可控進(jìn)料液壓免燒生土磚機的設(shè)計制造與實驗

閆 磊， 關(guān)紅明， 聶陽文

(1.西安建筑科技大學(xué) 機械基礎(chǔ)實驗中心， 陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

引言

目前，免燒磚機分為壓力磚機和振動磚機兩大類。振動磚機一般用于生產(chǎn)水泥磚，如地磚、空心砌塊及空心免燒磚，用于生產(chǎn)實心免燒磚者較少，免燒墻體磚的生產(chǎn)基本上是壓磚機為主[1]。在壓力磚機領(lǐng)域，機械沖壓制磚機已逐步被液壓轉(zhuǎn)機取代。

國外壓磚機的發(fā)展歷史較長， 尤其在二戰(zhàn)以后發(fā)展迅猛。生產(chǎn)廠商主要有美國的Columbia，Besser公司、德國的Hess，Masa公司和意大利的Rosacometa公司等。國內(nèi)有河南大方實業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的MZJ型粉煤灰免燒磚機、鄭州重型設(shè)備股份有限公司制造的MSZ型各規(guī)格免燒壓磚機、上海中殷電子機械工程有限公司生產(chǎn)的HQY-100型液壓制磚機等[2]。國外對壓磚機的結(jié)構(gòu)形式及其可靠性運用電算法與有限元數(shù)值分析法作了深入研究分析，生產(chǎn)出來的壓磚機結(jié)構(gòu)合理，節(jié)省材料。國內(nèi)磚機設(shè)計多采用經(jīng)驗法、類比法等傳統(tǒng)設(shè)計思路，生產(chǎn)出來的壓磚機整機質(zhì)量偏大，相對笨重[3]。

免燒磚機的出現(xiàn)對推動墻體材料改革、滿足國家建設(shè)需要、保護(hù)環(huán)境都具有重大意義，但市場現(xiàn)有的各種免燒磚機的缺點同時也逐步暴露了出來。免燒磚材料在壓制的過程中對成型壓力控制較為嚴(yán)格，而不同材料在特定壓縮比下的成型壓力不同，若采用固定模具壓制方式，則無法滿足不同材料的成型壓力，且生產(chǎn)出的磚尺寸單一。而若采用固定壓力控制，雖可適用于多種材料，但由于不同材料成型壓縮比不同，要使磚材成型尺寸可控則需要針對不同材料設(shè)計不同尺寸規(guī)格的模具，都無法快速適應(yīng)不同材料或不同磚型尺寸的生產(chǎn)要求。針對上述問題，提出了一種可控進(jìn)料液壓免燒磚機設(shè)計方案，該方案針對不同材料可實現(xiàn)成型壓力和成型壓縮比的連續(xù)調(diào)整變化，免去了不同材料和成型尺寸的模設(shè)計制造與安裝過程，增強了免燒磚機的通用性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

可控進(jìn)料液壓免燒生土磚機的主要由可控進(jìn)料部分、擠壓部分和擋板機構(gòu)組成，如圖1所示。

1.可控進(jìn)料機構(gòu) 2.接料斗 3.擠壓室 4.主液壓缸 5.擋料板 6.擋料液壓缸 7.壓頭 8.機架圖1 磚機結(jié)構(gòu)原理

其中各部分的作用：

接料斗：4塊梯形鋼板焊接而成的漏斗，漏斗底面和擠壓室矩形孔對接，螺紋固定在擠壓室上，用于防止落料從四周散落。

擠壓室：擠壓室為鋼板焊接而成的通口腔體，腔體界面尺寸為300 mm×200 mm，可生產(chǎn)結(jié)構(gòu)尺寸為300 mm×200 mm×xmm的磚材(x根據(jù)進(jìn)料量而定，設(shè)計尺寸為6～200 mm)。上鋼板面開有矩形孔，為接料斗出口。附有加強筋，最大可承受70 t壓力，免燒磚材料在擠壓室內(nèi)擠壓成型。

主液壓缸：為免燒磚材料提供成型壓力。

擋料板：配合壓頭形成對磚材的擠壓力。

擋料液壓缸：驅(qū)動擋料板上下運動(在壓制磚材時下放擋料板堵住擠壓室，待磚材成型后擋料板上移露出擠壓室，成型磚材從擠壓室口送出)。

壓頭：壓頭為矩形鋼板，用于傳遞主液壓缸的擠壓力。

機架：U形鋼焊接而成，支撐整個結(jié)構(gòu)，提供剛性。

其中，可控進(jìn)料部分設(shè)計原理如圖2所示。

1.儲料箱 2.推料腔 3.調(diào)整擋板 4.調(diào)整螺桿 5.推料液壓缸 6.防漏板圖2 可控進(jìn)料部分原理圖

其各部分作用：

儲料箱：漏斗型腔體，由4個梯形鋼板焊接而成，儲存磚材原料。

推料腔：為長方體腔體，由4塊矩形鋼板焊接而成，對靠自重從儲料箱落入的原料進(jìn)行定分。

調(diào)整擋板：為1個L形型鋼板，由2個矩形鋼板焊接而成，其中一面和推料腔內(nèi)截面形狀相同，可左右移動用于調(diào)整推料腔容積。

調(diào)整螺桿：為一長螺桿，一端連接調(diào)整擋板可自由旋轉(zhuǎn)，另一端穿過推料腔前鋼板和前鋼板螺紋連接，扭動調(diào)整螺桿可改變調(diào)整擋板的位置從而調(diào)整推料腔容積。

推料液壓缸：推料液壓缸缸體以螺栓連接固定于機架8， 活塞桿以螺紋連接和推料腔10后鋼板固定，可把推料腔中定分好的原料推至接料斗上方， 使原料從接料斗落入擠壓室。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計及工作原理

可控進(jìn)料液壓免燒磚機液壓系統(tǒng)設(shè)計，如圖3所示。

1.液壓泵 2.電動機 3.單向閥 4.H形電磁溢流閥 5.電磁繼電器 6.單向節(jié)流閥 7.液控單向閥 8油箱圖3 可控進(jìn)料液壓免燒生土磚機液壓系統(tǒng)設(shè)計原理

該系統(tǒng)工作原理為：

首先，根據(jù)磚材成型壓力調(diào)定電磁溢流閥的工作壓力，打開控制柜，使各電磁閥處于斷電狀態(tài)，啟動電機，此時系統(tǒng)處于卸荷狀態(tài)；

電磁溢流閥1DT通電，系統(tǒng)壓力建立，處于待機狀態(tài)，待推料腔中填滿原料，三位四通閥6.1DT通電，推料油缸將原料推入擠壓室內(nèi)，此時活塞桿觸發(fā)限位開關(guān)XK7，三位四通閥6.1DT斷電， 6.2DT通電，推料缸活塞桿收縮回原位，觸發(fā)限位開關(guān)XK6, 三位四通閥6.2DT斷電，換向閥回歸中位；

當(dāng)限位開關(guān)XK7被觸發(fā)時(此時原料已落入擠壓室)，二位四通閥4DT和三位四通閥3.1DT通電，主油缸形成差動回路，主活塞桿處于對原料快速壓縮過程，直到觸發(fā)限位開關(guān)XK2，二位四通閥4DT斷電，差動回路切斷，主活塞桿處于加壓壓縮過程，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時觸發(fā)壓力繼電器5，延時保壓3 s后二位四通閥5DT通電，液控單向閥7反向回路開啟，主油缸卸壓，擠壓過程結(jié)束，磚材壓制成型；

延時2 s后，三位四通閥7.2DT和提升油缸活塞桿驅(qū)動擋料板上升，直到觸發(fā)限位開關(guān)XK4,三位四通閥7.2DT和二位四通閥5DT斷電，活塞桿停止上升，主油缸活塞桿將成型磚材推出擠壓室，直到觸發(fā)限位開關(guān)XK3，三位四通電液換向閥3.1DT斷電，3.2DT通電，活塞桿收縮直到觸發(fā)XK1，3.2DT斷電，活塞桿停止收縮完成1個工作循環(huán)。

系統(tǒng)工作模式可實現(xiàn)手動和自動雙模式工作，手動模式可用于設(shè)備調(diào)試、檢修和樣品的試制，自動控制采用PLC編程控制，可用于產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)。

3 系統(tǒng)主要液壓部件的設(shè)計

國內(nèi)免燒磚的生產(chǎn)工藝主要分為半干法壓制成型自然養(yǎng)護(hù)法、半干法壓制成型蒸汽養(yǎng)護(hù)法和塑性擠出成型后濕空氣養(yǎng)護(hù)法3種，其中半干法壓制成型自然養(yǎng)護(hù)法目前使用最為廣泛，磚材的成型壓力在60～70 t之間[4]。本研究針對使用最廣泛的半干法壓制成型自然養(yǎng)護(hù)法工藝，設(shè)計磚機最大工作壓力為60 t。

3.1 主油缸內(nèi)徑及活塞桿直徑設(shè)計

壓磚機為小型工程建筑機械，工作壓力通常在10～18 MPa之間[5]，初選工作壓力為16 MPa。由于主油缸最大輸出壓力為靜壓力，因此不考慮機械效率和回油背壓[6]，根據(jù)無桿腔進(jìn)油時活塞桿設(shè)計最大輸出壓力F=600 kN,系統(tǒng)設(shè)計工作壓力p1=16 MPa。則缸筒內(nèi)徑D：

(1)

取標(biāo)準(zhǔn)值D=220 mm，活塞桿直徑d按往復(fù)速比進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計往復(fù)速比φ=2，則活塞桿直徑d:

(2)

取標(biāo)準(zhǔn)值d=160 mm，材料選用45號調(diào)制鋼，σb=600 MPa，[σ]=σb/1.4，按式(3)對活塞桿的強度進(jìn)行校核：

(3)

可知活塞桿滿足強度要求。

限位開關(guān)XK1到擋料板的設(shè)計距離，即活塞桿最大行空載壓縮程為600 mm，可得活塞桿長徑比l/d<10，因此不需要進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校核。

3.2 液壓泵的選型

設(shè)∑Δp為管道壓力損失，液壓泵工作壓力滿足：

pp≥p1+∑Δp

(4)

系統(tǒng)最高工作壓力為靜壓力，∑Δp=0，故泵的最小壓力應(yīng)滿足pp=p1=16 MPa。

壓磚機活塞桿壓縮行程分為快壓縮行程和慢壓縮行程。慢壓縮行程油缸為基本回路連接，用于提高壓力；快壓縮行程油缸轉(zhuǎn)換為差動回路連接，用于提高生產(chǎn)效率。慢壓縮行程大小根據(jù)制成磚的厚度尺寸而定，取慢壓縮行程為制成磚厚度的1倍，通過改變限位開關(guān)XK2的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。出磚行程油缸采用基本回路連接，目的為增加出磚過程的平穩(wěn)性，減小磚塊受到磕碰的概率。

設(shè)計油缸最大空載壓縮行程(限位開關(guān)XK1距擋料板的距離)為600 mm，空載出磚行程(擋料板到XK3的距離)為100 mm，設(shè)制成磚的厚度尺寸為x，則油缸的工作行程如圖4所示。

圖4 主油缸工作行程

設(shè)計主油缸1個工作周期時長不大于25 s，除去最大壓力點保壓3 s，卸壓延時2 s，主油缸在1個工作周期內(nèi)的運行時間不大于20 s。則液壓泵理論最小工作流量qv滿足：

(5)

式中,A1,A2分別為無桿腔和有桿腔有效作用面積。

制成磚厚度x越大，快壓縮行程越短，油缸1個工作周期用時越長，因此，液壓泵最小工作流量以系統(tǒng)最大制磚厚度x=200 mm計算?？傻靡簤罕米钚±碚摴ぷ髁髁縬v≈108.3 L/min。根據(jù)液壓泵的理論工作流量繪制出主油缸流量隨時間變化的qv-t圖(見圖5)。

圖5 主油缸流量隨時間變化的qv-t圖

除保壓3 s和卸荷2 s主油缸流量為0外，主油缸最大流量為108.3 L/min，則液壓的實際流量：

qvp≥K∑qvmax

(6)

式中，K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，取K=1.1；∑qvmax為系統(tǒng)最大流量108.3 L/min，考慮到主油缸的調(diào)試方式為節(jié)流調(diào)速，須加上溢流閥的最小溢流流量取3 L/min。則液壓泵的實際輸出流量qvmax≥122.13 L/min。

根據(jù)系統(tǒng)最高壓力和最大流量擬選取型號為CB-L的齒輪泵。

3.3 電機功率的確定

電機功率按照系統(tǒng)最大負(fù)載時的功率進(jìn)行確定，系統(tǒng)最大功率發(fā)生在磚材達(dá)到最大壓縮量時，此時系統(tǒng)最高壓力為p1=16 MPa，液壓泵輸出流量全部通過溢流閥。考慮到系統(tǒng)最大工作壓力時間較短，而電機可在較短時間內(nèi)超載25%，取泵的總效率ηp=0.8，則泵的最大功率P可按照式(6)進(jìn)行計算[7]：

(7)

根據(jù)泵的最大功率可選擇額定功率為37 kW的電機。

4 磚機的制造與實驗研究

4.1 磚機樣機的制作與免燒生土磚的試制

根據(jù)上述的設(shè)計方案，試制了該型磚機的樣機，如圖6所示。

圖6 可控進(jìn)料液壓生土磚機樣機制作

生土材料作為一種歷史悠久的墻體材料具有諸多優(yōu)點，除了成本低廉、工藝簡單、 便于就地取材且非常環(huán)保以外[8-9]，通過在生土中混入一定量的水泥、石灰等常見建筑材料進(jìn)行改性，也可方便地使生土材料的力學(xué)性能得到大幅提高[10]。因此本研究采用改性生土材料作為免燒磚的試制材料，所用生土材料取自新疆吐魯番地區(qū)，采用42.5級普通硅酸鹽水泥(C)和熟石灰(S)作為改性材料，試制樣磚尺寸為300 mm×150 mm×150 mm。1個壓制周期中，主油缸工作壓力如圖7所示。

圖7 主油缸壓力

可看到主油缸在6.3 s左右達(dá)到最大工作壓力16 MPa，最高壓力滿足設(shè)計要求。

所生產(chǎn)出的樣品如圖8所示，經(jīng)過對50份樣磚取樣測量，樣磚厚度誤差不超過±2 mm，可控進(jìn)料部分對進(jìn)料量的定量控制較為準(zhǔn)確。

圖8 免燒生土磚樣磚

4.2 免燒生土樣磚的抗壓強度測試

抗壓強度是免燒生土磚的重要力學(xué)性能之一，反映著生土磚材料的豎向荷載能力[11]。由于研究起步較晚，目前國內(nèi)還未出現(xiàn)一部成熟完整的生土建筑設(shè)計規(guī)范或指導(dǎo)手冊，而國外如巴西、澳大利亞、新西蘭、法國、西班牙、美國等國家都制定了相應(yīng)的生土建筑標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定了生土材料應(yīng)達(dá)到的抗壓強度極限[12]，如表1所示。因此本研究對樣磚的抗壓強度測試以國外標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。

表1 各國生土材料抗壓強度最低標(biāo)準(zhǔn)[17-26]

在生土材料強度的測試中，試件的尺寸和形狀并無統(tǒng)一的規(guī)定，國內(nèi)土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)要求采用直徑為35～50 mm，高度直徑比為2～2.5 的圓柱體試件[13]。有的研究中也采用形狀為棱柱體或立方體的生土試件，對尺寸選取也并無要求[14-15]。另外，也有研究直接采用標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸作為生土試件的試驗尺寸[16]。

本研究直接采用試制出的標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸樣磚作為生土磚試件進(jìn)行抗壓強度測試，如圖9所示。測試樣磚結(jié)構(gòu)尺寸為300 mm×150 mm×150 mm，養(yǎng)護(hù)成型時間為28天，經(jīng)測試，在1 mm/s的加載速率下，開裂載荷為62.5 kN，峰值載荷為112.2 kN，樣磚抗壓強度達(dá)到2.49 MPa，生產(chǎn)出的樣磚抗平均壓強度達(dá)到國際生土材料抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 樣磚抗壓強度測試

5 結(jié)論

本研究設(shè)計并制作了一種帶有可控進(jìn)料功能的液壓免燒生土磚機，可快速適應(yīng)在不同材料和不同成型尺寸要求下免燒生土磚材的生產(chǎn)， 免除了磚機模具等配套措施的設(shè)計制造與裝配，通用性強。生產(chǎn)出來的免燒生土磚尺寸誤差小，平均抗壓強度達(dá)到了國際生土材料抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)，具有大規(guī)模推廣的前景。