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        用于隧道管片生產的附著式振動器鋼模具

        作者:   時間:2015/08/07   瀏覽量:

         
                目前國內隧道混凝土預制管片生產中使用的鋼模具從振搗方式上分為3種: 人工插入式振搗、振動平臺式振搗和附著式振動器振搗。
         
         
        一、       振動方式概述

         
        1. 插入式振搗器
         
                插入式振搗器依靠人工的操作把電動振動棒插入混凝土中,把振動波傳遞給混凝土。人工插入式振搗器的高頻振動棒振動頻率在195 Hz ~ 200 Hz。由于振搗棒的直徑小(Ø 50 ~ 70 mm),所產生的振搗作用是局部的、有限的,特別是在振搗過程中所產生的振動效應低,骨料滑移非常小(0.9 到 1.2 mm)。此外,采用人工插入式振搗器振搗時,需要對混凝土表面浮漿進行人工抹平。同時,為防止漿水溢出,依靠人工加上蓋板,操作不便。所以,人工插入式振搗通常用在于表面平整、厚度不大、或者面積比較小的混凝土預制板。
                插入式振搗可根據工作面的大小和經驗決定振搗點的布置和振搗時間,受人工約束因素較大(見圖 1,圖2)。這種方式還由于帶電作業,存在一定的風險。大直徑隧道混凝土管片大,模具相應大。以12米直徑隧道為例,其相應的模具高度約2米(見圖3)。在這樣的高空進行人工作業比較危險,質量難以控制。此外,人工振搗不適應自動化流水線作業。綜合上述缺點,這種方式已普遍被隧道管片領域淘汰。

                                                           
                                   
         1: 人工插入式振搗器作業現場              圖2: 插入式振搗器               圖 3: 大直徑隧道模具的高度
         
        2.整體式振動平臺

                                               

                                              
         
                                    圖 4: 整體振動平臺                     圖 5: 面具置于整體振動平臺之上 
         
                顧名思義,整體振動平臺振搗即把模具固定在整體振動平臺之上(如圖5所示),振動臺底部受到振動,振動力傳遞給鋼模具。振動平臺傳遞的力水平方向,即模具只受到水平方向力的振動,幾乎沒有加速度。所以振動臺適合小型平板混凝土預制件, 受力混凝土板的重心必須在一個平面上。振動頻率有限,而振動時間比較長。
                采用振動臺方式,整體模具必須處在振動之中,模具結構需要過度加強而浪費鋼材。此外,模具的全部結構處在擺動之中容易變形,結構易損,影響模具精度和壽命并且工廠必須額外配備一套振動平臺機械裝置,增大投入成本。
                振動的目標在于搗實混凝土。而搗實混凝土并不一定需要鋼模具整體振動。例如地鐵管片,標準塊混凝土管片重量約3噸,鋼模具重量約4噸,加上振動臺自重,全部需要同時振動,必然增加鋼材和能源消耗,明顯地屬于被淘汰的落后產能。
                所以,振動臺方式除目前仍然在中國市場使用外,全球其他地區的隧道混凝土管片生產已經不再使用這種方式。
         
        3. 附著式振動器模具
         
                 附著式振動器模具是上世紀80年代由法國CBE集團研發的。 
                1987年12月1日,長達50.45公里的英法海底隧道開工。大量的混凝土管片需要全新預制。承接隧道管片鋼模具制造任務的CBE模具工業集團研發出了附著式振動器鋼模具,滿足了英吉利海峽隧道建設的質量要求。
                附著式振動是指振動器布置在模具底板下,振動力通過模具結構底板直接傳遞給混凝土,模具受振動力的面積大。振動器的位置經過嚴格的設計計算,高頻振動 ( 200 ~ 300 Hz)作用在單位面積上的力可高達6000 daN。
                附著式整體振動器有氣動和電動之分,國內一般采用的是氣動振搗器。國外也有采用附著式電動振動器的,優點是噪音低,缺點是成本高。
         

                                                               

                                   圖 6: 附著式振動器鋼模具結構                       圖 7: 面具地板下的振動器
         
                附著式振動器模具底板鋼梁的設計,以及振動器數量與位置的確定,都要考慮到振動力的傳播(如圖6,7所示)。設計特點是振動力直接經由底板大面積地傳遞給混凝土,就是說應該振動的地方振動,不應該振動的地方不振動。而人工插入式振搗產生的力只能作用在混凝土的局部。振動平臺的振源卻遠離需要振搗的混凝土。
                附著式氣動振動器以壓縮空氣為動力,沒有污染。作用于模具的振動力經過科學計算。鋼結構設計以不影響模具精度,不引起結構破裂,不影響模具壽命為條件。并保證混凝土澆筑均勻密實。振動器在布置設計上須考慮利用轉速的變化和作用力的大小與傳導,使混凝土不同的骨料成分得到均勻分布搗實。所以,附著式振動器的布置是科學計算與大量實踐檢驗的產物(如圖8所示)

                                                                    
                                                                               圖 8:  附著式振動器布置示意
         
                附著式振動器的振動力隨著混凝土骨料落入模具的量而逐漸增加,原理 : 力 = 質量 x 加速度,逐步加強振動。在混凝土內部產生一種共振力,這種力無法通過振動臺模具結構的整體振動或人工振動棒獲得。從而排出氣泡,使混凝土分布均勻密實,保證管片質量。  
                這種振搗方式可縮短振動時間,以地鐵6米直徑隧道為例,一塊管片從混凝土澆筑開始振動,到澆筑完成,振動時間持續約4~5分鐘左右。如果振動時間太長,只能說明設計不過關,鋼模具可能出現裂隙。 
         
        二、      認識方面的兩個誤區  
         
                對于附著式振動器鋼模具的認識,通常容易出現兩個誤區:
                一是模具鋼材越厚越好,模具越重越好;  
                二是附著式振動影響模具壽命。
                鋼模具需要振動效果好,又不裂縫,的確是個兩難問題,也是附著式振動器模具設計的核心所在。振動效果好,要求必須使混凝土內氣泡排出。而模具的鋼板材過厚重則振動不起來;  不裂縫,要求 模具在受到千次以上的振動不裂縫,不變型。這就需要模具設計制造充分掌握鋼結構設計技術和對模具振動力的分析能力與手段。 技術水平高經驗豐富,模具振動效果好而且不裂縫。盲目地照搬硬套,模具的確有可能振不起會破裂。 
                以地鐵6米直徑隧道鋼模具為例,法國CBE 模具底板采用 10mm 厚鋼板,每一環模具設原裝振動器16個。但有的模具制造商采用 12mm厚鋼板做底板,每一環模具布置22個振動器 ,不僅結構鋼材用量增加,能源消耗高,而且振動的質量難以保障。 
                做到模具振動效果好,不裂縫,還需要有科學的焊接工藝設計、對振動器的研究以及多個振動器互相產生的振動力關系的豐富經驗,防止振動力互相抵消。所以,附著式振動器模具的設計是一項科技含量非常高的系統工程。CBE 品牌模具設計制造比較重視下面的環節: 不同直徑隧道的管片模具,設計不照搬硬套,而是有針對性地重新設計 (如圖9所示)。就是說,大小不同的鋼模具,振動器的位置、數量、焊接工藝、鋼結構尺寸都不盡相同。
                模具結構的鋼性太強,所設定的振動力則不足,這種情況下勢必延長振動時間,并且配合插入式人工振搗,因而失去經濟技術優勢,不能保證混凝土管片質量。模具結構鋼性太柔,模具結構可能被振裂,也減少模具壽命(如圖10和圖11所示)。
         
                                               
                       圖9: 用限元法分析單塊模具結構             圖 10:  振動模擬研究         圖 11: 振動力分布與模具變形研究   
                隧道混凝土管片預制采用的附著式鋼模具是一個系統地、成熟地、科技含量高的鋼結構產品,用于固定式生產或者自動化流水線作業,都是可靠的選擇。
         

                                                                                                                                                   作者  法國 FC 技術顧問公司

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