螺旋式混凝土布料機關鍵技術研究

歐陽周全

摘 要：在現有技術基礎之上，對螺旋式混凝土布料機的關鍵技術進行了分析研究，并針對現有產品存在的不足，提出了改進方法和結構的優化設計，對螺旋式混凝土布料機關鍵運動部件選型計算，并對主要承載結構件進行有限元分析，為螺旋式混凝土布料機的開發提供理論基礎和技術依據，最后對螺旋式混凝土布料機的發展方向進行了預判。

關鍵詞：螺旋式;混凝土布料機;關鍵技術

中圖分類號：TU64文獻標識碼：A文章編號：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化的一種綠色、可持續的類型，更是建筑業轉型升級的必經之路[1]。PC工廠預制構件生產線和生產設備是裝配式建筑發展過程中不可替代的一環?；炷敛剂蠙C是PC工廠預制構件的關鍵核心設備，其性能的好壞直接影響PC構件質量。由此，本文主要介紹螺旋式混凝土布料機的結構、工作原理以及優化后的布置形式。此外，筆者還根據自身的實際研發經驗，對螺旋式混凝土布料機的關鍵技術進行了研究[2]。

1 螺旋式混凝土布料機概述

螺旋式混凝土布料機是對放置在預制構件模具上的模臺進行混凝土澆注，其性能的好壞直接影響預制構件的產品質量。該設備是PC工廠預制構件生產線的核心設備，主要由料斗裝置、擋料平臺、小車機構、大車機構、大車支架以及液壓、電控系統組成[3]。

料斗裝置的上部接收輸料車運送的混凝土物料，下部的螺旋軸在電機的驅動下，通過螺旋運動來擠壓混凝土，同時控制液壓缸帶動出料門的“開/合”，從而實現精準布料。擋料平臺的主要作用是防止輸料車在工作時污染布料機料斗和小車上的設備，且人員可以在平臺上檢修、清洗。小車機構、大車機構分別在兩個垂直方向（[X、Y]向）運動，能保證自動布料機在模臺各個位置布料。通過上位機讀取預制構件的圖紙數據（CAD、DXF格式），并編譯成機器可識別代碼，控制液壓缸、電機等執行機構運行，從而實現自動化布料[4，5]。

螺旋式布料機的電氣柜布置在大車的端側，地面線纜通過大車架的拖鏈進入電氣柜，電器柜的線纜通過拖鏈進入小車，再從小車的橋架進入中心料斗，最后與各個電氣元件相連。這種布置方式的優點是：中心料斗顯得更簡潔、美觀;電氣柜在大車的端側，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，通過安裝防護罩對液壓裝置進行防護。

2 螺旋式混凝土布料機的關鍵技術

2.1 螺旋式混凝土布料機的擋料平臺

擋料平臺的四周采用型材矩形管焊接作為骨架，保證具有一定的強度和剛度，表面鋪設花紋鋼板避免人員清洗時滑倒。同時，其中間設有方孔格柵板，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，市場上現有的大多數螺旋式混凝土布料機擋料平臺采用剛性連接，且缺少輔助落料裝置，導致平臺上方容易積料、堵料。由此，廣東聯城住工裝備信息科技有限公司設計了一種新型的擋料平臺：平臺上的格柵板采用柔性結構連接于平臺骨架上，并在左右兩側安裝2臺振動電機，有效解決了積料問題。

2.2 中心料斗

中心料斗是布料機的主要功能部件，料斗的上部接收輸料車運送的混凝土物料，料斗體則臨時存放混凝土。為了防止混凝土凝固，在料斗中間安裝攪拌機構。料斗下部的螺旋軸在電機的驅動下，通過螺旋運動來擠壓混凝土，同時控制液壓缸帶動出料門的“開/合”，從而實現精準布料。由于螺旋運動是連續的，因此，利用變頻電機的實時控制，實現精準布料。

2.3 螺旋軸

在料斗寬度一定的條件下，布置的螺旋軸數量越多，布料的精度越高，且螺旋每轉一圈，出料體積越小，越有利于自動、精準布料。國外標桿企業EBAWE的自動布料機采用10個螺旋軸。經研究分析發現，國內的螺旋布料機大多采用8個螺旋軸，這主要是因為：國內無法絕對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現的。而出料門的設計是根據四連桿原理，在料斗上選擇合適的鉸點位置，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?。ㄈ菀壮霈F死點），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，當需要對螺旋軸進行維修或者需要更換螺旋軸時，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，需要拆卸整個出料門機構。

2.5 螺旋軸軸端密封裝置

螺旋軸的一端伸入料斗內的混凝土中，另一端需要連接驅動電機，處于料斗外部。因此，密封裝置是螺旋式布料機的關鍵部件?；炷林泻写罅看笮〔灰?、不規則的顆粒，對密封件的損傷很大。布料機很容易出現螺旋軸軸端漏漿、密封件需要經常更換的問題。針對上述問題，廣東聯城住工裝備信息科技有限公司自主開發了一種新型密封裝置，利用注脂泵向密封裝置內注入一定壓力的油脂，通過油脂壓力來抵消料斗內部混凝土的滲透壓力，并設計了兩道密封結構：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）;第二道密封最關鍵，利用單向閥原理，采用耐磨性能優異的材料制造成密封墊，通過對密封座外殼以及密封座內軸套的結構進行設計，以實現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關鍵部件選型計算

3.1 螺旋電機選型

已知條件：混凝土密度2.4×103kg/m3，螺旋數量8個，布料機下料能力[Q]為1m3/min，混凝土阻力系數[W0]取10，螺旋輸送機水平長度[L]=0.612m，螺旋直徑[D]=175mm，驅動裝置總效率為0.9，功率儲備系數[K]取1.2。

需要的軸功率的計算公式為：

（1）

將相關數據帶入式（1）可計算出需要的軸功率為[N0]=0.359kW。

空載功率的計算公式為：

（2）

將相關數據代入式（2）可以算出[N1]=0.005 3kW。

需要的最小電機功率為：

（3）

其中，驅動裝置總效率[η]取0.9，功率備用系數[K1]取1.2。

將相關數據代入式（3）可以得到需要的最小電機功率[N]=0.486kW。

考慮到螺旋被混凝土中大顆粒物料卡死，選擇電機功率為1.1kW。減速比為25.6，電機轉速為55r/min，輸出扭矩為159N·m，輸出軸為35mm，使用系數為1.55。通過最后校核可知：單個螺旋下料要求能力Q為18×103kg/h，螺旋轉一圈（一個螺距的行程），單個螺旋的出料量為0.0078×103kg，單個螺旋下料實際能力Q1為25.739×103kg/h>18×103kg/h，即滿足下料要求。

3.2 走行電機選型

已知條件：大車自重[Q0]=3 394kg，滿載時大車載荷[Q1]=13 128kg，最大運行速度[Vmax]=30m/min，大車輪直徑D=300mm，驅動電機數量[N]為2個。

車輪最大轉速為：

（4）

將相關數據帶入式（4）可以計算出[n]=31.85r/min。

走行電機選型首先要計算出布料機運行的總阻力[Pj]，總阻力又由摩擦阻力[Pm]、坡道阻力[Pp]和風阻力[Pwi]三部分組成。由于螺旋式混凝土布料機運行在室內，故不考慮風阻，[Pwi]=0。

摩擦阻力為：

（5）

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

坡道阻力為：

（6）

其中，[Kp]取0.002?？梢杂嬎愠鯷Pp]=33.044kg。

總阻力為：

（7）

大車走行電機需要的靜功率為：

（8）

式中：驅動裝置總效率[η]取0.9，電機數量[Z]為2臺。代入數據，可以計算出大車走行電機需要的靜功率[P]=0.585kW?？紤]到留有足夠的余量，選擇大車走行電機功率為1.1kW。為帶制動的變頻電機，配67型減速機，采用空心軸安裝方式，減速比為35.6，電機轉速為39r/min，輸出扭矩為246N·m，輸出軸為40mm，使用系數為3.14。

4 螺旋式混凝土布料機的有限元分析

螺旋式混凝土布料機的主要受力和運動部件是小車架和大車架，采用SolidWorks自帶的有限元分析模塊Simulation分別對小車架和大車架進行靜力學分析，主要步驟包括邊界條件設定、施加載荷、劃分網格及最后的求解計算。

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構，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力、位移分析結果。

材料為Q345鋼材，屈服強度[σs]=345MPa，安全系數取1.7，許用應力[[σ]]=202.9MPa。通過有限元分析，最大應力187MPa<[[σ]]，最大位移為0.381 8mm，滿足鋼結構設計要求。

4.2 大車架的有限元分析

大車架左、右主梁采用矩形管結構，橫梁采用工字鋼結構，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力、位移分析結果。

材料為Q345鋼材，屈服強度[σs]=345MPa，安全系數取1.7，許用應力[[σ]]=202.9MPa。通過有限元分析，最大應力167MPa<[[σ]]，最大位移為1.995mm，滿足鋼結構設計要求。

5 結語

本文主要研究了螺旋式混凝土布料機關鍵技術，探討了螺旋式混凝土布料機設計過程中的關鍵點，也解決了實際中遇到的問題，對今后螺旋式混凝土布料機的開發及實際工程應用提供了一定的借鑒價值。PC工廠自動化生產線是今后的發展方向，但目前，國內能提供完整的自動化產線的生產廠家很少，主要依靠國外進口。因此，自動化生產線和自動化、智能化的螺旋式混凝土布料機將是未來的發展方向和研究重點。

參考文獻：

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[4]于明，任霞，劉興剛，等.混凝土預制構件關鍵技術研究及成套裝備開發[J].科技創新導報，2015（30）：67-68.

[5]周磊，韋趙濱，石小虎，等.混凝土預制構件布料機設計研究[J].建筑機械化，2018（11）：27-29.