山區(qū)飲水井井管及離心成型機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉江濤，張春奇，弋景剛，張新彩，孔德剛，袁永偉，李珊珊

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.河北新清源實業(yè)有限公司，河北 保定 071100)

1 引言

黨中央、國務(wù)院在《關(guān)于打贏脫貧攻堅戰(zhàn)的決定》中明確提出：“實施農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程，全面解決貧困人口飲水安全問題”。解決農(nóng)村飲水安全問題，是全面建成小康社會，打贏脫貧攻堅戰(zhàn)的重要任務(wù)。河北省山區(qū)面積占全省總面積的62%，部分山區(qū)地處貧水帶，缺少地表水，地下水源埋深多在500 m以上，地質(zhì)條件復(fù)雜，成井困難，且需特設(shè)井管，長期困擾山區(qū)農(nóng)村群眾安全飲水。

2 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土井管

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土井管由無焊縫異形管箍、鋼筋、外包混凝土組成。該管箍直接軋制成型，無焊接質(zhì)量問題。同時，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土井管內(nèi)裹預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋，抗拉強(qiáng)度高，解決了因不同地區(qū)不同地層而特設(shè)井管的問題，成井深度可達(dá)600 m，實際成型圖如圖1所示。

圖1 實際成型

3 離心成型機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土井管由管體模具同軸自振變頻離心成型機(jī)帶動管體模具高速旋轉(zhuǎn)離心成型。該機(jī)主動離心成型機(jī)頭、管體模具、從動離心成型機(jī)頭長距離同軸，液壓支護(hù)裝置支護(hù)管體模具，解決了井管生產(chǎn)的偏心難題，如圖2所示；可生產(chǎn)長1～18 m、采用無焊縫異形管箍的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土井管，解決了因不同地區(qū)不同地層而特設(shè)井管的難題，實測合格率大于99.8%，成井深度可達(dá)600 m；管體模具兩端設(shè)置獨立式彈性夾具，更換方便，密封效果好，解決了跑漿難題，改善了井管生產(chǎn)環(huán)境；電控變頻調(diào)速與自振輪自振提高井管成型速度、密實度，生產(chǎn)率：8根/h，提高了2倍。

1. 控制柜 2.液壓控制系統(tǒng) 3.主動離心成型機(jī)頭4.液壓支護(hù)裝置 5.從主動離心成型機(jī)頭6.電機(jī)

圖2管體模具同軸自振變頻離心成型機(jī)

3.1 主動離心成型機(jī)頭

主動離心成型機(jī)頭(傳動裝置)主要有電機(jī)、減速齒輪、傳動軸、圓錐型斜面卡具、自振輪、彈性夾具等組成，如圖3所示。

1.彈性夾具 2.自振輪 3.圓錐型斜面卡具 4.傳動軸 5.減速齒輪 6.電機(jī)

圖3主動離心成型機(jī)頭

工作時，主動離心成型機(jī)頭轉(zhuǎn)速最高約550 r/min，電機(jī)選用四級三相交流電機(jī)，采用分段變頻調(diào)速。離心成型階段經(jīng)歷快速啟動、變速、停止3個階段，生產(chǎn)效率高；同時管體模具、主動離心成型機(jī)頭、從動離心成型機(jī)頭轉(zhuǎn)動慣量較大，采用減速機(jī)構(gòu)減速。

3.2 從動離心成型機(jī)頭

從動離心成型機(jī)頭(頂壓裝置)主要有頂壓油缸、圓錐型斜面卡具、自振輪、彈性夾具等組成，如圖4所示。

1.彈性夾具 2.自振輪 3.圓錐型斜面卡具 4.頂壓油缸

圖4從動離心成型機(jī)頭

工作前，頂壓油缸推動圓錐型斜面卡具伸出，壓縮彈性夾具密封管體模具兩端，同時使管體模具與兩端夾具產(chǎn)生擠壓力，以便于離心轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生摩擦力，傳遞轉(zhuǎn)矩。工作時，從動離心成型機(jī)頭由主動離心成型機(jī)頭帶動旋轉(zhuǎn)。

3.3 液壓支護(hù)裝置

液壓支護(hù)裝置由底座、支護(hù)輪、支撐架、液壓缸等組成，如圖5所示。

1.底座 2.支護(hù)輪 3.支撐架4.液壓缸

圖5液壓支護(hù)裝置

液壓控制系統(tǒng)控制液壓缸活塞桿伸縮，支護(hù)輪支護(hù)管體模具，并抱緊，當(dāng)管體模具轉(zhuǎn)動時，支護(hù)輪跟隨管體模具轉(zhuǎn)動。該裝置可有效地防止離心成型時管體模具上下跳動、損傷管體模具，解決了井管生產(chǎn)的偏心難題，可生產(chǎn)長1～18m的井管，同時，噪音低，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，提高了管體模具和離心成型機(jī)壽命。

3.4 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)控制頂壓油缸使從動離心成型機(jī)頭的圓錐型斜面卡具伸出，彈性夾具密封管體模具。該液壓控制系統(tǒng)具有自動頂壓功能，啟動后如果圓錐型斜面卡具壓力降低時，液壓控制系統(tǒng)自動啟動加壓。液壓控制系統(tǒng)MATLAB仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 Bode圖

由圖6可知，該系統(tǒng)相穩(wěn)定裕度和模穩(wěn)定裕度均滿足系統(tǒng)要求，液壓控制系統(tǒng)既快又穩(wěn)。

4 結(jié)語

管體模具同軸自振變頻離心成型機(jī)主動離心成型機(jī)頭、管體模具、從動離心成型機(jī)頭長距離同軸，液壓支護(hù)裝置支護(hù)管體模具，解決了井管生產(chǎn)的偏心難題，生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土井管解決了因不同地區(qū)不同地層而特設(shè)井管的難題。