混凝土預(yù)制構(gòu)件布料機(jī)設(shè)計(jì)研究

周 磊，韋趙濱，石小虎，陳煒寧，曹國巍，魏 乾，張聲軍

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065001；2.廊坊凱博建設(shè)機(jī)械科技有限公司，河北 廊坊 065001）

1 背 景

建筑工業(yè)化，住宅產(chǎn)業(yè)化是我國建筑業(yè)的新趨勢?；炷令A(yù)制構(gòu)件布料機(jī)簡稱PC（precast concrete）布料機(jī)，是建筑工業(yè)化中生產(chǎn)混凝土預(yù)制構(gòu)件的重要工具。目前，我國的裝配式建筑市場需求巨大，但是實(shí)現(xiàn)構(gòu)件量產(chǎn)的工廠很少，造成我國建筑行業(yè)無法從現(xiàn)澆轉(zhuǎn)換為預(yù)制裝配?，F(xiàn)有PC布料機(jī)日布料量在850～900m2，技術(shù)不夠完善，有如下缺點(diǎn)。

1）現(xiàn)在工廠里的PC布料機(jī)采用的出料方式是利用混凝土自身的重力，出料量和出料速度都是不可控的。門簾式布料機(jī)布料不均，需要人工攤勻，效率很低。

2）移動(dòng)的人工控制布料機(jī)，需要人工輔助布料，這種布料機(jī)的作用就相當(dāng)一個(gè)混凝土的轉(zhuǎn)運(yùn)裝備，自動(dòng)化和智能化程度很低，無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。

3）自動(dòng)布料的PC布料機(jī)，雖能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移動(dòng)，但定位不準(zhǔn)，通過人工將模具圖紙信息處理之后輸入控制器，過程復(fù)雜而且需要反復(fù)輸入。

本文論述一種新的布料機(jī)設(shè)計(jì)研究，可進(jìn)一步提高布料產(chǎn)量，減少人工勞動(dòng)，提高工作穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)布料機(jī)產(chǎn)業(yè)升級。

2 結(jié)構(gòu)組成和系統(tǒng)原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1是自動(dòng)布料機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖，主要由鋼結(jié)構(gòu)軌道架、行走系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、儲料斗、儲料斗升降系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、螺旋布料系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。

圖1 預(yù)制構(gòu)件布料機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)原理

中央控制器控制攪拌機(jī)卸料到布料斗，根據(jù)模具圖紙的信息控制布料機(jī)移動(dòng)并控制對應(yīng)的螺旋輸送機(jī)和布料閥門打開，在移動(dòng)過程中布料。通過“S”形行走規(guī)則覆蓋模具的整個(gè)區(qū)域，從而將模具中布滿料。如此移動(dòng)布料機(jī)循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)對各模具的布料。

3 設(shè)計(jì)研究

3.1 布料方式選擇

原來的布料機(jī)是利用混凝土自身的重力和流動(dòng)性來進(jìn)行布料的，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但布料效果差，需要人工輔助，可控性差，不能進(jìn)行量化操作。新的布料機(jī)通過螺旋輸送機(jī)（圖2）輸送混凝土進(jìn)行強(qiáng)制出料，均勻布料。控制器控制布料機(jī)橫向移動(dòng)，在厚度非零的區(qū)域啟動(dòng)螺旋輸送機(jī)，變頻器運(yùn)行同時(shí)繼電器打開出料閥，開始布料。

圖2 螺旋布料機(jī)構(gòu)

布料機(jī)的布料量可以通過螺旋輸送機(jī)的運(yùn)行狀況來進(jìn)行計(jì)算，公式如下。

螺旋輸送機(jī)輸送量

式中Q——輸送量，t/h；

D——螺旋葉片直徑，m；S——螺距，m；

n——螺旋轉(zhuǎn)速，r/min；

φ——填充系數(shù)；

γ——物料單位容積質(zhì)量，t/m3；

ε——傾斜輸送系數(shù)。

選定螺旋輸送機(jī)安裝固定之后,Q=kn，即在勻速移動(dòng)過程中混凝土的出料量和轉(zhuǎn)速成正比例線性關(guān)系，布料厚度和出料量也是線性關(guān)系，那么布料厚度和轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，通過控制螺旋轉(zhuǎn)速來控制布料厚度。如果是單螺旋布料，因?yàn)樗奸L度短，會導(dǎo)致布料慢且效率低。這里的螺旋采用的是8個(gè)螺旋并排能顯著提高布料覆蓋率，提升效率。

建立模型采用微分的思想來分析如何控制布料厚度：取一極短的時(shí)間Δt；設(shè)布料機(jī)的移動(dòng)速度為v;設(shè)布料機(jī)的布料寬度（8個(gè)螺旋的所占寬度）為s；設(shè)布料厚度為h；則布料機(jī)移動(dòng)距離為l=Δtv；布料機(jī)布料的量為m=QΔt；因?yàn)榻厝〉臅r(shí)間極短，認(rèn)為下落的料堆積成長方體，則m=ρV， 因 為V=slh；h=(knΔt)/(ρsΔtv)； 得 到h=(kn)/(ρsv)。

可見，布料的厚度和螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，和布料機(jī)的移動(dòng)成反比。為了保證布料的均勻性，需保持布料機(jī)以恒定的速度移動(dòng)布料，通過調(diào)整螺旋的轉(zhuǎn)速來改變布料厚度。

3.2 自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)

通過人工控制布料機(jī)移動(dòng)布料不僅需要增加勞動(dòng)力控制外，而且布料斗裝滿混凝土?xí)r重近4t，存在安全隱患。新的設(shè)計(jì)用控制器控制伺服電機(jī)來進(jìn)行移動(dòng)并控制螺旋的轉(zhuǎn)動(dòng)和布料閥門開閉。其控制系統(tǒng)如圖3。

圖3 布料機(jī)控制系統(tǒng)簡圖

布料機(jī)控制系統(tǒng)主要是由上位機(jī)和控制器，伺服控制器變頻器和各種傳感器組成。采用分散控制集中管理的控制策略，通過各控制模塊控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并由控制器統(tǒng)一管理。上位機(jī)通過圖紙解析，將模具的圖紙信息轉(zhuǎn)換為布料機(jī)移動(dòng)的坐標(biāo)命令，按“S”形路線進(jìn)行移動(dòng)，根據(jù)模具信息啟動(dòng)螺旋，用變頻器上面運(yùn)行對應(yīng)的常開點(diǎn)控制布料電磁閥。變頻器的頻率是根據(jù)模具所需的布料厚度決定的?！癝”形移動(dòng)首先在原點(diǎn)縱向移動(dòng)到模具邊緣，再橫向移動(dòng)布料車的長度，接著縱向移動(dòng)到模具邊緣，再橫向移動(dòng)布料車的長度，如此循環(huán)往復(fù)直到覆蓋整個(gè)模具，布料完成后自動(dòng)移動(dòng)回到原點(diǎn)。出料量通過稱重系統(tǒng)準(zhǔn)確控制，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)修正。位置傳感器檢測布料機(jī)到達(dá)的關(guān)鍵位置，原點(diǎn)位置，模具邊緣位置等，配合伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確完成位置移動(dòng)。采用現(xiàn)場總線通信，協(xié)議兼容Profibus ,Modbus協(xié)議。

3.3 圖紙解析方法研究

通過模具圖紙可以確定的布料路徑和閥門開閉等各種控制命令。為了減少人工重復(fù)性的輸入圖紙的相關(guān)信息，通過設(shè)計(jì)程序，用軟件處理圖紙，轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)命令，大大減少了重復(fù)性的人工操作。如圖4所示，這是上位機(jī)程序中的一個(gè)子程序，在啟動(dòng)生產(chǎn)前需要加載圖紙，生成模型坐標(biāo)信息并給到控制器移動(dòng)布料機(jī)布料。

4 結(jié) 論

新型布料機(jī)采用強(qiáng)制式螺旋出料，出料量可以準(zhǔn)確控制，而且出料均勻，不會灑料到模具外。移動(dòng)和布料采用自動(dòng)化控制，布料高效快捷，適合量產(chǎn)。直接加載圖紙補(bǔ)充模型庫，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布料，可配合自動(dòng)化生產(chǎn)線。經(jīng)過現(xiàn)場的施工實(shí)踐，該布料機(jī)效果理想，能夠一定程度推動(dòng)PC構(gòu)件的生產(chǎn)，順應(yīng)了裝配式建筑的發(fā)展。

圖4 圖紙?zhí)幚砹鞒?/p>