新型可調式滾壓銅止水成型機設計與研制

華天波，劉勇林，高 尚，廖文瀟，朱發銀，李洪濤

(1.四川大學水利水電學院，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)

當前滾壓銅止水成型機因其工作效率高、成型效果好、操作簡單等優點而被廣泛采用［1］，然而目前國內滾壓銅止水成型機的定型產品還很少，一般都是各施工單位根據工程需求自行設計制造，其最大的缺點就是一套設備只能生產一種特定規格的銅止水帶［2～4］。而在實際工程建設中每項工程使用的銅止水規格各不相同，也經常出現一項工程使用多種不同規格銅止水的情況，就只能給每種規格的銅止水購置一臺相應規格的銅止水成型機，待工程銅止水生產完成之后，該設備就失去了使用價值，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型銅止水帶的制作為依托，研發了一種可調式滾壓銅止水成型機，其開發主要存在以下難點:

(1)在一臺設備上實現多種規格銅止水的成型比較困難，沒有先例可供參考;

(2)現有設備的成型速度均無法調節，需開發可變速系統;

(3)銅片在成型過程中易產生共振而跑偏，同時成型結束后剪斷裝置會對已成型截面造成破壞，都會影響銅止水成型質量。

本研究以可調裝置的設計為重點，同時對更為合理的輔助裝置進行設計研究，旨在實現一臺設備完成多種規格W型(兼顧F型)銅止水的制作，并且工作更加穩定、產品質量更加可靠。

1 可調裝置研究與設計

1.1 可調滾輪

1.1.1 設計研究

滾壓銅止水成型機一般由機架、卷筒、滾輪、傳動機構、剪斷裝置、電氣控制系統6大部分組成，要實現不同規格和形式銅止水的壓制成型，可考慮增加一些特殊機構或者改造現有的壓制裝置。經過對比研究，本設計最終采取改造滾輪的方式，即將傳統的固定滾輪改造為可調滾輪。

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

圖1 可調滾輪設計結構示意

由于針對不同“鼻子”高度銅止水所設計，前3組可調滾輪外輪廓尺寸變化較大，為了減少可調滾輪制造耗材且方便裝拆，將可調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，當要制造其他規格銅止水時，將可調滾輪外輪進行拆除更換即可。

圖2 可調滾輪實物

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

第5、6組可調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”進行校正保護，每個滾輪分為左、中、右3部分，中間模為“鼻模”，兩側為“邊模”，“鼻模”對前四組漸變成型的銅止水“鼻子”進行校正保護，通過外輪、定位隔套和圓螺母調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，可實現不同規格W型及其變形銅止水的滾壓成型;拆掉可調滾輪一側的外輪、邊模，采用上述相同方法可實現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”結構保持弧長相等，可確保銅板厚度不變，避免出現銅止水“鼻子”部位在滾壓成型過程中被壓裂的情況。

1.1.2 結構強度論證

可調滾輪軸是結構的主要受力部件，主要分析該軸在停機狀態和工作狀態時的受力及變形［5］。一個可調滾輪與軸總質量為117.5 kg，即停機狀態時均布載荷q1=1 175 N;工作狀態時以紫銅板材為研究對象。圖3為停機狀態時滾輪軸受力示意。從表1中的滾輪軸受力分析成果可得:滾輪軸結構強度與剛度滿足要求。

圖3 停機狀態時滾輪軸受力示意(單位:mm)

1.2 無級變速傳動系統

傳統的滾壓銅止水成型機的成型速度一般是不能即時調節的，無法滿足生產的需要，同時對銅止水的平穩成型也有所影響。為此本設計開發了無級變速傳動系統，可連續平穩地即時改變成型速度。

無級變速傳動系統主要由變頻電機、皮帶輪、減速器、鏈輪、齒輪構成，通過帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動實現系統傳動，通過電氣控制系統中的無極調速裝置控制變頻電機工作，實現可調式銅止水成型機傳動系統的無級調速。無級調速傳動系統原理如圖4所示。

表1 可調滾輪軸校驗計算成果

圖4 無級調速傳動系統原理示意

選用變頻電機型號為YVP112M-7.5，額定功率為7.5 kW，轉速為50～1 500 r/min;變頻電機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，型號為ZL-250/31.5-Ⅱ，傳動比為31.5∶1;鏈條傳動比和齒輪傳動比均為1∶1。

當啟動變頻電機后，通過皮帶傳動帶動減速器，減速器變速后由兩條鏈條同時帶動兩組下滾輪軸上的主動齒輪，主動齒輪帶動上滾輪軸上的從動齒輪轉動，同時通過中間齒輪帶動其他各組齒輪轉動。可調主動滾輪每轉輸送長度為1.064 5 m，計算可得電機最大和最小轉速時銅止水輸送速度分別是22.63、0.754 m/min。變頻電機在50 Hz以下為恒轉矩，不影響成型系統所需力矩，可以在此輸送速度范圍內穩定工作。

2 輔助裝置設計與研究

2.1 液壓剪斷裝置

傳統的剪斷裝置一般位于出料口，對已成型的銅止水截面會造成一定的破壞，影響成型質量。本設計采用了液壓剪斷的方式，并且將剪斷裝置置于進料口。

液壓剪斷裝置(如圖5所示)由剪斷裝置和液壓傳動系統組成。剪斷裝置包括:剪刀座、下刀片、沖頭、上刀片、導軌、剪刀梁等部件，上、下刀片長寬尺寸根據銅止水規格設計，通過螺栓分別將其緊固在沖頭和剪刀座上，刀片材質為6CrW2Si。液壓傳動系統由油箱、濾油器、齒輪泵、單向閥、溢流閥、電動機、電磁換向閥、油缸等附件組成。

圖5 液壓剪斷裝置結構示意

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

2.2 導向定位裝置

導向定位裝置(如圖6所示)設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，通過移動定位塊，調節定位塊與導向定位裝置中心線的距離，對銅板進行對中定位，使銅板的中心與導向定位裝置中心線重合，從而控制銅板的中心與可調滾輪成型系統中心重合，通過頂絲調整壓軌與導向定位裝置平臺的間隙，確保不同厚度銅板都能夠通過導向定位裝置并校平。展開的銅板經過可調卷筒進入導向定位裝置進行校正與對中定位，然后進入可調滾輪成型系統完成銅止水滾壓成型。

導向定位機構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量帶來的影響。

圖6 導向定位裝置設計示意

3 生產試驗

研制完成的可調式滾壓銅止水成型機由液壓剪斷裝置、導向定位裝置、成型可調系統、無級調速傳動系統、控制系統和機架6大部分組成，如圖7所示，能夠制作的銅止水規格范圍為: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。通過現場1 km長銅止水生產試驗并經過產品質量檢驗表明:可調式滾壓銅止水成型機成型穩定、操作方便、銅止水成型質量良好，可推廣使用。

圖7 可調式銅止水成型機結構示意

與傳統的成型機相比，新型可調式滾壓銅止水成型機具有如下優點:①通過滾輪優化設計實現了一套設備的重復利用;②通過可無級調速的變頻電機、減速器、齒輪傳動等及電氣控制系統來實現無級調速傳動，使銅止水鼻尖和兩翼平穩成型，保證了銅止水成型質量;③將剪斷裝置置于進料口，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量;④由驅動輪組和導向裝置組成的導向機構，可根據銅片的實際厚度和寬度實現對小于900 mm不同寬度銅帶的調整定位，解決了銅片在成型過程中因產生共振而造成跑偏等影響銅止水成型質量的問題。

4 結語

新型可調式滾壓銅止水成型機在工程中的成功應用有效地解決了傳統設備制造的銅止水成型質量差、制造設備一次性投入大、銅止水焊接質量差等問題，提高了工作效率，確保了工程質量。在研究與應用過程中所取得的技術成果對混凝土銅止水施工具有借鑒和指導意義，引領混凝土銅止水施工技術發展方向，提升企業在混凝土銅止水防滲施工方面的影響力及競爭力，具有明顯的經濟效益及社會效益。

［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］.水力發電，1996(12):40-42.

［2］黃志康.W型銅止水成型機的研制及其應用［J］.水利水電施工，1996(4):47-48.

［3］李文瑛，宋希寧.滾壓式銅止水成型機設計與工程應用［J］.人民長江，2004，35(7):48-49，53.

［4］馬玉增，程衛兵，楊新貴.銅止水加工模具的研制與應用［J］.人民長江，2004，35(7):46-47.

［5］孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學［M］.第五版.北京:高度教育出版社，2009.