一種自動(dòng)化液壓分體式管廊模具研究①

黃宇 李屹 吳兵 楊靜 賈登忠

（1貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院貴州貴陽550025；2貴州中昇東浩科技有限公司貴州貴陽550025）

近年來，隨著中國城鎮(zhèn)化建設(shè)快速發(fā)展，城市地下空間需要更好地管理。地下綜合管廊也稱為“地下宿舍”，是一種集中容納地下各種管線的公共空間［1］。目前，管廊生產(chǎn)方式主要有現(xiàn)澆和預(yù)制兩種?，F(xiàn)澆工藝較為成熟，但存在施工工期可控性較差，質(zhì)量管控難度較大，現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制等弊端，現(xiàn)澆式的缺點(diǎn)開始日益凸顯［2］。而預(yù)制混凝土分體管廊生產(chǎn)不受環(huán)境、天氣和季節(jié)的影響，能夠很大程度上縮短工期，減少施工對(duì)環(huán)境、交通和居民的影響，逐漸成為一種趨勢(shì)。

目前預(yù)制混凝土分體管廊有對(duì)分式和四六分式，但需要人工操作，存在管廊拼接不便捷、精度不夠等問題。而預(yù)制混凝土液壓蓋板式分體管廊是一種全新的管廊結(jié)構(gòu)，由倉體和蓋板連接組合而成，能有效解決其它分體式管廊存在的受力、安裝精度、效率等問題。因此，預(yù)制液壓蓋板式分體管廊模具發(fā)展前景廣闊，是蓋板式分體管廊的必要條件。隨著預(yù)制管廊構(gòu)件市場(chǎng)需求的增加，蓋板式分體管廊模具需求也進(jìn)一步提高［3-4］。

1 自動(dòng)化液壓分體式管廊模具研究目的

預(yù)制混凝土液壓蓋板式分體管廊模具的設(shè)計(jì)性能和精度對(duì)管廊質(zhì)量的品質(zhì)和管廊制造周期起關(guān)鍵作用。作為混凝土預(yù)制分體管廊構(gòu)件的生產(chǎn)廠家，減少制造管廊的人工成本對(duì)降低生產(chǎn)廠的資本投入十分重要，并且可以提高管廊模具的自動(dòng)化程度。當(dāng)前，城市地下管廊模具為對(duì)分式分體管廊模具，該模具在混凝土澆筑完成后，往往需要人工脫模，管廊質(zhì)量不能得到較好保障，直接導(dǎo)致后期的管廊維護(hù)需要較高的成本；并且對(duì)分式分體管廊模具質(zhì)量大、人工操作困難、效率低等問題極易延誤生產(chǎn)工期。基于上述問題，在研發(fā)預(yù)制混凝土液壓蓋板式分體管廊模具時(shí)，考慮了對(duì)分式分體管廊模具的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)性設(shè)計(jì)的液壓蓋板式分體管廊模具，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的高度自動(dòng)化和管廊安裝快速且精度高，加快了城市地下管廊建設(shè)的進(jìn)程，提高了管廊的生產(chǎn)效率和精度。

2 分體式管廊模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及液壓裝置

2.1 蓋板式管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的管廊結(jié)構(gòu)為雙倉式［5］，圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖，蓋板部分模具簡單，主要設(shè)計(jì)管廊倉體部分模具結(jié)構(gòu)。

圖1 管廊結(jié)構(gòu)圖

2.2 管廊模具的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

液壓蓋板式分體管廊模具的結(jié)構(gòu)如圖2所示，關(guān)鍵部件包含：①內(nèi)模頂板；②側(cè)模板；③端模；④內(nèi)模板；⑤頂部支撐架；⑥底座。

圖2 液壓蓋板式分體管廊模具

液壓動(dòng)力裝置如圖3所示。本研究管廊模具為液壓蓋板式分體結(jié)構(gòu)，在確保模具各個(gè)部件定位精度高和裝配快捷的要求滿足外，分別設(shè)計(jì)①內(nèi)模頂板、②側(cè)模板、③端模、④內(nèi)模板、⑤頂部支撐架、⑥底座為分體式結(jié)構(gòu)。管廊模具各部件都是組合結(jié)構(gòu)，裝配迅速和脫模方便，相對(duì)于傳統(tǒng)的對(duì)分式分體管廊模具，大大縮減了時(shí)間，但是由于是組合式機(jī)構(gòu)，管廊模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，向模具傾注混凝土?xí)r模具結(jié)構(gòu)密封性能和剛強(qiáng)度可能需要更多考慮。管廊模具結(jié)構(gòu)裝配時(shí)可用鋼棒連接，縫隙處用專門的止水膠條連接；為保證管廊模具的剛度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，特別是承重的內(nèi)模頂板、底座和受側(cè)壓力的側(cè)模板部分，利用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行仿真，獲取理論數(shù)據(jù)，從而避免在傾倒混凝土和振搗過程中，管廊模具因剛強(qiáng)度不足，側(cè)模板漲?；蚱渌蛩匾l(fā)模具失效問題［6］。

圖3 斜盤式軸向柱塞馬達(dá)

在管廊制造完成之后，為縮短開合模機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間，模具的開合模機(jī)構(gòu)選用斜盤式軸向柱塞液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，建立實(shí)際轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)函數(shù)［7］：

式（1）中，T0為實(shí)際轉(zhuǎn)矩（N·m）；Δp為進(jìn)油口和排油口壓力之差（Pa）；V為排量（m3/r）；ηm為機(jī)械效率。

2.3 管廊模具的材料選用

綜合考慮管廊模具實(shí)際工況，為保證模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和強(qiáng)度的穩(wěn)定性［8］，模具選擇鋼材料，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料特性參數(shù)

2.4 管廊模具的設(shè)計(jì)要求

要保證城市地下管廊精度、裝配速度、密封性能，混凝土與管廊側(cè)模板和內(nèi)模板（兩者為主要接觸面）不用機(jī)床加工，消除機(jī)床車刀刀痕，面板的鋼材直接用成型的原板材，表面粗糙度Ra≤2.5μm，管廊的表面精度得到保證［9］；傾倒混凝土?xí)r，由于混凝土流動(dòng)性不佳，需要振搗器對(duì)管廊模具施加振搗力，模具剛度高，傳遞振動(dòng)效果不佳，而剛度低，在長期振動(dòng)和承受載荷的作用下，模具結(jié)構(gòu)會(huì)受到破壞，導(dǎo)致模具的密封性能下降，因此，選用5CrMnMo最為適宜。

2.5 管廊模具的預(yù)制生產(chǎn)和安裝過程要求

預(yù)制生產(chǎn)過程包括：①管廊模具合?！阡摻罨\制作安裝→③模板安裝→④檢查模具→⑤澆筑混凝土→⑥模具開模和蒸汽養(yǎng)護(hù)管廊→⑦吊機(jī)起吊管廊移存→⑧循環(huán)。

液壓蓋板式分體管廊模具各個(gè)部件組裝時(shí)，由于管廊模具倉體高、質(zhì)量大和體積大等特點(diǎn)，應(yīng)選用較為平整，可承受高載荷的地表，管廊底座在傾倒混凝土過程中可與地基固定，避免出現(xiàn)模具移位現(xiàn)象；在各個(gè)部件組裝完成后，要及時(shí)檢查端模承口處和模板接縫等位置，防止出現(xiàn)間隙；焊接模具時(shí)要盡量減少焊縫，焊縫處理時(shí)需加工平整，焊縫的長度盡量短，避免模具出現(xiàn)應(yīng)力集中；模具接口縫隙處密封條要隨時(shí)檢查是否損壞、老化和彈性程度，損壞件要及時(shí)更換，防止?jié)仓炷亮鞒觯斐晒芾阮A(yù)制件品質(zhì)不佳。

經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐，本研究的管廊模具具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、裝配快捷和制作管廊精度高等優(yōu)點(diǎn)，具體如圖4所示。

圖4 蓋板式分體管廊模具實(shí)物圖

3 自動(dòng)化液壓分體式管廊應(yīng)用前景

城市地下管廊的建設(shè)對(duì)于城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，管廊模具設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系著管廊品質(zhì)和生產(chǎn)周期等方面，新型液壓蓋板式分體管廊模具設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模工廠化管廊生產(chǎn)，提高了管廊質(zhì)量，自動(dòng)化程度高，加速了管廊鋪設(shè)效率，將研究成果應(yīng)用于工廠生產(chǎn)中，可為產(chǎn)品研究提供重要指導(dǎo)。