大口径双壁波纹管生产线的研发设计

市政污水/排水系统应淘汰混凝土管、铸铁管和陶瓷烧成管，代之以双壁波纹管，这是大势所趋。国内大口径PE-HD双壁波纹管设备生产企业需要从挤出系统、挤出模具、波纹成型系统等方面更新设计理念，掌握双壁波纹管环刚度的计算方法，优化管壁结构。随着我国国民经济的持续快速发展，市政建设的规模也在不断扩大。作为市政管网系统的重要组成部分，排水/污水管道的性能将直接影响污水排水系统的可靠性和安全性。淘汰混凝土管，甚至铸铁管和陶瓷烧成管是大势所趋。发达国家已经在法律上禁止使用这些污染严重的管道，中国也将与国际接轨。PE-HD双壁波纹管以其独特的优势在排水/污水处理领域占据了越来越多的市场份额。PE-HD双壁波纹管于20世纪80年代初在德国首次开发成功。经过近20年的发展和完善，已经从单一品种发展到完整的产品系列。PE-HD双壁波纹管在我国起步较晚，但推广应用非常迅速。目前，中国有数百家这种管道的制造商。近年来双壁波纹管的发展趋势是追求大口径，其中UNICOR宣称其PE-HD双壁波纹管外径可达2400 mm，但目前国内还没有能够生产如此大口径的设备。大直径成型设备体现了R & amp设备制造商的能力和制造技术。对于国内设备供应商来说，制造大口径双壁波纹管的成型设备需要从挤出系统、挤出模具、波纹成型系统等方面更新设计理念，真正掌握双壁波纹管的环刚度计算方法，优化管壁结构。柯玛的波纹管设备采用上下两个轨道排列的形式。目前PE-HD双壁波纹管生产线的标准配置普遍采用两台长径比为33: 1的高效单螺杆挤出机。所谓“高效率”是指产量高于传统单螺杆挤出机，物料混合能力的提高并不是这种挤出机最初的设计目标。对于双壁波纹管来说，随着管径的增加，管道的米重会迅速上升，这将降低双壁波纹管相对于其他传统排水管道的成本优势。因此，对大口径双壁波纹管进行原材料改性以提高其弹性模量，从而达到减轻仪表重量的目的显得尤为迫切。众所周知，传统单螺杆挤出机的优势主要体现在结构简单、挤出压力高，但其混合能力相对较弱。因此，人们一直试图在保证传统优点的基础上，改进螺杆构型，以提高其混合性能。虽然取得了一些进展，但与人们的期望仍有很大差距。在塑料改性方面，人们更依赖同向双螺杆挤出机和布斯混合机。由于单螺杆挤出机的混合性能并不理想，现在普遍的做法是在同向双螺杆挤出机中混合造粒，再用单螺杆挤出机挤出，这样明显增加了能耗和最终产品的成本。如果能在一台挤出机中同时完成混炼和挤出，生产工艺将得到简化，产品成本也将降低。因此，研究人员应该对挤出理论有深刻的理解，巧妙地结合当前混合挤出挤出机的特点，给出一套全新的完全不同于现有的螺杆设计理念，从而实现一台挤出机既有同向双螺杆挤出机的混合效果，又有单螺杆挤出机的挤出能力。基于这样的指导思想，中云集团正在进行一些有益的尝试。目前样机正在开发中，很快就会出来。目前，国内外复合模头生产的PE-HD双壁波纹管大多采用旋转模头。的特点

但由于双壁波纹管的生产工艺，其模具与实壁管有很大不同。生产波纹管时，一方面要求模头具有双通道结构，同时又受到管材内径的限制。因此，模头的内、中、外流道套都比较薄；另一方面，由于波纹管成型模块回转半径的限制，要求模具的长度很长，所以波纹管挤出模具实际上是一个很长的悬臂梁。生产直径较小的波纹管时，模头相对较小，悬臂引起的挠度不是很大，其对挤出波纹管壁厚均匀性的影响可以通过调整模头和模具来修正。然而，在大口径双壁波纹管的生产中，模头对管壁厚度分布的影响一直非常显著，常规的模具调整是无能为力的。因此UNICOR发明了圆盘模具，使复合模具重量减轻了80%，能耗降低了65%。如果在国内大口径波纹管的开发中使用类似的碟型模具，显然会涉及专利侵权。但通过改进现有双壁管模的设计方法，即反向修正法，可以消除挠度对管壁厚度分布的影响。反向修正法的基本原理是：在设计前计算模具的挠度及其分布，在后续设计中采用相应的反向修正。由于反向校正模具形状不规则，必须用数控机床加工。用这种方法设计的模具在实际工作中不需要调整或少调整。过去，波纹成型系统的双壁波纹管直径都比较小，双壁波纹成型机都采用“履带式设计”:成对的成型模块固定在两条同步循环移动的轨道上，形成一排移动的成型模块。有些轨道是水平配置的，比如UNICOR；有些轨道是上下排列的，比如CORMA。熔融外壁在压力或/和真空的作用下形成波纹状外管。波纹外管与直内管焊接成双壁波纹管。最新的技术发展是用于生产大直径双壁波纹管的成型机的“穿梭设计”。成对的成型模块不再固定在轨道上，而是沿着矩形轨道循环移动。在成型工作区，成对的模块缓慢移动；离开工作区后，模块沿外轨快速返回。“穿梭设计”的优点是只需要少量模块，可以明显降低投资和能耗；同时，在“梭式设计”驱动中，采用强制水冷代替了以前“履带式设计”的风冷，大大提高了生产速度。环刚度计算我们知道，环刚度是双壁波纹管最重要的参数之一。如何在满足所需环刚度的条件下，使管道单位长度重量最小，是问题的关键，也是各国研究的重点。

其中：E-材料的弹性模量；I-管材的转动惯量；D-管材的有效直径。材料的弹性模量是由材料本身性能决定的，而作为设备供用商可能更关注于管材的转动惯量的研究。实壁管的转动惯量的计算已有资料给出，但关于结构壁管转动惯量的计算各国研究者都密而不谈，因为它是双壁波纹管技术的核心之核心。目前国内双壁波纹管设计人员对环刚度的影响因素知之甚少，更别说是精确计算了。很显然，如果没有一套可以实际应用的计算方法，开发国内的大口径双壁波纹管只能是一个美好愿望而已。实际上转动惯量的计算和有效直径D的确定是一个非常复杂的过程，绝不能和一些作图软件所提供的惯性矩混为一谈，以免被误导。中云集团武停启博士耗时2个多月潜心研究，现已能提供一套非常实用的双壁波纹管环刚度的计算方法，并编制成了计算机程序。采用该程序，可以快速计算出结构壁管的环刚度和相应米重，并能对双壁波纹管的设计实现优化。有了这套计算机程序，国内的设备制造商在双壁波纹管的开发方面就可以依靠自己的理论依据，而不再是对国外产品的简单跟进，中云集团已经利用这一成果开发了外径1500毫米双壁波纹管的波纹成型系统。双壁波纹管的大口径化是目前国际上的发展趋势，国内的设备制造商和相关研究人员应该抓住机遇，迎头赶上，而不应走“引进一代，落后一代”的老路子。