螺旋式混凝土布料機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

歐陽周全

摘 要：在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)之上，對(duì)螺旋式混凝土布料機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究，并針對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品存在的不足，提出了改進(jìn)方法和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)螺旋式混凝土布料機(jī)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件選型計(jì)算，并對(duì)主要承載結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，為螺旋式混凝土布料機(jī)的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)，最后對(duì)螺旋式混凝土布料機(jī)的發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)判。

關(guān)鍵詞：螺旋式;混凝土布料機(jī);關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU64文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）16-0070-03

Abstract： On the basis of the existing technology， the key technologies of spiral concrete distributor were analyzed and studied. Aiming at the shortcomings of existing products， the improved method and the optimal design of structure were put forward. The selection and calculation of the key moving parts of spiral concrete distributor and the limitation of the main bearing structure parts were also presented. Meta-analysis provided theoretical and technical basis for the development of spiral concrete distributor. Finally， the development direction of spiral concrete distributor was predicted.

Keywords： spiral;concrete distributor;key technology

裝配式建筑是建筑工業(yè)化的一種綠色、可持續(xù)的類型，更是建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必經(jīng)之路[1]。PC工廠預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線和生產(chǎn)設(shè)備是裝配式建筑發(fā)展過程中不可替代的一環(huán)。混凝土布料機(jī)是PC工廠預(yù)制構(gòu)件的關(guān)鍵核心設(shè)備，其性能的好壞直接影響PC構(gòu)件質(zhì)量。由此，本文主要介紹螺旋式混凝土布料機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理以及優(yōu)化后的布置形式。此外，筆者還根據(jù)自身的實(shí)際研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)螺旋式混凝土布料機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究[2]。

1 螺旋式混凝土布料機(jī)概述

螺旋式混凝土布料機(jī)是對(duì)放置在預(yù)制構(gòu)件模具上的模臺(tái)進(jìn)行混凝土澆注，其性能的好壞直接影響預(yù)制構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量。該設(shè)備是PC工廠預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線的核心設(shè)備，主要由料斗裝置、擋料平臺(tái)、小車機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)、大車支架以及液壓、電控系統(tǒng)組成[3]。

料斗裝置的上部接收輸料車運(yùn)送的混凝土物料，下部的螺旋軸在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過螺旋運(yùn)動(dòng)來擠壓混凝土，同時(shí)控制液壓缸帶動(dòng)出料門的“開/合”，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)布料。擋料平臺(tái)的主要作用是防止輸料車在工作時(shí)污染布料機(jī)料斗和小車上的設(shè)備，且人員可以在平臺(tái)上檢修、清洗。小車機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)分別在兩個(gè)垂直方向（[X、Y]向）運(yùn)動(dòng)，能保證自動(dòng)布料機(jī)在模臺(tái)各個(gè)位置布料。通過上位機(jī)讀取預(yù)制構(gòu)件的圖紙數(shù)據(jù)（CAD、DXF格式），并編譯成機(jī)器可識(shí)別代碼，控制液壓缸、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化布料[4，5]。

螺旋式布料機(jī)的電氣柜布置在大車的端側(cè)，地面線纜通過大車架的拖鏈進(jìn)入電氣柜，電器柜的線纜通過拖鏈進(jìn)入小車，再從小車的橋架進(jìn)入中心料斗，最后與各個(gè)電氣元件相連。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是：中心料斗顯得更簡潔、美觀;電氣柜在大車的端側(cè)，不容易被輸料車的混凝土污染。另外，液壓站布置在小車的一側(cè)，通過安裝防護(hù)罩對(duì)液壓裝置進(jìn)行防護(hù)。

2 螺旋式混凝土布料機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 螺旋式混凝土布料機(jī)的擋料平臺(tái)

擋料平臺(tái)的四周采用型材矩形管焊接作為骨架，保證具有一定的強(qiáng)度和剛度，表面鋪設(shè)花紋鋼板避免人員清洗時(shí)滑倒。同時(shí)，其中間設(shè)有方孔格柵板，一方面可以過濾混凝土中的異常物料，如大塊石頭、掉落的設(shè)備零部件;另一方面，也能防止清洗人員跌落到料斗中。目前，市場上現(xiàn)有的大多數(shù)螺旋式混凝土布料機(jī)擋料平臺(tái)采用剛性連接，且缺少輔助落料裝置，導(dǎo)致平臺(tái)上方容易積料、堵料。由此，廣東聯(lián)城住工裝備信息科技有限公司設(shè)計(jì)了一種新型的擋料平臺(tái)：平臺(tái)上的格柵板采用柔性結(jié)構(gòu)連接于平臺(tái)骨架上，并在左右兩側(cè)安裝2臺(tái)振動(dòng)電機(jī)，有效解決了積料問題。

2.2 中心料斗

中心料斗是布料機(jī)的主要功能部件，料斗的上部接收輸料車運(yùn)送的混凝土物料，料斗體則臨時(shí)存放混凝土。為了防止混凝土凝固，在料斗中間安裝攪拌機(jī)構(gòu)。料斗下部的螺旋軸在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過螺旋運(yùn)動(dòng)來擠壓混凝土，同時(shí)控制液壓缸帶動(dòng)出料門的“開/合”，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)布料。由于螺旋運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，因此，利用變頻電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)布料。

2.3 螺旋軸

在料斗寬度一定的條件下，布置的螺旋軸數(shù)量越多，布料的精度越高，且螺旋每轉(zhuǎn)一圈，出料體積越小，越有利于自動(dòng)、精準(zhǔn)布料。國外標(biāo)桿企業(yè)EBAWE的自動(dòng)布料機(jī)采用10個(gè)螺旋軸。經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的螺旋布料機(jī)大多采用8個(gè)螺旋軸，這主要是因?yàn)椋簢鴥?nèi)無法絕對(duì)保證混凝土不含有體積大于50mm的塊狀物體，如果混凝土中夾雜有體積大于螺旋軸葉片空間的物體，螺旋軸就無法正常工作。

2.4 出料門

出料門翻板的開啟與閉合是通過控制液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)的。而出料門的設(shè)計(jì)是根據(jù)四連桿原理，在料斗上選擇合適的鉸點(diǎn)位置，考慮到液壓缸安裝距的合理性（即安裝距與液壓缸行程相匹配），以及液壓缸的作用力臂不能太小（容易出現(xiàn)死點(diǎn)），要保證出料門翻板開啟的最大位置能超過螺旋葉片的最大高度。這樣，當(dāng)需要對(duì)螺旋軸進(jìn)行維修或者需要更換螺旋軸時(shí)，只需要開啟出料門翻板，就可以拔出或者插入螺旋軸，從而避免安裝或拆卸螺旋軸時(shí)，需要拆卸整個(gè)出料門機(jī)構(gòu)。

2.5 螺旋軸軸端密封裝置

螺旋軸的一端伸入料斗內(nèi)的混凝土中，另一端需要連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，處于料斗外部。因此，密封裝置是螺旋式布料機(jī)的關(guān)鍵部件。混凝土中含有大量大小不一、不規(guī)則的顆粒，對(duì)密封件的損傷很大。布料機(jī)很容易出現(xiàn)螺旋軸軸端漏漿、密封件需要經(jīng)常更換的問題。針對(duì)上述問題，廣東聯(lián)城住工裝備信息科技有限公司自主開發(fā)了一種新型密封裝置，利用注脂泵向密封裝置內(nèi)注入一定壓力的油脂，通過油脂壓力來抵消料斗內(nèi)部混凝土的滲透壓力，并設(shè)計(jì)了兩道密封結(jié)構(gòu)：第一道為迷宮密封，通過迷宮初步隔離了顆粒較大的物體（大于0.5mm）;第二道密封最關(guān)鍵，利用單向閥原理，采用耐磨性能優(yōu)異的材料制造成密封墊，通過對(duì)密封座外殼以及密封座內(nèi)軸套的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)密封座的單向閥功能以及面密封功能。

3 螺旋式混凝土布料機(jī)關(guān)鍵部件選型計(jì)算

3.1 螺旋電機(jī)選型

已知條件：混凝土密度2.4×103kg/m3，螺旋數(shù)量8個(gè)，布料機(jī)下料能力[Q]為1m3/min，混凝土阻力系數(shù)[W0]取10，螺旋輸送機(jī)水平長度[L]=0.612m，螺旋直徑[D]=175mm，驅(qū)動(dòng)裝置總效率為0.9，功率儲(chǔ)備系數(shù)[K]取1.2。

需要的軸功率的計(jì)算公式為：

（1）

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（1）可計(jì)算出需要的軸功率為[N0]=0.359kW。

空載功率的計(jì)算公式為：

（2）

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2）可以算出[N1]=0.005 3kW。

需要的最小電機(jī)功率為：

（3）

其中，驅(qū)動(dòng)裝置總效率[η]取0.9，功率備用系數(shù)[K1]取1.2。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）可以得到需要的最小電機(jī)功率[N]=0.486kW。

考慮到螺旋被混凝土中大顆粒物料卡死，選擇電機(jī)功率為1.1kW。減速比為25.6，電機(jī)轉(zhuǎn)速為55r/min，輸出扭矩為159N·m，輸出軸為35mm，使用系數(shù)為1.55。通過最后校核可知：單個(gè)螺旋下料要求能力Q為18×103kg/h，螺旋轉(zhuǎn)一圈（一個(gè)螺距的行程），單個(gè)螺旋的出料量為0.0078×103kg，單個(gè)螺旋下料實(shí)際能力Q1為25.739×103kg/h>18×103kg/h，即滿足下料要求。

3.2 走行電機(jī)選型

已知條件：大車自重[Q0]=3 394kg，滿載時(shí)大車載荷[Q1]=13 128kg，最大運(yùn)行速度[Vmax]=30m/min，大車輪直徑D=300mm，驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量[N]為2個(gè)。

車輪最大轉(zhuǎn)速為：

（4）

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（4）可以計(jì)算出[n]=31.85r/min。

走行電機(jī)選型首先要計(jì)算出布料機(jī)運(yùn)行的總阻力[Pj]，總阻力又由摩擦阻力[Pm]、坡道阻力[Pp]和風(fēng)阻力[Pwi]三部分組成。由于螺旋式混凝土布料機(jī)運(yùn)行在室內(nèi)，故不考慮風(fēng)阻，[Pwi]=0。

摩擦阻力為：

（5）

式中，[μ]為滾動(dòng)摩擦力臂，取值0.03;[d]為車輪軸承內(nèi)徑，為6cm;[f]為滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取值0.015;[Kf]為車輪與軌道的摩擦系數(shù)，取值2。由此可以計(jì)算出[Pm]=181.742kg。

坡道阻力為：

（6）

其中，[Kp]取0.002。可以計(jì)算出[Pp]=33.044kg。

總阻力為：

（7）

大車走行電機(jī)需要的靜功率為：

（8）

式中：驅(qū)動(dòng)裝置總效率[η]取0.9，電機(jī)數(shù)量[Z]為2臺(tái)。代入數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出大車走行電機(jī)需要的靜功率[P]=0.585kW。考慮到留有足夠的余量，選擇大車走行電機(jī)功率為1.1kW。為帶制動(dòng)的變頻電機(jī)，配67型減速機(jī)，采用空心軸安裝方式，減速比為35.6，電機(jī)轉(zhuǎn)速為39r/min，輸出扭矩為246N·m，輸出軸為40mm，使用系數(shù)為3.14。

4 螺旋式混凝土布料機(jī)的有限元分析

螺旋式混凝土布料機(jī)的主要受力和運(yùn)動(dòng)部件是小車架和大車架，采用SolidWorks自帶的有限元分析模塊Simulation分別對(duì)小車架和大車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，主要步驟包括邊界條件設(shè)定、施加載荷、劃分網(wǎng)格及最后的求解計(jì)算。

4.1 小車架的有限元分析

小車架左、右主梁以及中間的連接橫梁均采用型材矩形管結(jié)構(gòu)，左、右主梁與中間橫梁之間采用螺栓連接。圖1和圖2是小車架在混凝土滿載情況下的應(yīng)力、位移分析結(jié)果。

材料為Q345鋼材，屈服強(qiáng)度[σs]=345MPa，安全系數(shù)取1.7，許用應(yīng)力[[σ]]=202.9MPa。通過有限元分析，最大應(yīng)力187MPa<[[σ]]，最大位移為0.381 8mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

4.2 大車架的有限元分析

大車架左、右主梁采用矩形管結(jié)構(gòu)，橫梁采用工字鋼結(jié)構(gòu)，左右主梁與中間橫梁采用螺栓連接。圖3和圖4是大車架在混凝土滿載情況下的應(yīng)力、位移分析結(jié)果。

材料為Q345鋼材，屈服強(qiáng)度[σs]=345MPa，安全系數(shù)取1.7，許用應(yīng)力[[σ]]=202.9MPa。通過有限元分析，最大應(yīng)力167MPa<[[σ]]，最大位移為1.995mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文主要研究了螺旋式混凝土布料機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，探討了螺旋式混凝土布料機(jī)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，也解決了實(shí)際中遇到的問題，對(duì)今后螺旋式混凝土布料機(jī)的開發(fā)及實(shí)際工程應(yīng)用提供了一定的借鑒價(jià)值。PC工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線是今后的發(fā)展方向，但目前，國內(nèi)能提供完整的自動(dòng)化產(chǎn)線的生產(chǎn)廠家很少，主要依靠國外進(jìn)口。因此，自動(dòng)化生產(chǎn)線和自動(dòng)化、智能化的螺旋式混凝土布料機(jī)將是未來的發(fā)展方向和研究重點(diǎn)。

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