折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備研發

張 波

(上海建工四建集團有限公司，上海 201103)

0 引言

我國鄉村住宅建造水平區域化差異明顯，特別對于經濟落后地區，住宅建造仍以勞動密集型為特點，專業施工隊伍欠缺、施工裝備機械化水平低、過程管理粗放、質量安全控制難、環境污染等問題突出[1]。物料提升與混凝土布料是住宅建造過程中的必要環節。受建造環境、經濟條件、專業技術水平等因素制約，鄉村住宅建造的物料提升與混凝土布料工藝與裝備落后。對于物料提升，施工作業主要采用井架、拔桿等設備。這些臨時設備主要依靠施工人員經驗自行制作，設計簡陋，安全性與穩定性難以保證[2-5]。此外，鄉村住宅混凝土用量較低。長期以來，鄉村住宅建造中的混凝土布料主要依賴人力完成。該作業模式工作效率低、布料質量得不到有效控制。而城市建設使用的布料機體型大、輸出量高，不適用于鄉村住宅建造。為解決上述問題，本文針對鄉村住宅建造場景和工藝特點，研發了小型化物料提升-混凝土布料一體化裝備。

1 鄉村住宅建造設備功能需求

通過各地走訪調研可以看出，我國南北鄉村住宅建造環境差異較為明顯。總的來說，經濟相對落后的地區，材料供應、通行條件、專業素養、經濟投入等方面均相對薄弱。這些因素在很大程度上決定了機械設備的研發應趨向小型化、便捷化、自動化。物料提升-混凝土布料一體化裝備的主要功能需求包括以下幾個方面。

①可移動。通過自行走或拖行裝置設計，研發設備應具有較高的場地通行能力，方便轉場。

②快速裝拆。由于鄉村住宅建造體量小、施工周期短，因此研發設備應具有快速安裝、拆卸的特點。

③物料提升高度可達到12 m，提升重量為1 t。一方面，目前國內各地對新建住宅的建造高度均有限制，普遍控制在12 m以下。因此，物料提升高度應滿足此要求。另一方面，鄉村住宅提升物料主要是砂漿、砌塊、磚等材料，提升質量相對較小，將載重設定為1 t則基本滿足使用要求。

④布料半徑為10 m。對于大多數鄉村住宅，進深約為5～6 m，單層建筑面積普遍小于100 m2。因此，對于布料機而言，布料半徑設定為10 m即可覆蓋樓層面積[6]。

⑤物料提升與布料功能集成。物料提升與混凝土布料是施工階段的必要環節。通過設備集成，可以實現一機兩用，從而有效降低裝備使用成本。

2 設計方案

根據第1節所述功能需求可知，物料提升-混凝土布料一體化裝備主要包含行走機構、布料機構、物料提升機構及控制機構等核心部件。在此基礎上，為滿足移動、快速就位、安拆等功能，本文初步形成兩種技術方案。方案一為伸縮桁架式場料提升-混凝土布料一體化裝備。方案二為折疊式場料提升-混凝土布料一體化裝備。

2.1 方案一概述

伸縮桁架式物料提升-混凝土布料一體化裝備整機設計方案如圖1所示。

圖1 伸縮桁架式物料提升-混凝土布料一體化

伸縮桁架式物料提升-混凝土布料一體化裝備總體設計思路如下。

整機主體采用四節桁架嵌套形成伸縮塔身。每節桁架高度約為3 m。底部桁架平面尺寸約為2 m×2 m。

布料機固定于頂部桁架節。物料提升貨箱布置于桁架塔身外側。各桁架節同側設置齒條機構。物料提升貨箱通過齒輪與齒條咬合上下行走[7]。

伸縮塔身固定于底部四輪行走機構，在外部機構的牽引下實現整機行走移位。

伸縮桁架內置一個油缸，并與繩索機構配合調節各桁架節的同步升節和回落，以實現塔身的伸縮。

初始狀態下，整機高度約為3.5 m，最大伸展高度約為12 m。設備的不同工作狀態如圖2所示。

圖2 不同工作狀態示意圖

2.2 方案二概述

折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備整機設計方案如圖3所示。

圖3 折疊式物料提升-混凝土布料一體化

折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備總體設計思路如下。

①整機主要包含布料機構、物料提升機構、行走機構、液壓機構等部分。其中，布料機構與物料提升機構相互獨立，分別固定于行走機構的底座上。

②兩個伸縮塔身底部分別與行走機構鉸接。各基礎節頂部采用液壓油缸與行走機構連接，通過油缸伸縮實現伸縮塔身豎向平面內90°旋轉折疊[8]。整機初始折疊狀態如圖4所示。

圖4 初始折疊狀態示意圖

伸縮塔身設計如圖5所示。

圖5 伸縮塔身設計示意圖

③布料機構和物料提升機構分別擁有獨立伸縮塔身。伸縮塔身從下到上由基礎節、第一節、第二節(從下到上)共三節立柱嵌套組成。塔身通過液壓油缸、滑輪組及鋼絲繩系統集成設計實現上下伸縮，以滿足布料高度和物料提升高度要求。

④布料機構主要由伸縮塔身與小型布料機組成。小型布料機回轉軸承安裝于第二伸縮節頂部。回轉底架采用液壓油缸與第二伸縮節中部連接，通過油缸伸縮實現布料機豎向平面內90°翻轉。布料機豎向翻轉如圖6所示。

圖6 布料機豎向翻轉示意圖

⑤物料提升機構主要由伸縮塔身與貨箱組成。貨箱附著于第二伸縮節。塔身在伸縮時帶動貨箱上下行走。

2.3 方案比選

對于2.1節和2.2節所述方案，以下從通行能力、使用可靠性、安拆便捷性三個方面作對比。

①通行能力。

兩個方案均設計了行走機構，在外力牽引作用下都可實現行走，但整機高度很大程度上影響著運輸和通行安全。方案一的伸縮桁架式結構無法折疊，故整機最小高度約為4 m，不滿足道路運輸限高要求；同時，場地內移動容易失穩。相比而言，方案二通過折疊機構設計將整機初始高度控制在3 m以內，可以滿足運輸和轉場要求。

②使用可靠性。

方案一的物料提升與布料共用桁架式伸縮塔身，兩者同時使用對桁架強度與穩定性要求高，很大程度提升了設計難度與加工精度。方案二的物料提升與布料機構相互獨立，大大降低了工作狀態下的相互影響。這有效保證了整機使用可靠性。

③安拆便捷性。

對于方案一，整機運輸和轉場過程中需要將頂部布料裝置與桁架塔身進行拆解，到場后重新安裝；同時，由于桁架伸展后長細比較大，需要安裝附墻裝置。因此，方案一安拆便捷性欠佳。方案二的整機在運輸和轉場過程中無需拆解，到場就位后自動折疊伸縮，大大簡化了安拆工作，可實現快速就位與轉場。

通過以上三方面對比，方案二優勢明顯。故本文采用方案二進行設計。

3 系統組成

通過設計方案深化，折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備主要包括底架、配重塊、控制電柜、提升機、布料機塔身、提升機塔身、提升機翻轉油缸、布料機翻轉油缸、布料機、伸縮動力缸等部分。折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備整機結構如圖7所示。

圖7 折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備

①底架為鋼結構框架。底架的下表面安裝滑輪及腳杯，用于移動及找平。底架的上表面承載提升機塔身、布料機塔身等主要工作裝置，并為各油缸提供鉸點。

②提升機、布料機塔身均為三節嵌套結構。伸縮動力缸結合鋼絲繩及滑輪，為提升機、布料機提供伸縮動力。

③提升機翻轉油缸、布料機翻轉油缸為提升機和布料機底架提供翻轉動力，以實現整機在正常工作狀態與折疊狀態之間轉換。

折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備提升機與布料機塔身升降高度均為9 m，滿足鄉村住宅建造需求。起升速度為3 m/min，可確保布料機及物料快速提升就位。布料機主臂長度為6 m，布料半徑為10 m，主臂回轉角度為180°，前臂回轉角度為360°。主臂與前臂協同，可實現布料半徑內的無死角布料。物料提升平臺尺寸為1.5 m×1 m，額定載重1 t，可提升一輛滿載手推車至施工層。

4 提升機構設計

折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備的設計難點在于布料機和提升機豎向移動功能的實現。為解決該問題，本文設計了提升機構。提升機構通過動力油缸組、伸縮塔身、滑輪組及鋼絲繩的協同配合，實現布料機構與物料提升機構的豎向移動。提升機構結構如圖8所示。

圖8 提升機構結構示意圖

(1)底架為伸縮塔身一、伸縮塔身二、動力油缸組提供固定鉸點。

(2)動力油缸組由兩支平行布置的油缸組成。缸筒前端和尾端分別鉸接在底架上。兩支油缸活塞桿伸出方向相反。

(3)伸縮塔身一和伸縮塔身二的結構完全相同，整體為三節臂架嵌套結構。基礎節固定在底架上。第一節和第二節為動臂。滑輪及導輪在每一節臂布置方式相同。臂頭和臂根處分別固定滑輪和導輪。滑輪供鋼絲繩穿過。導輪與前一節臂內表面接觸，起導向作用。

(4)鋼絲繩走繩分伸縮動力油缸處走繩和伸縮臂架內部走繩兩部分。

①伸縮動力油缸處走繩。油缸處鋼絲繩一端固定，輸出端繞過油缸活塞桿端滑輪及底架導向滑輪，并與伸縮臂輸入端相連[9-10]。伸縮動力油缸處走繩如圖9所示。

圖9 伸縮動力油缸處走繩示意圖

②伸縮臂內部走繩由基礎節與第一節臂間走繩、基礎節與第二節臂間走繩兩部分組成。伸縮臂內部走繩如圖10所示。

圖10 伸縮臂內部走繩示意圖

基礎節與第一節臂間走繩：鋼絲繩經油缸輸出端與伸縮臂輸入端相連，隨后經基礎臂上端導輪、第一節臂下端滑輪，鎖止在基礎臂上，如圖10中實線所示[11]。基礎節與第二節臂間走繩：鋼絲繩起始端鎖定在基礎臂上，隨后經第一節臂導輪、第二節臂下端滑輪，最終鎖止在第二節臂上，如圖10中虛線所示。

5 液壓控制系統設計

布料提升機構的工作過程為：電機驅動液壓泵，使壓力油經過高壓過濾器流至分流閥塊；分流閥塊將油液分向五個換向閥；電磁開關式換向閥分別控制立柱展開、立柱升降、回轉擺臂展開和物料提升。物料提升-混凝土布料一體化裝備工作過程中，首先展開兩個立柱和回轉擺臂，然后使立柱提升，最后調整回轉的姿態。所有液壓缸均設計有液壓鎖。換向閥回到中位后，夾緊機構能繼續保持夾緊狀態。夾緊機構的換向閥中位機能為Y型中位機能。這一方面保證了液壓鎖的正常工作，另一方面在夾緊機構不工作時能對系統進行保壓。所有液壓缸均設計有單向節流閥，用于控制液壓缸運動的速度。由于立柱展開液壓缸與立柱伸縮液壓缸不同時工作，當物料提升機構工作時，泵站的流量全部用于物料提升機構液壓缸運動，以保證其動力充足。所有液壓缸的運動通過可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)下發的指令控制，從而調整整機工作狀態。

6 結論

“十三五”以來，鄉村振興成為國家重要發展戰略。鄉村建造規模巨大，然而其適用性建造裝備仍有所欠缺。本文研發的折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備能較好地適用于鄉村住宅統建式建造場景。通過示范應用表明，本折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備安裝就位時間約為2 h，物料提升載重量達到1 t，布料半徑達到10 m，布料回轉速度為0.4 rad/min，物料提升最大高度為9 m，布料最大高度為12 m，轉場方便。該裝備能降低建造成本且綠色環保，具有較高的社會效益和經濟效益。