振动装置四个控制单元,通过电控设备实现对每个控制单元的操作控制,并根据不同工作条件通过调频装置改变工作状态。
3.3 振捣滑模衬砌成型机
振捣滑模衬切成型机主要功能包括:整机行走系统、液压升降系统、自动找平系统、框架系统、混凝土上料系统、混凝土布料系统、振捣密实系统、混凝土成型压光系统及电气控制系统等。混凝土上料系统设置在设备的上端,沿轨道行驶;在设备长度方向设置料仓,储存混凝土,料仓内设置双布料螺旋,双螺旋配合布料保证混凝土贯穿整个料仓大致均匀,不致下滑造成料仓下部漏料或溢出混凝土;在料仓的一侧设置特种高频振捣棒,在整机行走过程中工作,完成振捣混凝土密实和提浆;在设备下部设置滑模板,对振捣密实的混凝土实施成型压光。
3.3.1 高频振捣棒设计 根据混凝土的设计标号和混凝土配比,计算高频电动振捣棒的振幅范围和频率,设计出满足各种坡比混凝土振捣、密实的专用振捣棒。
3.3.2 滑模板的选择 根据计算宽度理想数据结合现场施工效果,确定最优模板宽度,并在模板后侧设置调整装置,调整滑模直线度和平面度。
3.3.3 框架结构尺寸 框架结构采用模块式加变角度模块设计,通过更换部分部件即可实现不同工程中的混凝土衬砌成型。对框架进行三维立体模型设计,并进行有限元分析,保证强度、刚度等方面的合理性,防止框架变形过大,确保成型质量。
3.3.4 螺旋驱动功率 试验、分析螺旋在混凝土中转动和行走过程中额外摩擦力,确定布料螺旋电动机的扭矩和功率。
3.3.5 整机驱动功率 考虑设备自重在轨道上的摩擦力、行走过程中料仓内混凝土分层之间的剪切力、模板与混凝土之间的吸合、摩擦力等,确定整机行走电动机的扭矩和功率。
3.3.6 自动找平系统 采用轨道行走方式,对轨道铺设要求很严,衬砌过程情况复杂多变,会遇到地基下沉而造成轨道下陷或侧滑等,造成施工质量满足不了设计要求,采用导向线传感器技术,来解决设备的自动找平。
3.3.7 控制方式 振捣滑模衬切成型机共有整机行走装置、液压升降装置、自动找平装置、混凝土上料装置、螺旋布料装置和振捣密实装置四个控制单元,通过电气控制系统实现对每个控制单元的操作控制,并根据不同工作条件通过调频装置改变工作状态。
4 设备的技术水平
所研制的产品,性能优越,功能多样,适应性强。在结构的整体布置及布料系统、自动找平系统、振捣密实系统、自动控制系统等方面,具有显著创新。该套成型设备的研制填补了国内大型渠道混凝土机械化衬砌的空白,主要性能指标达到国外同类产品的技术水平,是目前南水北调水利工程建设中技术含量较高,首先成功的并具有自主知识产权的大型渠道机械化衬砌成型设备。
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