混凝土濕噴機(jī)臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

許輔瑤，林濤，牛心悅

（三一汽車制造有限公司，長沙410100）

1 引言

近10年來，高速鐵路建設(shè)日益增多，隧道建設(shè)速度和質(zhì)量成為高速通車的主要瓶頸。噴濕機(jī)是隧道施工中必不可少的設(shè)備，不僅可加快隧道施工速度，而且可以提高施工質(zhì)量，因此，濕噴機(jī)設(shè)備在高鐵隧道施工得到了廣范應(yīng)用[1]。

2 混凝土濕噴機(jī)的工作原理

混凝土濕噴機(jī)主要利用液壓泵推動輸送缸做往復(fù)運(yùn)動，由壓縮空氣稀釋后傳遞到噴頭位置，在噴頭位置加入速凝劑，噴射到工作面上。該噴射方式中，混凝土迅速凝固，可提高施工效率[2]。在工藝角度，要考慮臂架長度、工作區(qū)域和范圍。為保證濕噴機(jī)的工作穩(wěn)定，需優(yōu)化臂架尺寸，深入分析其臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合可靠工作機(jī)理合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用伸縮、俯仰、四連桿等方式，提高工作效率。

3 混凝土濕噴機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)

3.1 混凝土濕噴機(jī)結(jié)構(gòu)分析

濕噴機(jī)臂架主要結(jié)構(gòu)包括舉升臂結(jié)構(gòu)、小臂伸縮結(jié)構(gòu)和噴頭總成結(jié)構(gòu)。對現(xiàn)濕噴機(jī)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在舉升臂油缸鉸接點(diǎn)位置不合適、小臂不能回擺導(dǎo)致隧道內(nèi)移車頻繁，施工中濕噴機(jī)出現(xiàn)回彈量大、效率低等現(xiàn)象。

3.2 舉升臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

舉升臂架以TKJ混凝土濕噴機(jī)為例進(jìn)行分析。濕噴機(jī)組設(shè)計(jì)二級臂架，中間為回轉(zhuǎn)機(jī)械臂架系統(tǒng)。臂架由舉升臂、平行連桿、回轉(zhuǎn)平臺、舉升油缸、伸縮臂等組成。臂架可完成多個不同動作。不同的動作可確保噴嘴運(yùn)動軌跡及受噴面距離、角度均符合噴射工作需求，噴射質(zhì)量有保障，回彈率較低。為優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，應(yīng)在舉升臂工作范圍控制舉升油缸舉升力最小，確定舉升臂優(yōu)化函數(shù)。

舉升油缸受力變化越小，則結(jié)構(gòu)力系在舉升臂俯仰中變化幅值越小，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，工作中的應(yīng)力變化幅值越小。舉升臂受力分析如圖1所示。

圖1 舉升臂受力分析

設(shè)計(jì)變量點(diǎn)A高度為（yA）、B點(diǎn)坐標(biāo)（xB，yB）、C點(diǎn)坐標(biāo)（xC，yC），舉升臂長度為lAF，D是AF的中點(diǎn)，lAD是舉升臂長度的1/2。

舉升臂俯仰角度αmin，αmax，對應(yīng)矢量表達(dá)：

對應(yīng)設(shè)計(jì)變量需滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，針對設(shè)計(jì)安裝位置、運(yùn)輸高度及實(shí)際工作范圍，確定不同變量約束范圍：

通過函數(shù)及設(shè)計(jì)變量，以蒙特卡洛模擬方法設(shè)計(jì)隨機(jī)過程，反復(fù)生成序列，計(jì)算參數(shù)、統(tǒng)計(jì)量，得到其分布特征。系統(tǒng)各單元可靠性特征已知，但是系統(tǒng)可靠性較復(fù)雜，多采用隨機(jī)模擬方式計(jì)算系統(tǒng)預(yù)計(jì)值，模擬次數(shù)越多，則精度越高，模擬流程如圖2所示。

以此編制優(yōu)化程序，優(yōu)化舉升臂結(jié)構(gòu)，得到具體結(jié)果。方案中，臂架安裝高度降低，舉升臂架加長，機(jī)構(gòu)工作范圍也將發(fā)生變化。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，原各鉸點(diǎn)力在最值及均值上比原始方案效率高出很多，其鉸點(diǎn)力最大值及平均值減小近31.43%和8.99%。

圖2 蒙特卡洛模擬流程

3.3 折疊伸縮臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

噴射臂設(shè)計(jì)時，要考慮不同組成部分的需求，以發(fā)揮各部分最大化價值為最終目標(biāo)。運(yùn)動規(guī)律以空間機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動設(shè)計(jì)，分析工作臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動設(shè)計(jì)在工作臂兩端[3]?，F(xiàn)車載濕噴機(jī)小臂直接采用伸縮式臂架，通過小臂伸縮運(yùn)動將噴頭傳動到指定噴射位置。該結(jié)構(gòu)簡單，成本低，在車載式濕噴機(jī)上得到一定的運(yùn)用。但局限性比較明顯，如不能往回擺動、導(dǎo)致死角大、施工效率低。

為消除伸縮臂不能實(shí)現(xiàn)往回擺動導(dǎo)致的施工死角，對現(xiàn)有小臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，新設(shè)計(jì)折疊伸縮臂由折疊臂、小臂和伸縮臂組成。折疊臂可以實(shí)現(xiàn)將小臂和伸縮臂240°水平擺動；小臂外套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為四邊形薄壁箱型結(jié)構(gòu)，內(nèi)套后端部及外套前端設(shè)計(jì)為滑塊，以油缸伸縮確保伸縮臂在外套內(nèi)壁可滑動。伸縮臂內(nèi)設(shè)計(jì)為四邊形薄壁箱型結(jié)構(gòu)，運(yùn)動和外臂保持一致。濕噴機(jī)工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動副在施工中，使噴射總成在掌子面頂部、側(cè)部自由活動，確定噴頭總成的實(shí)際施工空間及姿態(tài)，使噴頭總成隨掌子面加工方向有序噴射混凝土。通過新增車載濕噴機(jī)折疊臂，使小臂和伸縮臂能水平擺動240°，更適合現(xiàn)場施工，可以減少移車次數(shù)，使效率提升20%。

3.4 噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

現(xiàn)有噴頭總成包括360°馬達(dá)、240°馬達(dá)、噴頭、混流器，噴頭總成因沖擊易導(dǎo)致360°馬達(dá)和240°馬達(dá)連接座松動，導(dǎo)致回彈量大和平整度降低。對噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化，新改進(jìn)后，360°和240°馬達(dá)連接座連接結(jié)構(gòu)消除松動；通過增加8°刷動馬達(dá)，改進(jìn)后噴頭總成參數(shù)合理，且剛度高，振動幅度小，在某地區(qū)施工現(xiàn)場應(yīng)用中表現(xiàn)良好，回彈量降低9.86%。使用優(yōu)化后的濕噴機(jī)臂架進(jìn)行作業(yè)，噴涂作業(yè)面均勻，混凝土不易脫落，技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國內(nèi)較高的要求，應(yīng)用效果突出。

4 結(jié)語

綜上所述，本文主要對濕噴機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，著重對混凝土濕噴機(jī)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從舉升臂結(jié)構(gòu)、折疊伸縮臂結(jié)構(gòu)、噴頭結(jié)構(gòu)3方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，優(yōu)化大臂鉸接點(diǎn)位置，新設(shè)計(jì)折疊臂、優(yōu)化現(xiàn)有馬達(dá)連接座安裝結(jié)構(gòu)及增加8°刷動馬達(dá)，使舉升臂鉸點(diǎn)力最大值及平均值分別減小31.43%和8.99%，施工效率提升20%和回彈量降低9.86%。