论证渠道衬砌机械设备系统方案

　　摘要：结合现场实际情况，从机械设备动力、传动、斜坡混凝土布料、斜坡混凝土密实、导向及自动整平等多方面进行了渠道衬砌机械设备系统方案的论证。
　　关键词：渠道，衬砌，机械设备
　　1论证方案背景
　　某渠道总长约5km，设计流量为25m3/s，设计底宽7m，边坡1：1.75。衬砌高度2.94m；3+2565.22～4+157.57段设计纵坡1：5000，衬砌高度3.75m。设计采用混凝土衬砌防渗形式，混凝土衬砌厚度为10cm，混凝土强度等级为C25，防渗标号W6，抗冻强度标号为F150。机械设备设计方案采用履带式渠道衬砌机。其主要机械设备如图1所示。
　　
　　
　　图1混凝土衬砌机械主要部分示意图
　　2机械设备动力和传动方案论证
　　机械设备一般都由动力机构、传动机构和工作机构三部分组成。动力机构是产生源动力并输出给传动机构，动力机构的源动力为内燃机。传动机构是将动力机构的能量传递给工作机构。传动机构的结构合理先进性和性能好坏，直接制约着机械设备的实用性、制造成本和经济性，因此小功率机械应在满足其工作性能的情况下，选用结构简单的传动装置，尽可能的降低初始费用。大功率机械应优先考虑传动效率，节约能源，降低运转和维修费用。工作机构要求变速时，若能与动力装置调速比相适应，可直接连接或间接采用定传动比的传动机构；工作当中要求变速范围大，用动力机构调速不能满足机械特性和经济性要求时，则应采用变传动比传动。当载荷变化频繁，且可能出现过载时，应考虑设置过载保护装置。工作机构要求与动力机构同步时，应采用无滑动的传动机构。传动机构的选用必须与生产制造、使用维护技术水平相适应，应尽可能选用符合自我技术成熟的机械设备。
　　3斜坡混凝土处理技术方案论证
　　3.1斜坡混凝土布料方案
　　振动碾压衬砌成型机自身带有螺旋平料器，但不能自身完成斜坡混凝土布料，需配备专门的混凝土布料机。目前现有的混凝土布料方式主要有带有分料小车的皮带机和带有螺旋的料仓两种。带有分料小车的皮带机的布料方式布料效率较高，磨损较小，控制系统简单，但容易造成混凝土粗集料离析，布料厚度难以保证，需要大量的人工进行辅助布料；带有螺旋的料仓布料可使混凝土在料仓内进行二次搅拌，骨料更加均匀，不宜造成离析，布料效率较高，但磨损较快，操作控制系统相对比较复杂，对操作人员的要求较高。通过分析比较，确定斜坡混凝土的布料方式选取在框架上设置混凝土布料仓加设两套螺旋，实现混凝土的斜坡布料。控制系统对两套螺旋单独控制，实现料仓混凝土的均衡的高度，满足不同布料厚度要求，为保证混凝土在料仓内的厚度均匀一致。
　　3.2斜坡混凝土密实方案
　　目前斜坡混凝土密实方式主要有两种：振动碾压和振捣滑模。
　　(1)振动碾压成型装置振动碾压密实是由振动碾压成型装置来完成的，它主要包括碾压成型、振动密实以及在框架上往复自由行走等功能。衬砌小车是振动碾压成型设备的实现部件，设计为两层结构，上层是驱动小车上下行走的装置，下层为混凝土密实振动、碾压成型装置。
　　①碾压成型。根据混凝土坍落度和振动粘度的关系及金属的耐磨损要求，旋转碾压成型的圆柱滚筒采用不锈钢耐磨材料，满足了成型混凝土面的平整度和表面强度要求；
　　②振动密实。利用振动电动机对混凝土熟料进行振动，使其密实，根据牛顿第二定律(F=ma)，结合混凝土设计厚度和混凝土配合比情况，选择合适的振动电动机的震动加速度和偏心快的质量。针对不同的混凝土设计厚度，在偏心块质量m不变的简谐振动条件下，通过调整振动加速度(其中：)来适应；
　　③往复行走自由行走。由于设备工作条件恶劣，且多为低速、重载、润滑条件差，设计选择振动碾压成型装置在框架上往复行走采用齿条、销齿啮合的传动方式，并选择具备制动装置的电动机，实现了振动成型小车在斜坡面任何位置上停止功能。
　　(2)振捣滑模衬砌成型装置振捣滑模密实是由振捣滑模衬砌成型装置实现的，根据衬砌混凝土的设计要求和确定的混凝土配合比，计算高频振捣棒的振动范围和频率。
　　①混凝土振捣密实。根据混凝土在振动条件下流变学性能研究及振动工艺原理，确定料仓振捣密实系统各项技术参数；
　　②混凝土挤压抹平。该装置的作用是将振捣提浆后的混凝土挤压得更加密实，同时挤压拖抹出混凝土渠道的标准断面，通过分析，设计采用平面度可以调节的滑模板来实现。
　　3.3导向及自动整平方案论证
　　渠道衬砌机有履带式、导轮式两种行走方式。履带式渠道衬砌机行走通过性好，能自由转动调整机器行走方向，若空间许可，可自行穿过较大的建筑物。轨道式衬砌机道轨可循环使用，机械自重较小，比履带式衬砌机灵活。但是履带式设计、制造成本较高，采用导轮式，可降低设备成本、工程投资，缩短设备研发周期，因此选用导轮式行走系统。在渠底机架外侧部位设置基准导线，导线为尼龙绳，绳子每隔一定距离设置导向桩，基准导线与渠道中心平行，高度为距渠道底面标准高度，4个角位移编码器连杆与基准导线相接触，当由于导轨高程发生变化造成设备高度变化时，角位移编码器连杆角度发生变化，角度变化值输入设备可编程控制器PLC，PLC经过数据分析，发出指令开启设备下部液压支腿油缸电磁阀，和改变上下两端行走速度的数据信号，液压支腿根据PLC指令收缩或者伸出，从而调整设备下部高度符合施工要求。
　　另外，在设备上安装数字2个角度传感器，测量设备的绝对角度，将角度值输入PLC，PLC经过数据分析，开启设备上部液压支腿油缸电磁阀，控制设备上部液压支腿伸出或者收缩，以保证设备衬砌坡度符合设计要求，使设备轴线始终处于与渠道轴线相垂直的状态。其控制精度可以通过触摸显示屏进行设定，厚度精度可以控制在±5mm之内。
　　4结语
　　结合现场实际情况，从机械设备动力、传动、斜坡混凝土布料、斜坡混凝土密实、导向及自动整平等多方面进行了渠道衬砌机械设备系统方案的论证。渠道机械化衬砌技术在我国是机械化程度较高的一门新施工技术，相对于渠道人工衬砌而言有着很多优点，如混凝土衬砌均匀、防渗性好、使用寿命长、施工速度快、施工质量便于控制、外表美观等优点，相信在以后渠道防渗等大型工程中具有广阔的应用前景。