基于鋼絲繩傳動的自動抹灰機的輕量化設計

廖紅玉，鄧夢洋，周 敏，謝良喜，姚俊夫

（1.中國一冶集團有限公司，湖北 武漢 430080；2.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北 武漢 430081；3.武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081）

隨著建筑產品的商品化，加快施工進度、縮短工程周期、提高投資效益是建筑工程建設的目標之一。在建筑施工周期中，對內外墻粉刷抹灰的耗時占30%～40%。目前墻面粉刷抹灰以人工施工為主，工人的工作環境差、工作繁重且效率低下。因此，迫切需要實用、高效、性能可靠、價格低廉的墻面抹灰機［1］。

劉延俊等［2］采用電氣控制與氣壓傳動相結合的方式設計了一種半自動抹灰機，其結構簡單，操作方便。楊振宇等［3］設計了一種新型抹灰機，把灰漿噴涂改為直接抹灰，節約了作業成本，提高了工作效率。陳萬強等［4］設計了一種基于產品功能的房體表層抹灰機，采用液壓傳動，使該裝置能夠很好地應用于室內外建筑工程，尤其適用于大面積房體表層抹灰的機械化作業。王瑩等［5］利用傳感器技術實現了對抹灰機抹灰部件的實時控制與調整，使抹灰機可以進行墻面無死角作業。馮愛華等［6］設計了一種室內墻壁用差動抹灰機，利用差動輪系原理，實現了螺旋式輸送供料和離心式甩灰，大大提高了工作效率。孟憲舉等［7］根據抹灰裝置的工作狀況，設計了一種集供灰、抹平和壓實為一體的抹灰裝置，并仿真分析了其抹灰的穩定性。阮學云等［8］設計了一種氣動內墻智能抹灰機，通過行程開關閥將機械系統與氣動系統相結合，實現智能抹灰，并解決了抹灰機頻繁定位和定位不準確的問題。

目前的上一代抹灰機基本可以滿足抹灰的市場需求，但仍然存在很多問題，如：對施工環境的要求較高；抹灰自動化程度較低，抹灰機操作較為復雜；抹灰機需要手工搬運；參與施工的人員較多，人力成本降低不多；抹灰機整機質量較大，有的重達389.8 kg，還會出現“頭重腳輕”的問題［9］。因此，為了實現建筑抹灰機械的智能化，提高墻面抹灰質量，筆者設計了一種基于鋼絲繩傳動的自動抹灰機，并基于輕量化設計的理念［10］，進行了其輕量化設計。

1 自動抹灰機的結構和工作流程

1.1 自動抹灰機的結構

通過一根封閉的鋼絲繩實現抹灰機橫向和縱向的運動。自動抹灰機的結構如圖1所示。它主要包括橫縱移模塊、小車模塊和噴涂模塊。

圖1 自動抹灰機的結構Fig.1 Structure of automatic plastering machine

橫縱移模塊分為橫移模塊、縱移模塊及其傳動模塊。橫移模塊包括合頁鎖扣、平移小車、噴嘴、噴嘴底座和桁架；縱移模塊包括傳感器安裝支架、縱移導軌和連接板；傳動模塊包括鋼絲繩和定滑輪。橫移模塊和縱移模塊由鋼絲繩傳動并用螺釘固定，其定位和導向均采用直線導軌，以實現抹灰機整體的橫移和縱移運動；將縱移模塊置于小車上并進行焊接連接，實現縱移模塊的整體豎直固定。噴涂模塊由砂漿噴射裝置和配套噴漿機組成，用于完成噴涂作業。砂漿噴射裝置通過平移小車置于橫移模塊上，并通過卷揚機實現左右運動，同時噴涂模塊的管接頭通過軟管與噴漿機連接，砂漿進入管接頭并從砂漿噴射裝置噴出，實現墻面抹灰。

為避免抹灰機“頭重腳輕”，其驅動裝置置于小車模塊上。通過卷揚機的正反轉控制噴嘴的左右移動；電機驅動絲桿旋轉，使得卷揚機前后運動，實現縱移模塊的升降，從而實現噴嘴的升降。抹灰機采用一根封閉的鋼絲繩進行傳動，實現噴嘴的橫移和縱移運動，并利用直線導軌進行定位和導向，以實現噴嘴運動的平穩性。同時，通過鋼絲繩傳動可以使抹灰機輕量化，實現整機減重。

1.2 自動抹灰機的工作流程

自動抹灰機的工作流程如圖2所示。將折疊好的抹灰機搬運至工作墻面，展開桁架，找平后鎖緊小車輪，使小車固定，并檢查裝置的安全性；將噴漿機軟管與噴嘴接頭連接，啟動電源使噴涂模塊和卷揚機開始工作；卷揚機拉動噴嘴在桁架上橫移運動，直到噴嘴運動到桁架的端部，則這一橫行噴涂完成，此時卷揚機停止工作；縱移電機啟動并拉動卷揚機往后運動，由于是在一根封閉的鋼絲繩上，縱移導軌同時往上運動一個單位，然后電機停止，卷揚機拉動噴嘴開始噴涂下一橫行；當縱移部分頂端的行程開關與屋頂接觸時，這一工位的墻面噴涂完成，電機帶動橫縱移模塊緩慢下降至開始位置直到觸碰最低位置行程開關，抹灰機停止工作；移動抹灰機至下一個工位繼續工作，直至完成所有墻面的抹灰工作。

圖2 自動抹灰機的工作流程Fig.2 Workflow of automatic plastering machine

2 自動抹灰機橫縱移模塊的傳動設計

抹灰機工作時，噴嘴先在水平方向運動4 m，水平運動完成后縱移模塊上升0.2 m，噴嘴繼續作水平往回運動，以此完成整面墻的抹灰工作。噴嘴的橫向運動與縱向運動互不干擾，分別由橫移模塊和縱移模塊控制，而實現橫移模塊和縱移模塊的傳動構件為鋼絲繩，其承載負載大，因此須對鋼絲繩受力進行分析。

2.1 橫移模塊傳動設計

噴嘴橫移運動的原理如圖3所示。噴嘴底座與噴嘴焊接在一起。鋼絲繩的兩端與噴嘴底座的外表面焊接。連接噴嘴底座的鋼絲繩通過定滑輪換向，換向后鋼絲繩還會通過縱移模塊再次換向，最后鋼絲繩纏繞在卷筒上。當卷筒旋轉時，鋼絲繩會隨之轉動并帶動噴嘴移動，即：當卷筒正轉時，噴嘴水平向左移動；當卷筒反轉時，噴嘴水平向右移動。絲桿一端與卷筒相連接，另一端與小車機架相連接。

圖3 噴嘴橫移運動原理示意Fig.3 Schematic of principle of nozzle traverse movement

噴嘴在桁架上橫向運動進行墻面水平方向的噴涂，因此對噴嘴水平運動的平穩性、精確性要求很高，在設計中用直線導軌連接噴嘴與桁架。直線導軌既可以將噴嘴與桁架連接起來，又可以起到導向作用。滑塊與導軌動滑面之間的摩擦為滾動摩擦，摩擦阻力很小，因此驅動噴嘴水平運動所需的驅動力也較減小，則電機的驅動功率可以大幅度減小，從而使機械結構的穩定性得到提高，因此噴嘴水平運動的平穩性、精確性得到提高。

2.2 縱移模塊傳動設計

噴嘴縱移運動的原理如圖4所示。橫移模塊和縱移模塊用一根鋼絲繩連接，為避免封閉的鋼絲繩打結纏繞，在每一處鋼絲繩導向位置裝有雙排滑輪組。鋼絲繩經過滑輪組換向后最后連接到卷筒上，卷筒安裝在動力模塊上，動力模塊與絲桿螺母連接。在絲桿傳動下，動力模塊與卷筒一起向后移動，進而拉動鋼絲繩向后移動，從而帶動橫移模塊沿著縱移框架向上移動。在上升過程中，當橫移模塊上升到設定距離時絲桿螺母停止運動，同時卷筒通過正反轉拉動噴嘴在水平方向左右移動，依此進行整面墻的噴涂。

圖4 噴嘴縱移運動原理示意Fig.4 Schematic of principle of nozzle longitudinal movement

卷筒所在的小車模塊上裝有3組滑輪，其與機架上安裝的4組滑輪組成3組動定滑輪組。采用動定滑輪組既可以縮短6倍的工作距離，又可以改變力的作用方向，使得抹灰機尺寸小、結構簡單且易于實現工作要求。在實際建筑物中，大部分門框的寬度不超過1.5 m，所以減小抹灰機的尺寸大小尤為重要。

2.3 鋼絲繩受力分析與計算

鋼絲繩具有柔性好、可靠性高、耐腐蝕強、自身質量小、能承受多種載荷等優點。為設計出安全性高的抹灰機，須對鋼絲繩的受力進行分析與計算，并進行正確選型［11］。

經過評估，鋼絲繩的承載負載為400 kg，故初步選取6*7+IWS鋼絲繩［12］。其選擇系數如表1所示。其中：K1——鋼絲繩最小破斷拉力系數；K2——充分涂油的某一結構鋼絲繩單位長度的質量系數，kg·（100 m·mm2）-1；K3——指定結構鋼絲繩的最小破斷拉力系數。

表1 6＊7+IWS鋼絲繩的選擇系數Table 1 Selection coefficient of 6*7+IWS wire rope

在抹灰機的工作過程中，鋼絲繩受到多種復雜的應力作用。在工程實踐中廣泛采用選擇系數法來確定鋼絲繩的直徑d：

式中：c——選擇系數，；

T——單根鋼絲繩最大的靜拉力，N。

式中：m1——抹灰機鋼絲繩的安全系數。

R0——鋼絲繩公稱抗拉強度，R0=157 0 MPa。

抹灰機工作級別為M4，則m1=4.5。將m1、K1、R0的值代入式（2），可得c=0.09。

采用滑輪組來實現抹灰機的橫移、縱移運動。由于抹灰機工作范圍不大，鋼絲繩本身的質量可以忽略不計，則：

式中：Q——額定起重量，Q=400 kg；

Q0——吊具質量（裝置中無吊鉤），Q0=0 kg；

n——卷筒上鋼絲繩分支數，本裝置為雙聯滑輪組，n=2；

i——滑輪組倍率，本裝置中有3組動滑輪，i=3；

η1——滑輪組效率，選用滾動軸承，η1=0.96；

η2——單聯滑輪組的導向滑輪效率，η2=0.98；

g——重力加速度，g=9.8m/s2。

將以上各值代入式（3），可得T=694.44 N。

將c、T值代入式（1），可得d=2.37 mm。

鋼絲繩單位長度質量M為：

式中：D——所選鋼絲繩的公稱直徑，D=3 mm。

通過計算，可得M=3.48 kg/100 m。

鋼絲繩最小破斷拉力F0為：

通過計算，可得F0=5 072.67 N。

參考起重機鋼絲繩的校核，所選取的鋼絲繩必須滿足：

式中：m——設計規范或安全規程規定的安全系數，m=4.5。

3 自動抹灰機的應用價值

采用自動抹灰機施工不僅可以提高抹灰的自動化水平、改善施工環境、提高施工質量和優化施工工藝，而且可以取得較高的經濟效益。相比于人工粉刷抹灰，采用自動抹灰機可以使建筑企業顯著降低生產成本。人工施工與采用自動抹灰機施工每天的施工面積和成本比較如表2所示。

表2 人工施工與采用自動抹灰機施工每天的施工面積和成本比較Table 2 Comparison of construction area and cost per day between manual construction and automatic plastering machine construction

由表2可知，相比人工施工，采用自動抹灰機施工每天可減少1716.67元人力成本，而且施工面積是人工施工的6倍。按每年工作300 d計算，每年可減少51.50萬元人力成本。因此，采用自動抹灰機施工可以使建筑企業減少成本支出，提高經濟效益。根據武漢市城鄉建設局統計，近年來武漢市每年的建筑工地超過1萬個。自動抹灰機的使用年限為4 a，則平均每年約需2 000臺，可見自動抹灰機具有良好的市場前景。

4 結 論

1）設計了一種基于鋼絲繩傳動的自動抹灰機，實現了抹灰自動化，推動了建筑機械行業向自動化、智能化發展方向。

2）采用鋼絲繩作為傳動構件，解決了抹灰機“頭重腳輕”的問題，實現了抹灰機減重。

3）對鋼絲繩受力進行分析與計算，表明所選擇的鋼絲繩符合工況要求。

4）對自動抹灰機的施工成本進行分析。結果表明，建筑企業采用自動抹灰機施工可以節約生產成本，顯著提高經濟效益。自動抹灰機具有良好的市場前景。