模臺清掃噴涂車的研制

王寒煜

（廣東博智林機器人有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

國家正在大力推進“建筑工業化、住宅產業化”，以期根本提升我國建筑行業技術水平[1]。在此背景下，需要提高混凝土預制件生產線的機械化、智能化及生產效率。在混凝土預制件生產線上，模臺是重要的配套設備之一，可直接影響混凝土預制件的外觀，當養護完成的構件從模臺上脫模后，模臺表面上會附著混凝土屑和塵土，為了保證每一塊預制件的合格，對于使用過的模臺重復使用前必須對模臺進行清掃并噴涂脫模劑，因此模臺清掃噴涂車是預制件生產線中重要組成部分，用于保證構件的質量及混凝土預制件生產線的順利運行。對于傳統的生產線，清掃噴涂工藝通常由2～3名工人來完成。需要人工使用撬棍拆除模具，反復拆裝模具容易造成模具變形；模臺上頑固混凝土需要用鏟子鏟除；模臺上殘余混凝土需要用掃帚清掃干凈；當模臺清掃干凈后，需要重新安裝模具，安裝過程中需要測量模具安裝尺寸；需要人工使用噴壺噴灑脫模劑，然后使用墩布涂抹均勻，此過程脫模劑用量不易控制；整個過程人工用工量大、勞動強度大且效率低，制約了疊合板的生產效率。現有技術中的模臺清掃噴涂機主要通過輥刷和吸塵器清理模臺上的混凝土屑，然后使用脫模劑噴涂設備對整個模臺面噴涂脫模劑，其缺點是無法完全清理干凈模臺表面，對于附著力大的混凝土屑很難清理掉，模具外側噴涂脫模劑造成浪費。自動化產線上拆裝模具均由機械手自動完成，為了解決現有技術問題并適應自動化產線的總體要求，有必要研發一種自動化程度高、清理模臺效果好、清掃效率高、節省脫模劑的模臺清掃噴涂車。

1 模臺清掃噴涂車總體方案設計

1.1 設備功能介紹

模臺清掃噴涂車由三相異步電動機驅動沿生產線軌道上行走，車的前端裝有清掃系統，車的中間平臺上配有一臺中高壓除塵設備，車的后端裝有脫模劑噴涂系統，整車通過滑觸線取電，并設計有安全避障雷達、三色燈、多處急停開關、防脫軌感應器、防撞塊等安全組件。該設備通過集成機械系統、電氣控制系統、氣動系統，實現清掃、吸塵、噴涂脫模劑等功能。

該道路清掃車的主要功能有以下3個：1）模臺面清掃功能。利用前滾刷清掃模臺上混凝土屑和塵土，向前清掃的時候可以將前方的垃圾掃進集料斗里面。通過風機從吸塵口吸拾揚塵，使模臺面清潔。2）鏟除模臺面頑固混凝土功能。通過氣缸下壓使鏟板緊貼模臺面，鏟板沿模臺表面向前推進，鏟板可以輕松清除整個模臺面上的大塊混凝土殘渣。3）噴涂脫模劑功能。通過與MES信息交互，控制系統可快速收到模具信息，控制模具范圍內噴頭電磁閥開啟，模具范圍外噴頭電磁閥關閉，采用高壓無氣噴涂方式，脫模劑被精準均勻地噴涂在模具范圍內，脫模劑噴涂均勻細膩且節省脫模劑。

1.2 方案設計

該清掃噴涂車由行走系統、清掃系統、吸塵裝置、噴油系統等組成。行走系統負責整車沿軌道的行走工作，清掃系統在設備的前方，由絲桿升降裝置可以實現上下移動，工作時放下，行走時提起，滾刷電動機驅動滾刷向前旋轉，實現滾刷對模臺及模的清掃。高壓風機通過風道與吸塵口相連，完成吸灰塵的工作。通過與產線信息交互，獲取模具位置信息，清掃噴涂車與軌道之間設計有編碼尺，通過讀取編碼尺可實時記錄設備所處的位置，實現對模臺進行精準噴油。

2 主要裝置布置及結構分析

2.1 行走系統

行走系統承載整機質量，裝載整車的驅動系統，使整機沿生產線軌道行駛，滿足整機設計參數要求，結構必須安全可靠、性價比高，并且設計有符合工作裝置安裝要求的安裝接口。行走系統主要由底架、驅動單元、輪軸單元、滑觸線、編碼尺、工作機構的安裝接口等組成。底架是整車及工作裝置的載體。通過行走系統上的電動機驅動輪軸轉動，車輪踏面與軌道接觸使行走機構沿軌道運行。通過滑觸線給清掃噴涂車供電，通過編碼尺讀頭讀取編碼尺數據，實時反饋設備位置，從而便于生產線控制生產節拍。

底架由兩根側梁和橫梁裝配組成，側梁和橫梁是由低合金高強度的鋼板焊接而成的結構。兩根側梁由鋼板焊接成箱形結構，經熱處理去除殘余應力后加工輪軸安裝孔，側梁上有橫梁安裝座、電控柜安裝座、清掃系統安裝座、滑觸線支架安裝座。橫梁上有驅動單元的安裝座、噴涂系統安裝座和吸塵裝置安裝座等。

2.2 風機系統設計

風機系統的主要組成部分為電動機、風機和風道[2]。清掃過程中的除塵、吸塵功能都是通過風機系統的作用來實現的，風機系統能否提供足夠的壓力和風量將直接影響清掃效果。

1）風機風量的計算公式為

式中：Q為風機風量，m3/h；k1為風道的漏風系數，取1.1；k2為集塵箱的漏風系數，取1.1；vm為吸塵口入口截面處垃圾啟動所需最小風速，取22 m/s；A為吸塵口的入口截面大小，取0.04 m2。因此風機實際所需風量為Q=1.1×1.1×3600×22×0.04 =3833 m3/h。

表1 設備主要參數表

圖1 清掃噴涂車總體圖

2）風機全壓的計算公式為：

式中：P為管道壓力損失，Pa；ψ為設計裕量，通常取1.2；L為管道長度，分段計算；d為管道直徑，分段計算；λ為摩擦阻力因數；ρ為空氣密度，1.2 kg/m3；ζ為局部阻力系數，取0.5；ε為絕對粗糙系數，取0.18 mm；Re為雷諾數；ν為黏度系數，取0.000 015 m2/s。代入參數可得P=3000 Pa。

3）電動機功率計算。風機是整個風機系統的動力源，風機系統的風壓和風量等參數主要是由風機性能決定的，風壓和風量的大小是影響吸塵、清掃效果的關鍵因素。因此需要根據風機系統的風壓和風量選擇電動機，搭配的電動機所需功率計算公式為

式中：N為搭配的電動機功率，kW；Q為風機實際所需的風量，m3/h；P為風機實際所需的全風壓，Pa；η為風機工作時的效率，取0.8；ηm為機械傳動的效率，取0.9；k5為電動機容量安全系數，取1.5。

因此，電動機功率為7000 W，經篩選后，選用市場上較為常見的7500 W的中壓風機。

2.3 清掃系統

清掃系統主要由支撐框架、滾刷裝置、升降裝置、滾刷電動機、鏟板裝置等組成。執行清掃作業時，滾刷電動機通過鏈傳動驅動滾刷旋轉，絲桿升降裝置控制滾刷升降，滾刷下降至合適高度與模臺面接觸，行程開關反饋到位信息，鏟板氣缸頂出，使鏟板繞銷軸旋轉后貼緊模臺面。通過滾刷升降裝置控制滾刷升降，確保刷毛接觸模臺后有一定的壓縮量，保證清掃效果的同時不減少刷毛的使用壽命。高壓風機通過風道吸塵口相連，完成吸塵的工作。清掃作業結束時，滾刷停止旋轉后升降裝置提升滾刷至極限位置，行程開關反饋到位信息，鏟板氣缸縮回，使鏟板繞銷軸旋轉后升至極限位置。

2.3.1 滾刷裝置

滾刷裝置主要由滾刷箱、滾刷、廢料箱、卸料氣缸、滾刷電動機、軸承座等組成。采用絲桿升降裝置控制整個滾刷裝置的升降，配合電動機驅動滾刷高速旋轉。當執行清掃作業時,調整絲桿升降裝置可使刷毛與模臺面接觸并使刷毛產生一定量的壓縮變形，根據經驗，將刷毛的壓縮變形量控制為15～30 mm時比較合適，既能使滾刷有一定的清掃力度，而且又能保證刷毛的使用壽命。有研究表明，提高刷毛壓縮量能提高滾掃力[3]，但是刷毛使用壽命會下降；提高刷毛壓縮量還會使清掃長度先增加、后減少[4]。因此刷毛的壓縮變形量需要控制在一個合理的范圍內。滾刷是清掃噴涂車的核心部件，刷絲直接作用于模臺面的灰塵，尼龍刷絲以螺旋狀排列，螺旋升角為20°，滾刷旋轉時，灰塵沿滾刷螺旋方向被切削清掃，并且能將灰塵拋出[5]。滾刷上的刷絲采用螺旋式排布，可以使滾刷在執行清掃作業時既可以實現模臺面的清掃，又可以實現由兩側向中間的清掃。滾刷轉動過程中，模臺上的混凝土殘渣被刷絲掃入輥刷前方的廢料箱內，滾刷箱后面開有吸塵孔，通過吸塵孔吸拾清掃過程中產生的揚塵。

滾刷電動機功率計算公式為：

圖2 清掃系統結構如圖

式中：P為滾刷電動機功率，kW；k為電動機容量安全系數，1.5；N為刷絲觸地壓力，N；l為刷絲長度，250 mm；E為刷絲彈性模量，取100 GPa；I為刷絲截面慣性矩，4000 m3/h；f為刷絲與模臺面摩擦因數，取0.5；η為刷絲穩定性系數，取2.467；n為同時觸地刷絲數量，500；v為滾刷線速度，m/s；vm為清掃前進速度，m/s；ηm為機械傳動的效率，取0.9。

研究表明，計算滾刷線速度時，取滾刷線速度不小于整機清掃速度的1.5倍，清掃效果較為理想[6]。

2.3.2 鏟板裝置

構件從模臺上脫模后，模臺表面上會附著混凝土殘渣和塵土，對于附著力大的混凝土殘渣很難清理掉，模臺上頑固混凝土需要用鏟板鏟除。

鏟板裝置主要由鏟板、刀片、彈簧、氣缸、鉸軸、側邊擋板等組成。鏟板與清掃框架的前端鉸接，通過氣缸伸縮，使鏟板繞鉸軸旋轉，氣缸活塞桿推出時，鏟板上的刀片與模臺接觸，并且設計了彈簧使鏟板與模臺貼合得更好，清掃噴涂機沿軌道運行時即可鏟除模臺上的混凝土，鏟板側邊的擋板防止混凝土殘渣漏到模臺兩側。

2.3.3 升降裝置

升降裝置主要由驅動電動機、聯軸器、蝸輪蝸桿減速機、絲桿、傳動軸等組成。電動機輸出軸通過聯軸器與蝸輪蝸桿減速機輸入軸相連，兩個蝸輪蝸桿減速機通過傳動軸與聯軸器相連，保證機械同步，通過電動機驅動蝸輪蝸桿減速機，蝸輪驅動絲桿轉動，從而實現絲桿升降，絲桿頭部通過銷軸與輥刷箱鉸接，滾刷箱與滾刷框架之間設計有導向輪，從而驅動輥刷箱升降。

2.4 噴涂系統

由高壓泵抽取儲液罐內脫模劑，經過濾器、穩壓閥、控制管路、電磁閥及噴嘴均勻噴出，并且獲取模臺上模具位置信息，只對模具范圍內模臺面進行精準噴涂作業的設備，具備自清洗功能，能自動切換到管路清洗模式，自動清洗管路，防止管路堵塞。

噴油系統主要由機架、防風罩、泵、油箱、水箱、過濾器、電磁閥、控制管路、控制柜、噴嘴等組成。通過與MES信息交互，獲取模具位置，只對模具范圍內模臺面進行精準噴涂作業的設備，具備自清洗功能，能自動切換到管路清洗模式，自動清洗管路，防止管路堵塞，防風罩防止脫模劑飄散，從而防止污染現場環境。

如圖3所示，當噴涂脫模劑時，PLC控制油箱電磁閥開啟，水箱電磁閥關閉，泵抽取油箱內脫模劑經過精密過濾器，過濾掉雜質，通過穩壓器保持壓力穩定，通過流量計監測流量，PLC控制模具范圍內噴頭電磁閥開啟，模具范圍外噴頭電磁閥關閉；當管道需要清洗時，PLC控制油箱電磁閥關閉，水箱電磁閥開啟，泵抽取水箱內清水經過精密過濾器、穩壓器、控制管路等實現對管路的清洗，所有噴頭電磁閥關閉，清洗電磁閥開啟，管路內清洗后的廢水流入廢液收集池內。

圖3 噴涂系統原理圖

3 結語

該模臺清掃噴涂車集成了多種功能，既能清掃模臺，在清掃的同時吸拾揚塵，解決了大塊混凝土清掃不徹底的難題，又可以對模臺精準噴涂脫模劑，該模臺清掃噴涂車的工作速度可達30 m/min，通過與產線MES信息交互，可適應產線全自動作業，提高了產線自動化程度，減輕了傳統人工勞動強度，減少了清掃、噴涂的節拍時間，提高了生產效率，減少了脫模劑消耗量，可顯著降低清掃噴涂成本。