第一篇：地鐵預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)軌枕鋼模的設(shè)計(jì)論文

摘要:通過對(duì)國內(nèi)常用的地鐵預(yù)應(yīng)力混凝土長(zhǎng)軌枕鋼模型的結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合鄭州地鐵2號(hào)線的技術(shù)要求和公司多年來生產(chǎn)普通預(yù)應(yīng)力軌枕和高速岔枕的成功經(jīng)驗(yàn)，研制成功并應(yīng)用了新的鋼模結(jié)構(gòu)、氣囊式橫孔成孔器、橡膠復(fù)合鐵擋板等工藝配件，解決了地鐵長(zhǎng)枕尺寸精度差、橫孔周圍和端部蜂窩麻面嚴(yán)重的現(xiàn)象，使地鐵長(zhǎng)枕尺寸精度和外觀上都了一個(gè)檔次，順利通過了鐵總質(zhì)檢中心的型式試驗(yàn)和業(yè)主的進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收。

關(guān)鍵詞:地鐵長(zhǎng)枕;鋼模;工裝;研制

1研究背景

地鐵預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)軌枕(以下簡(jiǎn)稱地鐵長(zhǎng)枕)，作為地鐵線路常用的基礎(chǔ)部件，隨著地鐵建設(shè)里程的快速延長(zhǎng)，需求量也日益增多，但目前在流水機(jī)組法地鐵長(zhǎng)枕的生產(chǎn)過程中，普遍存在套管位置精度超標(biāo)、坡度不合格、外觀質(zhì)量差，特別是橫孔周圍和端部因?yàn)槊芊獠粐?yán)漏漿造成的外觀質(zhì)量差，有時(shí)甚至發(fā)生被施工單位退貨的情況，影響地鐵線路的正常施工。我公司有幸中標(biāo)了鄭州地鐵2號(hào)線的地鐵長(zhǎng)枕、短軌枕和岔枕的供應(yīng)。由于地鐵和大鐵的業(yè)主不同，所以對(duì)產(chǎn)品要求的理解也不盡相同，地鐵相對(duì)于大鐵對(duì)于產(chǎn)品的外形尺寸的要求基本相同，但外觀要求更為嚴(yán)格一點(diǎn)。我公司在大鐵普通預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕和高速岔枕鋼模型的基礎(chǔ)上，集各種鋼模型的優(yōu)點(diǎn)，研制出了一種新型地鐵長(zhǎng)枕鋼模型，其主要?jiǎng)?chuàng)新在于:

①使用機(jī)加工的端平板和定位螺栓，保證其塑料套管的位置和承軌面坡度;

②利用橡膠復(fù)合鐵擋板中橡膠的特性對(duì)軌枕端部進(jìn)行密封;

;③利用充氣后橫孔成孔器的膨脹對(duì)鋼模側(cè)孔實(shí)現(xiàn)密封，放氣后成孔器收縮又可順利取出。

通過以上措施的實(shí)施，生產(chǎn)出的地鐵長(zhǎng)枕，外觀基本沒有氣孔，非常漂亮。得到了同行和業(yè)主、監(jiān)理的高度評(píng)價(jià)。研制出的一種橡膠成孔器已經(jīng)申請(qǐng)了國家專利(專利號(hào)ZL201621326772.5)。

2地鐵長(zhǎng)枕的鋼模研制

2．1地鐵長(zhǎng)枕簡(jiǎn)介

地鐵長(zhǎng)枕分2.1米和2.2米兩種型號(hào)，由四根高強(qiáng)度螺旋肋鋼筋、數(shù)道箍筋、4個(gè)塑料套管和C60混凝土組成。塑料套管根據(jù)扣件系統(tǒng)要求設(shè)置在軌枕中心線兩側(cè)，相對(duì)尺寸公差小于±1mm，兩承軌面向內(nèi)設(shè)1∶40的坡度，表面缺陷(氣孔、粘皮、麻面等)的長(zhǎng)度≤10、深度≤5，要求十分嚴(yán)格。

2．2國內(nèi)生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀及存在的問題

目前國內(nèi)生產(chǎn)地鐵長(zhǎng)枕的生產(chǎn)基本上全部采用流水機(jī)組法生產(chǎn)工藝，鋼模為2×5的結(jié)構(gòu)形式，為成本考慮，采用6mm的Q235鋼板拼焊而成，塑料套管直接安裝在上面，鐵擋板與鋼模殼體之間采用大間隙配合，橫孔成孔器采用鋼管加工而成，與鋼模側(cè)孔采用小間隙配合。這種結(jié)構(gòu)的鋼模生產(chǎn)出來的產(chǎn)品存在承軌部位平面度超標(biāo)，套管位置不準(zhǔn)確，外觀蜂窩麻面多等諸多問題。

2．3鋼模及工藝配件的方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過分析，承軌部位套管位置、坡度平面度超差的根本原因，在于鋼模相應(yīng)位置的剛度不足在焊接過程中變形所致，端部和橫孔周圍蜂窩麻面的主要原因在于鋼模和工藝配件之間的縫隙過大，混凝土在振動(dòng)過程漏漿嚴(yán)重造成的。為此，我們分別制定了如下技術(shù)方案并進(jìn)行了深入討論。

2．4方案研究和確定

2．4.1模殼設(shè)計(jì)

模殼提出了如下兩種方案:①沿用國內(nèi)通用的結(jié)構(gòu)形式，采用6mm鋼板拼焊而成，只是在承軌部位使用20mm厚的經(jīng)過機(jī)械加工的鋼板。②基于成本和質(zhì)量的雙重考慮，采用五段折彎模殼焊接成型，承軌部位結(jié)構(gòu)同方案①。方案①的優(yōu)點(diǎn)在于工藝成熟、成本較低，承軌部位尺寸保證率高，但缺點(diǎn)在于焊接和打磨工人技術(shù)參差不齊，難免出現(xiàn)模殼縱向拼焊處坑凹不平，產(chǎn)品在放松應(yīng)力過程中造成掉角掉塊，影響外觀。方案②大大減少了縱向的焊縫長(zhǎng)度，可有效避免方案①出現(xiàn)的問題，但難點(diǎn)在于模殼折彎時(shí)的精度控制。不過經(jīng)過試驗(yàn)，技術(shù)熟練的工人使用數(shù)控彎折機(jī)可以輕松實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。為產(chǎn)品外觀考慮，選擇方案②。

2．4.2套管定位方式的設(shè)計(jì)

套管定位方式有三種方案:①漲套定位，即套管套在圓錐彈簧卡上，利用彈簧卡向外的漲力實(shí)現(xiàn)套管的定位。②橡膠螺栓定位，在灌注混凝土之前把套管旋轉(zhuǎn)固定在鋼模殼體的橡膠螺栓上面。③螺栓定位，也是在灌注混凝土之前，兩人配合，將螺栓穿過鋼模底板的定位套，一人固定螺栓，一人旋轉(zhuǎn)固定套管，將套管固定在鋼模上面。以上三種方案安裝在20mm厚的鋼板上都能保證套管的定位精度，但由于是流水機(jī)組法生產(chǎn)工藝，在放松應(yīng)力時(shí)，軌枕會(huì)相對(duì)于鋼模殼體沿縱向移動(dòng)，所以方案①是行不通的。方案②的缺點(diǎn)在于脫模時(shí)需要通過產(chǎn)品自身重量和橡膠螺栓脫離，如果脫模困難，翻模機(jī)多次起降容易造成產(chǎn)品掉角掉塊。方案③的缺點(diǎn)是施工過程復(fù)雜，需要兩人配合。經(jīng)過試驗(yàn)，單根橡膠螺栓要脫離套管，需要40kg的力量，所以使用方案②在脫模環(huán)節(jié)還有可能存在脫模困難的問題，故最終選擇方案③。

2．4.3鐵擋板的設(shè)計(jì)

通常，軌枕長(zhǎng)模設(shè)計(jì)時(shí)在兩節(jié)軌枕之間預(yù)留40－60mm的間隙，為避免混凝土在澆筑振動(dòng)過程中漏漿，生產(chǎn)過程中使用鐵擋板四周與模殼端部?jī)?nèi)側(cè)進(jìn)行密封。鐵擋板則為中部鉆有通過預(yù)應(yīng)力鋼絲孔的4mm鋼板，地鐵長(zhǎng)枕在脫模后要使用釬子和錘子使鐵擋板與軌枕脫離，清理完畢后，同預(yù)應(yīng)力鋼絲一起放入鋼模，再次利用。經(jīng)過多次反復(fù)，鐵擋板勢(shì)必發(fā)生變形，與鋼模殼體之間產(chǎn)生縫隙，導(dǎo)致混凝土漿體在振動(dòng)過程中外流，端部出現(xiàn)蜂窩麻面。經(jīng)過反復(fù)討論，決定在軌枕與軌枕之間采用全截?cái)嗫蚣予F擋板復(fù)合橡膠的方案進(jìn)行這個(gè)問題的解決，原理是用鐵擋板靠近邊部的部分緊貼軌枕模殼端部形成密封，密封面積大大增大，另外在鐵擋板與模殼接觸的一面復(fù)合上4mm厚的橡膠，利用橡膠的彈性和兩鐵擋板之間橡膠擋板向外的漲力，將鐵擋板緊緊的頂在模殼端部，使鐵擋板與模殼之間沒有一點(diǎn)間隙。

2．4.4成孔器的設(shè)計(jì)

地鐵長(zhǎng)枕鋼模在產(chǎn)品圖紙相應(yīng)位置，或鉆或割加工有分別穿過鋼模主梁、模殼等6塊鋼板的圓孔，生產(chǎn)地鐵長(zhǎng)枕的廠家全部都是在混凝土澆筑前使用鋼管穿入鋼模的圓孔中，這6個(gè)圓孔為了和鋼管配合好，保證在混凝土振動(dòng)過程中不漏漿或少漏漿，都要把配合間隙做的很小，這樣就導(dǎo)致混凝土振動(dòng)完畢后，鋼管拔出困難或者拔不出來，再次穿入時(shí)也很困難的情況。隨著生產(chǎn)的延續(xù)，就不得不把圓孔孔徑擴(kuò)大，導(dǎo)致漏漿，橫孔周圍出現(xiàn)大量的蜂窩麻面，外觀十分難看。我們發(fā)明的充氣氣囊式橡膠棒，和自行車輪胎一樣，但也具有一定強(qiáng)度，在插入橫孔后，將氣充到一定壓力，橡膠棒把鋼模上的孔密封起來，等到混凝土振動(dòng)完畢，將氣放掉，很容易就能把它從鋼模內(nèi)抽出來。即降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，由提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

3地鐵長(zhǎng)枕鋼模的主要技術(shù)特點(diǎn)

(1)使用經(jīng)過機(jī)械加工的端平板和定位螺栓的套塑料套管定位方式，保證了承軌部位的平面度和塑料套管的定位精度;

(2)鐵擋板復(fù)合了橡膠，解決了軌枕因端部漏漿產(chǎn)生的蜂窩麻面;

(3)發(fā)明的充氣式橡膠棒，創(chuàng)新性的解決了地鐵長(zhǎng)枕生產(chǎn)過程中成孔器安裝移出困難，周邊漏漿嚴(yán)重的問題。

4生產(chǎn)工藝和注意事項(xiàng)

使用本鋼模及工藝配件生產(chǎn)地鐵長(zhǎng)枕的生產(chǎn)過程和使用通用地鐵長(zhǎng)枕鋼模的生產(chǎn)工藝基本相同，但應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①安裝鐵擋板前，需要檢查鐵擋板是否變形嚴(yán)重，復(fù)合的橡膠是否與鐵擋板脫離，并在有橡膠的一面涂上脫模劑備用;②鐵擋板安裝時(shí)，把復(fù)合有橡膠的一面朝向模殼;③橡膠棒在班后要充氣存放，使用前要檢查其是否漏氣。如果出現(xiàn)漏氣，則不得使用。

5結(jié)論

通過新型地鐵長(zhǎng)枕鋼模的成果研制，實(shí)現(xiàn)了塑料套管的精確定位，鐵擋板與模殼端部及橡膠棒與橫孔的良好密封，完全避免了因?yàn)榛炷谅{原因產(chǎn)生的蜂窩麻面。使用新型鋼模后，不僅產(chǎn)品質(zhì)量得到了有效控制，生產(chǎn)效率明顯提高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低，每套鋼模的生產(chǎn)節(jié)奏從8分鐘縮短到了5分鐘。生產(chǎn)出的產(chǎn)品得到了業(yè)主、監(jiān)理和施工單位的一致好評(píng)，使地鐵長(zhǎng)枕的產(chǎn)品質(zhì)量邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。經(jīng)過相關(guān)單位的廣為宣揚(yáng)，許多兄弟廠家到我公司進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)，此技術(shù)現(xiàn)已被廣泛使用。

參考文獻(xiàn)

［1］中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司．02100－S－GD－04－01鄭州市軌道交通2號(hào)線整體道床軌枕［S］．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB/T2190－2013混凝土軌枕［S］．

［3］周光輝，李建設(shè)，常盼陽．一種充氣型地鐵枕模型:中國，ZL201621326772.5［P］．

作者：楊陽 單位：汝州鄭鐵三佳水泥制品有限公司

第二篇：模電設(shè)計(jì)論文

一、.設(shè)計(jì)方案：

音頻功率放大器要求：

輸入信號(hào)為50mv，50~15KHz的音頻信號(hào)，負(fù)載為8Ω揚(yáng)聲器的情況下，輸出Pom≥5W。

本方案分兩級(jí)設(shè)計(jì)，第一級(jí)采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的比例放大器做為激勵(lì)，主要完成對(duì)小信號(hào)的放大。要求放大倍數(shù)大，輸出阻抗低，頻帶寬度寬，噪音低。第二級(jí)采用雙電源的OCL電路做為功放輸出級(jí)，功率放大器決定了整機(jī)的輸出功率、非線性失真系數(shù)等指標(biāo)，要求效率高、失真盡可能小、輸出功率大。

二、.各部分電路分析：

1、電源部分

由于設(shè)計(jì)要求Pom為(VCC?UCES)

2om?5W，根據(jù)P2RL（其中RL

為8Ω，UCES一般取3V以上），所以有：

即VCC?12V

本方案選用了±15V的VCC電壓。

2．功放部分：

由兩部分構(gòu)成，前級(jí)采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的比例放大電路，對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行電壓放大，輸出級(jí)采用OCL互補(bǔ)輸出結(jié)構(gòu)的功率放大電路，對(duì)經(jīng)過前級(jí)放大的信號(hào)進(jìn)行功率放大。

晶體管Q1～Q4組成復(fù)合式晶體管互補(bǔ)對(duì)稱電路。Q1、Q2為相同類型的NPN管，組成復(fù)合式的NPN管；Q3、Q4為不同類型的晶體管，組成復(fù)合式的PNP管，用于多級(jí)放大。

1.對(duì)于集成運(yùn)放電壓放大倍數(shù)的選?。?/p>

放大倍數(shù)決定于R9、R10和R11的選取。由公式 VCC?UCES?2Pom?RL

A?1?(R11?R10)R9

決定。

mV，其放輸入為有效值為50mV的信號(hào)，其峰-峰值為22?50mV?1

41大后的峰-峰值不能超過正負(fù)電壓差值，即： V，22?50mV?Au?30

所以，放大倍數(shù)不得大于213。

Urms輸出功率要不小于5W，因?yàn)閃?，所以 8RL

2UOPP?RLW?22?17.9V 決定了運(yùn)放的輸出電壓需不小于17.9V

22?50mV?127

接入電位器R11以便于對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)，電路中放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)68K68K?200K范圍為（1?，1?），即69≤Au≤269。1K1K

選取集成運(yùn)放時(shí)，GBW需不小于Au??f?127?15k?2MHz

本方案選用NE5534，其GBW為10MHz，足以滿足要求。

2.OCL兩功率管的選?。?/p>

功率放大管的選擇決定于管子的極間反向擊穿電壓，集電極最大電流與集電極最大功耗。

1)極間反向擊穿電壓UCBO=2VCC=30V。

2)集電極最大電流ICmax?IEmax(VCC?UCES)?，考慮留有一定余地，RL

VCCI?一般取CmaxL，即所選功放管ICmax應(yīng)大于1.5A。

3)集電極最大耗散功率PCM?

因此選擇的功放管應(yīng)滿足：

1.UCBO>30V；

2.ICM>1.5A；

3.PCM>1W； 2Pom2?0.2Pom?1W

本方案選用TIP41C，它的UCBO=100V，ICM=6A，PCM=65W。足已滿足要求。采用復(fù)合管可以保證一定的放大倍數(shù)更重要的是可以使用兩個(gè)相同的功放管，以使兩管參數(shù)更為一致。

3.用于消除交越失真的偏置電路：

R1、R15、R5和二極管D1、D2組成的支路是兩對(duì)符合管的偏置電路，用于消除交越失真，設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，使兩個(gè)晶體管均工作在臨界導(dǎo)通狀態(tài)或微導(dǎo)通狀態(tài)。UAB＝URp3＋UD1＋UD2，各大于Q1、Q3發(fā)射結(jié)開啟電壓之和，有微小電

流通過，靜態(tài)調(diào)節(jié)R5，使

UR6?IE1R6??IBR6?0.7V（1）

Q2也臨界導(dǎo)通。由于IE1?IE2，R6?R12，所以Q4也臨界導(dǎo)通。Q1、Q3Q4提供激勵(lì)電流，為Q2、這個(gè)電流不需要太大，Q1、Q3只需一般的8050和8850就可以了。但這對(duì)管的?值一定要接近。本人選到一對(duì)?都等于234的管。本方案試取R6、R12=220Ω。根據(jù)（1）式可得IB1?IB2?0.136mA。因?yàn)榱鬟^二極管D1、D2的電流遠(yuǎn)大于IB1、IB2，可認(rèn)為大一個(gè)數(shù)量級(jí)，即ID1?ID2?10IB1?1.36mA。由此可確定R1?R15?R5?2VCC?UD1?UD2。ID

1UD2取決于二極管的材質(zhì)，其中UD1、硅管為0.7V，鍺管為0.2V。這里要與8050

和8550的材質(zhì)一樣，才能做靜態(tài)偏置電壓。而8050和8550都是硅管，所以二極管選用硅管N4148。這樣可計(jì)算出R1?R15?R5?21K。其中R5用于調(diào)整復(fù)合管的微導(dǎo)通狀態(tài)，調(diào)節(jié)范圍不需太大，幾百歐或1KΩ的電位器，由此可確定R1?R15?10K。焊接電路應(yīng)使R5＝0，在調(diào)整輸出級(jí)靜態(tài)工作電流或輸出波形的交越失真時(shí)再逐漸增大阻值。

Rp1控制音量調(diào)節(jié)取47KΩ，以保證功放的輸入阻抗大于前級(jí)的輸出阻抗；因?yàn)閁i＝0時(shí)要求Uo≈0，所以Rp1須接地。

R2、R7用于減小復(fù)合管的穿透電流，提高電路的穩(wěn)定性，一般為幾十至幾百歐。本方案取100Ω。R8、R13為負(fù)反饋電阻，可改善功放的性能，并能觀測(cè)功放管的靜態(tài)電流，但不宜太大。一般為幾歐。本方案取0.5Ω。因?yàn)槟┘?jí)電流較大，所以此電阻應(yīng)用大功率水泥電阻。

電容C1起隔直作用，只有很小時(shí)，在交流通路中才可視為短路，所以取值：C1＝10μF。

實(shí)驗(yàn)證明，?VCC大電壓輸入會(huì)對(duì)輸入小信號(hào)造成很嚴(yán)重的干擾，所以應(yīng)在?VCC輸入端各接一個(gè)100μF電解電容和一個(gè)0.1μF瓷片電容，用于電源的去耦。

三．個(gè)人心得

剛開始做一個(gè)電路板，首先要接觸的就是protel這個(gè)軟件。因?yàn)樾枰@個(gè)軟件來進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)以及pcb圖的繪制。當(dāng)我們拿到這次課程設(shè)計(jì)的要求后，我就馬上著手準(zhǔn)備設(shè)計(jì)所需要的電路，由于自己之前沒有接觸過protel這個(gè)軟件，所以在開始那段時(shí)間很是糾結(jié)，后來在請(qǐng)教了一些學(xué)長(zhǎng)以及上網(wǎng)找到了一

些視頻教程之后有所進(jìn)展，根據(jù)設(shè)計(jì)要求把原理圖畫出來了。這只是一小步，當(dāng)我開始要封裝，還有布線的時(shí)候，才發(fā)現(xiàn)原來這個(gè)才是最有難度的。在參考了很多學(xué)長(zhǎng)的資料后，我自己一點(diǎn)進(jìn)展都沒有。不管怎樣布線，最后還是會(huì)交叉重疊，出現(xiàn)錯(cuò)誤。眼看時(shí)間有點(diǎn)緊了，所以就決定舍棄自己布線的念頭。于是我就把學(xué)長(zhǎng)們的PCB圖進(jìn)行修改。這個(gè)修改主要有兩方面：一是由于我們班買的散熱器比學(xué)長(zhǎng)們?cè)O(shè)計(jì)的大，所以在PCB圖上放散熱器的空間是不夠的，所以要對(duì)PCB圖進(jìn)行一些移動(dòng)調(diào)整。二是原始的PCB圖的線是布出來了，但是在某些連接以及轉(zhuǎn)角位置有點(diǎn)瑕疵，我也對(duì)它們進(jìn)行了一些修改。就這樣，PCB圖這一步就弄好了。

接下來就是將PCB圖打印出來，這時(shí)候又遇到了一個(gè)問題：就是我在打印預(yù)覽的時(shí)候看到的過孔都是灰色的，以及過孔的孔沒有顯示出來。于是自己就上網(wǎng)去找了一些資料了解了一下，但是網(wǎng)上的資料有點(diǎn)不全，沒能把這個(gè)問題解決。后來我就在打印預(yù)覽頁面每個(gè)功能選項(xiàng)都看了一遍。后來發(fā)現(xiàn)問題出在打印頁面的屬性設(shè)置，要把屬性“顯示孔”“黑色&白色”選上，還有把“multilayer”圖層移到第一位。這樣的設(shè)置就沒問題了。

當(dāng)PCB圖打印出來之后，印版腐蝕焊接方面就沒什么問題了，最后一次測(cè)試通過。

第三篇：復(fù)合材料制件鋼模設(shè)計(jì)制造方法研究

復(fù)合材料制件鋼模設(shè)計(jì)制造方法研究

作者：龔強(qiáng)、吳茜

作者簡(jiǎn)介：中航工業(yè)洪都公司

摘要：目前國外的航空領(lǐng)域，特別是四代機(jī)均采用復(fù)合材料作為飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料以及整體化設(shè)計(jì)技術(shù)。先進(jìn)復(fù)合材料具有重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性好以及便于大面積整體成形等優(yōu)點(diǎn)，在同等結(jié)構(gòu)情況下比金屬結(jié)構(gòu)節(jié)省重量可高達(dá)40%，大大提高了燃油效率，改善了飛機(jī)整體性能。伴隨復(fù)合材料制件的應(yīng)用，復(fù)合材料模具的設(shè)計(jì)制造也體現(xiàn)的非常重要，而公務(wù)機(jī)零部件尺寸較小，采用鋼結(jié)構(gòu)金屬模具具有造價(jià)低，加工周期短，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，本文就公司試驗(yàn)機(jī)新制模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)相關(guān)方法進(jìn)行分析和研究，對(duì)工程實(shí)踐具有一定意義。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料模具；設(shè)計(jì)制造；脫模；結(jié)構(gòu)。引言

在航空工業(yè)中，隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用和復(fù)合材料制件技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的模具設(shè)計(jì)制造也顯得相當(dāng)重要，就選材來言，復(fù)合材料模具需考慮的因素有：傳熱性，熱膨脹系數(shù)、費(fèi)用、制造周期等，就公司目前新制零件所需模具，考慮到周期、費(fèi)用等原因最后選用鋼制金屬模具，鋼制金屬模具費(fèi)用低，加工周期短、使用壽命長(zhǎng)，雖然其熱膨脹系數(shù)與碳纖維復(fù)合材料稍有差異，但這次大部分零件尺寸較小，個(gè)別大尺寸零件其外形由于在裝配時(shí)需留裝配余量，使用鋼制模也可以滿足精度要求。模具設(shè)計(jì)考慮的因素

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

1.1.1 鋼的密度較大，可達(dá)到7.85g/cm，用金屬鋼做復(fù)合材料制件模具在質(zhì)量方面都會(huì)比較

3重，導(dǎo)致運(yùn)輸不便，操作困難，所以模具其支撐結(jié)構(gòu)必須考慮合理的框架結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)一般采用鋼結(jié)構(gòu)的型材，用中間均勻掏空的方式來固定型面結(jié)構(gòu)，這樣會(huì)有較好的熱傳導(dǎo)性，也會(huì)大大減重，節(jié)約成本，如圖1。

圖1 支撐框架結(jié)構(gòu)

1.1.2 在采用以上支撐框架結(jié)構(gòu)的情況下還需注意： 1）接縫要滿焊焊死；

2）做好框架后要消除應(yīng)力；

3）為了防銹劑美觀支撐結(jié)構(gòu)需噴鋁色耐高溫漆。

1.2 脫模性

1.2.1脫模性是在設(shè)計(jì)模具中考慮的關(guān)鍵因素之一，如果設(shè)計(jì)不合理制造出零件無法正常脫模，不僅會(huì)影響工作生產(chǎn)進(jìn)度，也會(huì)造成模具返修，對(duì)成本進(jìn)度等帶來影響。脫模性設(shè)計(jì)不合理有兩種情況：

1）設(shè)計(jì)缺陷，本身有負(fù)角的地方設(shè)計(jì)為整體模，導(dǎo)致負(fù)角把零件卡死，無法脫模，如在這次試驗(yàn)機(jī)制件中，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙下壁板唇口位置，通過數(shù)模投影是一個(gè)負(fù)角（見圖2），但是模具設(shè)計(jì)成整體模，最后導(dǎo)致無法脫模，最終只能破壞零件，影響了生產(chǎn)進(jìn)度也造成了浪費(fèi)時(shí)間。合理的設(shè)計(jì)為在負(fù)角處沿軸線切開成組合模（見圖3）。

圖2 負(fù)角影響脫模

圖3 合理設(shè)計(jì)

2）設(shè)計(jì)不合理，有些模具雖然沒有負(fù)角，但是由于制件較大且型面復(fù)雜也會(huì)導(dǎo)致不好脫模，如試驗(yàn)機(jī)制件中的主起落架艙左右模具（見圖4）都存在這樣的問題，該零件雖然最后脫模，但是脫模難度大，花費(fèi)時(shí)間久。合理設(shè)計(jì)是在模具底部開1-2個(gè)壓縮空氣口，用橡皮銷子插

上，密封好，脫模的時(shí)候打開把壓縮空氣嘴插進(jìn)去吹起制件。

圖4模具

1.2.2 對(duì)于復(fù)雜零件，合理的組合模，會(huì)大大降低脫模的難度，如試驗(yàn)機(jī)制件中進(jìn)氣口蓋（如圖5），該零件型面復(fù)雜，必須采用多組合模的方式才能對(duì)其進(jìn)行很好的脫模，該模具設(shè)計(jì)為三塊組合模形式，先將橙色模塊從端口拔出，然后零件和紅色模塊整體從上脫出，然后把紅色模塊拔出，具體組合形式詳見圖6,7。這次就是通過與外協(xié)方很好的溝通，協(xié)助設(shè)計(jì)，定出最佳的設(shè)計(jì)方案才保證了制件的脫模。

1.2.3 組合模在日常模具設(shè)計(jì)中比較常見且應(yīng)用廣泛，但是由于復(fù)合材料模具對(duì)氣密有著嚴(yán)格的要求，所以在設(shè)計(jì)組合模考慮脫模性的同時(shí)還必須保證氣密性，設(shè)計(jì)過程中往往采用整體底座的形式來保證組合模的氣密性，如進(jìn)氣口蓋模具的藍(lán)色整體底座，在該底座上制袋，就可以保證良好的氣密。

圖5進(jìn)氣口蓋

圖6進(jìn)氣口蓋模具

圖7進(jìn)氣口蓋模具組合形式

1.3 合模

合模在模具設(shè)計(jì)中也是很重要的，合理的合模可以方便工裝的管理，也可以降低模具制造的成本，多個(gè)小零件模具合模還可以提高整體的模具剛度。如試驗(yàn)機(jī)制件的行李艙后上壁板左下角材、行李艙后上壁板右下角材及行李艙前壁板下支撐角材，三個(gè)零件合模（如圖8），大大的降低了模具制造的成本，也便于模具的管理。圖8

圖8合模圖

1.4 人性化

1.4.1 作為模具設(shè)計(jì)，制造出可以加工滿足要求的制件是不夠的，還需考慮工人師傅的可操作性以及安全性。

1.4.2 在較小的模具四周或兩側(cè)設(shè)計(jì)手柄，方便工人師傅移動(dòng)模具，而且手柄要先平角后有一段上翹的角度，這樣要把模具放置在空心的架車上項(xiàng)通過手柄末端放置的話，不容易讓工人的手受傷，如圖9。

圖9 1.4.3 在框架模具配備叉車孔位（插孔要用矩形管，以不影響框架整體結(jié)構(gòu)）以及20kg以上非框架結(jié)構(gòu)的模具配吊環(huán)，方便質(zhì)量較大模具的移動(dòng)。

1.4.4 有一些組合模塊，模塊較重，工人師傅在拆模塊的時(shí)候不方便抬舉，很容易失手砸腳造成安全事故，如試驗(yàn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙上罩壁板唇口處組合模（見圖10）外形光滑，質(zhì)量較大，極其容易在分離主模的時(shí)候不慎砸腳。合理的設(shè)計(jì)為在唇口組合模型面上攻絲，拆分時(shí)擰一手柄，制件時(shí)把手柄拆除。圖10

圖10 組合模塊

1.4.5 由于一些組合模是通過很多標(biāo)準(zhǔn)件及插銷等連接的，這些標(biāo)準(zhǔn)件及插銷在工人操作過

程中易丟失，配備一工具小盒放置，可以避免丟失現(xiàn)象。

1.5 可檢測(cè)性

在模具設(shè)計(jì)中，模具長(zhǎng)期使用難免會(huì)有變形，為了便于檢測(cè)模具變形，在模具三個(gè)角落刻出相對(duì)于零件的坐標(biāo)系，以便于模具型面的檢測(cè)。如圖11。

圖11 1.6 機(jī)加性

在金屬模具設(shè)計(jì)過程中，要考慮設(shè)計(jì)的模具的機(jī)加性，根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備，是否可以加工出所設(shè)計(jì)的模具，即使可以加工出來，也要考慮機(jī)加的成本及周期，如果機(jī)加難度大、成本高，周期長(zhǎng)，可以考慮采用組合模的方式，使加工簡(jiǎn)便，也可以考慮把陰模改成陽模等。模具制造考慮的因素

2.1 機(jī)加精度

為了保證零件的精度，首先要保證模具精度，而金屬模具的精度是依靠數(shù)控設(shè)備保證的，必須采用滿足精度的數(shù)控設(shè)備才可以加工出合格的模具，試驗(yàn)機(jī)模具要求機(jī)加精度為0.1mm。

2.2 原材料選擇

2.2.1 鋼制模具可采用鑄件銑切加工，鑄件需先設(shè)計(jì)木模，制造木模鑄出鑄件，然后用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行機(jī)加，這樣鑄件體積大，鑄造周期長(zhǎng)，且內(nèi)部質(zhì)量不佳，砂眼等會(huì)使模具表面質(zhì)量粗糙，更有可能會(huì)發(fā)生漏氣現(xiàn)象，不建議采用。2.2.2 鋼制模具也可以用板材焊接后加工，板材焊接即將板材彎曲成模具大致的型面滿焊焊接起來，然后用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行機(jī)加，板材制造的模具周期短、體積小，熱分布好，表面質(zhì)量好，且費(fèi)用低。小的制件不需焊接直接整體板材機(jī)加即可滿足，大型模具需幾塊板材

滿焊后進(jìn)行機(jī)加，焊接的板材模具需進(jìn)行嚴(yán)格的氣密試驗(yàn)來保證模具整體的氣密性，建議采用。試驗(yàn)機(jī)模具都是選用該形式的金屬模具。

2.3 氣密檢測(cè)

對(duì)于鑄件機(jī)加模具和板材焊接機(jī)加模具需進(jìn)行嚴(yán)格的氣密試驗(yàn)，氣密試驗(yàn)的方法是鋪一層玻璃鋼預(yù)浸料，制袋抽真空進(jìn)固化爐加熱固化，固化后玻璃鋼制件上有發(fā)黃的區(qū)域該區(qū)域可能存在氣密問題。

結(jié)束語

本文通過試驗(yàn)機(jī)制件過程中總結(jié)出模具設(shè)計(jì)制造需要考慮的六大因素1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，2）脫模性，3）合模，4）人性化，5）可檢測(cè)性，6）機(jī)加性，分別用圖片、文字，實(shí)例說明了各項(xiàng)因素的重要性及改進(jìn)合理的方法，制造需要考慮的三大要素1）機(jī)床精度，2）原材料選擇，3）氣密檢測(cè)。本文內(nèi)容是生產(chǎn)過程中不斷總結(jié)積累出來的，希望對(duì)以后的生產(chǎn)實(shí)踐有所幫助。

參考文獻(xiàn)

第四篇：預(yù)應(yīng)力鋼柑網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)屋蓋的設(shè)計(jì)與施工

預(yù)應(yīng)力鋼柑網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)屋蓋的設(shè)計(jì)與施工

南京體院體育館平面呈橢圓形,長(zhǎng)短軸尺寸為86m×62m,館內(nèi)大廳凈高15m,總建筑面積8780m2,屋面面積約4547m2(圖6-6-1)。屋蓋采用預(yù)應(yīng)力鋼析網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)體系,主桁架2/3外露屋面,體現(xiàn)了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)技術(shù)與建筑藝術(shù)有機(jī)結(jié)合的風(fēng)格。

第1章

屋蓋結(jié)構(gòu)體系選型

根據(jù)建筑環(huán)境特點(diǎn),為配合建筑造型的需要,經(jīng)多因素綜合分析比較,選用“桁-網(wǎng)架“組合結(jié)構(gòu)體系屋蓋方案,將屋蓋平面沿長(zhǎng)軸方向用2榀桁架分成約三等分,并用寬6m,高6.6m,跨度64.68m的空間三角形鋼管桁架,鉸支于8根直徑1.4m的獨(dú)立鋼筋混凝土圓柱頂(圖6-6-2)。由于鉸支大跨桁架跨中桿件內(nèi)力較大,為改善桁架桿件受力分布不合理性和增強(qiáng)桁架剛度,結(jié)合建筑造型,在結(jié)構(gòu)方案上將桁架每端外伸6.5m,并在桁架兩端每角點(diǎn)各斜拉1道預(yù)應(yīng)力筋束,即桁架體外施加預(yù)應(yīng)力(圖6-6-3)。根據(jù)不同施工荷載階段分階段外張預(yù)應(yīng)力,以抵抗桁架各荷載狀態(tài)下產(chǎn)生的部分撓度,改善桁架受力性能,充分利用各桿件鋼管鋼材的強(qiáng)度。在桁架下弦節(jié)點(diǎn)之間和外圍柱頂間,擱置2.3m高正放四角錐平板片式網(wǎng)架,平板片式網(wǎng)架最大跨度24m。由于桁架的設(shè)置,大大減小了屋蓋網(wǎng)架的有效跨度,為大面積應(yīng)用螺栓球節(jié)點(diǎn)平板網(wǎng)架提供了方便。采用預(yù)應(yīng)力“桁-網(wǎng)架”組合結(jié)構(gòu)體系,在結(jié)構(gòu)上發(fā)揮了主次結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn);桁架2/3高度外露屋面,降低了建筑物高度,滿足了規(guī)劃要求,協(xié)調(diào)了建筑環(huán)境,并可減小建筑體積,節(jié)省能耗,為聲學(xué)處理帶來方便。

第2章

屋蓋體系構(gòu)造

預(yù)應(yīng)力“桁-網(wǎng)架”組合結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計(jì),關(guān)鍵在預(yù)應(yīng)力空間三角形鋼管桁架;桁架的關(guān)鍵是體外預(yù)應(yīng)力能否在桁架各桿件中有效建立;而預(yù)應(yīng)力有效建立的關(guān)鍵又是桁架支座的性能。設(shè)計(jì)中指架支座采用雙面弧形壓力支座,其作法是在支座板和柱頂間設(shè)l塊上下均為弧形的鑄鋼塊,在鑄鋼塊兩側(cè),支座板與柱頂板上分別焊2塊梯形鋼板,用螺栓將三者連系在一起,這樣桁架支座節(jié)點(diǎn)即可繞螺栓沿鑄鋼塊上下弧面作一定的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)(圖6-6-4)。

桁架設(shè)計(jì)的另一關(guān)鍵是桁架的節(jié)點(diǎn),計(jì)算結(jié)果表明,桁架桿件最大拉力約2500kN,最大壓力約1600kN,最大管材截面為Ф450×25,按傳統(tǒng)空心球節(jié)點(diǎn)做法,空心球直徑達(dá)l.2m以上,而目前國內(nèi)空心球模具只能加工800mm球。另據(jù)統(tǒng)計(jì),節(jié)點(diǎn)所用鋼材一般占總耗鋼量的20%~35%。取消空心球節(jié)點(diǎn),采用鋼管直接焊接節(jié)點(diǎn),即相貫連接節(jié)點(diǎn),是本次桁架設(shè)計(jì)的一大突破。對(duì)于鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)計(jì)算,現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ17一88)只有平面相貫節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度計(jì)算,對(duì)于空間節(jié)點(diǎn)尚無完備資料。進(jìn)行空間相貫節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn),無論在技術(shù)上、經(jīng)費(fèi)上、時(shí)間上都有一定難度。為保證桁架相貫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)安全可靠,將空間受力分解為平面受力,參照平面相貫節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度計(jì)算,并適當(dāng)增加相貫節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的安全儲(chǔ)備,對(duì)受力較大的重要節(jié)點(diǎn)的主管采取了加強(qiáng)措施(圖6-6-5)。

原設(shè)計(jì)考慮將平板網(wǎng)架懸掛在桁架下弦,后從美國肯薩斯州體育館屋面倒塌事例中了解到拉力支座采用高強(qiáng)螺栓抗疲勞性能差,為此,本次設(shè)計(jì)將平板網(wǎng)架拉力支座改為壓力支座。由于網(wǎng)架一端擱置于桁架下弦節(jié)點(diǎn)上,另一端擱置在外圍鋼筋混凝土圓柱上,受荷后將架跨中各點(diǎn)撓度不一,平板網(wǎng)架必然產(chǎn)生次生內(nèi)力,使設(shè)計(jì)、計(jì)算分析復(fù)雜化,故采用平板片式網(wǎng)架,鉸支桁架下弦節(jié)點(diǎn)在圓柱上,解決了平板網(wǎng)架由于支座變位產(chǎn)生次生內(nèi)力的問題。為了使平板片式網(wǎng)架支座接近鉸接,網(wǎng)架支座采用板式橡膠支座。

體外預(yù)應(yīng)力筋采用無粘結(jié)Фj15鋼絞線,每束7根?？紤]到斜拉索在長(zhǎng)期荷載作用下的松弛影響,斜拉索張拉控制應(yīng)力σcon=0.35,?ptk=550N/mm2;考慮到斜拉索的更換,桁架端部每角點(diǎn)斜拉索雙束設(shè)置。固定端采用QMl5P擠壓套,張拉端為QMl5-7群錨。保護(hù)套采用薄壁無縫鋼管,425普通硅酸鹽水泥摻U型膨脹劑灌漿。

第3章

屋蓋結(jié)構(gòu)計(jì)算

由于桁架按不同施工荷載分階段外張預(yù)應(yīng)力,故桁架荷載工況較多。為簡(jiǎn)化分析,先求單位力作用下的桿件內(nèi)力,然后分階段組合,選擇最不利桿件內(nèi)力,配置鋼管截面。并分別作出端部加單位力的內(nèi)力圖和下弦節(jié)點(diǎn)加單位力的內(nèi)力圖。各種荷載工況下內(nèi)力組合見表6-6-1。

每種荷載工況下,桿件內(nèi)力Ni=P1N1i+P2N2i。

桁架2/3高度外露屋面,1/3高度在室內(nèi),由于室內(nèi)外溫差對(duì)大跨度桁架存在溫度應(yīng)力問題。為此對(duì)桁架鋼管采取保溫措施,上弦桿采用80mm厚聚氨酶材料保溫,下弦桿及腹桿采用50mm厚聚氨醋保溫。采用保溫措施后,考慮到室內(nèi)工作條件及室內(nèi)外溫度變化,桁架溫度應(yīng)力計(jì)算參數(shù)為:夏季最大溫差△t=10℃,冬季最大溫差△t

=20℃。經(jīng)計(jì)算分析,夏季σ上弦=－14N/mm2,σ下弦=8N/mm2,冬季σ上弦=28N/mm2,σ下弦

=－16N/mm2。

第4章

預(yù)應(yīng)力斜拉索施工

該工程每榀主桁架重88t,利用8根獨(dú)立的支承柱作為基點(diǎn),每根獨(dú)立柱內(nèi)埋4根角鋼組成勁性柱來頂升就位。

第1節(jié)

斜拉索安裝基礎(chǔ)外露部分

斜拉索安裝基礎(chǔ)外露部分斜拉索預(yù)應(yīng)力筋安裝前,必須把預(yù)應(yīng)力筋的保護(hù)套管固定在相應(yīng)的位置。在鋼管腳手上彈出相應(yīng)的位置線,然后把保護(hù)套管上端加焊于桁架下弦桿,其余部位和腳手架臨時(shí)固定(扣件、點(diǎn)焊、綁扎),保留下部一節(jié)大一號(hào)的套管約2.3m,向上套接。然后把預(yù)應(yīng)力筋放盤逐根用人力導(dǎo)入套管中由下向上穿筋,直至預(yù)應(yīng)力筋伸直為止,下部一節(jié)套管復(fù)位,上部安上錨具,穿筋即告結(jié)束。本工程采用的保護(hù)套管為Ф102、厚4.5mm的薄壁鋼管,下部一節(jié)套管為Ф114,厚4.5mm。

第2節(jié)

分階段張拉預(yù)應(yīng)力

該工程采用分次遞增地施加預(yù)應(yīng)力,以抵抗或平衡逐次施工階段的荷載撓度,預(yù)應(yīng)力分3次完成;第1次在主桁架安裝后,每道張拉值為400kN;第2次在網(wǎng)架和屋面板安裝后,每道張拉至760kN;第3次在馬道、吊頂、燈具、風(fēng)管等安裝后,每道張拉至1020kN。由于分次張拉間隔時(shí)間較長(zhǎng),除初次應(yīng)注意觀察預(yù)應(yīng)力筋有無松弛外,對(duì)外露預(yù)應(yīng)力筋的張拉工作長(zhǎng)度和錨具應(yīng)作防銹蝕保護(hù)措施(加套管涂油脂等),以免由于銹蝕而影響下一次張拉與錨固。

每榀主桁架四角配套預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備同時(shí)同步張拉,先拉內(nèi)束,后拉外束,必要時(shí)進(jìn)行一次補(bǔ)張。

第3節(jié)

套管灌漿

最后一次張拉完成后由下而上灌漿,下設(shè)閥門,上設(shè)鐵盒保護(hù)套和泌水孔。壓力灌漿到位后關(guān)閉閥門,卸下灌漿機(jī)頭并在上部泌水孔不斷注漿直到無沉陷凝固為止,最后進(jìn)行鋼套管防銹處理。

第5章

結(jié)語

采用預(yù)應(yīng)力鋼“桁-網(wǎng)架”組合結(jié)構(gòu)屋蓋,在國內(nèi)尚屬首例,它將建筑藝術(shù)與結(jié)構(gòu)技術(shù)相結(jié)合,推動(dòng)了我國大跨度結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展。

采用勁性柱頂升法施工工藝安裝桁架和螺栓球拼接片式網(wǎng)架,可方便施工,節(jié)省人力物力,且工藝簡(jiǎn)單,工期短,質(zhì)量好。

桁架經(jīng)足尺載荷試驗(yàn)和夏季、冬季考驗(yàn),證明體外施加預(yù)應(yīng)力方法成功,相貫連接節(jié)點(diǎn)安全,桁架受力合理均勻,并節(jié)省了鋼材,達(dá)到預(yù)期效果。

第五篇：水電工程設(shè)計(jì)論文：某水電站工程壓力鋼管及鋼岔管設(shè)計(jì)

水電工程設(shè)計(jì)論文：

某水電站工程壓力鋼管及鋼岔管設(shè)計(jì)

【摘 要】根據(jù)某水電站工程的工程規(guī)模和特點(diǎn)、結(jié)合主要的設(shè)計(jì)計(jì)算研究壓力鋼管和鋼岔管的布置設(shè)計(jì),使其結(jié)構(gòu)布置安全、合理、經(jīng)濟(jì),滿足運(yùn)行要求。

【關(guān)鍵詞】某水電站;壓力鋼管;設(shè)計(jì)

1.工程概況從調(diào)壓井后直接壓力管道。壓力管道內(nèi)徑4.6m,主管全長(zhǎng)804.473m,由上平洞段、上下轉(zhuǎn)彎段、斜井段和下平洞段組成,上下轉(zhuǎn)彎段轉(zhuǎn)彎半徑為15m,考慮施工方便,斜井段坡度1:0.8391。上平洞段長(zhǎng)10.0m,斷面中心點(diǎn)高程1812.700m;上彎段長(zhǎng)度為13.09m,斷面中心點(diǎn)高程1812.700m~1807.342m;斜井段長(zhǎng)度為277.304m,斷面中心點(diǎn)高程

1807.342m~1594.915m;下彎段長(zhǎng)度為13.015m,斷面中心點(diǎn)高程1594.915m~1589.557m;下平洞段長(zhǎng)度為451.312m,斷面中心點(diǎn)高程1589.557m~1587.300m;明管段長(zhǎng)度為39.752m,斷面中心點(diǎn)高程1587.300m(水輪機(jī)安裝高程)。壓力鋼管外采用C20素混凝土襯砌,抗凍標(biāo)號(hào)F200,抗?jié)B標(biāo)號(hào)W6,襯砌厚度0.6m。

岔管及支管為明鋼管,外包C25鋼筋砼。1#岔管是一分為二的卜型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管,分岔角70°,主錐、支錐各由三節(jié)錐管過渡;2#岔管是一分為二的卜型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管,分岔角72°,主錐、支錐各由三節(jié)錐管過渡。岔管的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力3.25 N/mm2(包括水擊壓力)。與1#岔管相連接的主管內(nèi)半徑2.3 m,1#岔管公切球內(nèi)半徑2.7 m,與1#岔管相連接的支管內(nèi)徑分別為1.7m和1.1m。與2#岔管相連接的主管內(nèi)半徑1.7 m,2#岔管公切球內(nèi)半徑2.0 m;與2#岔管相連接的支管內(nèi)半徑1.1 m,支管間距15m。

3.材質(zhì)選擇

壓力管道主管段管徑4.6m,支管管徑1.1m,岔管最大直徑5.4m,最大內(nèi)水壓325m。由于鋼管的HD 值較大,從結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、抗外壓穩(wěn)定、制作卷板能力、焊接工藝和經(jīng)濟(jì)性等綜合比較決定,鋼材采用高強(qiáng)鋼。埋管采用段采用16MnR鋼,由于岔管受力極其復(fù)雜,岔管肋板為三向受力結(jié)構(gòu),還需采用耐層狀撕裂鋼,通過對(duì)鋼材生產(chǎn)質(zhì)量、性能、價(jià)格和使用運(yùn)行情況的分析比較, 1#鋼岔管和2#鋼岔管最終采用滿足設(shè)計(jì)要求的80Kg級(jí)壓力容器鋼;其特點(diǎn)是:(1)強(qiáng)度高,能適應(yīng)和滿足岔管的不良應(yīng)力分布,減少管壁厚度和鋼材用量;(2)經(jīng)調(diào)質(zhì)和退火處理后,化學(xué)成份合金含量適中,焊接熱裂紋敏感性能較好,且碳含量及碳當(dāng)量低,改善了岔管的焊接條件和性能,預(yù)熱溫度和殘余應(yīng)力的消除要求較低;(3)肋板鋼材含硫量小于0.8% ,Z向抗層狀撕裂性能良好,斷面收縮率大于25%。

4.結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 計(jì)算荷載。

(1)外水壓力:考慮正常蓄水位的內(nèi)水外滲和該部位地下水,并根據(jù)該段Ⅲ類圍巖情況,考慮折減系數(shù)0.7。壓力管道起始點(diǎn)的外水壓力為0.28MPa,末點(diǎn)的外水壓力為0.11MPa,整個(gè)壓力管道段的外水壓力為0.11MPa～1.73MPa。

(2)考慮3臺(tái)機(jī)瞬間丟棄負(fù)荷沿程最大水錘壓力+相應(yīng)內(nèi)水壓,通過過渡過程分析,岔管段設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力(包括水擊壓力)為3.25MPa。整個(gè)壓力管道段的內(nèi)水壓力為0.55MPa~3.25MPa。

(3)施工期灌漿壓力:回填灌漿壓力采用0.2~0.3MPa;接觸灌漿壓力采用0.1MPa。

4.2 荷載組合。

(1)運(yùn)行期(荷載組合):內(nèi)水壓力(含水擊壓力)+彈抗。

(2)檢修期(荷載組合):外水壓力。

(3)施工期(荷載組合):灌漿壓力。

4.3 壓力管道的工程地質(zhì)條件。

洞室埋深40~120m,圍巖主要處在新鮮～弱風(fēng)化巖體內(nèi),屬Ⅲ類圍巖,建議K0

=3000N/cm3。樁號(hào)0+730~0+769m過溝段,成洞條件差,須采取強(qiáng)支護(hù)措施。1620m高程以下壓力管段有滴水滲水現(xiàn)象,須采取防腐措施。

4.4 計(jì)算成果。

4.4.1 埋管段。本工程中壓力管道段的進(jìn)出口段不滿足最小覆蓋圍巖要求,按明管設(shè)計(jì),中間部分按埋管設(shè)計(jì)。通過各種工況的計(jì)算,壓力管道的出口的壁厚由內(nèi)壓控制,按鍋爐公式計(jì)算;壓力鋼管的中間部分的壁厚由外壓控制。

壓力鋼管抗外壓穩(wěn)定分析首先是要確定外水壓力的大小。外水壓力至今還缺少理論計(jì)算公式,只能根據(jù)地形地質(zhì)條件、工程類比等綜合確定。外水來源有2種,一是地表水下滲產(chǎn)生外水壓力;二是隧洞內(nèi)水外滲形成外水壓力。外水壓力與地下水位線無明顯聯(lián)系,而與隧洞內(nèi)水外滲直接相關(guān),跟隨隧洞充水和放空時(shí)內(nèi)水升降稍有滯后的上升和消落。考慮正常蓄水位的內(nèi)水外滲和該部位地下水,并根據(jù)該段Ⅲ類圍巖情況,考慮外水折減系數(shù)0.7。

鋼管抗外壓設(shè)計(jì)有3種:光面管、錨筋式鋼管和加勁環(huán)式鋼管。采用光面管抗外壓對(duì)高水頭電站不太經(jīng)濟(jì);錨筋式鋼管便于洞內(nèi)混凝土回填,但錨筋與鋼管焊點(diǎn)多,影響鋼管質(zhì)量;考慮到本工程水頭較高,故采用加勁環(huán)式鋼管抗外壓。管壁抗外壓穩(wěn)定分析采用米塞斯公式計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,管壁厚度對(duì)抗外壓的影響遠(yuǎn)不如加勁環(huán)間距、高度和厚度的影響大,且加勁環(huán)自身的抗外壓值一般要低于管壁抗外壓值。管壁厚度主要由內(nèi)水壓力控制,加勁環(huán)參數(shù)由外水壓力決定,為了充分發(fā)揮兩者的作用,宜在管壁滿足抗內(nèi)壓的條件下加密、加高、加厚加勁環(huán)。加勁環(huán)間距一般為管壁厚度的60～240倍,加勁環(huán)太密的缺點(diǎn)一是制作、焊接工作量大,二是混凝土不易澆筑密實(shí),影響澆筑質(zhì)量;加勁環(huán)高度受開挖洞徑制約,增加高度勢(shì)必增大開挖洞徑;加勁環(huán)厚度與管壁厚度相差不宜過大,以利于施焊。

經(jīng)綜合比較,斜井段及下平洞段從上至下采用16MnR鋼,厚度為22 mm~28mm。加勁環(huán)間距分別為2000mm、1000mm、700mm、1000mmm、2000mm,高度200mm,采用與管壁相同的鋼材。

4.4.2 岔管段及支管段。岔管是由錐管、柱管、肋板(梁)焊接而成,是一種板殼組合結(jié)構(gòu),其在內(nèi)水壓力作用下應(yīng)力分布和變形很不均勻。在運(yùn)行工況下,管內(nèi)壁承受3.25 MPa內(nèi)水壓力;各管節(jié)厚度及梁厚度均扣除2mm的銹蝕磨損裕度。對(duì)本工程岔管的計(jì)算優(yōu)化過程和結(jié)果表明,管殼上發(fā)生應(yīng)力集中的部位在管殼母線的轉(zhuǎn)折處,在一定的平面布置條件下,岔管管殼應(yīng)力集中的程度取決于管殼母線間的轉(zhuǎn)折角大小,在符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求的前提下調(diào)整角度,可極大地改善管殼應(yīng)力集中的程度,從而使管殼應(yīng)力分布趨于均勻。

岔管的體型龐大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,1#岔管主錐體最大直徑2.7 m,2#岔管主錐體最大直徑2.0 m。鋼岔管和支管按明管計(jì)算,設(shè)計(jì)情況下膜應(yīng)力區(qū)允許應(yīng)力取0.5σs,局部應(yīng)力區(qū)允許應(yīng)力取0.8σ。計(jì)算結(jié)果見表1:

綜上所述,本工程壓力鋼管根據(jù)不同管段所受內(nèi)、外壓力不同,確定壓力鋼管壁厚設(shè)計(jì)是合理的。根據(jù)工程的特點(diǎn),結(jié)合主要的設(shè)計(jì)計(jì)算布置鋼岔管,結(jié)構(gòu)布置安全、合理、經(jīng)濟(jì),滿足運(yùn)行要求。壓力鋼管的環(huán)間管殼及加勁環(huán)有足夠的安全儲(chǔ)備.能夠滿足工程需要,安全可靠。另外,要求施工時(shí)盡量保證鋼管的焊接質(zhì)量以及加勁環(huán)與混凝土的澆筑質(zhì)量.以提高壓力鋼管的承壓能力。