華天波，劉勇林，高 尚，廖文瀟，朱發(fā)銀，李洪濤

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065;2.中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

當(dāng)前滾壓銅止水成型機(jī)因其工作效率高、成型效果好、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用［1］，然而目前國內(nèi)滾壓銅止水成型機(jī)的定型產(chǎn)品還很少，一般都是各施工單位根據(jù)工程需求自行設(shè)計(jì)制造，其最大的缺點(diǎn)就是一套設(shè)備只能生產(chǎn)一種特定規(guī)格的銅止水帶［2～4］。而在實(shí)際工程建設(shè)中每項(xiàng)工程使用的銅止水規(guī)格各不相同，也經(jīng)常出現(xiàn)一項(xiàng)工程使用多種不同規(guī)格銅止水的情況，就只能給每種規(guī)格的銅止水購置一臺(tái)相應(yīng)規(guī)格的銅止水成型機(jī)，待工程銅止水生產(chǎn)完成之后，該設(shè)備就失去了使用價(jià)值，致使施工成本居高不下。

針對這些問題，本研究以長河壩水電站W(wǎng)型銅止水帶的制作為依托，研發(fā)了一種可調(diào)式滾壓銅止水成型機(jī)，其開發(fā)主要存在以下難點(diǎn):

(1)在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格銅止水的成型比較困難，沒有先例可供參考;

(2)現(xiàn)有設(shè)備的成型速度均無法調(diào)節(jié)，需開發(fā)可變速系統(tǒng);

(3)銅片在成型過程中易產(chǎn)生共振而跑偏，同時(shí)成型結(jié)束后剪斷裝置會(huì)對已成型截面造成破壞，都會(huì)影響銅止水成型質(zhì)量。

本研究以可調(diào)裝置的設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，同時(shí)對更為合理的輔助裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，旨在實(shí)現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備完成多種規(guī)格W型(兼顧F型)銅止水的制作，并且工作更加穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量更加可靠。

1 可調(diào)裝置研究與設(shè)計(jì)

1.1 可調(diào)滾輪

1.1.1 設(shè)計(jì)研究

滾壓銅止水成型機(jī)一般由機(jī)架、卷筒、滾輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、剪斷裝置、電氣控制系統(tǒng)6大部分組成，要實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格和形式銅止水的壓制成型，可考慮增加一些特殊機(jī)構(gòu)或者改造現(xiàn)有的壓制裝置。經(jīng)過對比研究，本設(shè)計(jì)最終采取改造滾輪的方式，即將傳統(tǒng)的固定滾輪改造為可調(diào)滾輪。

銅止水的滾壓成型由6組可調(diào)滾輪(如圖1、圖2所示)逐步滾壓、漸變成型。銅板依次進(jìn)入第1、2、3、4組可調(diào)滾輪完成銅止水“鼻子”漸變成型，再進(jìn)入第5、6組完成銅止水兩側(cè)翼邊漸變成型;第1～4組可調(diào)滾輪凹、凸圓弧形結(jié)構(gòu)尺寸按等弧長由寬至窄、由低至高的漸變原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，第5、6組可調(diào)滾輪結(jié)構(gòu)尺寸按“鼻子”結(jié)構(gòu)尺寸不變，兩側(cè)邊輪由0°→30°(或45°→90°)漸變原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 可調(diào)滾輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意

由于針對不同“鼻子”高度銅止水所設(shè)計(jì)，前3組可調(diào)滾輪外輪廓尺寸變化較大，為了減少可調(diào)滾輪制造耗材且方便裝拆，將可調(diào)滾輪分為邊模和外輪兩大部分，外輪與邊模用鉸制孔螺栓連接，當(dāng)要制造其他規(guī)格銅止水時(shí)，將可調(diào)滾輪外輪進(jìn)行拆除更換即可。

圖2 可調(diào)滾輪實(shí)物

第4組可調(diào)滾輪完成對銅止水“鼻子”部位的最后成型，上下可調(diào)滾輪分為3部分制作，3部分結(jié)構(gòu)依靠鉸制孔螺栓連為一體，當(dāng)要制造其他規(guī)格銅止水時(shí)，將可調(diào)滾輪中間模(凸鼻模與凹鼻模)進(jìn)行拆除更換即可。

第5、6組可調(diào)滾輪完成銅止水兩翼的漸變成型，并對已成型的銅止水“鼻子”進(jìn)行校正保護(hù)，每個(gè)滾輪分為左、中、右3部分，中間模為“鼻?！?，兩側(cè)為“邊模”，“鼻模”對前四組漸變成型的銅止水“鼻子”進(jìn)行校正保護(hù)，通過外輪、定位隔套和圓螺母調(diào)整固定邊模的軸向位置。通過更換不同寬度或形狀的外輪、不同尺寸的中間模及不同寬度的定位隔套，可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格W型及其變形銅止水的滾壓成型;拆掉可調(diào)滾輪一側(cè)的外輪、邊模，采用上述相同方法可實(shí)現(xiàn)F型及其變形銅止水的滾壓成型。

在銅止水滾壓成型過程中，“鼻子”結(jié)構(gòu)保持弧長相等，可確保銅板厚度不變，避免出現(xiàn)銅止水“鼻子”部位在滾壓成型過程中被壓裂的情況。

1.1.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度論證

可調(diào)滾輪軸是結(jié)構(gòu)的主要受力部件，主要分析該軸在停機(jī)狀態(tài)和工作狀態(tài)時(shí)的受力及變形［5］。一個(gè)可調(diào)滾輪與軸總質(zhì)量為117.5 kg，即停機(jī)狀態(tài)時(shí)均布載荷q1=1 175 N;工作狀態(tài)時(shí)以紫銅板材為研究對象。圖3為停機(jī)狀態(tài)時(shí)滾輪軸受力示意。從表1中的滾輪軸受力分析成果可得:滾輪軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度滿足要求。

圖3 停機(jī)狀態(tài)時(shí)滾輪軸受力示意(單位:mm)

1.2 無級變速傳動(dòng)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的滾壓銅止水成型機(jī)的成型速度一般是不能即時(shí)調(diào)節(jié)的，無法滿足生產(chǎn)的需要，同時(shí)對銅止水的平穩(wěn)成型也有所影響。為此本設(shè)計(jì)開發(fā)了無級變速傳動(dòng)系統(tǒng)，可連續(xù)平穩(wěn)地即時(shí)改變成型速度。

無級變速傳動(dòng)系統(tǒng)主要由變頻電機(jī)、皮帶輪、減速器、鏈輪、齒輪構(gòu)成，通過帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳動(dòng)，通過電氣控制系統(tǒng)中的無極調(diào)速裝置控制變頻電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)可調(diào)式銅止水成型機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的無級調(diào)速。無級調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)原理如圖4所示。

表1 可調(diào)滾輪軸校驗(yàn)計(jì)算成果

圖4 無級調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)原理示意

選用變頻電機(jī)型號(hào)為YVP112M-7.5，額定功率為7.5 kW，轉(zhuǎn)速為50～1 500 r/min;變頻電機(jī)與減速器高速軸上皮帶輪直徑比為280∶125;減速器選用漸開線圓柱齒輪減速器，型號(hào)為ZL-250/31.5-Ⅱ，傳動(dòng)比為31.5∶1;鏈條傳動(dòng)比和齒輪傳動(dòng)比均為1∶1。

當(dāng)啟動(dòng)變頻電機(jī)后，通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)減速器，減速器變速后由兩條鏈條同時(shí)帶動(dòng)兩組下滾輪軸上的主動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪帶動(dòng)上滾輪軸上的從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過中間齒輪帶動(dòng)其他各組齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。可調(diào)主動(dòng)滾輪每轉(zhuǎn)輸送長度為1.064 5 m，計(jì)算可得電機(jī)最大和最小轉(zhuǎn)速時(shí)銅止水輸送速度分別是22.63、0.754 m/min。變頻電機(jī)在50 Hz以下為恒轉(zhuǎn)矩，不影響成型系統(tǒng)所需力矩，可以在此輸送速度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

2 輔助裝置設(shè)計(jì)與研究

2.1 液壓剪斷裝置

傳統(tǒng)的剪斷裝置一般位于出料口，對已成型的銅止水截面會(huì)造成一定的破壞，影響成型質(zhì)量。本設(shè)計(jì)采用了液壓剪斷的方式，并且將剪斷裝置置于進(jìn)料口。

液壓剪斷裝置(如圖5所示)由剪斷裝置和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)組成。剪斷裝置包括:剪刀座、下刀片、沖頭、上刀片、導(dǎo)軌、剪刀梁等部件，上、下刀片長寬尺寸根據(jù)銅止水規(guī)格設(shè)計(jì)，通過螺栓分別將其緊固在沖頭和剪刀座上，刀片材質(zhì)為6CrW2Si。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由油箱、濾油器、齒輪泵、單向閥、溢流閥、電動(dòng)機(jī)、電磁換向閥、油缸等附件組成。

圖5 液壓剪斷裝置結(jié)構(gòu)示意

操作時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，油泵開始工作，操作電磁換向閥，使油缸中的活塞帶動(dòng)沖頭作下移運(yùn)動(dòng)，剪斷銅板，變換電磁換向閥方向，使油缸中的活塞帶動(dòng)沖頭作上移運(yùn)動(dòng)，讓上刀片隨沖頭回到原位。

2.2 導(dǎo)向定位裝置

導(dǎo)向定位裝置(如圖6所示)設(shè)置于卷筒與液壓剪斷裝置之間，由壓軌、定位塊、頂絲、蝶形螺母等組成，通過移動(dòng)定位塊，調(diào)節(jié)定位塊與導(dǎo)向定位裝置中心線的距離，對銅板進(jìn)行對中定位，使銅板的中心與導(dǎo)向定位裝置中心線重合，從而控制銅板的中心與可調(diào)滾輪成型系統(tǒng)中心重合，通過頂絲調(diào)整壓軌與導(dǎo)向定位裝置平臺(tái)的間隙，確保不同厚度銅板都能夠通過導(dǎo)向定位裝置并校平。展開的銅板經(jīng)過可調(diào)卷筒進(jìn)入導(dǎo)向定位裝置進(jìn)行校正與對中定位，然后進(jìn)入可調(diào)滾輪成型系統(tǒng)完成銅止水滾壓成型。

導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)解決了銅板的平整及對中問題，消除了銅板不平整及不對中因素給銅止水成型質(zhì)量帶來的影響。

圖6 導(dǎo)向定位裝置設(shè)計(jì)示意

3 生產(chǎn)試驗(yàn)

研制完成的可調(diào)式滾壓銅止水成型機(jī)由液壓剪斷裝置、導(dǎo)向定位裝置、成型可調(diào)系統(tǒng)、無級調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)架6大部分組成，如圖7所示，能夠制作的銅止水規(guī)格范圍為:高度 h≤90 mm，110 mm≤L≤300 mm，d≥15 mm，銅止水展開寬度 l≤900 mm，銅板厚度 0.8 mm≤t≤1.2 mm。通過現(xiàn)場1 km長銅止水生產(chǎn)試驗(yàn)并經(jīng)過產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)表明:可調(diào)式滾壓銅止水成型機(jī)成型穩(wěn)定、操作方便、銅止水成型質(zhì)量良好，可推廣使用。

圖7 可調(diào)式銅止水成型機(jī)結(jié)構(gòu)示意

與傳統(tǒng)的成型機(jī)相比，新型可調(diào)式滾壓銅止水成型機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn):①通過滾輪優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套設(shè)備的重復(fù)利用;②通過可無級調(diào)速的變頻電機(jī)、減速器、齒輪傳動(dòng)等及電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速傳動(dòng)，使銅止水鼻尖和兩翼平穩(wěn)成型，保證了銅止水成型質(zhì)量;③將剪斷裝置置于進(jìn)料口，避免了剪斷過程中對已成型止水帶鼻尖及兩翼的破壞，保證了銅止水截面的質(zhì)量;④由驅(qū)動(dòng)輪組和導(dǎo)向裝置組成的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，可根據(jù)銅片的實(shí)際厚度和寬度實(shí)現(xiàn)對小于900 mm不同寬度銅帶的調(diào)整定位，解決了銅片在成型過程中因產(chǎn)生共振而造成跑偏等影響銅止水成型質(zhì)量的問題。

4 結(jié)語

新型可調(diào)式滾壓銅止水成型機(jī)在工程中的成功應(yīng)用有效地解決了傳統(tǒng)設(shè)備制造的銅止水成型質(zhì)量差、制造設(shè)備一次性投入大、銅止水焊接質(zhì)量差等問題，提高了工作效率，確保了工程質(zhì)量。在研究與應(yīng)用過程中所取得的技術(shù)成果對混凝土銅止水施工具有借鑒和指導(dǎo)意義，引領(lǐng)混凝土銅止水施工技術(shù)發(fā)展方向，提升企業(yè)在混凝土銅止水防滲施工方面的影響力及競爭力，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

［1］彭濤，陳魁芳.十三陵抽水蓄能電站上池混凝土面板的銅止水［J］.水力發(fā)電，1996(12):40-42.

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［3］李文瑛，宋希寧.滾壓式銅止水成型機(jī)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用［J］.人民長江，2004，35(7):48-49，53.

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