基于鋼絲繩傳動(dòng)的自動(dòng)抹灰機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)

廖紅玉，鄧夢洋，周 敏，謝良喜，姚俊夫

（1.中國一冶集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430080；2.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；3.武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081）

隨著建筑產(chǎn)品的商品化，加快施工進(jìn)度、縮短工程周期、提高投資效益是建筑工程建設(shè)的目標(biāo)之一。在建筑施工周期中，對內(nèi)外墻粉刷抹灰的耗時(shí)占30%～40%。目前墻面粉刷抹灰以人工施工為主，工人的工作環(huán)境差、工作繁重且效率低下。因此，迫切需要實(shí)用、高效、性能可靠、價(jià)格低廉的墻面抹灰機(jī)［1］。

劉延俊等［2］采用電氣控制與氣壓傳動(dòng)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了一種半自動(dòng)抹灰機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。楊振宇等［3］設(shè)計(jì)了一種新型抹灰機(jī)，把灰漿噴涂改為直接抹灰，節(jié)約了作業(yè)成本，提高了工作效率。陳萬強(qiáng)等［4］設(shè)計(jì)了一種基于產(chǎn)品功能的房體表層抹灰機(jī)，采用液壓傳動(dòng)，使該裝置能夠很好地應(yīng)用于室內(nèi)外建筑工程，尤其適用于大面積房體表層抹灰的機(jī)械化作業(yè)。王瑩等［5］利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對抹灰機(jī)抹灰部件的實(shí)時(shí)控制與調(diào)整，使抹灰機(jī)可以進(jìn)行墻面無死角作業(yè)。馮愛華等［6］設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)墻壁用差動(dòng)抹灰機(jī)，利用差動(dòng)輪系原理，實(shí)現(xiàn)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(jù)抹灰裝置的工作狀況，設(shè)計(jì)了一種集供灰、抹平和壓實(shí)為一體的抹灰裝置，并仿真分析了其抹灰的穩(wěn)定性。阮學(xué)云等［8］設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)內(nèi)墻智能抹灰機(jī)，通過行程開關(guān)閥將機(jī)械系統(tǒng)與氣動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能抹灰，并解決了抹灰機(jī)頻繁定位和定位不準(zhǔn)確的問題。

目前的上一代抹灰機(jī)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(huán)境的要求較高；抹灰自動(dòng)化程度較低，抹灰機(jī)操作較為復(fù)雜；抹灰機(jī)需要手工搬運(yùn)；參與施工的人員較多，人力成本降低不多；抹灰機(jī)整機(jī)質(zhì)量較大，有的重達(dá)389.8 kg，還會(huì)出現(xiàn)“頭重腳輕”的問題［9］。因此，為了實(shí)現(xiàn)建筑抹灰機(jī)械的智能化，提高墻面抹灰質(zhì)量，筆者設(shè)計(jì)了一種基于鋼絲繩傳動(dòng)的自動(dòng)抹灰機(jī)，并基于輕量化設(shè)計(jì)的理念［10］，進(jìn)行了其輕量化設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)抹灰機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作流程

1.1 自動(dòng)抹灰機(jī)的結(jié)構(gòu)

通過一根封閉的鋼絲繩實(shí)現(xiàn)抹灰機(jī)橫向和縱向的運(yùn)動(dòng)。自動(dòng)抹灰機(jī)的結(jié)構(gòu)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(dòng)抹灰機(jī)的結(jié)構(gòu)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(dòng)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(dǎo)軌和連接板；傳動(dòng)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(dòng)并用螺釘固定，其定位和導(dǎo)向均采用直線導(dǎo)軌，以實(shí)現(xiàn)抹灰機(jī)整體的橫移和縱移運(yùn)動(dòng)；將縱移模塊置于小車上并進(jìn)行焊接連接，實(shí)現(xiàn)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(jī)組成，用于完成噴涂作業(yè)。砂漿噴射裝置通過平移小車置于橫移模塊上，并通過卷揚(yáng)機(jī)實(shí)現(xiàn)左右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)噴涂模塊的管接頭通過軟管與噴漿機(jī)連接，砂漿進(jìn)入管接頭并從砂漿噴射裝置噴出，實(shí)現(xiàn)墻面抹灰。

為避免抹灰機(jī)“頭重腳輕”，其驅(qū)動(dòng)裝置置于小車模塊上。通過卷揚(yáng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制噴嘴的左右移動(dòng)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，使得卷揚(yáng)機(jī)前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱移模塊的升降，從而實(shí)現(xiàn)噴嘴的升降。抹灰機(jī)采用一根封閉的鋼絲繩進(jìn)行傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴嘴的橫移和縱移運(yùn)動(dòng)，并利用直線導(dǎo)軌進(jìn)行定位和導(dǎo)向，以實(shí)現(xiàn)噴嘴運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。同時(shí)，通過鋼絲繩傳動(dòng)可以使抹灰機(jī)輕量化，實(shí)現(xiàn)整機(jī)減重。

1.2 自動(dòng)抹灰機(jī)的工作流程

自動(dòng)抹灰機(jī)的工作流程如圖2所示。將折疊好的抹灰機(jī)搬運(yùn)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(jī)軟管與噴嘴接頭連接，啟動(dòng)電源使噴涂模塊和卷揚(yáng)機(jī)開始工作；卷揚(yáng)機(jī)拉動(dòng)噴嘴在桁架上橫移運(yùn)動(dòng)，直到噴嘴運(yùn)動(dòng)到桁架的端部，則這一橫行噴涂完成，此時(shí)卷揚(yáng)機(jī)停止工作；縱移電機(jī)啟動(dòng)并拉動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)往后運(yùn)動(dòng)，由于是在一根封閉的鋼絲繩上，縱移導(dǎo)軌同時(shí)往上運(yùn)動(dòng)一個(gè)單位，然后電機(jī)停止，卷揚(yáng)機(jī)拉動(dòng)噴嘴開始噴涂下一橫行；當(dāng)縱移部分頂端的行程開關(guān)與屋頂接觸時(shí)，這一工位的墻面噴涂完成，電機(jī)帶動(dòng)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(guān)，抹灰機(jī)停止工作；移動(dòng)抹灰機(jī)至下一個(gè)工位繼續(xù)工作，直至完成所有墻面的抹灰工作。

圖2 自動(dòng)抹灰機(jī)的工作流程Fig.2 Workflow of automatic plastering machine

2 自動(dòng)抹灰機(jī)橫縱移模塊的傳動(dòng)設(shè)計(jì)

抹灰機(jī)工作時(shí)，噴嘴先在水平方向運(yùn)動(dòng)4 m，水平運(yùn)動(dòng)完成后縱移模塊上升0.2 m，噴嘴繼續(xù)作水平往回運(yùn)動(dòng)，以此完成整面墻的抹灰工作。噴嘴的橫向運(yùn)動(dòng)與縱向運(yùn)動(dòng)互不干擾，分別由橫移模塊和縱移模塊控制，而實(shí)現(xiàn)橫移模塊和縱移模塊的傳動(dòng)構(gòu)件為鋼絲繩，其承載負(fù)載大，因此須對鋼絲繩受力進(jìn)行分析。

2.1 橫移模塊傳動(dòng)設(shè)計(jì)

噴嘴橫移運(yùn)動(dòng)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(huì)通過縱移模塊再次換向，最后鋼絲繩纏繞在卷筒上。當(dāng)卷筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，鋼絲繩會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)噴嘴移動(dòng)，即：當(dāng)卷筒正轉(zhuǎn)時(shí)，噴嘴水平向左移動(dòng)；當(dāng)卷筒反轉(zhuǎn)時(shí)，噴嘴水平向右移動(dòng)。絲桿一端與卷筒相連接，另一端與小車機(jī)架相連接。

圖3 噴嘴橫移運(yùn)動(dòng)原理示意Fig.3 Schematic of principle of nozzle traverse movement

噴嘴在桁架上橫向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行墻面水平方向的噴涂，因此對噴嘴水平運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、精確性要求很高，在設(shè)計(jì)中用直線導(dǎo)軌連接噴嘴與桁架。直線導(dǎo)軌既可以將噴嘴與桁架連接起來，又可以起到導(dǎo)向作用?；瑝K與導(dǎo)軌動(dòng)滑面之間的摩擦為滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力很小，因此驅(qū)動(dòng)噴嘴水平運(yùn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力也較減小，則電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率可以大幅度減小，從而使機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到提高，因此噴嘴水平運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、精確性得到提高。

2.2 縱移模塊傳動(dòng)設(shè)計(jì)

噴嘴縱移運(yùn)動(dòng)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(jié)纏繞，在每一處鋼絲繩導(dǎo)向位置裝有雙排滑輪組。鋼絲繩經(jīng)過滑輪組換向后最后連接到卷筒上，卷筒安裝在動(dòng)力模塊上，動(dòng)力模塊與絲桿螺母連接。在絲桿傳動(dòng)下，動(dòng)力模塊與卷筒一起向后移動(dòng)，進(jìn)而拉動(dòng)鋼絲繩向后移動(dòng)，從而帶動(dòng)橫移模塊沿著縱移框架向上移動(dòng)。在上升過程中，當(dāng)橫移模塊上升到設(shè)定距離時(shí)絲桿螺母停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)卷筒通過正反轉(zhuǎn)拉動(dòng)噴嘴在水平方向左右移動(dòng)，依此進(jìn)行整面墻的噴涂。

圖4 噴嘴縱移運(yùn)動(dòng)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(jī)架上安裝的4組滑輪組成3組動(dòng)定滑輪組。采用動(dòng)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(jī)尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單且易于實(shí)現(xiàn)工作要求。在實(shí)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(jī)的尺寸大小尤為重要。

2.3 鋼絲繩受力分析與計(jì)算

鋼絲繩具有柔性好、可靠性高、耐腐蝕強(qiáng)、自身質(zhì)量小、能承受多種載荷等優(yōu)點(diǎn)。為設(shè)計(jì)出安全性高的抹灰機(jī)，須對鋼絲繩的受力進(jìn)行分析與計(jì)算，并進(jìn)行正確選型［11］。

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

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

在抹灰機(jī)的工作過程中，鋼絲繩受到多種復(fù)雜的應(yīng)力作用。在工程實(shí)踐中廣泛采用選擇系數(shù)法來確定鋼絲繩的直徑d：

式中：c——選擇系數(shù)，；

T——單根鋼絲繩最大的靜拉力，N。

式中：m1——抹灰機(jī)鋼絲繩的安全系數(shù)。

R0——鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度，R0=157 0 MPa。

抹灰機(jī)工作級(jí)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(shí)現(xiàn)抹灰機(jī)的橫移、縱移運(yùn)動(dòng)。由于抹灰機(jī)工作范圍不大，鋼絲繩本身的質(zhì)量可以忽略不計(jì)，則：

式中：Q——額定起重量，Q=400 kg；

Q0——吊具質(zhì)量（裝置中無吊鉤），Q0=0 kg；

n——卷筒上鋼絲繩分支數(shù)，本裝置為雙聯(lián)滑輪組，n=2；

i——滑輪組倍率，本裝置中有3組動(dòng)滑輪，i=3；

η1——滑輪組效率，選用滾動(dòng)軸承，η1=0.96；

η2——單聯(lián)滑輪組的導(dǎo)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(zhì)量M為：

式中：D——所選鋼絲繩的公稱直徑，D=3 mm。

通過計(jì)算，可得M=3.48 kg/100 m。

鋼絲繩最小破斷拉力F0為：

通過計(jì)算，可得F0=5 072.67 N。

參考起重機(jī)鋼絲繩的校核，所選取的鋼絲繩必須滿足：

式中：m——設(shè)計(jì)規(guī)范或安全規(guī)程規(guī)定的安全系數(shù)，m=4.5。

3 自動(dòng)抹灰機(jī)的應(yīng)用價(jià)值

采用自動(dòng)抹灰機(jī)施工不僅可以提高抹灰的自動(dòng)化水平、改善施工環(huán)境、提高施工質(zhì)量和優(yōu)化施工工藝，而且可以取得較高的經(jīng)濟(jì)效益。相比于人工粉刷抹灰，采用自動(dòng)抹灰機(jī)可以使建筑企業(yè)顯著降低生產(chǎn)成本。人工施工與采用自動(dòng)抹灰機(jī)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(dòng)抹灰機(jī)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(dòng)抹灰機(jī)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(jì)算，每年可減少51.50萬元人力成本。因此，采用自動(dòng)抹灰機(jī)施工可以使建筑企業(yè)減少成本支出，提高經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)武漢市城鄉(xiāng)建設(shè)局統(tǒng)計(jì)，近年來武漢市每年的建筑工地超過1萬個(gè)。自動(dòng)抹灰機(jī)的使用年限為4 a，則平均每年約需2 000臺(tái)，可見自動(dòng)抹灰機(jī)具有良好的市場前景。

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種基于鋼絲繩傳動(dòng)的自動(dòng)抹灰機(jī)，實(shí)現(xiàn)了抹灰自動(dòng)化，推動(dòng)了建筑機(jī)械行業(yè)向自動(dòng)化、智能化發(fā)展方向。

2）采用鋼絲繩作為傳動(dòng)構(gòu)件，解決了抹灰機(jī)“頭重腳輕”的問題，實(shí)現(xiàn)了抹灰機(jī)減重。

3）對鋼絲繩受力進(jìn)行分析與計(jì)算，表明所選擇的鋼絲繩符合工況要求。

4）對自動(dòng)抹灰機(jī)的施工成本進(jìn)行分析。結(jié)果表明，建筑企業(yè)采用自動(dòng)抹灰機(jī)施工可以節(jié)約生產(chǎn)成本，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)抹灰機(jī)具有良好的市場前景。