山区饮水井井管及离心成型机关键技术研究

刘江涛，张春奇，弋景刚，张新彩，孔德刚，袁永伟，李珊珊

(1.河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001；2.河北新清源实业有限公司，河北 保定 071100)

1 引言

党中央、国务院在《关于打赢脱贫攻坚战的决定》中明确提出：“实施农村饮水安全巩固提升工程，全面解决贫困人口饮水安全问题”。解决农村饮水安全问题，是全面建成小康社会，打赢脱贫攻坚战的重要任务。河北省山区面积占全省总面积的62%，部分山区地处贫水带，缺少地表水，地下水源埋深多在500 m以上，地质条件复杂，成井困难，且需特设井管，长期困扰山区农村群众安全饮水。

2 预应力钢筋混凝土井管

预应力钢筋混凝土井管由无焊缝异形管箍、钢筋、外包混凝土组成。该管箍直接轧制成型，无焊接质量问题。同时，预应力钢筋混凝土井管内裹预应力高强钢筋，抗拉强度高，解决了因不同地区不同地层而特设井管的问题，成井深度可达600 m，实际成型图如图1所示。

图1 实际成型

3 离心成型机关键技术

预应力钢筋混凝土井管由管体模具同轴自振变频离心成型机带动管体模具高速旋转离心成型。该机主动离心成型机头、管体模具、从动离心成型机头长距离同轴，液压支护装置支护管体模具，解决了井管生产的偏心难题，如图2所示；可生产长1～18 m、采用无焊缝异形管箍的预应力钢筋混凝土井管，解决了因不同地区不同地层而特设井管的难题，实测合格率大于99.8%，成井深度可达600 m；管体模具两端设置独立式弹性夹具，更换方便，密封效果好，解决了跑浆难题，改善了井管生产环境；电控变频调速与自振轮自振提高井管成型速度、密实度，生产率：8根/h，提高了2倍。

1. 控制柜 2.液压控制系统 3.主动离心成型机头4.液压支护装置 5.从主动离心成型机头6.电机

图2管体模具同轴自振变频离心成型机

3.1 主动离心成型机头

主动离心成型机头(传动装置)主要有电机、减速齿轮、传动轴、圆锥型斜面卡具、自振轮、弹性夹具等组成，如图3所示。

1.弹性夹具 2.自振轮 3.圆锥型斜面卡具 4.传动轴 5.减速齿轮 6.电机

图3主动离心成型机头

工作时，主动离心成型机头转速最高约550 r/min，电机选用四级三相交流电机，采用分段变频调速。离心成型阶段经历快速启动、变速、停止3个阶段，生产效率高；同时管体模具、主动离心成型机头、从动离心成型机头转动惯量较大，采用减速机构减速。

3.2 从动离心成型机头

从动离心成型机头(顶压装置)主要有顶压油缸、圆锥型斜面卡具、自振轮、弹性夹具等组成，如图4所示。

1.弹性夹具 2.自振轮 3.圆锥型斜面卡具 4.顶压油缸

图4从动离心成型机头

工作前，顶压油缸推动圆锥型斜面卡具伸出，压缩弹性夹具密封管体模具两端，同时使管体模具与两端夹具产生挤压力，以便于离心转动时产生摩擦力，传递转矩。工作时，从动离心成型机头由主动离心成型机头带动旋转。

3.3 液压支护装置

液压支护装置由底座、支护轮、支撑架、液压缸等组成，如图5所示。

1.底座 2.支护轮 3.支撑架4.液压缸

图5液压支护装置

液压控制系统控制液压缸活塞杆伸缩，支护轮支护管体模具，并抱紧，当管体模具转动时，支护轮跟随管体模具转动。该装置可有效地防止离心成型时管体模具上下跳动、损伤管体模具，解决了井管生产的偏心难题，可生产长1～18m的井管，同时，噪音低，运转平稳，提高了管体模具和离心成型机寿命。

3.4 液压控制系统

液压控制系统控制顶压油缸使从动离心成型机头的圆锥型斜面卡具伸出，弹性夹具密封管体模具。该液压控制系统具有自动顶压功能，启动后如果圆锥型斜面卡具压力降低时，液压控制系统自动启动加压。液压控制系统MATLAB仿真结果如图6所示。

图6 Bode图

由图6可知，该系统相稳定裕度和模稳定裕度均满足系统要求，液压控制系统既快又稳。

4 结语

管体模具同轴自振变频离心成型机主动离心成型机头、管体模具、从动离心成型机头长距离同轴，液压支护装置支护管体模具，解决了井管生产的偏心难题，生产的预应力钢筋混凝土井管解决了因不同地区不同地层而特设井管的难题。