1. 新型大口徑水泥管模具設計

整體式立式振搗水泥管模具由外模、內(nèi)模、底座3個部分組成。新型大口徑水泥管模具與整體式模具不同點在于將外模分為上、中、下3個部分。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力釋放以及反復拆裝過程中的疲勞受力，均會引起模具變形，致使接口精度逐漸超標，直至模具報廢。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，甚至還會損壞管材接口。據(jù)此，采用了如下的改進設計方法。

1）將上模設計成內(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，提高模具抵抗反復拆裝過程中疲勞變形的能力，延長模具的使用壽命。同時，由于內(nèi)層模具有一定的容許變形量，故模具脫模時十分便捷。外層模具用整體澆鋼件，以提高模具剛度和強度，保證上模整體精度。將整體模與兩半模結(jié)合，優(yōu)勢互補，整體模具，分體拆裝，既保證模具精度，又便于拆裝，反復使用也不易變形。

2）中模采用2個半模組成，兩端采用螺栓連接，模具上下都有裝配限位機構(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)外直徑達到4640mm，故中模在設計上應考慮到脫模時的吸附作用，在中模加筋板的設置上，通過與科研院校產(chǎn)研結(jié)合，經(jīng)過計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，全部設計成整體式。底模的零件采用澆鑄的工藝，使得零件的精度達到比較高的水平。零件與零件采用了精準定位系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)時零件的裝配精度。

4）對傳統(tǒng)內(nèi)模進行結(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)模拉動時方便可靠。內(nèi)模插板采用螺栓頂住插板邊使得插板往外移動，中間橫梁結(jié)構(gòu)中螺栓是插板在拆卸時的輔助拆卸裝置。該裝置的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單可靠，使用方便易操作。

1.1 底座設計

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格的控制。設計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 底座設計結(jié)構(gòu)示意

底座與地面接觸件承受整個模具以及行走機構(gòu)和混凝土管的質(zhì)量。由于工字型鋼具有較好的抗壓強度，且已標準化，能減少設計成本和加工成本，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。該結(jié)構(gòu)件為鑄鋼件，主要作用是定位承口鋼圈，采用2個定位銷來定位其在圓形鋼板上的位置。

1.2 底模設計

底模主要是用來保證插口鋼圈的圓度誤差，同時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，先將較長的定位銷插入底座的一個定位孔，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)對應螺栓，通過反復的操作來保證鋼圈的圓度誤差。

底模下板面設計有8個千斤頂安裝座，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。當放入中模時，使中模的下端法蘭面與該面重合，即可實現(xiàn)中模的精確定位，如圖3（a）所示。注漿時考慮混凝土漿滲漏，在底模與中模結(jié)合部位增加密封裝置，設計采用2道密封。為了使每次拆卸模具時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個如圖3（c）所示結(jié)構(gòu)連接。

托板機構(gòu)主要是起到脫模時拖住混凝土管、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 拖板機構(gòu)

1.3 中模設計

中模的外圍結(jié)構(gòu)大體上采用以往的肋板加強圓形模壁結(jié)構(gòu)的設計形式，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4m以上，總質(zhì)量很大，因此為了便于施工時的搬運及翻轉(zhuǎn)，需要在混凝土重心位置的壁面上設置吊裝孔。由于施工時需要翻轉(zhuǎn)混凝土管，將混凝土從豎直位置放平，故吊裝孔設計成方形。吊裝孔的加入使得以往的模具整體式結(jié)構(gòu)設計不再適用，必須采用分開式結(jié)構(gòu)。通過對比各種設計方案，最終采用兩半對開式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設計時要先保證模具精度，與底模的定位必須要簡單、安全、可靠，工人在安裝時要省時、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。設計采用銷定位，在半模的結(jié)合面上使用2個定位銷。為了降低整個模具及裝料裝置的高度，項目部將供工作人員行走的圍欄裝置支撐結(jié)構(gòu)設計在中模上，如圖5所示模外壁上的吊鉤。由于采用兩對模結(jié)構(gòu)設計形式，故必然要考慮到對模連接處的密封。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 頂模設計

根據(jù)水泥管設計要求，頂模中要預埋鋼帶，因此頂模不能做成整圓式的。如若同中模一樣做成2個半環(huán)式結(jié)構(gòu)，則其定位帶來的誤差必須導致模具精度的降低，且按此設計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。因此項目部采用具有獨創(chuàng)性的設計結(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個半圓形剛性模和1個圓形鑄鋼件。半圓形模與鑄鋼件間采用圓錐面定位。如此設計的優(yōu)點在于：既可以實現(xiàn)預存鋼帶的功能，又具有整體式模具定位精度高的優(yōu)勢。組裝時，先將預存鋼帶放入兩半環(huán)內(nèi)槽內(nèi)，再壓入圓形鑄鋼件中。為防止剛性模調(diào)運時掉落，在鑄鋼件壁上設有彈性卡銷，在與之對應的剛性模上開槽，待裝配好后將彈性卡銷插入其中即可實現(xiàn)預防功能。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，在無法脫模時用板手向內(nèi)旋動螺釘便可脫模。頂模與中模使用2根長短不同的定位銷進行粗定位；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)。注漿過程會發(fā)生漏漿，因此要設計密封結(jié)構(gòu)。為防止密封條在重復拆裝時掉落，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)模設計

參照目前小型水泥管模具設計，內(nèi)模主要由3個部分組成：2個主半模和1個楔形塊。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

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

圖9 有限元計算結(jié)果

3. 結(jié)語

本文針對超大口徑水泥管模具進行了設計，本設計在以往設計的基礎上，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，設計中大量采用了各種定位措施，如錐面的應用、定位銷的應用等。為防止混凝土泄漏，對鋼模的密封措施進行了重新設計。同時引入了輕量化設計的理念，在保證模具精度的前提下，降低了鋼模自身的質(zhì)量，并對減重后鋼模進行有限元壽命分析，確保鋼模滿足施工要求。