半自動墻面刮膩機的刮板機構設計分析與仿真

趙紅麗，李慶華

(1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022;2.長春大學 機械工程學院，長春 130022)

半自動墻面刮膩機的刮板機構設計分析與仿真

趙紅麗1，李慶華2

(1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022;2.長春大學 機械工程學院，長春 130022)

針對當前建筑施工中刮膩子工序復雜、效率低及現有設備存在不足，本文利用三維造型軟件設計了新型半自動墻面刮膩機，對其刮板關鍵部件進行了結構分析計算，確定了刮膩機刮板的運動形成和最佳安裝角度，分析了刮板的受力情況，為刮膩機的優化設計提供了理論依據。

半自動;刮膩機;機構設計;刮板關鍵部件分析

0 引言

在國內的建筑裝飾工程中，刮膩子的工序主要采用人工作業方式，工人勞動強度大，操作工序多，對較高墻面施工要搭腳手架、高凳等，給施工帶來不便，生產效率低［1］。

針對這一現狀，有很多學者在這方面做了很多工作，研究了不同功能的粉墻機，這些粉墻機可分為兩類:一類是噴涂機，另一類是刮瓷機。目前，對于刮膩子或刮大白這道工序，大部分是采用膩子噴涂機進行施工，采用膩子噴涂機效率雖高，但是噴涂后需要人工刮平，給施工帶來不便;采用刮瓷機進行墻體裝飾不用人工抹平，而且粉墻質量好，操作方便，有很好的發展趨勢，但是現在已有的刮瓷機主要是采用雙立柱支撐，穩定性欠佳，且刮板部位不能實現微調，精確性欠佳［2-3］。

針對以上情況本文研究設計了一種半自動墻面刮膩機，并對刮板機構進行了設計分析，使刮板工作時可旋轉，進行抹墻距離微調，工作平穩，結構簡單，操作方便，且可實現二次壓光。

1 機械結構模型設計及工作原理

根據墻面刮膩機的實際操作，對刮膩機進行整體建模，其結構采用龍門式結構，在刮膩機底盤部設置距離定位器，使其工作時與墻面保持一定的距離，便于機器運行。刮膩機整體結構由底盤、頂桿支撐部分、傳動上升部分、輸送膩子裝置和刮膩子裝置五大部分組成［4］，如圖1所示。開始工作時，刮板開始上升往墻上刮膩子，至所需的抹灰位置時，刮板停止，然后正向旋轉90度，刮板開始向下運動，對墻體實行二次壓光。到達底部所需位置時停止，一次作業完成。將整機向前推動一定距離并鎖緊，重復上述動作可再次實現整墻抹灰。從工作過程看，在這五大部分中，刮膩子裝置部分(如圖2所示)是機器實現刮膩子的重要部件，它的結構、工作方式決定了刮膩子的質量。

圖1 刮膩機機械結構圖

圖2 刮膩子裝置

2 刮板部分的結構分析

2.1 刮板部位自由度計算

自由度數F應為活動構件自由度數減去運動副引入的所有約束總數，計算如式1:

PL為轉動副個數，PH為高副個數，刮板機構可簡化為圖3。

由圖3可知活動構件數有四個，其中構件1與構件3構成了虛約束，計算時可將虛約束去除，即活動構件數按3個計算，轉動副個數按四個計算，由式1計算如下:

因而自由度數為1，該構件具有一個原動件，原動件數與機構的自由度數相等。

圖3 刮板機構運動簡圖

圖4 截面視圖簡圖

2.2 刮板安裝角度的分析

刮板角度大小對刮膩質量有直接影響，圖4為刮板與墻的截面視圖簡圖，圖中左側表示墻面，右側有半徑為R的1/4圓，R位置的線表示刮板，刮板底端與墻面有一定距離，此距離為刮膩子厚度，刮板與墻面的夾角為θ。在圖中由b、h、R構成直角三角形，根據以上數據可以得到下面的公式:

以b、h、R為橫截面，刮板長度為l的立方體的體積為V。

由于膩子的消耗量為0.6～0.8kg/m2，刮墻厚度為1mm，所以每立方米消耗(0.6～0.8)×103kg/m3。計算時膩子的消耗量取0.8×103kg/m3，R=20cm，l=1m，g=9.8N/kg，則有膩子的質量計算如式4，膩子的重力計算如式5。

計算分析時利用整體分析法對膩子的受力進行分析，刮板對墻體進行刮膩子時，膩子的受力簡圖如圖5所示，圖中F為刮板對膩子的支持力，N為墻對膩子的支持力，f1為刮板對膩子的摩擦力，f2為墻對刮板的摩擦力，根據圖5可以得到關系式6。

圖5 受力簡圖

取u1=u2=0.7，mg=78.4sin2θ，并將其帶入式6得到式7。

根據式7，以θ為橫坐標，分別以N、f2為縱坐標，用有限元軟件進行曲線擬合，擬合后可以得到兩條有最大值和最小值的曲線，該曲線如圖6所示，從擬合的曲線中可以求出支撐力和摩擦力的極大值。

圖6 力隨弧度變化曲線圖

墻對膩子的支撐力與摩擦力最大時，刮墻的質量最好，在圖中最大值處的橫坐標為0.4134，由于用有限元進行擬合時用的是弧度，利用式8轉換成角度，得到θ=24°，即當刮板與墻面的夾角為24°時刮膩質量最好。

2.3 刮板靜力分析

圖7 總體變形圖片

由刮板的最佳角度，根據式7求出刮板所受的壓力為39.2N，由此可以利用有限元分析軟件對刮板進行靜力分析，分析結果如圖7所示。

從圖中可以看出刮板每個位置的變形程度，變形量最大值為0.00061001mm，從整體看變形量極小，滿足設計要求。

3 結語

通過上面的設計分析，確定了新型半自動墻面刮膩機刮板部件的自由度，以及刮板的最佳安裝角度，并通過對刮板靜力分析，得到了刮板的整體受力參數，為進一步研究刮膩機奠定了理論基礎。

［1］薛奎.新型半自動多功能抹灰機［J］.建筑機械化，2002(4):34-35.

［2］薛奎，桑吉旺.抹灰機的結構設計［J］.建筑機械，2001，220(10):37-38.

［3］張金譽.機械抹灰及施工工藝［J］.建筑機械，1995(2):39-43.

［4］楊振宇，鞏傳根，劉芝霞，武愛華.新型抹灰機的設計［J］.建筑機械，2007(8S):84-85.

Analysis and Simulation on the Scraper Structure Design of Semi-automatic Wall Scraping Machines

ZHAO Hong-li1，LI Qing-hua2
(1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.College of Mechanical Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

According to the current complex processes of scrapers，inefficiency and shortages of existing equipment in architectural construction，this paper designs a new semi-automatic wall scraping machine by using three-dimensional modeling software，makes an analysis and calculation on the key parts of scraper，determines the movement formation and optimum angle of installation and analyzes the stress conditions，which provides a theoretical basis for the optimization design of wall scraping machines.

semi-automation;wall scraping machine;structural design;analysis of key parts of scraper

TH122

A

1009-3907(2013)10-1230-04

2013-09-09

趙紅麗(1988-)，女，吉林長春人，碩士研究生，主要從事機械制造及自動化技術研究。

李慶華(1968-)，男，吉林蛟河人，教授，博士，主要從事機械測控及機械數字化設計方面研究。

責任編輯:

吳旭云