全自動房頂打孔機(jī)的設(shè)計(jì)探究

劉書艷，羅仁全，金英俊，張艷彬

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052;2.烏魯木齊吉佳工業(yè)設(shè)計(jì)有限公司，新疆烏魯木齊 830011)

0 引言

在房屋裝飾、裝潢工程中，頂部裝飾施工需大量的打孔作業(yè)，打孔機(jī)起到了不可磨滅的作用。目前我們多數(shù)使用的工具為傳統(tǒng)的手提式?jīng)_擊鉆，這類打孔機(jī)的種類繁多，功能強(qiáng)大，隨著科技的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)方面呈現(xiàn)出了多樣化的特點(diǎn);在安全和舒適度等方面得到了不斷的改進(jìn);在關(guān)鍵性的技術(shù)方面得到了更進(jìn)一步的優(yōu)化。

盡管打孔機(jī)經(jīng)過了長時(shí)間的發(fā)展和進(jìn)步，仔細(xì)觀察在施工過程中，施工人員還是遇到了各種各樣的問題。由于房頂和地面存在一定的高度，所以在施工的時(shí)候，大多數(shù)情況下要借助輔助設(shè)備。房頂距離地面多數(shù)在2.5 m左右，公共場所多為5 m左右，甚至以上，所以要借助登高設(shè)備，從而致使施工人員要反復(fù)進(jìn)行登高作業(yè)，施工人員操作難度大，危險(xiǎn)性高。有些施工人員為了方便施工將手持電動沖擊鉆捆綁固定在長桿的一端，來進(jìn)行房頂打孔作業(yè)，但是在這個(gè)過程中，施工人員無法觸碰操控開關(guān)，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，不能馬上關(guān)閉電源，從而造成了一些不同程度的損害，甚至人員傷亡。

另外，手持式?jīng)_擊鉆無法防塵，不方便攜帶，操作過程中機(jī)身容易發(fā)熱，所以連續(xù)工作時(shí)間短，效率低，同時(shí)機(jī)器震動比較大，操作者需要用力壓著才能鉆到墻壁中，鉆頭容易磨損和折斷，這樣就造成慘重的人員傷亡。同時(shí)由于施工人員手持打孔機(jī)，整個(gè)身體距離操作點(diǎn)十分近，一些細(xì)微的粉塵通過人類的呼吸系統(tǒng)進(jìn)入身體，從而對身體健康造成極大的傷害?？傊谑褂么蚩讬C(jī)時(shí)有很多潛在的危險(xiǎn)是無法預(yù)料的，鉆頭的斷裂，碎屑的飛濺，漏電等問題的出現(xiàn)迫使我們對打孔機(jī)做更進(jìn)一步的思考和改進(jìn)。

1 全自動房頂打孔機(jī)的設(shè)計(jì)說明

針對以上問題，對在房頂打孔過程中出現(xiàn)得一系列問題進(jìn)行了分析研究，為了解決和避免在打孔過程中所出現(xiàn)的不利問題，從而提出了改進(jìn)工程打孔作業(yè)機(jī)械的見解。全自動房頂打孔機(jī)的設(shè)計(jì)可分為頂部電動沖擊鉆、中部升降系統(tǒng)、底座小車三個(gè)部分。對傳統(tǒng)沖擊鉆的整體外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使其能夠更好的與中部升降系統(tǒng)進(jìn)行裝配，運(yùn)用長距離升降系統(tǒng)將頂部沖擊鉆緩慢升至房頂進(jìn)行打孔作業(yè)，底部小車是整個(gè)機(jī)器重要的部分，它可以快速移動和固定整機(jī)，提高整個(gè)工程作業(yè)的效率。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是頂部沖擊鉆的整體結(jié)構(gòu)改造和升降系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 電動沖擊鉆的現(xiàn)狀分析

電動沖擊鉆作為新一代的機(jī)械化工具隨著我國建筑業(yè)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。它是一種旋轉(zhuǎn)帶沖擊的工具，主要用于在輕質(zhì)混凝土磚墻或類似材料上鉆孔，廣泛應(yīng)用于建筑、水電安裝、電信線路、機(jī)械施工等部門，是減輕勞動強(qiáng)度和提高生產(chǎn)效率的理想工具。八十年代以來，由于建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，大量新穎建筑材料的問世，加快了沖擊電鉆的更新?lián)Q代。國外的沖擊電鉆發(fā)展較快，品種規(guī)格也更加齊全。［7］

目前國內(nèi)外市場上的電動沖擊鉆大體可分為精密型、定位型、智能型等三個(gè)類型［3］。如圖1～3所示。不同類型的電鉆呈現(xiàn)出不同的特征和使用性。在結(jié)構(gòu)和功能上更加趨于智能化、簡便化。

精密型電動沖擊鉆在功能上與普通的電鉆有很大的區(qū)別，它采用了紅紅外線引導(dǎo)裝置，在施工作業(yè)中用來精準(zhǔn)定位，防止電鉆在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候跑偏，能夠做到精準(zhǔn)無誤的鉆擊物體。在精密電動沖擊鉆上還采用了鉆頭伸縮技術(shù)，使用時(shí)只需按住開關(guān)按鈕，頂部的鉆頭部分便會慢慢向前推動。在沖擊鉆上這些技術(shù)的使用使得電動沖擊鉆的鉆孔更加精密、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)工程的目標(biāo)。

定位電動沖擊鉆和精密電動沖擊鉆一樣，都采用了鉆頭伸縮技術(shù)，使用時(shí)頂部的鉆頭部分慢慢向前推進(jìn)，以起到打孔的作用。這類電動沖擊鉆的核心就在于在沖擊鉆的整體頂部加裝了固定鉆頭的裝置，通過一段透明的圓柱體對電動沖擊鉆起到定位的作用，同時(shí)也可以在施工作業(yè)過程中產(chǎn)生一定的壓力，使鉆孔更簡單。

智能電動沖擊鉆的一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是將電子顯示技術(shù)運(yùn)用到了電動沖擊鉆上，在使用的過程中作業(yè)人員可以清楚的觀察到電動沖擊鉆的轉(zhuǎn)速和壓力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代智能技術(shù)更加推動了電動沖擊鉆的研究，所需鉆孔材質(zhì)的分辨技術(shù)的應(yīng)用，使智能電動沖擊鉆又向前邁了一大步，利用這種分辨技術(shù)可以分辨出鉆孔的大小以及材質(zhì)的密度硬度，自動調(diào)整沖擊鉆的轉(zhuǎn)數(shù)和壓力。

圖1 精密電動沖擊鉆

圖2 定位電動沖擊鉆

圖3 智能電動沖擊鉆

運(yùn)用于全自動房頂打孔機(jī)的電動沖擊鉆應(yīng)對現(xiàn)有的沖擊鉆外觀進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造，使其能夠更好的與長距離升降系統(tǒng)進(jìn)行固定和結(jié)合。其性能可以采用定位式電動沖擊鉆的部分功能，根據(jù)全自動房頂打孔機(jī)的特點(diǎn)，使其更好的發(fā)揮定位電動沖擊鉆的功能和優(yōu)勢。

3 自動升降臺的現(xiàn)狀分析

針對自動升降機(jī)的長距離伸縮原理目前比較適合打孔機(jī)升降系統(tǒng)的升降機(jī)大體有兩類:長距離伸縮液壓缸和剪叉式升降臺。如圖4、5所示。

圖4 伸縮式套筒液壓缸

圖5 剪叉式升降臺

結(jié)合自動打孔機(jī)的特性分析，長距離伸縮液壓缸具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便等特點(diǎn)。但在打孔機(jī)工作過程中會產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動，將會造成整個(gè)機(jī)身的不穩(wěn)定，致使在打孔過程中不能達(dá)到預(yù)期的效果。并且在液壓缸完全回縮的狀態(tài)下占據(jù)空間面積大，不利于整機(jī)的移動和擺放。相反，剪叉式升降臺據(jù)目前的研究成果來看，在克服震動方面取得了一定的成果，具有較好的穩(wěn)定性，在完全回縮的狀態(tài)下具有占據(jù)空間面積小，擺放均勻等特點(diǎn)。

隨著剪叉機(jī)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對剪叉式升降機(jī)構(gòu)從不同方面進(jìn)行了深入的研究［1］。通過對剪叉機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的分析，得出了該機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，更加廣泛的應(yīng)用于各種特殊的場合［4］;通過對剪叉臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，得出剪叉臂的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)［5］;通過有限元分析，得出了剪叉機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生區(qū)域及控制函數(shù)的最優(yōu)方案［6］。

綜合考慮全自動打孔機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，剪叉式升降臺與沖擊鉆進(jìn)行連接，能夠更好的發(fā)揮出全自動打孔機(jī)的優(yōu)勢，在房頂打孔施工過程中為整個(gè)施工過程提高效率、保證質(zhì)量。

4 底座的研究現(xiàn)狀

設(shè)備遷移小車在企業(yè)的物流系統(tǒng)中扮演著重要的角色，是物料搬運(yùn)設(shè)備中的主力軍，比如設(shè)備遷移小車、叉車、手推車等等。設(shè)備遷移小車也是物流設(shè)備的一種，它體積小，便于攜帶和存放，操作方便，而且承載能力強(qiáng)，是物流行業(yè)的重要裝備，在物流系統(tǒng)中扮演著重要的角色。它可實(shí)現(xiàn)物流半機(jī)械化作業(yè)、減輕工人搬運(yùn)的勞動強(qiáng)度、提高作業(yè)的效率。如圖6。

針對全自動房頂打孔機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，底座小車應(yīng)具有快速移動和穩(wěn)定好的特點(diǎn)，外觀設(shè)計(jì)簡單，頂部打孔系統(tǒng)和中部升降系統(tǒng)的自重，加上在打孔過程中產(chǎn)生的壓力，也要求底座小車必須具有一定承載能力。

圖6 液壓平臺小推車

5 結(jié)論

在現(xiàn)代工程裝修過程中，打孔機(jī)的使用使得工程作業(yè)人員提高了工作效率，保證了工程的順利完成。但在使用打孔機(jī)進(jìn)行實(shí)際施工過程中卻給作業(yè)人員造成了極大的不便。全自動房頂打孔機(jī)的這種將現(xiàn)有機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)改造后運(yùn)用到新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品上的設(shè)計(jì)理論和方法，將會加速現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的進(jìn)化和發(fā)展，更加促進(jìn)了新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品的出現(xiàn)。同時(shí)，全自動房頂打孔機(jī)的研究在未來機(jī)械自動化的發(fā)展過程將會取得意想不到的進(jìn)步，在工程建設(shè)當(dāng)中工業(yè)機(jī)器人將不斷取代傳統(tǒng)的人工作業(yè)，使得機(jī)械產(chǎn)品在未來工程的各個(gè)領(lǐng)域越來越智能化，在不斷減少人力勞動的同時(shí)，更加提高了勞動的效率。未來機(jī)器人的研究將越來越受到高度的重視和關(guān)注，這也將更加促進(jìn)我們對傳統(tǒng)的勞動方式進(jìn)行革新的思考。

［1］ 曹憲周，任曼曼，楊振和，等.剪叉式升降機(jī)構(gòu)在糧食進(jìn)出倉設(shè)備中的應(yīng)用［J］.糧食科技與經(jīng)濟(jì)，2013.38(4):52-54.

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［5］ 張榮敏，周莎莎，王仁人.剪叉式升降平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)及剪叉臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，26(2):58-61.

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［9］ 張慧姝.手電鉆人機(jī)設(shè)計(jì)研究［J］.包裝工程，2008(9):102-103.

［10］ 吳 珊.家用小型電鉆的產(chǎn)品設(shè)計(jì)［D］.南昌:南昌大學(xué)，2013.