山區(qū)飲水井井管及離心成型機關(guān)鍵技術(shù)研究

劉江濤，張春奇，弋景剛，張新彩，孔德剛，袁永偉，李珊珊

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.河北新清源實業(yè)有限公司，河北 保定 071100)

1 引言

黨中央、國務(wù)院在《關(guān)于打贏脫貧攻堅戰(zhàn)的決定》中明確提出：“實施農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程，全面解決貧困人口飲水安全問題”。解決農(nóng)村飲水安全問題，是全面建成小康社會，打贏脫貧攻堅戰(zhàn)的重要任務(wù)。河北省山區(qū)面積占全省總面積的62%，部分山區(qū)地處貧水帶，缺少地表水，地下水源埋深多在500 m以上，地質(zhì)條件復(fù)雜，成井困難，且需特設(shè)井管，長期困擾山區(qū)農(nóng)村群眾安全飲水。

2 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土井管

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土井管由無焊縫異形管箍、鋼筋、外包混凝土組成。該管箍直接軋制成型，無焊接質(zhì)量問題。同時，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土井管內(nèi)裹預(yù)應(yīng)力高強鋼筋，抗拉強度高，解決了因不同地區(qū)不同地層而特設(shè)井管的問題，成井深度可達(dá)600 m，實際成型圖如圖1所示。

圖1 實際成型

3 離心成型機關(guān)鍵技術(shù)

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土井管由管體模具同軸自振變頻離心成型機帶動管體模具高速旋轉(zhuǎn)離心成型。該機主動離心成型機頭、管體模具、從動離心成型機頭長距離同軸，液壓支護(hù)裝置支護(hù)管體模具，解決了井管生產(chǎn)的偏心難題，如圖2所示；可生產(chǎn)長1～18 m、采用無焊縫異形管箍的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土井管，解決了因不同地區(qū)不同地層而特設(shè)井管的難題，實測合格率大于99.8%，成井深度可達(dá)600 m；管體模具兩端設(shè)置獨立式彈性夾具，更換方便，密封效果好，解決了跑漿難題，改善了井管生產(chǎn)環(huán)境；電控變頻調(diào)速與自振輪自振提高井管成型速度、密實度，生產(chǎn)率：8根/h，提高了2倍。

1. 控制柜 2.液壓控制系統(tǒng) 3.主動離心成型機頭4.液壓支護(hù)裝置 5.從主動離心成型機頭6.電機

圖2管體模具同軸自振變頻離心成型機

3.1 主動離心成型機頭

主動離心成型機頭(傳動裝置)主要有電機、減速齒輪、傳動軸、圓錐型斜面卡具、自振輪、彈性夾具等組成，如圖3所示。

1.彈性夾具 2.自振輪 3.圓錐型斜面卡具 4.傳動軸 5.減速齒輪 6.電機

圖3主動離心成型機頭

工作時，主動離心成型機頭轉(zhuǎn)速最高約550 r/min，電機選用四級三相交流電機，采用分段變頻調(diào)速。離心成型階段經(jīng)歷快速啟動、變速、停止3個階段，生產(chǎn)效率高；同時管體模具、主動離心成型機頭、從動離心成型機頭轉(zhuǎn)動慣量較大，采用減速機構(gòu)減速。

3.2 從動離心成型機頭

從動離心成型機頭(頂壓裝置)主要有頂壓油缸、圓錐型斜面卡具、自振輪、彈性夾具等組成，如圖4所示。

1.彈性夾具 2.自振輪 3.圓錐型斜面卡具 4.頂壓油缸

圖4從動離心成型機頭

工作前，頂壓油缸推動圓錐型斜面卡具伸出，壓縮彈性夾具密封管體模具兩端，同時使管體模具與兩端夾具產(chǎn)生擠壓力，以便于離心轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生摩擦力，傳遞轉(zhuǎn)矩。工作時，從動離心成型機頭由主動離心成型機頭帶動旋轉(zhuǎn)。

3.3 液壓支護(hù)裝置

液壓支護(hù)裝置由底座、支護(hù)輪、支撐架、液壓缸等組成，如圖5所示。

1.底座 2.支護(hù)輪 3.支撐架4.液壓缸

圖5液壓支護(hù)裝置

液壓控制系統(tǒng)控制液壓缸活塞桿伸縮，支護(hù)輪支護(hù)管體模具，并抱緊，當(dāng)管體模具轉(zhuǎn)動時，支護(hù)輪跟隨管體模具轉(zhuǎn)動。該裝置可有效地防止離心成型時管體模具上下跳動、損傷管體模具，解決了井管生產(chǎn)的偏心難題，可生產(chǎn)長1～18m的井管，同時，噪音低，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，提高了管體模具和離心成型機壽命。

3.4 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)控制頂壓油缸使從動離心成型機頭的圓錐型斜面卡具伸出，彈性夾具密封管體模具。該液壓控制系統(tǒng)具有自動頂壓功能，啟動后如果圓錐型斜面卡具壓力降低時，液壓控制系統(tǒng)自動啟動加壓。液壓控制系統(tǒng)MATLAB仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 Bode圖

由圖6可知，該系統(tǒng)相穩(wěn)定裕度和模穩(wěn)定裕度均滿足系統(tǒng)要求，液壓控制系統(tǒng)既快又穩(wěn)。

4 結(jié)語

管體模具同軸自振變頻離心成型機主動離心成型機頭、管體模具、從動離心成型機頭長距離同軸，液壓支護(hù)裝置支護(hù)管體模具，解決了井管生產(chǎn)的偏心難題，生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土井管解決了因不同地區(qū)不同地層而特設(shè)井管的難題。