武建鋒/中鐵六局集團太原鐵路建設有限公司

小型混凝土構(gòu)件澆筑振搗一體平臺研制

武建鋒/中鐵六局集團太原鐵路建設有限公司

論文以蒙華鐵路17標小型混凝土構(gòu)件預制場為背景，針對傳統(tǒng)小型混凝土預制件施工存在的困難，提出了自行研制小型混凝土構(gòu)件澆筑振搗一體平臺的思路，通過市場調(diào)研、分析研究、總體設計、細化設計、結(jié)構(gòu)計算、現(xiàn)場試驗、試生產(chǎn)等研制過程，成功研制了小型混凝土澆筑振搗一體平臺，實現(xiàn)了小型混凝土構(gòu)件自動化生產(chǎn)。

混凝土構(gòu)件；振搗；澆筑；一體平臺；研制

1.澆筑振搗一體平臺研制的意義

1.1前言

中鐵六局太原鐵建承建蒙華鐵路17標段，根據(jù)業(yè)主要求，施工中樹立創(chuàng)新理念，突破生產(chǎn)組織模式創(chuàng)新。結(jié)合工程規(guī)模和特點，本著工廠化、集中化、標準化、機械化、信息化生產(chǎn)組織管理原則，建立了小型混凝土構(gòu)件集中加工場，采用全自動化生產(chǎn)線，勞力大幅減少，加工精度和質(zhì)量明顯提高。

1.2小型混凝土構(gòu)件場簡介

蒙華鐵路17標段小型混凝土預制構(gòu)件場位于西峽縣鋼結(jié)構(gòu)園區(qū)內(nèi)，施工場地面積18畝，其中生產(chǎn)區(qū)6.9畝，存放區(qū)11.1畝。預制場主要負責生產(chǎn)和存放橋梁人行道步板35080塊，避車臺步板1955塊，吊籃步板8490塊，滲水墻無刷混凝土塊21130塊，矩形側(cè)溝蓋板1500塊，防護柵欄立柱17023根，上檻、下檻34046根，防護柵欄欄片17023片，電纜槽蓋板24924塊，水溝蓋板24924塊。

1.3混凝土構(gòu)件澆筑振搗一體平臺研制意義

蒙華鐵路工程小型混凝土構(gòu)件繁多量大，一般采用現(xiàn)場預制及工廠化預制?，F(xiàn)場預制一般為人工加工鋼筋及拌和混凝土，鋼筋加工質(zhì)量參差不齊，混凝土配合比隨意誤差較大，振搗不規(guī)范，容易造成小型混凝預制件蜂窩麻面嚴重、規(guī)格不統(tǒng)一、強度不足、顏色差異較大等缺陷。工廠化加工小型混凝土預制件表面質(zhì)量、強度等均能符合要求，但因小型混凝土預制件總量小，建設小型混凝土預制工廠成本較高，如外購小型混凝土預制件，購置成本高，并增加運輸成本，從而使得小型混凝土預制件成為新建工程的薄弱環(huán)節(jié)。

為了降低工程成本，提高企業(yè)效益，提升工程質(zhì)量，有必要開發(fā)一套適用于現(xiàn)場特點的小型混凝土構(gòu)件自動化生產(chǎn)設備。 研制一套介于工廠化加工和現(xiàn)場加工的小型混凝土預制塊加工設備，減少預制人員，達到預制塊質(zhì)量好，又能大幅度降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)小型混凝土預制塊機械化加工生產(chǎn)。

2.澆筑振搗一體平臺研制路線

2.1研制目標、指標

2.1.1功能要求：存儲部分混凝土、澆注、振搗；簡單、靈活、可靠、成本低、容易維護。

2.1.2作業(yè)范圍：最大澆注長度2m，最大澆注寬度1.5m。

2.1.3作業(yè)能力：工作量為每天1050塊，約30-40m3。

2.1.4澆注作業(yè)時間要求：平均每分鐘約2.5塊。

2.1.5混凝土存儲量:參考自有攪拌站為120雙機組，并考慮日生產(chǎn)能力及混凝土初凝期約2-4m3。

2.2研制步驟

2.2.1通過了解現(xiàn)場加工小型混凝土預制件的制作流程，對照工廠化加工流程，提出自行研制小型混凝土預制件澆筑、振搗生產(chǎn)一體平臺。

2.2.2走訪、考察其相關(guān)機械的原理和構(gòu)造，確定混凝土澆筑、振搗技術(shù)參數(shù)。

2.2.3試制混凝土澆筑振搗一體平臺，進行現(xiàn)場試驗，測試出技術(shù)參數(shù)，對存在問題進行分析研究，制定改進方案并改進，使其達到各項技術(shù)指標。

2.3調(diào)研及技術(shù)難題

調(diào)研主要為技術(shù)可行性及選定澆注及振搗所需參數(shù)問題。通過查閱大量文獻資料并走訪試驗室，發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)有混凝土工程機械實現(xiàn)該項功能的生產(chǎn)設備主要分為兩類，一類是專業(yè)預制混凝土，構(gòu)件自動化生產(chǎn)線設備，該類設備體積龐大，需要占用較大的場地和較多的人員，靈活性較差，建設成本高；另一類是使用簡易混凝土加工設備及簡易鋼筋加工設備，建設成本低，靈活性強，占用的場地較大并需要很多人員，產(chǎn)量較低，質(zhì)量不穩(wěn)定，綜合成本較高。從技術(shù)可行性方面，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)存在以下關(guān)鍵技術(shù)難題：

2.3.1澆注平臺方面。目前類似混凝土澆筑均采用澆注斗，因小型預制構(gòu)件體積小，生產(chǎn)速度較慢，又采用拌合站拌和，在料斗內(nèi)存放時間相對較長容易引起混凝土離析；混凝土入模后的振搗方式及振搗時間、頻率還需進行進一步試驗。澆注斗及各類混凝土設備可以參考現(xiàn)有攪拌站、試驗室使用的設備器材作為參考，為本項目的實施提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但仍然存在另外一些技術(shù)問題需要克服。

2.3.2理論及技術(shù)方面。本項目的設計目標和內(nèi)容可以參考工廠化加工小型混凝土預制件，有可參考對象，但是缺乏必要的參考文獻，同時由于涉及到機械結(jié)構(gòu)、混凝土澆筑、振搗、脫模等諸多方面的理論和技術(shù)問題，因此前期要做必要的理論和技術(shù)分析，同時設計要考慮多方面的技術(shù)因素，具有一定的技術(shù)難度。

2.3.3制造方面。雖然加工制造廠商較多，但在周邊地區(qū)境內(nèi)尚沒有小型混凝土設備加工生產(chǎn)廠家，因為選擇自行加工制作。自行加工制作能有效降低成本并方便維修保養(yǎng)。

2.3.4試驗方面。由于澆注平臺及相關(guān)設備采用工頻380V交流電驅(qū)動，考慮到試驗中的振動現(xiàn)象，可能對設備產(chǎn)生一定的危害，因而應充分估計到試驗時對澆注平臺及參與試驗的技術(shù)人員存在一定的危險性。

2.3.5儲料斗儲量約2-4m3，澆注約需40-80分鐘，混凝土儲存在料斗里容易沁水、離析，如果儲存在混凝土罐車內(nèi)則會長時間占用混凝土罐車，增加成本。目前還有沒有類似的成熟設備，無其他機型可借鑒。

2.3.6小型混凝土預制塊種類較多，需要振搗的類型較多，需靈活可靠，無需改變工裝就能振搗多種預制塊。

2.3.7設備的總功率、外形尺寸、總重量盡量降低，減小成本。

3.澆筑振搗一體平臺研制方案

考慮到技術(shù)可行性、研發(fā)成本及相關(guān)因素，擬采用帶有攪拌裝置的混凝土料斗作為儲料倉，混凝土振動平臺作為振動源，采用雙向出料方式，可同時澆注及振動。

3.1儲料斗設計

參考混凝土拌合站的混凝土料斗及配料機中的稱重斗,采用放大混凝土料斗設計并在底部增加稱重斗使用的活門控制出灰量。內(nèi)部仿照JS500型雙軸臥式攪拌機設計，采用簡化的單軸攪拌設計，持續(xù)強制拌和儲料斗內(nèi)混凝土，防止混凝土離析。

根據(jù)儲料斗、稱量斗及攪拌機攪拌裝置設計小型混凝土預制件存料斗，存料斗采用Q235鋼板制作，攪拌軸及攪拌葉片采用45#鋼加工而成，考慮到總方量較小及攪拌速度較慢，為了降低成本沒有設置耐摩鋼板內(nèi)襯，采用加厚存料斗鋼板的辦法提高存料斗使用時間。即使存料斗磨損也可簡單使用普通45#鋼板修復。

3.2攪拌葉片設計

經(jīng)過查詢，選用3KW臥式減速電機作為攪拌動力源，選擇減速比為30：1。經(jīng)查詢相關(guān)技術(shù)參數(shù)，得知30:1減速比下輸出扭矩為647Nm

減速電機輸出軸經(jīng)過進一步皮帶1.6:1減速后輸出扭矩為：647N.m*1.6=1035.2Nm。

攪拌器葉片通過查詢資料及對比選擇為：槳式攪拌器，槳式攪拌器主要用于流體的循環(huán)，功耗少，操作費用低，容易加工。

自行設計的攪拌軸，采用材質(zhì)為45#鋼的60*10厚壁鋼管及10mm的40Cr鋼板制成。采用二保焊焊接，雙面焊接。焊接完成后進行熱處理。熱處理工藝為：調(diào)制（表面淬火及低溫回火）。為了消除內(nèi)應力，達到高硬度、高耐磨要求。表面淬火采用火焰淬火方式進行。

對設計的攪拌葉片進行強度檢算，模型采用Solidworks建立，計算分析采用Solidworks SimulationXpress 有限元分析軟件檢算。

經(jīng)過有限元分析得知，葉片最大受力為19.283Mpa，而葉片材料40Cr屈服強度為460Mpa，因此安全系數(shù)為460Mpa/19.283Mpa=23.86。可以判定葉片能承受凝固前混凝土產(chǎn)生的壓力。

計算攪拌葉片在彎矩下的受力情況，最大受力為29.9Mpa，材料屈服強度460Mpa，安全系數(shù)為460Mpa/29.9Mpa=15.38?？梢耘卸榘踩軡M足設計需要。

該儲料斗的主要技術(shù)參數(shù)如表3-1所示。

表3　-1　儲料斗主要技術(shù)參數(shù)

3.3振動平臺的設計與選型

確定采用振動平臺方案，經(jīng)對圖紙進行查詢，本工程最大小型混凝土預制件尺寸為1.2m*1.8m，為此將振動平臺尺寸設定為1.5m*2m。并繪制出振動平臺三維圖紙。為了降低成本，振動平臺選擇購置成品振動電機產(chǎn)生激振力。

振動器的振動參數(shù)主要包括振動頻率、振幅、激振力及具體施工中的工藝控制和振動時間等。混凝土構(gòu)件內(nèi)部會產(chǎn)生很多氣泡、水氣等，結(jié)果就會在混凝土內(nèi)部及外表形成蜂窩、孔隙等現(xiàn)象，直接造成混凝土構(gòu)件強度的下降，而振動就是為了消除混凝土內(nèi)部的氣泡、孔隙，增加混凝土的密實度，如果振動頻率、振幅、激振力和振動時間科學合理，將會有效提高振動效果，克服混凝土內(nèi)部資料之間的摩擦阻力，使混凝土內(nèi)部水泥、砂、骨料及鋼筋能有機地結(jié)合起來，達到提高混凝土密實度的目的。根據(jù)有關(guān)理論計算和試驗表明，由于密實度不好產(chǎn)生的空隙，每增加 1％空隙率大約會降低混凝土構(gòu)件強度 5％ 左右。

影響混凝土強度的因素有很多，因采用拌合站拌和混凝土僅研究小型混凝土預制件的振搗對強度產(chǎn)生的影響。通過以上的研究分析。主要體現(xiàn)在振動頻率、振幅大小和激振力的合理選用上，以及混凝土構(gòu)件施工中工藝控制及振動時間的掌握上。

為了確?；炷琳駬v密實，降低 空隙率，在實驗室對振動平臺進行試驗，試驗在確定混凝土配合比的情況下進行，主要確定振搗時間、振搗頻率和激振力。試驗采用同一盤混凝土，分別試驗。分別采用水平振搗及垂直振搗兩種振搗方向，低頻（50HZ）中頻（100HZ）高頻（167HZ）對試件進行振搗，并獲得其抗壓強度。并將數(shù)據(jù)整理成表3-2。

表3　-2　振搗頻率及方向與強度的關(guān)系

振搗方向的影響，由表3-2分析可知：

（1）單向振搗混凝土的抗壓強度在低頻振搗下最高，高頻下次之，中頻振搗下最小，且水平振搗混凝土在各頻率振搗下強度均大于垂直振搗混凝土。但是在多方向振搗下混凝土的扛壓強度隨著頻率的增長而增長。

（2）單向振搗的混凝土的抗壓強度在各頻率下都沒達到配合比要的30Mpa強度要求，但是在多方向振搗下僅有低頻振搗抗壓強度略低于30Mpa，中頻及高頻振搗混凝土的抗壓強度均達到30Mpa。因此決定使用多方向振搗方式為振動平臺的振搗方式。

振搗頻率的影響，由表3-2分析可知：多向振搗混凝土條件下，隨著振搗頻率的增大，混凝土的孔隙率減小，抗壓強度增加。但隨著頻率增大，在中頻后孔隙率變化不大。因此決定使用中頻（100HZ）振搗頻率作為振動平臺的振搗頻率。經(jīng)查詢現(xiàn)有振動平臺技術(shù)參數(shù)見表3-3。

表3　-3　振動平臺技術(shù)參數(shù)

根據(jù)選型表選擇ZP-10-1型振動平臺作為參考對象，設置6臺振動電機，振動電機型號ZW-90/2.2KW，激振力90KN的振動電機作為振源。

確定參數(shù)后對振動平臺進行詳細設計，設計參考ZP-10-1型振動平臺，平局布置6臺ZW-90/2.2KW振動電機，緩沖采用彈簧反沖。最終設計振動平臺參數(shù)見表3-5。

表3　-4　設計振動平臺技術(shù)參數(shù)

為了提高效率，設計了三工位雙振動平臺，雙振動平臺可一個澆注另一個振動，以增加效率，提高生產(chǎn)速度，確保人員、設備無限制。

3.4橫移設計

考慮到兩個振動平臺及模具、混凝土等總重可達3000kg以上，為此設計了機械橫移裝置，方便振動平臺的移動。經(jīng)過選型，選擇使用1噸臥式卷揚機作為動力源，使用鋼絲繩作為牽引，拖動平臺移動。

3.5電控系統(tǒng)設計

鑒于小型混凝土構(gòu)件生產(chǎn)線電動氣動設備較多，列出需控制的設備清單以確定具體控制方式。

表3　-5　控制設備清單

振搗平臺控制方式。澆注平臺采用手控加延時繼電器控制，各部位操作簡單可靠。

3.6整體設計

根據(jù)振動平臺、儲料斗、攪拌葉片等設計，采用Solidworks建立模型，確保設計無誤差、配件無干涉。

表3　-6　小型混凝土構(gòu)件自動化生產(chǎn)流水線技術(shù)參數(shù)

4.混凝土澆筑振搗一體平臺研制進度

4.1第1個月。市場調(diào)研，與多家混凝土設備生產(chǎn)廠家及混凝土預制件生產(chǎn)廠家進行聯(lián)系、走訪、探討，了解現(xiàn)有混凝土澆筑及振搗方式、混凝土配合比、塌落度、含氣率、保養(yǎng)時間、強度曲線等參數(shù)。

4.2第2個月。在攪拌站及試驗室配合下，對混凝土振搗時間、振搗頻率進行試驗，測得最佳振搗時間及頻率，對不同的振搗時間及頻率生產(chǎn)的時間進行養(yǎng)護。目標為降低混凝土含氣量、提高混凝土初期強度、確定混凝土離析時間等參數(shù)作為參考，設計小型混凝土預制件生產(chǎn)流水線。

4.3第3-4個月。針對獲得的參數(shù)，根據(jù)設計結(jié)果及圖紙進行加工澆注振搗平臺。對各部位進行單獨試驗后組合成生產(chǎn)線，進入試生產(chǎn)。

4.4試生產(chǎn)。協(xié)調(diào)攪拌站拌和C30混凝土對振動澆注平臺進行試驗生產(chǎn)，模具選擇塑料模具噴涂水性脫模劑，重點是混凝土澆注、振搗試驗。共生產(chǎn)小型混凝土構(gòu)件87m3，11460塊，平均生產(chǎn)速度3.41塊/m，并制作混凝土試塊。

5.結(jié)語

自行研制的小型混凝土構(gòu)件自動化澆注、振搗一體平臺，根據(jù)實驗確定了適合混凝土振動平臺的振動方向及頻率，澆注速度快，振搗效果好。通過試生產(chǎn)，小型構(gòu)件的生產(chǎn)速度、質(zhì)量全部達到設計目標指標，順利進入正式生產(chǎn)階段。小型混凝土構(gòu)件集中預制，有效解決了小型混凝土構(gòu)件生產(chǎn)工效低、質(zhì)量差的難題，減少了人工成本，為今后小型混凝土構(gòu)件生產(chǎn)施工提供了技術(shù)支持。