大型渠道混凝土机械化衬砌横向拉模成型机的研制.doc

大型渠道混凝土机械化衬砌横向拉模成型设备的研究1.前言结合国家“十一五”科技支撑计划课题“大型渠道设计与施工新技术研究”，以南水北调工程为依托对“大型渠道机械化衬砌施工技术”专题进行研究，该专题的实施提出大型渠道施工技术标准，实现我国大型渠道机械化施工设备的国产化和产业化，为南水北调工程大型渠道衬砌提供了技术支撑装备，形成具有自主知识产权的SM和CM两大系列渠道混凝土衬砌成型设备。在此研究的基础上，进行了延伸研制，总结SM和CM系列设备的研制经验，发明了一种造价和施工效率更为优化的大型渠道混凝土机械化衬砌横向拉模成型机。应用于南水北调穿黄河南干渠工程，满足了南水北调渠道工程建设的需要，提高大型渠道衬砌的内在工程质量，取得了良好的经济效益。2. 混凝土机械化衬砌横向拉模成型设备构成和工作机理 2.1设备构成横向拉模成型设备用于大型渠道机械化衬砌，主要由行走装置，液压升降装置，混凝土上料系统、布料系统，滑模成型小车，卷扬装置、电控系统，框架结构、自动平衡、自动控制与自动检测输出系统等部分组成，见图1-1。 图1-1横向拉模成型设备简图 2.2工作机理整机通过混凝土上料、布料系统进行斜坡混凝土摊铺，滑模成型小车沿垂直水流斜坡方向上下行走，一次完成混凝土的振捣密实，形成均匀、密实连续的混凝土板，从而完成斜坡混凝土滑模衬砌成型。上料皮带机将浆料输送到布料系统中布料小车，布料小车再将浆料分摊到滑模成型小车料仓内，料仓内布料螺旋将混凝土摊铺均匀，高频振捣器进行振捣密实、提浆。同时成型小车从渠底向上移动，滑模板将捣实提浆后的混凝土挤压得更加密实，同时挤压拖抹出混凝土的标准断面。3. 混凝土机械化衬砌横向拉模成型设备主要关键技术集成 3.1横向滑模成型小车设计横向拉模成型小车是横向拉模成型设备的核心部件，是横向拉模衬砌成型的关键技术。成型小车由行走驱动装置、混凝土振捣密实成型装置组成。成型小车见图1-2：图1-2 横向滑模小车成型车与布料小车刚性连接，由卷扬装置驱动，在设备主框架上沿渠道斜长方向上下行走，主框架上设有行走导轨。其行走机构合理、可靠性好，有利于混凝土的成型、密实。混凝土振捣密实成型装置分为两部分，一部分为料仓，料仓前段为布料短螺旋，后端为高频振捣棒，在工作过程中布料螺旋将混凝土摊铺均匀，同时高频振捣棒进行振捣、密实、提浆；另一部分为不锈钢板材料制成的滑模板，将捣实、密实、提浆后的混凝土挤压得更加密实，同时挤压拖抹出具有光滑的外观和良好的纵横向平整度的混凝土标准断面。 3.2整体框架设计框架采用模块化设计，主要由上、下框架，直框架和变角框架组成，通过增减模块及更换变角框架来满足不同渠道坡比和渠道长度的衬砌要求。由于大型渠道衬砌成型设备支承跨度较大，框架对刚度、强度要求较高，钢结构框架的设计过程中，优先采用了市场上比较容易购置且具有良好的抗弯抗扭性能的材料。为了优化设计产品，利用AutoDesk Inventor 10 Professional进行三维立体模型设计，同时利用ANSYS应力分析软件进行应力分析，拟定多方案进行比较，选择适应设备正常工作的、最优断面尺寸及构造形式。简图见图1-3：3.3 斜坡混凝土振捣密实系统设计利用渠道衬砌机进行斜坡混凝土的浇筑振捣成型施工，振捣棒的频率、振幅、安放间距等都影响到混凝土的成型质量，振捣过程中应保证振动能量均匀、合理的辐射到振捣棒振捣半径内的混凝土，使混凝土内气泡溢出顺畅、混凝土内部结构密实。通过利用大型通用软件ANSYS对混凝土振捣密实过程进行数值模拟，观察并找到最优的能量传递方式，保证混凝土的浇筑质量。分别针对振动源-振捣棒设置了几种不同频率值、振捣棒安放间距、振捣棒振幅进行观察，优化选择了最优的频率、安放间距及振幅，振动能量的传递方式，如图1-4所示。同时利用大型渠道混凝土衬砌机设备参数优化实验装置，调整参数进行混凝土斜坡衬砌成型。衬砌机成型速度设三个档次。由实验结果，衬砌机成型速度变化对混凝土成型质量影响较大，成型速度在1.0m/min时，混凝土强度最高。因此可选定衬砌混凝土最优成型速度为1.0m/min。图1-4 振捣棒频率为100Hz混凝土内部能量传递情况3.4电控系统设计横向拉模衬砌机电控系统包括：整机行走控制、进料皮带控制、布料控制和振动棒振频控制和自动找平控制五个控制单元，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和电源变频改变其工作状态。图 PLC可编程控制原理图采用高可靠性PLC（可编程控制器）作为逻辑处理的核心控制单元，PLC具有CPU芯片和I/O接口以及数字量模拟量扩展模块，通过PLC控制程序来控制各系统协调工作，由于PLC程序控制功能强大、外围电路简洁，使得设备复杂的工作过程变