半自動(dòng)墻面刮膩機(jī)的刮板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與仿真

趙紅麗，李慶華

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

半自動(dòng)墻面刮膩機(jī)的刮板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與仿真

趙紅麗1，李慶華2

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

針對(duì)當(dāng)前建筑施工中刮膩?zhàn)庸ば驈?fù)雜、效率低及現(xiàn)有設(shè)備存在不足，本文利用三維造型軟件設(shè)計(jì)了新型半自動(dòng)墻面刮膩機(jī)，對(duì)其刮板關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，確定了刮膩機(jī)刮板的運(yùn)動(dòng)形成和最佳安裝角度，分析了刮板的受力情況，為刮膩機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

半自動(dòng);刮膩機(jī);機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);刮板關(guān)鍵部件分析

0 引言

在國(guó)內(nèi)的建筑裝飾工程中，刮膩?zhàn)拥墓ば蛑饕捎萌斯ぷ鳂I(yè)方式，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作工序多，對(duì)較高墻面施工要搭腳手架、高凳等，給施工帶來不便，生產(chǎn)效率低［1］。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，有很多學(xué)者在這方面做了很多工作，研究了不同功能的粉墻機(jī)，這些粉墻機(jī)可分為兩類:一類是噴涂機(jī)，另一類是刮瓷機(jī)。目前，對(duì)于刮膩?zhàn)踊蚬未蟀走@道工序，大部分是采用膩?zhàn)訃娡繖C(jī)進(jìn)行施工，采用膩?zhàn)訃娡繖C(jī)效率雖高，但是噴涂后需要人工刮平，給施工帶來不便;采用刮瓷機(jī)進(jìn)行墻體裝飾不用人工抹平，而且粉墻質(zhì)量好，操作方便，有很好的發(fā)展趨勢(shì)，但是現(xiàn)在已有的刮瓷機(jī)主要是采用雙立柱支撐，穩(wěn)定性欠佳，且刮板部位不能實(shí)現(xiàn)微調(diào)，精確性欠佳［2-3］。

針對(duì)以上情況本文研究設(shè)計(jì)了一種半自動(dòng)墻面刮膩機(jī)，并對(duì)刮板機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，使刮板工作時(shí)可旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行抹墻距離微調(diào)，工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，且可實(shí)現(xiàn)二次壓光。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)及工作原理

根據(jù)墻面刮膩機(jī)的實(shí)際操作，對(duì)刮膩機(jī)進(jìn)行整體建模，其結(jié)構(gòu)采用龍門式結(jié)構(gòu)，在刮膩機(jī)底盤部設(shè)置距離定位器，使其工作時(shí)與墻面保持一定的距離，便于機(jī)器運(yùn)行。刮膩機(jī)整體結(jié)構(gòu)由底盤、頂桿支撐部分、傳動(dòng)上升部分、輸送膩?zhàn)友b置和刮膩?zhàn)友b置五大部分組成［4］，如圖1所示。開始工作時(shí)，刮板開始上升往墻上刮膩?zhàn)?，至所需的抹灰位置時(shí)，刮板停止，然后正向旋轉(zhuǎn)90度，刮板開始向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)墻體實(shí)行二次壓光。到達(dá)底部所需位置時(shí)停止，一次作業(yè)完成。將整機(jī)向前推動(dòng)一定距離并鎖緊，重復(fù)上述動(dòng)作可再次實(shí)現(xiàn)整墻抹灰。從工作過程看，在這五大部分中，刮膩?zhàn)友b置部分(如圖2所示)是機(jī)器實(shí)現(xiàn)刮膩?zhàn)拥闹匾考?，它的結(jié)構(gòu)、工作方式?jīng)Q定了刮膩?zhàn)拥馁|(zhì)量。

圖1 刮膩機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖2 刮膩?zhàn)友b置

2 刮板部分的結(jié)構(gòu)分析

2.1 刮板部位自由度計(jì)算

自由度數(shù)F應(yīng)為活動(dòng)構(gòu)件自由度數(shù)減去運(yùn)動(dòng)副引入的所有約束總數(shù)，計(jì)算如式1:

PL為轉(zhuǎn)動(dòng)副個(gè)數(shù)，PH為高副個(gè)數(shù)，刮板機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為圖3。

由圖3可知活動(dòng)構(gòu)件數(shù)有四個(gè)，其中構(gòu)件1與構(gòu)件3構(gòu)成了虛約束，計(jì)算時(shí)可將虛約束去除，即活動(dòng)構(gòu)件數(shù)按3個(gè)計(jì)算，轉(zhuǎn)動(dòng)副個(gè)數(shù)按四個(gè)計(jì)算，由式1計(jì)算如下:

因而自由度數(shù)為1，該構(gòu)件具有一個(gè)原動(dòng)件，原動(dòng)件數(shù)與機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)相等。

圖3 刮板機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖4 截面視圖簡(jiǎn)圖

2.2 刮板安裝角度的分析

刮板角度大小對(duì)刮膩質(zhì)量有直接影響，圖4為刮板與墻的截面視圖簡(jiǎn)圖，圖中左側(cè)表示墻面，右側(cè)有半徑為R的1/4圓，R位置的線表示刮板，刮板底端與墻面有一定距離，此距離為刮膩?zhàn)雍穸?，刮板與墻面的夾角為θ。在圖中由b、h、R構(gòu)成直角三角形，根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得到下面的公式:

以b、h、R為橫截面，刮板長(zhǎng)度為l的立方體的體積為V。

由于膩?zhàn)拥南牧繛?.6～0.8kg/m2，刮墻厚度為1mm，所以每立方米消耗(0.6～0.8)×103kg/m3。計(jì)算時(shí)膩?zhàn)拥南牧咳?.8×103kg/m3，R=20cm，l=1m，g=9.8N/kg，則有膩?zhàn)拥馁|(zhì)量計(jì)算如式4，膩?zhàn)拥闹亓τ?jì)算如式5。

計(jì)算分析時(shí)利用整體分析法對(duì)膩?zhàn)拥氖芰M(jìn)行分析，刮板對(duì)墻體進(jìn)行刮膩?zhàn)訒r(shí)，膩?zhàn)拥氖芰?jiǎn)圖如圖5所示，圖中F為刮板對(duì)膩?zhàn)拥闹С至?，N為墻對(duì)膩?zhàn)拥闹С至?，f1為刮板對(duì)膩?zhàn)拥哪Σ亮?，f2為墻對(duì)刮板的摩擦力，根據(jù)圖5可以得到關(guān)系式6。

圖5 受力簡(jiǎn)圖

取u1=u2=0.7，mg=78.4sin2θ，并將其帶入式6得到式7。

根據(jù)式7，以θ為橫坐標(biāo)，分別以N、f2為縱坐標(biāo)，用有限元軟件進(jìn)行曲線擬合，擬合后可以得到兩條有最大值和最小值的曲線，該曲線如圖6所示，從擬合的曲線中可以求出支撐力和摩擦力的極大值。

圖6 力隨弧度變化曲線圖

墻對(duì)膩?zhàn)拥闹瘟εc摩擦力最大時(shí)，刮墻的質(zhì)量最好，在圖中最大值處的橫坐標(biāo)為0.4134，由于用有限元進(jìn)行擬合時(shí)用的是弧度，利用式8轉(zhuǎn)換成角度，得到θ=24°，即當(dāng)刮板與墻面的夾角為24°時(shí)刮膩質(zhì)量最好。

2.3 刮板靜力分析

圖7 總體變形圖片

由刮板的最佳角度，根據(jù)式7求出刮板所受的壓力為39.2N，由此可以利用有限元分析軟件對(duì)刮板進(jìn)行靜力分析，分析結(jié)果如圖7所示。

從圖中可以看出刮板每個(gè)位置的變形程度，變形量最大值為0.00061001mm，從整體看變形量極小，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過上面的設(shè)計(jì)分析，確定了新型半自動(dòng)墻面刮膩機(jī)刮板部件的自由度，以及刮板的最佳安裝角度，并通過對(duì)刮板靜力分析，得到了刮板的整體受力參數(shù)，為進(jìn)一步研究刮膩機(jī)奠定了理論基礎(chǔ)。

［1］薛奎.新型半自動(dòng)多功能抹灰機(jī)［J］.建筑機(jī)械化，2002(4):34-35.

［2］薛奎，桑吉旺.抹灰機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.建筑機(jī)械，2001，220(10):37-38.

［3］張金譽(yù).機(jī)械抹灰及施工工藝［J］.建筑機(jī)械，1995(2):39-43.

［4］楊振宇，鞏傳根，劉芝霞，武愛華.新型抹灰機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.建筑機(jī)械，2007(8S):84-85.

Analysis and Simulation on the Scraper Structure Design of Semi-automatic Wall Scraping Machines

ZHAO Hong-li1，LI Qing-hua2
(1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.College of Mechanical Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

According to the current complex processes of scrapers，inefficiency and shortages of existing equipment in architectural construction，this paper designs a new semi-automatic wall scraping machine by using three-dimensional modeling software，makes an analysis and calculation on the key parts of scraper，determines the movement formation and optimum angle of installation and analyzes the stress conditions，which provides a theoretical basis for the optimization design of wall scraping machines.

semi-automation;wall scraping machine;structural design;analysis of key parts of scraper

TH122

A

1009-3907(2013)10-1230-04

2013-09-09

趙紅麗(1988-)，女，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，主要從事機(jī)械制造及自動(dòng)化技術(shù)研究。

李慶華(1968-)，男，吉林蛟河人，教授，博士，主要從事機(jī)械測(cè)控及機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)方面研究。

責(zé)任編輯:

吳旭云