新型可调式滚压铜止水成型机设计与研制

华天波，刘勇林，高 尚，廖文潇，朱发银，李洪涛

(1.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065;2.中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

当前滚压铜止水成型机因其工作效率高、成型效果好、操作简单等优点而被广泛采用［1］，然而目前国内滚压铜止水成型机的定型产品还很少，一般都是各施工单位根据工程需求自行设计制造，其最大的缺点就是一套设备只能生产一种特定规格的铜止水带［2～4］。而在实际工程建设中每项工程使用的铜止水规格各不相同，也经常出现一项工程使用多种不同规格铜止水的情况，就只能给每种规格的铜止水购置一台相应规格的铜止水成型机，待工程铜止水生产完成之后，该设备就失去了使用价值，致使施工成本居高不下。

针对这些问题，本研究以长河坝水电站W型铜止水带的制作为依托，研发了一种可调式滚压铜止水成型机，其开发主要存在以下难点:

(1)在一台设备上实现多种规格铜止水的成型比较困难，没有先例可供参考;

(2)现有设备的成型速度均无法调节，需开发可变速系统;

(3)铜片在成型过程中易产生共振而跑偏，同时成型结束后剪断装置会对已成型截面造成破坏，都会影响铜止水成型质量。

本研究以可调装置的设计为重点，同时对更为合理的辅助装置进行设计研究，旨在实现一台设备完成多种规格W型(兼顾F型)铜止水的制作，并且工作更加稳定、产品质量更加可靠。

1 可调装置研究与设计

1.1 可调滚轮

1.1.1 设计研究

滚压铜止水成型机一般由机架、卷筒、滚轮、传动机构、剪断装置、电气控制系统6大部分组成，要实现不同规格和形式铜止水的压制成型，可考虑增加一些特殊机构或者改造现有的压制装置。经过对比研究，本设计最终采取改造滚轮的方式，即将传统的固定滚轮改造为可调滚轮。

铜止水的滚压成型由6组可调滚轮(如图1、图2所示)逐步滚压、渐变成型。铜板依次进入第1、2、3、4组可调滚轮完成铜止水“鼻子”渐变成型，再进入第5、6组完成铜止水两侧翼边渐变成型;第1～4组可调滚轮凹、凸圆弧形结构尺寸按等弧长由宽至窄、由低至高的渐变原则进行设计，第5、6组可调滚轮结构尺寸按“鼻子”结构尺寸不变，两侧边轮由0°→30°(或45°→90°)渐变原则进行设计。

图1 可调滚轮设计结构示意

由于针对不同“鼻子”高度铜止水所设计，前3组可调滚轮外轮廓尺寸变化较大，为了减少可调滚轮制造耗材且方便装拆，将可调滚轮分为边模和外轮两大部分，外轮与边模用铰制孔螺栓连接，当要制造其他规格铜止水时，将可调滚轮外轮进行拆除更换即可。

图2 可调滚轮实物

第4组可调滚轮完成对铜止水“鼻子”部位的最后成型，上下可调滚轮分为3部分制作，3部分结构依靠铰制孔螺栓连为一体，当要制造其他规格铜止水时，将可调滚轮中间模(凸鼻模与凹鼻模)进行拆除更换即可。

第5、6组可调滚轮完成铜止水两翼的渐变成型，并对已成型的铜止水“鼻子”进行校正保护，每个滚轮分为左、中、右3部分，中间模为“鼻模”，两侧为“边模”，“鼻模”对前四组渐变成型的铜止水“鼻子”进行校正保护，通过外轮、定位隔套和圆螺母调整固定边模的轴向位置。通过更换不同宽度或形状的外轮、不同尺寸的中间模及不同宽度的定位隔套，可实现不同规格W型及其变形铜止水的滚压成型;拆掉可调滚轮一侧的外轮、边模，采用上述相同方法可实现F型及其变形铜止水的滚压成型。

在铜止水滚压成型过程中，“鼻子”结构保持弧长相等，可确保铜板厚度不变，避免出现铜止水“鼻子”部位在滚压成型过程中被压裂的情况。

1.1.2 结构强度论证

可调滚轮轴是结构的主要受力部件，主要分析该轴在停机状态和工作状态时的受力及变形［5］。一个可调滚轮与轴总质量为117.5 kg，即停机状态时均布载荷q1=1 175 N;工作状态时以紫铜板材为研究对象。图3为停机状态时滚轮轴受力示意。从表1中的滚轮轴受力分析成果可得:滚轮轴结构强度与刚度满足要求。

图3 停机状态时滚轮轴受力示意(单位:mm)

1.2 无级变速传动系统

传统的滚压铜止水成型机的成型速度一般是不能即时调节的，无法满足生产的需要，同时对铜止水的平稳成型也有所影响。为此本设计开发了无级变速传动系统，可连续平稳地即时改变成型速度。

无级变速传动系统主要由变频电机、皮带轮、减速器、链轮、齿轮构成，通过带传动、链传动、齿轮传动实现系统传动，通过电气控制系统中的无极调速装置控制变频电机工作，实现可调式铜止水成型机传动系统的无级调速。无级调速传动系统原理如图4所示。

表1 可调滚轮轴校验计算成果

图4 无级调速传动系统原理示意

选用变频电机型号为YVP112M-7.5，额定功率为7.5 kW，转速为50～1 500 r/min;变频电机与减速器高速轴上皮带轮直径比为280∶125;减速器选用渐开线圆柱齿轮减速器，型号为ZL-250/31.5-Ⅱ，传动比为31.5∶1;链条传动比和齿轮传动比均为1∶1。

当启动变频电机后，通过皮带传动带动减速器，减速器变速后由两条链条同时带动两组下滚轮轴上的主动齿轮，主动齿轮带动上滚轮轴上的从动齿轮转动，同时通过中间齿轮带动其他各组齿轮转动。可调主动滚轮每转输送长度为1.064 5 m，计算可得电机最大和最小转速时铜止水输送速度分别是22.63、0.754 m/min。变频电机在50 Hz以下为恒转矩，不影响成型系统所需力矩，可以在此输送速度范围内稳定工作。

2 辅助装置设计与研究

2.1 液压剪断装置

传统的剪断装置一般位于出料口，对已成型的铜止水截面会造成一定的破坏，影响成型质量。本设计采用了液压剪断的方式，并且将剪断装置置于进料口。

液压剪断装置(如图5所示)由剪断装置和液压传动系统组成。剪断装置包括:剪刀座、下刀片、冲头、上刀片、导轨、剪刀梁等部件，上、下刀片长宽尺寸根据铜止水规格设计，通过螺栓分别将其紧固在冲头和剪刀座上，刀片材质为6CrW2Si。液压传动系统由油箱、滤油器、齿轮泵、单向阀、溢流阀、电动机、电磁换向阀、油缸等附件组成。

图5 液压剪断装置结构示意

操作时，启动电机，油泵开始工作，操作电磁换向阀，使油缸中的活塞带动冲头作下移运动，剪断铜板，变换电磁换向阀方向，使油缸中的活塞带动冲头作上移运动，让上刀片随冲头回到原位。

2.2 导向定位装置

导向定位装置(如图6所示)设置于卷筒与液压剪断装置之间，由压轨、定位块、顶丝、蝶形螺母等组成，通过移动定位块，调节定位块与导向定位装置中心线的距离，对铜板进行对中定位，使铜板的中心与导向定位装置中心线重合，从而控制铜板的中心与可调滚轮成型系统中心重合，通过顶丝调整压轨与导向定位装置平台的间隙，确保不同厚度铜板都能够通过导向定位装置并校平。展开的铜板经过可调卷筒进入导向定位装置进行校正与对中定位，然后进入可调滚轮成型系统完成铜止水滚压成型。

导向定位机构解决了铜板的平整及对中问题，消除了铜板不平整及不对中因素给铜止水成型质量带来的影响。

图6 导向定位装置设计示意

3 生产试验

研制完成的可调式滚压铜止水成型机由液压剪断装置、导向定位装置、成型可调系统、无级调速传动系统、控制系统和机架6大部分组成，如图7所示，能够制作的铜止水规格范围为:高度 h≤90 mm，110 mm≤L≤300 mm，d≥15 mm，铜止水展开宽度 l≤900 mm，铜板厚度 0.8 mm≤t≤1.2 mm。通过现场1 km长铜止水生产试验并经过产品质量检验表明:可调式滚压铜止水成型机成型稳定、操作方便、铜止水成型质量良好，可推广使用。

图7 可调式铜止水成型机结构示意

与传统的成型机相比，新型可调式滚压铜止水成型机具有如下优点:①通过滚轮优化设计实现了一套设备的重复利用;②通过可无级调速的变频电机、减速器、齿轮传动等及电气控制系统来实现无级调速传动，使铜止水鼻尖和两翼平稳成型，保证了铜止水成型质量;③将剪断装置置于进料口，避免了剪断过程中对已成型止水带鼻尖及两翼的破坏，保证了铜止水截面的质量;④由驱动轮组和导向装置组成的导向机构，可根据铜片的实际厚度和宽度实现对小于900 mm不同宽度铜带的调整定位，解决了铜片在成型过程中因产生共振而造成跑偏等影响铜止水成型质量的问题。

4 结语

新型可调式滚压铜止水成型机在工程中的成功应用有效地解决了传统设备制造的铜止水成型质量差、制造设备一次性投入大、铜止水焊接质量差等问题，提高了工作效率，确保了工程质量。在研究与应用过程中所取得的技术成果对混凝土铜止水施工具有借鉴和指导意义，引领混凝土铜止水施工技术发展方向，提升企业在混凝土铜止水防渗施工方面的影响力及竞争力，具有明显的经济效益及社会效益。

［1］彭涛，陈魁芳.十三陵抽水蓄能电站上池混凝土面板的铜止水［J］.水力发电，1996(12):40-42.

［2］黄志康.W型铜止水成型机的研制及其应用［J］.水利水电施工，1996(4):47-48.

［3］李文瑛，宋希宁.滚压式铜止水成型机设计与工程应用［J］.人民长江，2004，35(7):48-49，53.

［4］马玉增，程卫兵，杨新贵.铜止水加工模具的研制与应用［J］.人民长江，2004，35(7):46-47.

［5］孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学［M］.第五版.北京:高度教育出版社，2009.