人工防汛備防石振動擠壓耦合成型設備設計研究

張 凱，劉 忠，王衛軍

(1.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；2.河南黃河河務局，河南 鄭州 450003)

傳統的黃河防汛天然石料屬不可再生物資，近年來隨著環境保護治理日趨嚴格，天然石料的開采受到控制，大批采石場被列入環境監察范圍而暫停或關閉，今后防汛天然石料供應將受到很大限制。利用資源豐富的黃河泥沙和膠凝技術(水泥基或非水泥基)制作人工防汛備防石，不僅節省大量天然石料，而且為解決黃河泥沙問題提供了新的途徑[1- 7]。

人工防汛備防石在水下的穩定性與其形狀、尺寸、密度等密切相關，其強度、形狀、尺寸直接影響到拋投性能，抗凍融、抗風化等耐久性指標直接影響其持續發揮作用的能力。故此，人工防汛備防石的主要技術指標包括形狀、尺寸、強度、密度、抗凍融性、抗風化性等；其中形狀、尺寸、容重是在生產階段要直接、實時控制的技術指標。依據《堤防工程設計規范》、《黃河下游標準化堤防工程規劃設計與管理標準》和相關研究[8- 12]，黃河泥沙人工防汛備防石密度不宜小于1950kg/m3，外形宜為正方體或長方體等直角六面體，作為散拋石使用時邊長宜大于300mm，代替防洪搶險鉛絲石籠使用時邊長在450～600mm。鑒于人工防汛備防石體積和重量較大，人工生產方式效率低，質量均勻性不宜保證，現有液壓或振動成型類似設備均存在體積龐大、價格高、布料空間難以滿足防汛備防石尺寸要求等問題，因此，需要研究開發一種新型人工防汛備防石生產設備。

1 成型設備原理

為減少膠凝材料使用降低生產成本，生產成型時原材料宜拌制成干硬性物料。依據塑性碰撞振動密實原理，只要對物料施加的壓力不小于成型阻力，松散物料必然受到擠壓而發生塑性變形，進而達到理想密實狀態。振動成型過程中必須產生碰撞，物料才能密實，而存在一定間隙才能發生顆粒間碰撞，振動密實過程就是含間隙的塑性碰撞振動過程[13- 15]。

據此原理，采用振動增密和液壓成型的振動擠壓耦合方式，以干硬性混合料生產人工防汛備防石生產的新型成型機主要由壓頭、液壓油缸、鎖模機構、鏈條、模具、物料、托板、振動平臺等組成。振動平臺內對稱布置振動電機，能夠產生豎直向上的周期性簡諧激振力，在壓頭接觸物料前，振動電機進行振動，液壓油缸用節流閥控制緩慢下降。壓頭在物料壓制過程中，受自身重力、液壓缸推力和物料支撐力的共同作用使得物料變得密實。物料成型后采用壓力脫模，鎖模機構勾住模具，使得模具和鎖模機構成為一體，在模具的提升過程中，液壓油缸無桿腔進油，對成型的砌塊施加壓力使其脫模。由于液壓油缸通過鏈條和機架柔性連接，掛鉤鎖緊后，壓頭與模具通過鎖模機構與振動平臺上臺面組成一個系統，振動不易傳遞到機架上。如圖1所示。

2 設備整體設計方案

圖1 振動擠壓耦合成型系統模型

人工防汛備防石振動擠壓耦合成型設備包括機架、配重、配重提升裝置、模具、模具提升裝置、振動平臺和控制系統。配重通過滑輪、鋼絲繩和連接板鉸接在配重提升裝置的動力輸出端上，配重在配重提升裝置的驅動下升降，兩側設置有導向架與設置在機架上的導向槽配合構成導向副。模具設置在配重的正下方，上端與模具提升機構的動力輸出端鉸接，模具提升機構設置在機架上，模具正下方設置有振動平臺，振動平臺上放置有托盤，模具在模具提升機構的驅動下可垂直移動，在導向銷軸的導向下，模具可放置在振動平臺上。另外，還包括用于推送成型后的防汛備防石的推塊機構、接塊平臺和給模具喂料的喂料機構。如圖2—3所示。

圖2 成型主機結構圖

圖3 成型設備方案布置圖

3 成型主機設計參數

3.1 成型工藝參數室內研究

設備研發設計前，通過室內試驗進行了振動擠壓耦合成型技術工藝參數研究，以便為成型機的設計參數提供依據，主要包括壓力、平臺振動頻率、振幅、振動時間、密度、強度、物料性態等與備防石關鍵指標表觀密度的關系[16- 18]。室內振動加壓成型設備主要結構包括液壓加載系統、控制系統及平臺支架等，原材料為黃河沙、P·O42.5水泥、Ⅱ級粉煤灰和自制添加劑，主要試驗結果如圖4所示。

(1)圖4(a)表明：在壓強相同的條件下，振動模腔內物料密度基本隨振壓深度降低而降低，即同樣試驗條件下，物料上部密度大于中部密度，中部密度大于底部密度。究其原因為：受實驗裝置限制，試驗室振動臺激振力偏小，振動平臺與液壓加壓系統采用剛性連接使試驗壓力全部作用到振動臺上，振動平臺的振幅會隨壓力增大而顯著降低，當壓力自上向下傳導時，物料密實需要克服更大的摩擦阻力和顆粒間的粘結咬合力，振動作用減弱。因此為保證人工防汛備防石目標密度和整體質量，振動加壓系統如果既要提供一定成型壓力，還要克服成型物料、模具和振動平臺自重及液壓力產生足夠的振幅，結構設計時振動系統與加壓系統應避免成為剛性結構連接。

圖4 成型工藝參數與試件表觀密度的關系

(2)圖4(b)表明：振動成型過程中模腔內整體物料不斷發生彈性變形和塑性變形，在一定成型壓力和振動時間下，物料已作為一個整體達到受壓極限，成型坯體不再隨壓力增加產生塑性變形，所產生的位移為零，密度達到最大。如果繼續振動，部分物料顆粒反而會克服粘接力和咬合力發生向上的運動，造成坯體產生松散變化，密實度下降。因此，要達到理想的成型密度，不同組成和性態的物料對應一個最佳振動時間范圍。

(3)圖4(c)表明：物料的組成和性態對成型密實度有很大影響，過于干燥松散的物料顆粒間粘結力和水分子結合力相對微弱，振壓時不容易粘聚成型，脫模時容易產生開裂、缺棱掉角等缺陷；過于潮濕的物料顆粒間粘結力和水分子結合力相對變強，在振壓過程中產生更大的摩阻力，容易造成水分流失帶出漿料，發生脫模塌陷。合適的含水率對振壓成型坯體密度和外觀質量有很大影響，試驗表明，物料含水率在12%～14%較為適宜。

3.2 成型主機設計技術參數

振動擠壓耦合成型主機的主要機構和動作，包括上下鎖模機構鎖模，振動平臺激振，壓頭壓制，模具提升脫模，壓頭提升，行走系統，坯體推出等。作用力包括激振力、壓頭壓制力、模具裝料前后移動的水平推力、推出坯的水平推力、第一和第二鎖模力、模具提升力、壓頭提升力等。根據室內試驗研究和設計計算，確定振動擠壓耦合快速成型機的主要技術參數見表1。

表1 成型機主要設計技術參數

4 工藝流程

人工防汛備防石成型工藝流程為：配料→稱料→上料→拌合后送入壓制機進料倉→布料→振動擠壓→脫模→推送→進入成品堆放場地，成型設備的主視圖如圖5所示。

圖5 成型設備的主視圖

生產時，人工把托盤109放置在推塊裝置3的正前方，在推塊裝置3的驅動下將托盤109輸送到模具的正下方，模具提升裝置104驅動模具106下降，使得模具106放置在托盤109上，并把模具106、托盤109和振動擠壓平臺107連接為一體，此時喂料機構2的料斗旋轉裝置203驅動料斗202旋轉一定的角度，使得料斗202的出料口在模具107的上方，打開料倉門201進行布料。布料完成后，喂料機構的動作相反，回到初始位置。此時振動擠壓耦合快速成型機1開始工作，振動擠壓平臺107開始低頻振動，配重提升裝置102驅動配重103下降，當配重103接觸到物料時，振動擠壓平臺107進行高頻振動，直到達到預期的成型高度后停止振動。模具提升裝置104驅動模具106上升進行脫模。配重提升裝置102提升配重103上升到上極限位置。當模具提升裝置104提升模具106也達到上極限位置時，推塊裝置3推動托盤109，使得成型后的人工防汛備防石被推送到接塊平臺4上，此時可有專有的運輸工具進行搬運。

5 結語

通過室內成型參數試驗，結合現有振動擠壓成型技術優點，設計研發的人工防汛備防石振動擠壓耦合成型機采用結構簡單，承載能力大變形小，操作維護簡單、設備工藝布局合理、便于拆解運輸和組裝生產，并實現了人工防汛備防石的機械化示范生產，有效解決了制約黃河泥沙生產人工防汛備防石推廣應用缺乏成型設備的技術難題。