折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備研發(fā)

張 波

(上海建工四建集團有限公司，上海 201103)

0 引言

我國鄉(xiāng)村住宅建造水平區(qū)域化差異明顯，特別對于經(jīng)濟落后地區(qū)，住宅建造仍以勞動密集型為特點，專業(yè)施工隊伍欠缺、施工裝備機械化水平低、過程管理粗放、質(zhì)量安全控制難、環(huán)境污染等問題突出[1]。物料提升與混凝土布料是住宅建造過程中的必要環(huán)節(jié)。受建造環(huán)境、經(jīng)濟條件、專業(yè)技術(shù)水平等因素制約，鄉(xiāng)村住宅建造的物料提升與混凝土布料工藝與裝備落后。對于物料提升，施工作業(yè)主要采用井架、拔桿等設(shè)備。這些臨時設(shè)備主要依靠施工人員經(jīng)驗自行制作，設(shè)計簡陋，安全性與穩(wěn)定性難以保證[2-5]。此外，鄉(xiāng)村住宅混凝土用量較低。長期以來，鄉(xiāng)村住宅建造中的混凝土布料主要依賴人力完成。該作業(yè)模式工作效率低、布料質(zhì)量得不到有效控制。而城市建設(shè)使用的布料機體型大、輸出量高，不適用于鄉(xiāng)村住宅建造。為解決上述問題，本文針對鄉(xiāng)村住宅建造場景和工藝特點，研發(fā)了小型化物料提升-混凝土布料一體化裝備。

1 鄉(xiāng)村住宅建造設(shè)備功能需求

通過各地走訪調(diào)研可以看出，我國南北鄉(xiāng)村住宅建造環(huán)境差異較為明顯?？偟膩碚f，經(jīng)濟相對落后的地區(qū)，材料供應(yīng)、通行條件、專業(yè)素養(yǎng)、經(jīng)濟投入等方面均相對薄弱。這些因素在很大程度上決定了機械設(shè)備的研發(fā)應(yīng)趨向小型化、便捷化、自動化。物料提升-混凝土布料一體化裝備的主要功能需求包括以下幾個方面。

①可移動。通過自行走或拖行裝置設(shè)計，研發(fā)設(shè)備應(yīng)具有較高的場地通行能力，方便轉(zhuǎn)場。

②快速裝拆。由于鄉(xiāng)村住宅建造體量小、施工周期短，因此研發(fā)設(shè)備應(yīng)具有快速安裝、拆卸的特點。

③物料提升高度可達到12 m，提升重量為1 t。一方面，目前國內(nèi)各地對新建住宅的建造高度均有限制，普遍控制在12 m以下。因此，物料提升高度應(yīng)滿足此要求。另一方面，鄉(xiāng)村住宅提升物料主要是砂漿、砌塊、磚等材料，提升質(zhì)量相對較小，將載重設(shè)定為1 t則基本滿足使用要求。

④布料半徑為10 m。對于大多數(shù)鄉(xiāng)村住宅，進深約為5～6 m，單層建筑面積普遍小于100 m2。因此，對于布料機而言，布料半徑設(shè)定為10 m即可覆蓋樓層面積[6]。

⑤物料提升與布料功能集成。物料提升與混凝土布料是施工階段的必要環(huán)節(jié)。通過設(shè)備集成，可以實現(xiàn)一機兩用，從而有效降低裝備使用成本。

2 設(shè)計方案

根據(jù)第1節(jié)所述功能需求可知，物料提升-混凝土布料一體化裝備主要包含行走機構(gòu)、布料機構(gòu)、物料提升機構(gòu)及控制機構(gòu)等核心部件。在此基礎(chǔ)上，為滿足移動、快速就位、安拆等功能，本文初步形成兩種技術(shù)方案。方案一為伸縮桁架式場料提升-混凝土布料一體化裝備。方案二為折疊式場料提升-混凝土布料一體化裝備。

2.1 方案一概述

伸縮桁架式物料提升-混凝土布料一體化裝備整機設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 伸縮桁架式物料提升-混凝土布料一體化

伸縮桁架式物料提升-混凝土布料一體化裝備總體設(shè)計思路如下。

整機主體采用四節(jié)桁架嵌套形成伸縮塔身。每節(jié)桁架高度約為3 m。底部桁架平面尺寸約為2 m×2 m。

布料機固定于頂部桁架節(jié)。物料提升貨箱布置于桁架塔身外側(cè)。各桁架節(jié)同側(cè)設(shè)置齒條機構(gòu)。物料提升貨箱通過齒輪與齒條咬合上下行走[7]。

伸縮塔身固定于底部四輪行走機構(gòu)，在外部機構(gòu)的牽引下實現(xiàn)整機行走移位。

伸縮桁架內(nèi)置一個油缸，并與繩索機構(gòu)配合調(diào)節(jié)各桁架節(jié)的同步升節(jié)和回落，以實現(xiàn)塔身的伸縮。

初始狀態(tài)下，整機高度約為3.5 m，最大伸展高度約為12 m。設(shè)備的不同工作狀態(tài)如圖2所示。

圖2 不同工作狀態(tài)示意圖

2.2 方案二概述

折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備整機設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 折疊式物料提升-混凝土布料一體化

折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備總體設(shè)計思路如下。

①整機主要包含布料機構(gòu)、物料提升機構(gòu)、行走機構(gòu)、液壓機構(gòu)等部分。其中，布料機構(gòu)與物料提升機構(gòu)相互獨立，分別固定于行走機構(gòu)的底座上。

②兩個伸縮塔身底部分別與行走機構(gòu)鉸接。各基礎(chǔ)節(jié)頂部采用液壓油缸與行走機構(gòu)連接，通過油缸伸縮實現(xiàn)伸縮塔身豎向平面內(nèi)90°旋轉(zhuǎn)折疊[8]。整機初始折疊狀態(tài)如圖4所示。

圖4 初始折疊狀態(tài)示意圖

伸縮塔身設(shè)計如圖5所示。

圖5 伸縮塔身設(shè)計示意圖

③布料機構(gòu)和物料提升機構(gòu)分別擁有獨立伸縮塔身。伸縮塔身從下到上由基礎(chǔ)節(jié)、第一節(jié)、第二節(jié)(從下到上)共三節(jié)立柱嵌套組成。塔身通過液壓油缸、滑輪組及鋼絲繩系統(tǒng)集成設(shè)計實現(xiàn)上下伸縮，以滿足布料高度和物料提升高度要求。

④布料機構(gòu)主要由伸縮塔身與小型布料機組成。小型布料機回轉(zhuǎn)軸承安裝于第二伸縮節(jié)頂部?；剞D(zhuǎn)底架采用液壓油缸與第二伸縮節(jié)中部連接，通過油缸伸縮實現(xiàn)布料機豎向平面內(nèi)90°翻轉(zhuǎn)。布料機豎向翻轉(zhuǎn)如圖6所示。

圖6 布料機豎向翻轉(zhuǎn)示意圖

⑤物料提升機構(gòu)主要由伸縮塔身與貨箱組成。貨箱附著于第二伸縮節(jié)。塔身在伸縮時帶動貨箱上下行走。

2.3 方案比選

對于2.1節(jié)和2.2節(jié)所述方案，以下從通行能力、使用可靠性、安拆便捷性三個方面作對比。

①通行能力。

兩個方案均設(shè)計了行走機構(gòu)，在外力牽引作用下都可實現(xiàn)行走，但整機高度很大程度上影響著運輸和通行安全。方案一的伸縮桁架式結(jié)構(gòu)無法折疊，故整機最小高度約為4 m，不滿足道路運輸限高要求；同時，場地內(nèi)移動容易失穩(wěn)。相比而言，方案二通過折疊機構(gòu)設(shè)計將整機初始高度控制在3 m以內(nèi)，可以滿足運輸和轉(zhuǎn)場要求。

②使用可靠性。

方案一的物料提升與布料共用桁架式伸縮塔身，兩者同時使用對桁架強度與穩(wěn)定性要求高，很大程度提升了設(shè)計難度與加工精度。方案二的物料提升與布料機構(gòu)相互獨立，大大降低了工作狀態(tài)下的相互影響。這有效保證了整機使用可靠性。

③安拆便捷性。

對于方案一，整機運輸和轉(zhuǎn)場過程中需要將頂部布料裝置與桁架塔身進行拆解，到場后重新安裝；同時，由于桁架伸展后長細比較大，需要安裝附墻裝置。因此，方案一安拆便捷性欠佳。方案二的整機在運輸和轉(zhuǎn)場過程中無需拆解，到場就位后自動折疊伸縮，大大簡化了安拆工作，可實現(xiàn)快速就位與轉(zhuǎn)場。

通過以上三方面對比，方案二優(yōu)勢明顯。故本文采用方案二進行設(shè)計。

3 系統(tǒng)組成

通過設(shè)計方案深化，折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備主要包括底架、配重塊、控制電柜、提升機、布料機塔身、提升機塔身、提升機翻轉(zhuǎn)油缸、布料機翻轉(zhuǎn)油缸、布料機、伸縮動力缸等部分。折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備整機結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備

①底架為鋼結(jié)構(gòu)框架。底架的下表面安裝滑輪及腳杯，用于移動及找平。底架的上表面承載提升機塔身、布料機塔身等主要工作裝置，并為各油缸提供鉸點。

②提升機、布料機塔身均為三節(jié)嵌套結(jié)構(gòu)。伸縮動力缸結(jié)合鋼絲繩及滑輪，為提升機、布料機提供伸縮動力。

③提升機翻轉(zhuǎn)油缸、布料機翻轉(zhuǎn)油缸為提升機和布料機底架提供翻轉(zhuǎn)動力，以實現(xiàn)整機在正常工作狀態(tài)與折疊狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備提升機與布料機塔身升降高度均為9 m，滿足鄉(xiāng)村住宅建造需求。起升速度為3 m/min，可確保布料機及物料快速提升就位。布料機主臂長度為6 m，布料半徑為10 m，主臂回轉(zhuǎn)角度為180°，前臂回轉(zhuǎn)角度為360°。主臂與前臂協(xié)同，可實現(xiàn)布料半徑內(nèi)的無死角布料。物料提升平臺尺寸為1.5 m×1 m，額定載重1 t，可提升一輛滿載手推車至施工層。

4 提升機構(gòu)設(shè)計

折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備的設(shè)計難點在于布料機和提升機豎向移動功能的實現(xiàn)。為解決該問題，本文設(shè)計了提升機構(gòu)。提升機構(gòu)通過動力油缸組、伸縮塔身、滑輪組及鋼絲繩的協(xié)同配合，實現(xiàn)布料機構(gòu)與物料提升機構(gòu)的豎向移動。提升機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 提升機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

(1)底架為伸縮塔身一、伸縮塔身二、動力油缸組提供固定鉸點。

(2)動力油缸組由兩支平行布置的油缸組成。缸筒前端和尾端分別鉸接在底架上。兩支油缸活塞桿伸出方向相反。

(3)伸縮塔身一和伸縮塔身二的結(jié)構(gòu)完全相同，整體為三節(jié)臂架嵌套結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)節(jié)固定在底架上。第一節(jié)和第二節(jié)為動臂?；喖皩?dǎo)輪在每一節(jié)臂布置方式相同。臂頭和臂根處分別固定滑輪和導(dǎo)輪?；喒╀摻z繩穿過。導(dǎo)輪與前一節(jié)臂內(nèi)表面接觸，起導(dǎo)向作用。

(4)鋼絲繩走繩分伸縮動力油缸處走繩和伸縮臂架內(nèi)部走繩兩部分。

①伸縮動力油缸處走繩。油缸處鋼絲繩一端固定，輸出端繞過油缸活塞桿端滑輪及底架導(dǎo)向滑輪，并與伸縮臂輸入端相連[9-10]。伸縮動力油缸處走繩如圖9所示。

圖9 伸縮動力油缸處走繩示意圖

②伸縮臂內(nèi)部走繩由基礎(chǔ)節(jié)與第一節(jié)臂間走繩、基礎(chǔ)節(jié)與第二節(jié)臂間走繩兩部分組成。伸縮臂內(nèi)部走繩如圖10所示。

圖10 伸縮臂內(nèi)部走繩示意圖

基礎(chǔ)節(jié)與第一節(jié)臂間走繩：鋼絲繩經(jīng)油缸輸出端與伸縮臂輸入端相連，隨后經(jīng)基礎(chǔ)臂上端導(dǎo)輪、第一節(jié)臂下端滑輪，鎖止在基礎(chǔ)臂上，如圖10中實線所示[11]?；A(chǔ)節(jié)與第二節(jié)臂間走繩：鋼絲繩起始端鎖定在基礎(chǔ)臂上，隨后經(jīng)第一節(jié)臂導(dǎo)輪、第二節(jié)臂下端滑輪，最終鎖止在第二節(jié)臂上，如圖10中虛線所示。

5 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

布料提升機構(gòu)的工作過程為：電機驅(qū)動液壓泵，使壓力油經(jīng)過高壓過濾器流至分流閥塊；分流閥塊將油液分向五個換向閥；電磁開關(guān)式換向閥分別控制立柱展開、立柱升降、回轉(zhuǎn)擺臂展開和物料提升。物料提升-混凝土布料一體化裝備工作過程中，首先展開兩個立柱和回轉(zhuǎn)擺臂，然后使立柱提升，最后調(diào)整回轉(zhuǎn)的姿態(tài)。所有液壓缸均設(shè)計有液壓鎖。換向閥回到中位后，夾緊機構(gòu)能繼續(xù)保持夾緊狀態(tài)。夾緊機構(gòu)的換向閥中位機能為Y型中位機能。這一方面保證了液壓鎖的正常工作，另一方面在夾緊機構(gòu)不工作時能對系統(tǒng)進行保壓。所有液壓缸均設(shè)計有單向節(jié)流閥，用于控制液壓缸運動的速度。由于立柱展開液壓缸與立柱伸縮液壓缸不同時工作，當(dāng)物料提升機構(gòu)工作時，泵站的流量全部用于物料提升機構(gòu)液壓缸運動，以保證其動力充足。所有液壓缸的運動通過可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)下發(fā)的指令控制，從而調(diào)整整機工作狀態(tài)。

6 結(jié)論

“十三五”以來，鄉(xiāng)村振興成為國家重要發(fā)展戰(zhàn)略。鄉(xiāng)村建造規(guī)模巨大，然而其適用性建造裝備仍有所欠缺。本文研發(fā)的折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備能較好地適用于鄉(xiāng)村住宅統(tǒng)建式建造場景。通過示范應(yīng)用表明，本折疊式物料提升-混凝土布料一體化裝備安裝就位時間約為2 h，物料提升載重量達到1 t，布料半徑達到10 m，布料回轉(zhuǎn)速度為0.4 rad/min，物料提升最大高度為9 m，布料最大高度為12 m，轉(zhuǎn)場方便。該裝備能降低建造成本且綠色環(huán)保，具有較高的社會效益和經(jīng)濟效益。