人工防汛備防石振動擠壓耦合成型設(shè)備設(shè)計研究

張 凱，劉 忠，王衛(wèi)軍

(1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.河南黃河河務(wù)局，河南 鄭州 450003)

傳統(tǒng)的黃河防汛天然石料屬不可再生物資，近年來隨著環(huán)境保護(hù)治理日趨嚴(yán)格，天然石料的開采受到控制，大批采石場被列入環(huán)境監(jiān)察范圍而暫?；蜿P(guān)閉，今后防汛天然石料供應(yīng)將受到很大限制。利用資源豐富的黃河泥沙和膠凝技術(shù)(水泥基或非水泥基)制作人工防汛備防石，不僅節(jié)省大量天然石料，而且為解決黃河泥沙問題提供了新的途徑[1- 7]。

人工防汛備防石在水下的穩(wěn)定性與其形狀、尺寸、密度等密切相關(guān)，其強(qiáng)度、形狀、尺寸直接影響到拋投性能，抗凍融、抗風(fēng)化等耐久性指標(biāo)直接影響其持續(xù)發(fā)揮作用的能力。故此，人工防汛備防石的主要技術(shù)指標(biāo)包括形狀、尺寸、強(qiáng)度、密度、抗凍融性、抗風(fēng)化性等；其中形狀、尺寸、容重是在生產(chǎn)階段要直接、實時控制的技術(shù)指標(biāo)。依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》、《黃河下游標(biāo)準(zhǔn)化堤防工程規(guī)劃設(shè)計與管理標(biāo)準(zhǔn)》和相關(guān)研究[8- 12]，黃河泥沙人工防汛備防石密度不宜小于1950kg/m3，外形宜為正方體或長方體等直角六面體，作為散拋石使用時邊長宜大于300mm，代替防洪搶險鉛絲石籠使用時邊長在450～600mm。鑒于人工防汛備防石體積和重量較大，人工生產(chǎn)方式效率低，質(zhì)量均勻性不宜保證，現(xiàn)有液壓或振動成型類似設(shè)備均存在體積龐大、價格高、布料空間難以滿足防汛備防石尺寸要求等問題，因此，需要研究開發(fā)一種新型人工防汛備防石生產(chǎn)設(shè)備。

1 成型設(shè)備原理

為減少膠凝材料使用降低生產(chǎn)成本，生產(chǎn)成型時原材料宜拌制成干硬性物料。依據(jù)塑性碰撞振動密實原理，只要對物料施加的壓力不小于成型阻力，松散物料必然受到擠壓而發(fā)生塑性變形，進(jìn)而達(dá)到理想密實狀態(tài)。振動成型過程中必須產(chǎn)生碰撞，物料才能密實，而存在一定間隙才能發(fā)生顆粒間碰撞，振動密實過程就是含間隙的塑性碰撞振動過程[13- 15]。

據(jù)此原理，采用振動增密和液壓成型的振動擠壓耦合方式，以干硬性混合料生產(chǎn)人工防汛備防石生產(chǎn)的新型成型機(jī)主要由壓頭、液壓油缸、鎖模機(jī)構(gòu)、鏈條、模具、物料、托板、振動平臺等組成。振動平臺內(nèi)對稱布置振動電機(jī)，能夠產(chǎn)生豎直向上的周期性簡諧激振力，在壓頭接觸物料前，振動電機(jī)進(jìn)行振動，液壓油缸用節(jié)流閥控制緩慢下降。壓頭在物料壓制過程中，受自身重力、液壓缸推力和物料支撐力的共同作用使得物料變得密實。物料成型后采用壓力脫模，鎖模機(jī)構(gòu)勾住模具，使得模具和鎖模機(jī)構(gòu)成為一體，在模具的提升過程中，液壓油缸無桿腔進(jìn)油，對成型的砌塊施加壓力使其脫模。由于液壓油缸通過鏈條和機(jī)架柔性連接，掛鉤鎖緊后，壓頭與模具通過鎖模機(jī)構(gòu)與振動平臺上臺面組成一個系統(tǒng)，振動不易傳遞到機(jī)架上。如圖1所示。

2 設(shè)備整體設(shè)計方案

圖1 振動擠壓耦合成型系統(tǒng)模型

人工防汛備防石振動擠壓耦合成型設(shè)備包括機(jī)架、配重、配重提升裝置、模具、模具提升裝置、振動平臺和控制系統(tǒng)。配重通過滑輪、鋼絲繩和連接板鉸接在配重提升裝置的動力輸出端上，配重在配重提升裝置的驅(qū)動下升降，兩側(cè)設(shè)置有導(dǎo)向架與設(shè)置在機(jī)架上的導(dǎo)向槽配合構(gòu)成導(dǎo)向副。模具設(shè)置在配重的正下方，上端與模具提升機(jī)構(gòu)的動力輸出端鉸接，模具提升機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)架上，模具正下方設(shè)置有振動平臺，振動平臺上放置有托盤，模具在模具提升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下可垂直移動，在導(dǎo)向銷軸的導(dǎo)向下，模具可放置在振動平臺上。另外，還包括用于推送成型后的防汛備防石的推塊機(jī)構(gòu)、接塊平臺和給模具喂料的喂料機(jī)構(gòu)。如圖2—3所示。

圖2 成型主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖3 成型設(shè)備方案布置圖

3 成型主機(jī)設(shè)計參數(shù)

3.1 成型工藝參數(shù)室內(nèi)研究

設(shè)備研發(fā)設(shè)計前，通過室內(nèi)試驗進(jìn)行了振動擠壓耦合成型技術(shù)工藝參數(shù)研究，以便為成型機(jī)的設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)，主要包括壓力、平臺振動頻率、振幅、振動時間、密度、強(qiáng)度、物料性態(tài)等與備防石關(guān)鍵指標(biāo)表觀密度的關(guān)系[16- 18]。室內(nèi)振動加壓成型設(shè)備主要結(jié)構(gòu)包括液壓加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及平臺支架等，原材料為黃河沙、P·O42.5水泥、Ⅱ級粉煤灰和自制添加劑，主要試驗結(jié)果如圖4所示。

(1)圖4(a)表明：在壓強(qiáng)相同的條件下，振動模腔內(nèi)物料密度基本隨振壓深度降低而降低，即同樣試驗條件下，物料上部密度大于中部密度，中部密度大于底部密度。究其原因為：受實驗裝置限制，試驗室振動臺激振力偏小，振動平臺與液壓加壓系統(tǒng)采用剛性連接使試驗壓力全部作用到振動臺上，振動平臺的振幅會隨壓力增大而顯著降低，當(dāng)壓力自上向下傳導(dǎo)時，物料密實需要克服更大的摩擦阻力和顆粒間的粘結(jié)咬合力，振動作用減弱。因此為保證人工防汛備防石目標(biāo)密度和整體質(zhì)量，振動加壓系統(tǒng)如果既要提供一定成型壓力，還要克服成型物料、模具和振動平臺自重及液壓力產(chǎn)生足夠的振幅，結(jié)構(gòu)設(shè)計時振動系統(tǒng)與加壓系統(tǒng)應(yīng)避免成為剛性結(jié)構(gòu)連接。

圖4 成型工藝參數(shù)與試件表觀密度的關(guān)系

(2)圖4(b)表明：振動成型過程中模腔內(nèi)整體物料不斷發(fā)生彈性變形和塑性變形，在一定成型壓力和振動時間下，物料已作為一個整體達(dá)到受壓極限，成型坯體不再隨壓力增加產(chǎn)生塑性變形，所產(chǎn)生的位移為零，密度達(dá)到最大。如果繼續(xù)振動，部分物料顆粒反而會克服粘接力和咬合力發(fā)生向上的運(yùn)動，造成坯體產(chǎn)生松散變化，密實度下降。因此，要達(dá)到理想的成型密度，不同組成和性態(tài)的物料對應(yīng)一個最佳振動時間范圍。

(3)圖4(c)表明：物料的組成和性態(tài)對成型密實度有很大影響，過于干燥松散的物料顆粒間粘結(jié)力和水分子結(jié)合力相對微弱，振壓時不容易粘聚成型，脫模時容易產(chǎn)生開裂、缺棱掉角等缺陷；過于潮濕的物料顆粒間粘結(jié)力和水分子結(jié)合力相對變強(qiáng)，在振壓過程中產(chǎn)生更大的摩阻力，容易造成水分流失帶出漿料，發(fā)生脫模塌陷。合適的含水率對振壓成型坯體密度和外觀質(zhì)量有很大影響，試驗表明，物料含水率在12%～14%較為適宜。

3.2 成型主機(jī)設(shè)計技術(shù)參數(shù)

振動擠壓耦合成型主機(jī)的主要機(jī)構(gòu)和動作，包括上下鎖模機(jī)構(gòu)鎖模，振動平臺激振，壓頭壓制，模具提升脫模，壓頭提升，行走系統(tǒng)，坯體推出等。作用力包括激振力、壓頭壓制力、模具裝料前后移動的水平推力、推出坯的水平推力、第一和第二鎖模力、模具提升力、壓頭提升力等。根據(jù)室內(nèi)試驗研究和設(shè)計計算，確定振動擠壓耦合快速成型機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 成型機(jī)主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)

4 工藝流程

人工防汛備防石成型工藝流程為：配料→稱料→上料→拌合后送入壓制機(jī)進(jìn)料倉→布料→振動擠壓→脫?！扑汀M(jìn)入成品堆放場地，成型設(shè)備的主視圖如圖5所示。

圖5 成型設(shè)備的主視圖

生產(chǎn)時，人工把托盤109放置在推塊裝置3的正前方，在推塊裝置3的驅(qū)動下將托盤109輸送到模具的正下方，模具提升裝置104驅(qū)動模具106下降，使得模具106放置在托盤109上，并把模具106、托盤109和振動擠壓平臺107連接為一體，此時喂料機(jī)構(gòu)2的料斗旋轉(zhuǎn)裝置203驅(qū)動料斗202旋轉(zhuǎn)一定的角度，使得料斗202的出料口在模具107的上方，打開料倉門201進(jìn)行布料。布料完成后，喂料機(jī)構(gòu)的動作相反，回到初始位置。此時振動擠壓耦合快速成型機(jī)1開始工作，振動擠壓平臺107開始低頻振動，配重提升裝置102驅(qū)動配重103下降，當(dāng)配重103接觸到物料時，振動擠壓平臺107進(jìn)行高頻振動，直到達(dá)到預(yù)期的成型高度后停止振動。模具提升裝置104驅(qū)動模具106上升進(jìn)行脫模。配重提升裝置102提升配重103上升到上極限位置。當(dāng)模具提升裝置104提升模具106也達(dá)到上極限位置時，推塊裝置3推動托盤109，使得成型后的人工防汛備防石被推送到接塊平臺4上，此時可有專有的運(yùn)輸工具進(jìn)行搬運(yùn)。

5 結(jié)語

通過室內(nèi)成型參數(shù)試驗，結(jié)合現(xiàn)有振動擠壓成型技術(shù)優(yōu)點，設(shè)計研發(fā)的人工防汛備防石振動擠壓耦合成型機(jī)采用結(jié)構(gòu)簡單，承載能力大變形小，操作維護(hù)簡單、設(shè)備工藝布局合理、便于拆解運(yùn)輸和組裝生產(chǎn)，并實現(xiàn)了人工防汛備防石的機(jī)械化示范生產(chǎn)，有效解決了制約黃河泥沙生產(chǎn)人工防汛備防石推廣應(yīng)用缺乏成型設(shè)備的技術(shù)難題。