离心铸造杆及制备方法

专利名称：离心铸造杆及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种中空结构件，特别是涉及拥有锥形外观和壁厚完全一致的 中空电线杆。
背景技术：
在电力行业常见的高应力、高横向力的环境中，锥形杆的几何形状一般都 在其底部或接近底部的地方提供最大的横截面强度，因为这个地方的各种反作 用力往往会结合或汇聚起来。
电力行业使用木杆产生的问题不胜枚举，并有详实的文件记载。这些问题 包括地面线腐烂、在高横向力的作用下容易发生倾斜或弯曲(因此要求使用绷 绳、锚和其它辅助性硬件)、鸟类和其它动物造成的磨损、附属硬件和装置的振 动损坏、缺少合适的树木来生产大型木杆、以及自然力和人力导致的高破损率
等。此外，根据行业的基本规范，木杆一般在使用约20-30年后必须更换。特别 值得注意的是，更换和处理木杆对于各电力公司来说费用过高，特别是当依据 法令的要求不能对它们进行焚烧时。而且，有些电力公司不得不用铁丝网将木 杆包裹起来，以避免鸟类和其它动物对它们造成破坏。
另外一些电力公司采用的是中空的混凝土杆，特别是高压电力传输系统较 多地采用混凝土杆，以克服木杆带来的各种问题。但是，混凝土电线杆制造成 本高，重量大，并需要重型设备进行装载、运输、卸载和安装。而且，由于强 度方面的要求，混凝土杆直径最小的顶部一般是实心的。除此以外，混凝土杆 的实地改造一般非常耗时、费力和费钱。
目前市场上有钢质电线杆出售。钢质电线杆一般通过下列方法制造对较
薄的可锻钢板进行切割，然后采用金属弯板机和其它的热/冷金属成型方法将钢 板制成两个多面体，最后将它们焊接起来。该电线杆制造成本相当高，而且， 由于成型的需要使得钢板必须比较薄，导致电线杆必须拥有相对较大的底部直 径，以保证在高应力、高横向力的情形下使用时具备必要的强度。此外，即使 壁厚有所变化，也只能是局部变化。
5市场上铝合金电线杆也有售。但是，这些电线杆一般仅适用于低应力的一 次性应用，如公路照明。而且，铝合金杆目前不是通过离心铸造方法成型的， 而一般是通过热/冷金属成型方法制造的。而且，铝合金杆不具备高横向力的环 境中使用时所必须的质量或强度。
延性铁具备的特性使其非常适用于电线杆的使用环境。例如，延性铁拥有 极高的强度/重量比，可以加工，有弹性(不易碎)，具备良好的阻尼性能，防锈， 并且比铝和混凝土便宜。因此，用延性铁离心铸造而成的各种几何形状的电线 杆都能够完全免维护，并拥有极长的使用寿命(许多100多年的旧延性铁供水 干管仍然还在使用)和较低的成本，有效地克服了其它类型的电线杆产生的上 述问题和困难。
离心铸造与金属成型等替代性生产技术相比还有其它优势。例如，离心铸 造能够生产出无缝杆，其在高应力、高横向力的环境中拥有较高的总体强度。 而且，离心铸造还能够通过机械化的流程以较少的人力廉价地生产大批量的杆。 由于能够一次性铸造较长的无缝杆段，所以在制造或现场安装过程中可以减少 或取消后续的连接步骤。此外，离心铸造生产的杆比金属成型生产的杆要精确
得多，外径公差范围达到了+/-0.001毫米。总之，离心铸造生产的杆强度较大而
需要的人力较少，更加容易批量生产，能够适合更大范围的应用。
在本发明之前，锥形金属电线杆(包括延性铁杆)的离心铸造受到了铸造
技术的限制。已知的在先铸造方法(如申请人此前的美国专利No.5,784,851公 开的铸造方法)仅实现了生产作业间旋转速度和浇注速率的变化，这种杆的壁 厚是不定的。更加准确地说，在先铸造方法无法使注入的金属合理散布，因此， 模具旋转和移动时无法使金属在其内侧均匀铺展以达到较高的外径公差范围 (+/-0.001毫米)。这就意味着尽管上文提到了离心铸造方法的各种优势，但 目前锥形杆的离心铸造仅比金属轧制仅好一点点而已。本发明克服了这种限制， 推出一种变速变注的铸造方法，该方法通过提高或降低金属的浇注速率和模具 的旋转速度，在一个生产作业期间能准确控制金属的铺展。根据想要的规格， 成型时杆壁可以下厚上薄，或在指定处发生厚度变化，或在长轴方向上拥有完 全一致的厚度。此外，本发明还使杆的生产能够满足特定的应用需求。例如，有些要求厚 度有变化(顶端薄，地面线厚，以应对线路负载和腐蚀)，而其它可能要求厚度 保持一致，以便将结构支持最大化。本发明还能够满足那些要求极限高度或可 变高度的应用，在这种应用中，铸造的杆段拥有滑动接头， 一个杆的锥形杆段 可以牢固地连接在另一个杆的底端，从而获得指定的有效杆长。另外，某些特 定的应用还可能要求在铸造期间或之后对杆进一步加固，包括但不局限于防风 纹理、安装法兰、硬件和装置检修孔或检修板、以及顶盖。

发明内容
综上所述，本发明涉及一种离心铸造的中空杆，它在长轴方向上拥有完全 一致的壁厚。
在本发明的一个实施例中， 一种圆锥形的管状杆拥有锥形外观，并在长轴 方向上拥有完全一致的壁厚，它利用离心铸造方法生产，在离心铸造的过程中， 熔融的金属被浇注进一个旋转的锥形模具中。当冷却液加注于旋转模具的外表 面时，金属在模具内部随模具内部的轮廓成形或铺展，从而制造出金属杆。通 过精确控制铸造旋转的参数——如旋转模具的旋度、行程、距离和偏角，以及 铸造机的标准和力学装置，就可以制造出前所未有的壁厚一致的中空、锥形、 管状金属杆。这种离心铸造方法的控制原理、设计和装置能够极大地提高杆壁 厚一致性的公差范围。进言之，通过精确控制模具内部铺展的金属量，就能够 按照设计选择获得任意实施例所要求的壁厚变化。
本发明的一个目标是提供一种中空的锥形杆，它容易生产且成本较低，在 长轴方向上拥有完全一致的壁厚。这种新的方法能够产生一致的壁厚，在那些 横向力(如飓风级风力)可能导致电线杆灾难性破坏的应用环境下尤其重要。
本发明的另外一个重要优点在于可利用任意的熔融材料(如延性铁、钢、 铝或可浇铸的复合材料)通过离心铸造的方法来生产杆，使其完全免维护，并 不受地面线腐烂、真菌、潮湿、动物破坏及其它致损因素的影响。
本发明的另外一个优点在于用延性铁离心铸造的杆相对较轻，达到了低 碳钢的物理强度和灰铸铁的预期使用寿命，在一般使用中不易折断，并可100%回收利用。
本发明的另外一个优点在于用延性铁离心铸造的杆可提供最大的安全系 数，使用中不容易因地面运动和梁内应力而损坏，并能更好地防止加工、运输 和安装造成的折断。
本发明的另外一个重要优点在于可以将较短的模段通过焊接、法兰或丝 扣连接成一个浇注管，以此生产模具。
本发明具有下列方面的特别优点离心铸造杆可以直接埋置，或通过法兰 附接于浇注或预制的基座上。
本发明的另外一个优点在于离心铸造杆的中空设计允许各种装置在其内 部布线及增加附属设备。
本发明的一项重要改进在于在铸造过程中增加了一种纹理工艺，可以提 高杆的强度。拥有纹理化内壁面的模具生产的最终产品外表面布满突起，这种 外表面布满突起的杆无论在哪一种实施例和应用领域都能够提供更高的防风能 力。
为了增强极限高度和极限应力方面的应用，杆在铸造时还可以使其底端附 近拥有足够的壁厚，以便在铸造的过程中形成一个滑动接头，接头内部的横截 面尺寸允许此杆滑接于另外一根离心铸造杆的顶端，从而能够将杆无限延长。
此外，实地安装时可以设计一个端盖，以保护所有的内部硬件。
本发明还提供了一种新的铸造后退火工艺。这种新的方法在铸造过程中即 开始采用，模具在锥形杆的大直径端导生的法兰实际上成为了一个控制点，在 整个退火流程中支持着此杆。法兰只是一个较大的底圆或底环，浇铸于杆的大 直径端。 一旦杆从模具中移开，这个法兰环即被控制轨道啮合，以便此杆能够 通过一个直通式的退火炉。轨道啮合移动环后，锥形杆在输送的过程中就无法 随意滑动或滚动，而推链则啮合并移动此杆通过退火炉。该环还使此杆能够放 置于一个直通管道内，直通管道滚动通过退火炉。
最后，值得注意的是，本发明不限于在电线杆领域应用。确切地说，本发 明在任意需要结构杆件的情况下均具有优势。例如，本发明可以用做锥形支撑 桩。桩的锥形外观可以提供必要的负载能力，同时尽量减小桩在承受层的埋置深度。与传统的圆筒形桩相比，锥形桩需要填充的混凝土量也较少。此外，锥 形桩的表面可设突起以加强桩的负载能力。最后，延性铁是桩的理想材料选择， 因为它拥有较高的耐压强度和抗腐蚀性。 本发明的有益效果及工业实用性如下
正如背景技术部分所详细说明的一样，本文描述的发明相对于在先技术拥 有众多的优点。例如，离心铸造可以生产无缝杆，该无缝杆在高应力、高横向 力的环境中拥有较高的总体强度。而且，离心铸造还能够通过一种机械化的流 程以较少的人力廉价地生产大批量的杆。由于能够一次性铸造较长的无缝杆段， 所以在制造或现场安装过程中可以减少或取消后续的连接步骤。此外，离心铸 造生产的杆比金属成型生产的杆要精确得多，外径公差范围达到了+/-0.001毫
米。总之，离心铸造生产的杆强度较大而需要的人力较少，更加容易批量生产， 能够适合更大范围的应用，包括在电力、照明、通讯、监控、交通信号、广告、 旗帜、横幅以及结构支撑等方面的应用。


通过下列附图对优选实施例更加细致的描述，本发明的上述及其它目地、 特性和优点将更加显而易见。相同的数字标记在各视图中指的是相同的部件。 附图没有必要按比例縮放，重要的是它们能够说明本发明的原理。
图1是本发明的一个实施例的侧视图，显示了本发明的直埋配置情况。
图2是图1所述实施例的侧视图，显示了本发明通过法兰连接于基座的配 置情况。
图3是本发明的侧视图，部分剖面，显示了本发明用于增加高度的滑动接 头设计。
图4是一种典型的离心铸造机的示意图，该机器用于铸造本发明的一个实 施例。另外该图还显示了锥形模具的部分纵剖面。
图5显示了移动环的使用情况，以及用于控制锥形杆的第三轨道。锥形杆 正在滚动通过退火炉。
图6显示，有效利用突起表面可以产生湍流，在大风条件下可以降低风的 荷载。图7显示了生产较长锥形模具的程序，模具内部经过机加工。
具体实施例方式
图1显示了本发明一个实施例的中空离心铸造电线杆1的直埋配置情况。
图2显示了本发明第二个实施例的底座或基座安装配置情况。图1和图2所述 的电线杆以离心铸造的方法生产，从杆1的底端2到顶端3的整个外部线性尺 寸呈锥形，如图所示。杆1的锥形外观使其获得了更高的强度，并节省了铸造 过程的原材料。图1和图2所述的实施例还包括一个杆盖4和预钻的或现场加 工的孔5，用于装配一般的电线杆硬件和装置。图1所述的实施例还显示了一个 检修板6。所述的检修板6位于杆1的底部或内芯7附近，适用于所述的中空内 芯7安装了电缆或电线等内部硬件的情况。锥形杆1的离心铸造使得杆1在整 个长度方向上拥有了受控的壁厚8，杆1的壁厚通过顶端3到底端2的设计要求 来控制。这种受控的壁厚8使得杆1拥有了较大的设计灵活性和强度。
图2显示的杆1在底端2处设有法兰9，使杆1能够安装并固定于基座10 或其它机架装置上。在该实施例中，杆1通过多个螺栓11和螺帽12固定于基 座10上。
图3显示了本发明的压合滑动接头13的配置情况，这种接头13可用于互 连两个或更多的铸造杆段，以增加高度。本发明的锥形离心铸造电线杆1包括 一个滑动接头13，离心铸造电线杆1的内芯7 (从杆1的底端2开始，在杆1 的内部沿着部分长度方向线性延伸)拥有的内部尺寸，使杆1的底端2能够滑 接于另外一根离心铸造杆1A的顶端3A。这种相互连接使得杆1的高度能够无 限延长。
图4显示了一种典型的离心铸造机14，用于铸造本发明的一个实施例。其 内部呈锥形的模具15类似于传统的离心铸造模具，区别在于模具15的内部线 性尺寸，其纵剖面显示为圆形，但模具15的内表面可以进行改造，以生产多边 形的锥形杆，如横截面呈正方形或五边形的杆。在杆1的优选实施例中， 一种 内部呈锥形的冷硬型模具15赋予了杆1锥形的外观。根据杆1的具体应用和强 度要求，在铸造过程中，可以通过控制进入离心铸造模具15的材料16的浇注 速率、马达17的转速以及机器的移动速度18来实现总体壁厚8 (图1和图2)的变化。
图4还显示了一种芯模19，在离心铸造的过程中用于本发明的滑动接头13
(图3)的成型。需要的时候，将所述的芯模19插入模具15内正在进行离心铸 造的杆1的底端2 (图1和图2)。在离心铸造的过程中使用时，芯模19使得杆 1的内芯7 (图1和图2)直径在所述芯模19的长度方向上得到均匀的控制。在 离心铸造的过程中使用所述芯模19产生的内芯7 (图1和图2)直径，足以使 杆1的底端2 (图1和图2)能够滑接于另外一根离心铸造杆1A (图3)的顶端 3A (图3)。
图5显示了推链20、 21推动锥形杆1沿着移动轨道22、 23、 24通过退火 炉的情况。当锥形杆1开始沿着移动轨道22、 23、 24在圆形路径上移动时，移 动环25啮合第三移动轨道24，使得锥形杆1能够直接通过退火炉。移动环25 还使锥形杆1能够插入常规的圆管，让圆管带着通过退火炉。
图6显示的是纹理(突起)26，它们在杆的制造过程中浇铸于杆的外表面。 这些突起26能够有效降低杆表面的风阻。
图7显示了生产锥形模具15的一种方法将事先经过机加工的较短锥形管 27、 28、 29和30焊接成为一个较长的管段，以此生产锥形模具15，这种方法 免除了钻出较长锥形内孔的必要。
虽然本发明是通过优选实施例来加以图解和说明的，但本领域的技术人员 能够理解在形式、细节和结构上所做的各种变化并没有离开本发明的精神和 范围。
权利要求
1. 一种离心铸造的中空杆，其特征在于，它包括通过离心铸造的方法成型的加长的中空杆件，所述杆件的整个长轴方向上拥有完全一致的壁厚。
2. 根据权利要求1所述的中空杆，其特征在于所述杆件拥有一个变化的 外部横截面尺寸，该尺寸沿所述杆件的长轴方向垂直发生变化。
3. 根据权利要求l所述的中空杆，其特征在于所述杆件拥有顶端和底端， 所述的顶端设有端盖。
4. 根据权利要求l所述的中空杆，其特征在于所述杆件拥有顶端和底端， 所述的底端设有法兰。
5. 根据权利要求l所述的中空杆，其特征在于所述杆件拥有顶端和底端， 所述的顶端设有-个滑动接头，其内部横截面尺寸允许所述杆件的顶端滑接于 另外一个杆件的底端。
6. 根据权利要求l所述的中空杆，其特征在于所述杆件的外表面设有纹理。
7. 根据权利要求l所述的中空杆，其特征在于所述中空杆是利用可浇铸 材料制作而成。
8. 根据权利要求7所述的中空杆，其特征在于所述可浇铸材料选自于延 性铁、铸铁、钢或铝。
9. 根据权利要求l所述的中空杆，其特征在于所述杆件包括一个检修板， 通过它可以进入所述杆件中空的内部。
10. 根据权利要求1所述的一种离心铸造的中空杆，其特征在于，其生产 工艺包括如下步骤将熔融的金属注入一个模具中；在注入所述材料的过程中，离心旋转模具，改变模具的旋转速度，改变熔 融的金属材料在模具内的注入位置，并改变熔融的金属材料的浇注速率，以便 在所述模具内表面适当地、均匀地分配熔融的金属材料，使成型的杆件在长轴方向上拥有完全一致的壁厚；使熔融的金属材料在模具内冷却和硬化； 最后，从模具中取出所述的硬化杆件。
11. 根据权利要求10所述的产品，其特征在于所述模具拥有锥形的内部 尺寸。
12. 根据权利要求10所述的产品，其特征在于所述模具拥有纹理化的内 壁面。
13. 根据权利要求10所述的产品，其特征在于所述熔融的金属材料为延 性铁、铸铁、钢或铝。
14. 根据权利要求10所述的产品，其特征在于所述杆件的生产工艺还包 括在离心铸造的过程中让所述杆件的一端生成法兰。
15. 根据权利要求10所述的产品，其特征在于所述杆件的生产工艺还包 括将所述杆件退火，以提高其硬度、韧性和强度。
16. 根据权利要求10所述的产品，其特征在于所述杆件的生产工艺还包 括让所述杆件的大直径端拥有一个移动环，使所述杆件能够直接滚动通过退 火炉。
17. —种中空杆件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤将熔融的金属注入一个模具中；在注入熔融的金属材料的过程中，离心旋转模具，改变模具的旋转速度， 改变熔融的金属材料在模具内的注入位置，并改变熔融的金属材料的浇注速率， 以便在模具内表面适当地、均匀地分配所述材料，使成型的杆件在长轴方向上拥有完全一致的壁厚；使熔融的金属材料在所述模具内冷却和硬化； 最后，从模具中取出所述的硬化杆件。
18. 根据权利要求17所述的制备方法，其特征fe于所述模具拥有锥形的 内部尺寸。
19. 根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于所述模具拥有纹理化 的内壁面。
20. 根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于所述熔融的金属材料 为延性铁、铸铁、钢或铝。
21. 根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，还包括在离心铸造的过程中让所述杆件的 一端生成法兰。
22. 根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，还包括将所述杆件 退火，以提高其硬度、韧性和强度。
23. 根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，还包括让所述杆件 的大直径端拥有一个移动环，使所述杆件能够直接滚动通过退火炉。
全文摘要
本发明公开了一种离心铸造杆，它在长轴方向上拥有完全一致的壁厚。在离心铸造的过程中，熔融的金属被浇注进一个旋转的锥形模具中。当冷却液加注于旋转模具的外表面时，金属在模具内部随其轮廓成形，从而制造出金属杆。通过精确控制铸造旋转的参数——如旋转模具的旋度、行程、距离和偏角，以及铸造机的标准和力学装置，就可以制造出壁厚前所未有地一致的中空、锥形、管状金属杆。这种离心铸造方法的控制原理、设计和装置能够极大地提高杆壁一致性的公差范围。推而广之，通过精确控制模具内部的金属量，就能够按照设计选择获得任意实施例所要求的壁厚变化。
文档编号E04C3/30GK101512077SQ200780032262
公开日2009年8月19日 申请日期2007年7月9日 优先权日2006年7月19日
发明者汤姆·沃 申请人:汤姆·沃