1. 新型大口徑水泥管模具設(shè)計(jì)

整體式立式振搗水泥管模具由外模、內(nèi)模、底座3個(gè)部分組成。新型大口徑水泥管模具與整體式模具不同點(diǎn)在于將外模分為上、中、下3個(gè)部分。整套模具結(jié)構(gòu)主要包括：底座、底模、中模、頂模以及內(nèi)模。

管材精度要求最高的地方是承口和插口工作面直徑，這主要取決于水泥管模具中外模的承口和插口部分。傳統(tǒng)模具的外模一般采用兩半模，其插口和承口部分均由兩半組成，這不僅對(duì)保證管材接口工作圓度是不利的，并且模具在使用過程中焊接應(yīng)力釋放以及反復(fù)拆裝過程中的疲勞受力，均會(huì)引起模具變形，致使接口精度逐漸超標(biāo)，直至模具報(bào)廢。但如果為了減少變形而一味提高半模的剛度也是不可取的，這會(huì)帶來拆模困難，需使用更大的力來拆模，不僅損傷模具，甚至還會(huì)損壞管材接口。據(jù)此，采用了如下的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。

1）將上模設(shè)計(jì)成內(nèi)外2層，外層（插口定位模）為整圓，內(nèi)層（插口定型模）為兩半式。內(nèi)層兩半模采用合理的彈性變形量，提高模具抵抗反復(fù)拆裝過程中疲勞變形的能力，延長模具的使用壽命。同時(shí)，由于內(nèi)層模具有一定的容許變形量，故模具脫模時(shí)十分便捷。外層模具用整體澆鋼件，以提高模具剛度和強(qiáng)度，保證上模整體精度。將整體模與兩半模結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，整體模具，分體拆裝，既保證模具精度，又便于拆裝，反復(fù)使用也不易變形。

2）中模采用2個(gè)半模組成，兩端采用螺栓連接，模具上下都有裝配限位機(jī)構(gòu)。中模分別與上模和底模連接，由于上下均為整體結(jié)構(gòu)，故更容易保證底模的圓度。此外，中模上的吊耳與工作平臺(tái)做了集成，從而使結(jié)構(gòu)簡單化和通用化，節(jié)省了材料，降低了成本。由于管節(jié)外直徑達(dá)到4640mm，故中模在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮到脫模時(shí)的吸附作用，在中模加筋板的設(shè)置上，通過與科研院校產(chǎn)研結(jié)合，經(jīng)過計(jì)算后合理布置加筋板的厚度和高度，使得中模具有彈性變形的能力。

3）下模是傳統(tǒng)模具的底模與外模下部的組合，全部設(shè)計(jì)成整體式。底模的零件采用澆鑄的工藝，使得零件的精度達(dá)到比較高的水平。零件與零件采用了精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)時(shí)零件的裝配精度。

4）對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)模進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。內(nèi)模采用無縫鋼管和低合金高強(qiáng)度16Mn鋼板焊接而成。而半內(nèi)模采用鉸鏈連接，使得在內(nèi)模拉動(dòng)時(shí)方便可靠。內(nèi)模插板采用螺栓頂住插板邊使得插板往外移動(dòng)，中間橫梁結(jié)構(gòu)中螺栓是插板在拆卸時(shí)的輔助拆卸裝置。該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單可靠，使用方便易操作。

1.1 底座設(shè)計(jì)

底座結(jié)構(gòu)主要以圓形工字型鋼為支架，其上是一塊圓環(huán)鋼板和混凝土管承口鋼圈定位件。由于生產(chǎn)管件的高精度要求，故對(duì)圓環(huán)鋼板以及混凝土管承口鋼圈定位件的加工精度要求很高，其受力后的變形量也必須受到嚴(yán)格的控制。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 底座設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意

底座與地面接觸件承受整個(gè)模具以及行走機(jī)構(gòu)和混凝土管的質(zhì)量。由于工字型鋼具有較好的抗壓強(qiáng)度，且已標(biāo)準(zhǔn)化，能減少設(shè)計(jì)成本和加工成本，故選用工字型鋼為底座的支架。鋼板為鑄鋼件，主要作用是作模具的安裝平臺(tái)。該結(jié)構(gòu)件為鑄鋼件，主要作用是定位承口鋼圈，采用2個(gè)定位銷來定位其在圓形鋼板上的位置。

1.2 底模設(shè)計(jì)

底模主要是用來保證插口鋼圈的圓度誤差，同時(shí)底模的精度直接影響到中模的定位，底模的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 底模結(jié)構(gòu)

使用2根定位銷來限定底模在底座上的位置。其中一根定位銷較長，安裝模具時(shí)，先將較長的定位銷插入底座的一個(gè)定位孔，然后再將另一根定位銷插入定位孔中，這樣定位較精確且更便于操作。底模圓周上有16個(gè)定位孔，用于定位承口鋼圈。具體方法是待鋼圈放入模具后，將16根螺栓旋入定位孔，根據(jù)鋼圈外壁到模具內(nèi)壁間的距離來調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)螺栓，通過反復(fù)的操作來保證鋼圈的圓度誤差。

底模下板面設(shè)計(jì)有8個(gè)千斤頂安裝座，用于安裝脫模用千斤頂裝置。

底模上板面為一凸起面結(jié)構(gòu)，目的是為了方便精確定位中模。當(dāng)放入中模時(shí)，使中模的下端法蘭面與該面重合，即可實(shí)現(xiàn)中模的精確定位，如圖3（a）所示。注漿時(shí)考慮混凝土漿滲漏，在底模與中模結(jié)合部位增加密封裝置，設(shè)計(jì)采用2道密封。為了使每次拆卸模具時(shí)密封條不至于被拉出，密封圈采用燕尾槽結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示。底模與中模使用12個(gè)如圖3（c）所示結(jié)構(gòu)連接。

托板機(jī)構(gòu)主要是起到脫模時(shí)拖住混凝土管、防止掉落的作用，其結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示。主要結(jié)構(gòu)由托板、板手、螺栓、彈簧墊圈以及板手與托板間周向定位的平鍵組成。板手與鋼模的裝配關(guān)系如圖4（b）所示。

圖3 底模結(jié)構(gòu)局部放大示意


圖4 拖板機(jī)構(gòu)

1.3 中模設(shè)計(jì)

中模的外圍結(jié)構(gòu)大體上采用以往的肋板加強(qiáng)圓形模壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式，如圖5所示。與以往小直徑水泥管整體式模具不同，該模具制造的混凝土管直徑達(dá)4m以上，總質(zhì)量很大，因此為了便于施工時(shí)的搬運(yùn)及翻轉(zhuǎn)，需要在混凝土重心位置的壁面上設(shè)置吊裝孔。由于施工時(shí)需要翻轉(zhuǎn)混凝土管，將混凝土從豎直位置放平，故吊裝孔設(shè)計(jì)成方形。吊裝孔的加入使得以往的模具整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不再適用，必須采用分開式結(jié)構(gòu)。通過對(duì)比各種設(shè)計(jì)方案，最終采用兩半對(duì)開式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要先保證模具精度，與底模的定位必須要簡單、安全、可靠，工人在安裝時(shí)要省時(shí)、省力。中模與底模、頂模的定位結(jié)構(gòu)如圖6所示。為了保證圓柱度和平行度，模具采用錐面定位。由于中模結(jié)構(gòu)為兩半模，故必然要考慮到兩半模間的定位。設(shè)計(jì)采用銷定位，在半模的結(jié)合面上使用2個(gè)定位銷。為了降低整個(gè)模具及裝料裝置的高度，項(xiàng)目部將供工作人員行走的圍欄裝置支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在中模上，如圖5所示模外壁上的吊鉤。由于采用兩對(duì)模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，故必然要考慮到對(duì)模連接處的密封。同上面的密封形式一樣，在連接處采用燕尾槽式的結(jié)構(gòu)，密封條形狀為齒形。

1.4 頂模設(shè)計(jì)

根據(jù)水泥管設(shè)計(jì)要求，頂模中要預(yù)埋鋼帶，因此頂模不能做成整圓式的。如若同中模一樣做成2個(gè)半環(huán)式結(jié)構(gòu)，則其定位帶來的誤差必須導(dǎo)致模具精度的降低，且按此設(shè)計(jì)將必然給模具的制造帶來更高的要求，最終增加了模具的制造成本。因此項(xiàng)目部采用具有獨(dú)創(chuàng)性的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖5 中模結(jié)構(gòu)


圖6 中模與底模、頂模定位結(jié)構(gòu)


圖7 頂模結(jié)構(gòu)

頂模主要由3部分組成，即2個(gè)半圓形剛性模和1個(gè)圓形鑄鋼件。半圓形模與鑄鋼件間采用圓錐面定位。如此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：既可以實(shí)現(xiàn)預(yù)存鋼帶的功能，又具有整體式模具定位精度高的優(yōu)勢。組裝時(shí)，先將預(yù)存鋼帶放入兩半環(huán)內(nèi)槽內(nèi)，再壓入圓形鑄鋼件中。為防止剛性模調(diào)運(yùn)時(shí)掉落，在鑄鋼件壁上設(shè)有彈性卡銷，在與之對(duì)應(yīng)的剛性模上開槽，待裝配好后將彈性卡銷插入其中即可實(shí)現(xiàn)預(yù)防功能。由于鋼與鋼間存在摩擦等，可能使裝配好的模具無法分離，故在剛性模上裝有內(nèi)六角螺釘，在無法脫模時(shí)用板手向內(nèi)旋動(dòng)螺釘便可脫模。頂模與中模使用2根長短不同的定位銷進(jìn)行粗定位；與中模上的法蘭面類似，頂模采用與之相匹配的凹面結(jié)構(gòu)作為定位面結(jié)構(gòu)。注漿過程會(huì)發(fā)生漏漿，因此要設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)。為防止密封條在重復(fù)拆裝時(shí)掉落，密封槽也采用同中模與底模密封一樣的燕尾槽結(jié)構(gòu)。

圖8 內(nèi)模主要組成部分

1.5 內(nèi)模設(shè)計(jì)

參照目前小型水泥管模具設(shè)計(jì)，內(nèi)模主要由3個(gè)部分組成：2個(gè)主半模和1個(gè)楔形塊。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。內(nèi)模內(nèi)部采用圓鋼管作為支撐架，在保證相同強(qiáng)度的情況下，可以大大降低模具的總質(zhì)量。為了使模具結(jié)合更緊密，將內(nèi)模的兩主半模的連接結(jié)構(gòu)移至內(nèi)部，大大增加了內(nèi)模連接處的密封性能。

2. 新型大口徑水泥管模具整體疲勞分析

由于模具在工作時(shí)內(nèi)部需通入高溫蒸汽，因此要對(duì)模具整體進(jìn)行熱疲勞分析。首先在模型受到100℃高溫時(shí)模擬仿真鋼模整體熱應(yīng)力和疲勞情況。使用Msc.Fatigue軟件，采用S-N方法進(jìn)行疲勞分析。計(jì)算結(jié)果如圖9所示，分析結(jié)構(gòu)表明，該設(shè)計(jì)符合使用壽命要求。

圖9 有限元計(jì)算結(jié)果

3. 結(jié)語

本文針對(duì)超大口徑水泥管模具進(jìn)行了設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)在以往設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將鋼模結(jié)構(gòu)分為了底模、中模、頂模、內(nèi)模以及底座。采用分開式結(jié)構(gòu)降低了模具的精度，為了提高模具精度，設(shè)計(jì)中大量采用了各種定位措施，如錐面的應(yīng)用、定位銷的應(yīng)用等。為防止混凝土泄漏，對(duì)鋼模的密封措施進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。同時(shí)引入了輕量化設(shè)計(jì)的理念，在保證模具精度的前提下，降低了鋼模自身的質(zhì)量，并對(duì)減重后鋼模進(jìn)行有限元壽命分析，確保鋼模滿足施工要求。