小型混凝土構(gòu)件澆筑振搗一體平臺(tái)研制

武建鋒/中鐵六局集團(tuán)太原鐵路建設(shè)有限公司

小型混凝土構(gòu)件澆筑振搗一體平臺(tái)研制

武建鋒/中鐵六局集團(tuán)太原鐵路建設(shè)有限公司

論文以蒙華鐵路17標(biāo)小型混凝土構(gòu)件預(yù)制場(chǎng)為背景，針對(duì)傳統(tǒng)小型混凝土預(yù)制件施工存在的困難，提出了自行研制小型混凝土構(gòu)件澆筑振搗一體平臺(tái)的思路，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研、分析研究、總體設(shè)計(jì)、細(xì)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、試生產(chǎn)等研制過(guò)程，成功研制了小型混凝土澆筑振搗一體平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了小型混凝土構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)。

混凝土構(gòu)件；振搗；澆筑；一體平臺(tái)；研制

1.澆筑振搗一體平臺(tái)研制的意義

1.1前言

中鐵六局太原鐵建承建蒙華鐵路17標(biāo)段，根據(jù)業(yè)主要求，施工中樹(shù)立創(chuàng)新理念，突破生產(chǎn)組織模式創(chuàng)新。結(jié)合工程規(guī)模和特點(diǎn)，本著工廠化、集中化、標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化、信息化生產(chǎn)組織管理原則，建立了小型混凝土構(gòu)件集中加工場(chǎng)，采用全自動(dòng)化生產(chǎn)線，勞力大幅減少，加工精度和質(zhì)量明顯提高。

1.2小型混凝土構(gòu)件場(chǎng)簡(jiǎn)介

蒙華鐵路17標(biāo)段小型混凝土預(yù)制構(gòu)件場(chǎng)位于西峽縣鋼結(jié)構(gòu)園區(qū)內(nèi)，施工場(chǎng)地面積18畝，其中生產(chǎn)區(qū)6.9畝，存放區(qū)11.1畝。預(yù)制場(chǎng)主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)和存放橋梁人行道步板35080塊，避車臺(tái)步板1955塊，吊籃步板8490塊，滲水墻無(wú)刷混凝土塊21130塊，矩形側(cè)溝蓋板1500塊，防護(hù)柵欄立柱17023根，上檻、下檻34046根，防護(hù)柵欄欄片17023片，電纜槽蓋板24924塊，水溝蓋板24924塊。

1.3混凝土構(gòu)件澆筑振搗一體平臺(tái)研制意義

蒙華鐵路工程小型混凝土構(gòu)件繁多量大，一般采用現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制及工廠化預(yù)制。現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制一般為人工加工鋼筋及拌和混凝土，鋼筋加工質(zhì)量參差不齊，混凝土配合比隨意誤差較大，振搗不規(guī)范，容易造成小型混凝預(yù)制件蜂窩麻面嚴(yán)重、規(guī)格不統(tǒng)一、強(qiáng)度不足、顏色差異較大等缺陷。工廠化加工小型混凝土預(yù)制件表面質(zhì)量、強(qiáng)度等均能符合要求，但因小型混凝土預(yù)制件總量小，建設(shè)小型混凝土預(yù)制工廠成本較高，如外購(gòu)小型混凝土預(yù)制件，購(gòu)置成本高，并增加運(yùn)輸成本，從而使得小型混凝土預(yù)制件成為新建工程的薄弱環(huán)節(jié)。

為了降低工程成本，提高企業(yè)效益，提升工程質(zhì)量，有必要開(kāi)發(fā)一套適用于現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)的小型混凝土構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。 研制一套介于工廠化加工和現(xiàn)場(chǎng)加工的小型混凝土預(yù)制塊加工設(shè)備，減少預(yù)制人員，達(dá)到預(yù)制塊質(zhì)量好，又能大幅度降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)小型混凝土預(yù)制塊機(jī)械化加工生產(chǎn)。

2.澆筑振搗一體平臺(tái)研制路線

2.1研制目標(biāo)、指標(biāo)

2.1.1功能要求：存儲(chǔ)部分混凝土、澆注、振搗；簡(jiǎn)單、靈活、可靠、成本低、容易維護(hù)。

2.1.2作業(yè)范圍：最大澆注長(zhǎng)度2m，最大澆注寬度1.5m。

2.1.3作業(yè)能力：工作量為每天1050塊，約30-40m3。

2.1.4澆注作業(yè)時(shí)間要求：平均每分鐘約2.5塊。

2.1.5混凝土存儲(chǔ)量:參考自有攪拌站為120雙機(jī)組，并考慮日生產(chǎn)能力及混凝土初凝期約2-4m3。

2.2研制步驟

2.2.1通過(guò)了解現(xiàn)場(chǎng)加工小型混凝土預(yù)制件的制作流程，對(duì)照工廠化加工流程，提出自行研制小型混凝土預(yù)制件澆筑、振搗生產(chǎn)一體平臺(tái)。

2.2.2走訪、考察其相關(guān)機(jī)械的原理和構(gòu)造，確定混凝土澆筑、振搗技術(shù)參數(shù)。

2.2.3試制混凝土澆筑振搗一體平臺(tái)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試出技術(shù)參數(shù)，對(duì)存在問(wèn)題進(jìn)行分析研究，制定改進(jìn)方案并改進(jìn)，使其達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

2.3調(diào)研及技術(shù)難題

調(diào)研主要為技術(shù)可行性及選定澆注及振搗所需參數(shù)問(wèn)題。通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)資料并走訪試驗(yàn)室，發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)有混凝土工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)功能的生產(chǎn)設(shè)備主要分為兩類，一類是專業(yè)預(yù)制混凝土，構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備，該類設(shè)備體積龐大，需要占用較大的場(chǎng)地和較多的人員，靈活性較差，建設(shè)成本高；另一類是使用簡(jiǎn)易混凝土加工設(shè)備及簡(jiǎn)易鋼筋加工設(shè)備，建設(shè)成本低，靈活性強(qiáng)，占用的場(chǎng)地較大并需要很多人員，產(chǎn)量較低，質(zhì)量不穩(wěn)定，綜合成本較高。從技術(shù)可行性方面，通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)存在以下關(guān)鍵技術(shù)難題：

2.3.1澆注平臺(tái)方面。目前類似混凝土澆筑均采用澆注斗，因小型預(yù)制構(gòu)件體積小，生產(chǎn)速度較慢，又采用拌合站拌和，在料斗內(nèi)存放時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)容易引起混凝土離析；混凝土入模后的振搗方式及振搗時(shí)間、頻率還需進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。澆注斗及各類混凝土設(shè)備可以參考現(xiàn)有攪拌站、試驗(yàn)室使用的設(shè)備器材作為參考，為本項(xiàng)目的實(shí)施提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但仍然存在另外一些技術(shù)問(wèn)題需要克服。

2.3.2理論及技術(shù)方面。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)和內(nèi)容可以參考工廠化加工小型混凝土預(yù)制件，有可參考對(duì)象，但是缺乏必要的參考文獻(xiàn)，同時(shí)由于涉及到機(jī)械結(jié)構(gòu)、混凝土澆筑、振搗、脫模等諸多方面的理論和技術(shù)問(wèn)題，因此前期要做必要的理論和技術(shù)分析，同時(shí)設(shè)計(jì)要考慮多方面的技術(shù)因素，具有一定的技術(shù)難度。

2.3.3制造方面。雖然加工制造廠商較多，但在周邊地區(qū)境內(nèi)尚沒(méi)有小型混凝土設(shè)備加工生產(chǎn)廠家，因?yàn)檫x擇自行加工制作。自行加工制作能有效降低成本并方便維修保養(yǎng)。

2.3.4試驗(yàn)方面。由于澆注平臺(tái)及相關(guān)設(shè)備采用工頻380V交流電驅(qū)動(dòng)，考慮到試驗(yàn)中的振動(dòng)現(xiàn)象，可能對(duì)設(shè)備產(chǎn)生一定的危害，因而應(yīng)充分估計(jì)到試驗(yàn)時(shí)對(duì)澆注平臺(tái)及參與試驗(yàn)的技術(shù)人員存在一定的危險(xiǎn)性。

2.3.5儲(chǔ)料斗儲(chǔ)量約2-4m3，澆注約需40-80分鐘，混凝土儲(chǔ)存在料斗里容易沁水、離析，如果儲(chǔ)存在混凝土罐車內(nèi)則會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占用混凝土罐車，增加成本。目前還有沒(méi)有類似的成熟設(shè)備，無(wú)其他機(jī)型可借鑒。

2.3.6小型混凝土預(yù)制塊種類較多，需要振搗的類型較多，需靈活可靠，無(wú)需改變工裝就能振搗多種預(yù)制塊。

2.3.7設(shè)備的總功率、外形尺寸、總重量盡量降低，減小成本。

3.澆筑振搗一體平臺(tái)研制方案

考慮到技術(shù)可行性、研發(fā)成本及相關(guān)因素，擬采用帶有攪拌裝置的混凝土料斗作為儲(chǔ)料倉(cāng)，混凝土振動(dòng)平臺(tái)作為振動(dòng)源，采用雙向出料方式，可同時(shí)澆注及振動(dòng)。

3.1儲(chǔ)料斗設(shè)計(jì)

參考混凝土拌合站的混凝土料斗及配料機(jī)中的稱重斗,采用放大混凝土料斗設(shè)計(jì)并在底部增加稱重斗使用的活門(mén)控制出灰量。內(nèi)部仿照J(rèn)S500型雙軸臥式攪拌機(jī)設(shè)計(jì)，采用簡(jiǎn)化的單軸攪拌設(shè)計(jì)，持續(xù)強(qiáng)制拌和儲(chǔ)料斗內(nèi)混凝土，防止混凝土離析。

根據(jù)儲(chǔ)料斗、稱量斗及攪拌機(jī)攪拌裝置設(shè)計(jì)小型混凝土預(yù)制件存料斗，存料斗采用Q235鋼板制作，攪拌軸及攪拌葉片采用45#鋼加工而成，考慮到總方量較小及攪拌速度較慢，為了降低成本沒(méi)有設(shè)置耐摩鋼板內(nèi)襯，采用加厚存料斗鋼板的辦法提高存料斗使用時(shí)間。即使存料斗磨損也可簡(jiǎn)單使用普通45#鋼板修復(fù)。

3.2攪拌葉片設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)查詢，選用3KW臥式減速電機(jī)作為攪拌動(dòng)力源，選擇減速比為30：1。經(jīng)查詢相關(guān)技術(shù)參數(shù)，得知30:1減速比下輸出扭矩為647Nm

減速電機(jī)輸出軸經(jīng)過(guò)進(jìn)一步皮帶1.6:1減速后輸出扭矩為：647N.m*1.6=1035.2Nm。

攪拌器葉片通過(guò)查詢資料及對(duì)比選擇為：槳式攪拌器，槳式攪拌器主要用于流體的循環(huán)，功耗少，操作費(fèi)用低，容易加工。

自行設(shè)計(jì)的攪拌軸，采用材質(zhì)為45#鋼的60*10厚壁鋼管及10mm的40Cr鋼板制成。采用二保焊焊接，雙面焊接。焊接完成后進(jìn)行熱處理。熱處理工藝為：調(diào)制（表面淬火及低溫回火）。為了消除內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到高硬度、高耐磨要求。表面淬火采用火焰淬火方式進(jìn)行。

對(duì)設(shè)計(jì)的攪拌葉片進(jìn)行強(qiáng)度檢算，模型采用Solidworks建立，計(jì)算分析采用Solidworks SimulationXpress 有限元分析軟件檢算。

經(jīng)過(guò)有限元分析得知，葉片最大受力為19.283Mpa，而葉片材料40Cr屈服強(qiáng)度為460Mpa，因此安全系數(shù)為460Mpa/19.283Mpa=23.86?？梢耘卸ㄈ~片能承受凝固前混凝土產(chǎn)生的壓力。

計(jì)算攪拌葉片在彎矩下的受力情況，最大受力為29.9Mpa，材料屈服強(qiáng)度460Mpa，安全系數(shù)為460Mpa/29.9Mpa=15.38?？梢耘卸榘踩軡M足設(shè)計(jì)需要。

該儲(chǔ)料斗的主要技術(shù)參數(shù)如表3-1所示。

表3　-1　儲(chǔ)料斗主要技術(shù)參數(shù)

3.3振動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與選型

確定采用振動(dòng)平臺(tái)方案，經(jīng)對(duì)圖紙進(jìn)行查詢，本工程最大小型混凝土預(yù)制件尺寸為1.2m*1.8m，為此將振動(dòng)平臺(tái)尺寸設(shè)定為1.5m*2m。并繪制出振動(dòng)平臺(tái)三維圖紙。為了降低成本，振動(dòng)平臺(tái)選擇購(gòu)置成品振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生激振力。

振動(dòng)器的振動(dòng)參數(shù)主要包括振動(dòng)頻率、振幅、激振力及具體施工中的工藝控制和振動(dòng)時(shí)間等?；炷翗?gòu)件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很多氣泡、水氣等，結(jié)果就會(huì)在混凝土內(nèi)部及外表形成蜂窩、孔隙等現(xiàn)象，直接造成混凝土構(gòu)件強(qiáng)度的下降，而振動(dòng)就是為了消除混凝土內(nèi)部的氣泡、孔隙，增加混凝土的密實(shí)度，如果振動(dòng)頻率、振幅、激振力和振動(dòng)時(shí)間科學(xué)合理，將會(huì)有效提高振動(dòng)效果，克服混凝土內(nèi)部資料之間的摩擦阻力，使混凝土內(nèi)部水泥、砂、骨料及鋼筋能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，達(dá)到提高混凝土密實(shí)度的目的。根據(jù)有關(guān)理論計(jì)算和試驗(yàn)表明，由于密實(shí)度不好產(chǎn)生的空隙，每增加 1％空隙率大約會(huì)降低混凝土構(gòu)件強(qiáng)度 5％ 左右。

影響混凝土強(qiáng)度的因素有很多，因采用拌合站拌和混凝土僅研究小型混凝土預(yù)制件的振搗對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生的影響。通過(guò)以上的研究分析。主要體現(xiàn)在振動(dòng)頻率、振幅大小和激振力的合理選用上，以及混凝土構(gòu)件施工中工藝控制及振動(dòng)時(shí)間的掌握上。

為了確?；炷琳駬v密實(shí)，降低 空隙率，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)振動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)在確定混凝土配合比的情況下進(jìn)行，主要確定振搗時(shí)間、振搗頻率和激振力。試驗(yàn)采用同一盤(pán)混凝土，分別試驗(yàn)。分別采用水平振搗及垂直振搗兩種振搗方向，低頻（50HZ）中頻（100HZ）高頻（167HZ）對(duì)試件進(jìn)行振搗，并獲得其抗壓強(qiáng)度。并將數(shù)據(jù)整理成表3-2。

表3　-2　振搗頻率及方向與強(qiáng)度的關(guān)系

振搗方向的影響，由表3-2分析可知：

（1）單向振搗混凝土的抗壓強(qiáng)度在低頻振搗下最高，高頻下次之，中頻振搗下最小，且水平振搗混凝土在各頻率振搗下強(qiáng)度均大于垂直振搗混凝土。但是在多方向振搗下混凝土的扛壓強(qiáng)度隨著頻率的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

（2）單向振搗的混凝土的抗壓強(qiáng)度在各頻率下都沒(méi)達(dá)到配合比要的30Mpa強(qiáng)度要求，但是在多方向振搗下僅有低頻振搗抗壓強(qiáng)度略低于30Mpa，中頻及高頻振搗混凝土的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到30Mpa。因此決定使用多方向振搗方式為振動(dòng)平臺(tái)的振搗方式。

振搗頻率的影響，由表3-2分析可知：多向振搗混凝土條件下，隨著振搗頻率的增大，混凝土的孔隙率減小，抗壓強(qiáng)度增加。但隨著頻率增大，在中頻后孔隙率變化不大。因此決定使用中頻（100HZ）振搗頻率作為振動(dòng)平臺(tái)的振搗頻率。經(jīng)查詢現(xiàn)有振動(dòng)平臺(tái)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3-3。

表3　-3　振動(dòng)平臺(tái)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)選型表選擇ZP-10-1型振動(dòng)平臺(tái)作為參考對(duì)象，設(shè)置6臺(tái)振動(dòng)電機(jī)，振動(dòng)電機(jī)型號(hào)ZW-90/2.2KW，激振力90KN的振動(dòng)電機(jī)作為振源。

確定參數(shù)后對(duì)振動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參考ZP-10-1型振動(dòng)平臺(tái)，平局布置6臺(tái)ZW-90/2.2KW振動(dòng)電機(jī)，緩沖采用彈簧反沖。最終設(shè)計(jì)振動(dòng)平臺(tái)參數(shù)見(jiàn)表3-5。

表3　-4　設(shè)計(jì)振動(dòng)平臺(tái)技術(shù)參數(shù)

為了提高效率，設(shè)計(jì)了三工位雙振動(dòng)平臺(tái)，雙振動(dòng)平臺(tái)可一個(gè)澆注另一個(gè)振動(dòng)，以增加效率，提高生產(chǎn)速度，確保人員、設(shè)備無(wú)限制。

3.4橫移設(shè)計(jì)

考慮到兩個(gè)振動(dòng)平臺(tái)及模具、混凝土等總重可達(dá)3000kg以上，為此設(shè)計(jì)了機(jī)械橫移裝置，方便振動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)。經(jīng)過(guò)選型，選擇使用1噸臥式卷?yè)P(yáng)機(jī)作為動(dòng)力源，使用鋼絲繩作為牽引，拖動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)。

3.5電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于小型混凝土構(gòu)件生產(chǎn)線電動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備較多，列出需控制的設(shè)備清單以確定具體控制方式。

表3　-5　控制設(shè)備清單

振搗平臺(tái)控制方式。澆注平臺(tái)采用手控加延時(shí)繼電器控制，各部位操作簡(jiǎn)單可靠。

3.6整體設(shè)計(jì)

根據(jù)振動(dòng)平臺(tái)、儲(chǔ)料斗、攪拌葉片等設(shè)計(jì)，采用Solidworks建立模型，確保設(shè)計(jì)無(wú)誤差、配件無(wú)干涉。

表3　-6　小型混凝土構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)流水線技術(shù)參數(shù)

4.混凝土澆筑振搗一體平臺(tái)研制進(jìn)度

4.1第1個(gè)月。市場(chǎng)調(diào)研，與多家混凝土設(shè)備生產(chǎn)廠家及混凝土預(yù)制件生產(chǎn)廠家進(jìn)行聯(lián)系、走訪、探討，了解現(xiàn)有混凝土澆筑及振搗方式、混凝土配合比、塌落度、含氣率、保養(yǎng)時(shí)間、強(qiáng)度曲線等參數(shù)。

4.2第2個(gè)月。在攪拌站及試驗(yàn)室配合下，對(duì)混凝土振搗時(shí)間、振搗頻率進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得最佳振搗時(shí)間及頻率，對(duì)不同的振搗時(shí)間及頻率生產(chǎn)的時(shí)間進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。目標(biāo)為降低混凝土含氣量、提高混凝土初期強(qiáng)度、確定混凝土離析時(shí)間等參數(shù)作為參考，設(shè)計(jì)小型混凝土預(yù)制件生產(chǎn)流水線。

4.3第3-4個(gè)月。針對(duì)獲得的參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果及圖紙進(jìn)行加工澆注振搗平臺(tái)。對(duì)各部位進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)后組合成生產(chǎn)線，進(jìn)入試生產(chǎn)。

4.4試生產(chǎn)。協(xié)調(diào)攪拌站拌和C30混凝土對(duì)振動(dòng)澆注平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)生產(chǎn)，模具選擇塑料模具噴涂水性脫模劑，重點(diǎn)是混凝土澆注、振搗試驗(yàn)。共生產(chǎn)小型混凝土構(gòu)件87m3，11460塊，平均生產(chǎn)速度3.41塊/m，并制作混凝土試塊。

5.結(jié)語(yǔ)

自行研制的小型混凝土構(gòu)件自動(dòng)化澆注、振搗一體平臺(tái)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定了適合混凝土振動(dòng)平臺(tái)的振動(dòng)方向及頻率，澆注速度快，振搗效果好。通過(guò)試生產(chǎn)，小型構(gòu)件的生產(chǎn)速度、質(zhì)量全部達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)指標(biāo)，順利進(jìn)入正式生產(chǎn)階段。小型混凝土構(gòu)件集中預(yù)制，有效解決了小型混凝土構(gòu)件生產(chǎn)工效低、質(zhì)量差的難題，減少了人工成本，為今后小型混凝土構(gòu)件生產(chǎn)施工提供了技術(shù)支持。