機(jī)械便攜式模塊化半自動(dòng)地暖管線鋪設(shè)機(jī)設(shè)計(jì)

于琳，王士奇，薛雅文，楊天勝

（沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159）

0 引言

目前，地?zé)峁┡绞皆谖覈狈皆S多城市都得到了廣泛的推廣。但是地?zé)峁┡诩夹g(shù)方面和工程實(shí)施方面都還存在許多不足之處，針對(duì)地?zé)峁┡姆绞?，本文在現(xiàn)有技術(shù)和材料的基礎(chǔ)上提供了一種便攜式模塊化半自動(dòng)地暖管線鋪設(shè)機(jī)設(shè)備，利用地板采暖的取熱方式[1]，有效地解決地暖鋪設(shè)耗時(shí)長、工作效率低等問題。

本產(chǎn)品采用推車式設(shè)計(jì)，解決了器械行走問題并且可以作為所有模塊化的承載平臺(tái)且具有可拆卸性，為了解決推車不轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的與地面發(fā)生滑動(dòng)的問題，設(shè)計(jì)過程中我們棄用了一體式滾輪，采用分體式。在設(shè)計(jì)過程中，先確定整體外觀結(jié)構(gòu)，其次考慮模塊化的問題。將外觀方案確定后，將之拆分為對(duì)應(yīng)預(yù)期設(shè)計(jì)模塊，并進(jìn)行比對(duì)，確定最優(yōu)方案。

家庭地暖系統(tǒng)的構(gòu)成主要有地暖管材和流量控制器兩大部分，在地暖施工行業(yè)中普遍認(rèn)為流量控制器每個(gè)支流鋪設(shè)管線長度控制在65～50 m左右，所以本設(shè)備建立在此基礎(chǔ)上。本設(shè)計(jì)方案充分考慮了施工環(huán)境、施工要求、器械耐久度等要求。因?yàn)榫郾矫眩≒PO）材料具有良好的力學(xué)性能、抗腐蝕性能高、耐磨度高、不易變形等特點(diǎn)，所以設(shè)備中部分零件材料選用聚苯醚（PPO）材料。

1 地暖鋪設(shè)技術(shù)分析

眾所周知，鋪設(shè)地暖在當(dāng)今的房屋裝修中是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。地暖管指的是一種在低溫?zé)崴孛孑椛洳膳到y(tǒng)中充當(dāng)?shù)蜏責(zé)崴h(huán)流動(dòng)載體的管材。而用什么樣的材料也是鋪設(shè)地暖過程中應(yīng)當(dāng)注意的一個(gè)問題?，F(xiàn)有的地暖的鋪設(shè)方式為3步：首先在樓板處鋪設(shè)一層保溫層，然后用卡子將用于供暖的地?zé)峁芫€固定在地面上，最后在管線上覆蓋一層水泥。正常情況下，地?zé)峁┡褂霉艿赖慕M數(shù)和房間的面積成正比。由此可知，房間的面積越大，鋪設(shè)地暖所耗費(fèi)的供暖管線組數(shù)也就越多。這樣不僅會(huì)增大熱循環(huán)空間，還會(huì)改善供暖的效果，但是也會(huì)耗費(fèi)更多的供暖管線。有關(guān)調(diào)查顯示，我國現(xiàn)在鋪設(shè)地暖選用的均為PVC地?zé)峁┡?，與之前采用的鐵制管材相比，這種管子有不銹蝕、不容易結(jié)垢的優(yōu)點(diǎn)。采用PVC管既可以使供暖管線的壽命延長，并且利用采暖地面結(jié)構(gòu)在架空層鋪設(shè)管線系統(tǒng)[2]，也可以使清理更加便捷，同時(shí)也減少了堵塞的情況。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和走訪水暖基建工人，大多數(shù)業(yè)主都會(huì)選擇地?zé)岬姆绞綖榉课萑∨?。目前國?nèi)的關(guān)于地暖管道的鋪設(shè)還停留在人工鋪設(shè)階段，在充分保證效率的前提下，管線鋪設(shè)最少需要2個(gè)人，正常的鋪設(shè)進(jìn)度為2人每天鋪設(shè)500 m管線，且耗時(shí)費(fèi)力。

現(xiàn)階段主要有直列式、往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式3種管式地暖的鋪設(shè)方法。

1）下層鋪設(shè)地暖專用皮棉反射膜，上層鋪設(shè)管道，用卡扣固定。

2）下設(shè)厚度為2.0 cm以上擠塑板鋪設(shè)地暖，再鋪設(shè)錫紙反熱膜，上鋪設(shè)管道，用倒刺卡固定。

3）下設(shè)模具，直接進(jìn)行管道鋪設(shè)[3]。

前兩種較為常用，后一種因成本較高暫未普及。為解決耗時(shí)長、工作效率低等問題，特別提出本次項(xiàng)目產(chǎn)品機(jī)械便攜式模塊化半自動(dòng)地暖管線鋪設(shè)機(jī)。

2 便攜式模塊化半自動(dòng)地暖鋪設(shè)機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 功能要求

通常地暖鋪設(shè)是人工根據(jù)圖樣進(jìn)行逐步鋪設(shè)，這樣鋪設(shè)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、速度較慢，影響室內(nèi)裝修的整體進(jìn)程，而且現(xiàn)存的鋪設(shè)設(shè)備主要是用來輔助鋪設(shè)，其結(jié)構(gòu)簡單、固定性能差，也不利于裝卸。為了避免或減少鋪設(shè)過程中的問題，提升工作質(zhì)量和效率，對(duì)于地暖鋪設(shè)設(shè)備的主要功能要求有：1）便于施工人員操作，方便攜帶移動(dòng)，減少運(yùn)輸成本；2）機(jī)械結(jié)構(gòu)完善，功能合理；3）人機(jī)界面操作簡單，使用方式便捷。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)備采用人力推車式設(shè)計(jì)，將整體設(shè)備分為承載滾輪、支撐架、底盤、固定模組，各模組可分別拆開且組裝簡便。將固定模組運(yùn)用電磁原理轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)釘槍原理，利用已固定的管線通過導(dǎo)向通道拉動(dòng)承載滾輪，達(dá)到自動(dòng)放管的目的。

2.2.1 承載滾輪設(shè)計(jì)

承載滾輪為H形滾輪設(shè)計(jì)，主要由主擋板、副擋板、固定定位套軸、固定心軸等零部件組裝而成，其主要作用在于固定。

如圖2所示，主擋板設(shè)計(jì)有擋板、連接軸，擋板上設(shè)計(jì)有定位凹槽，連接軸一端與擋板一體成型，另一端通過螺紋與副擋板連接。

地暖管線自身存在彈性會(huì)產(chǎn)生曠量，在設(shè)備使用過程中需要減少曠量，因此設(shè)計(jì)固定定位軸套，為保證圓周的完整性，在固定定位軸套上開孔，利用管線自身應(yīng)力進(jìn)行周向相對(duì)固定。模型如圖3所示，軸套一端與主擋板定位凹槽吻合，另一端為平面端，副擋板（如圖4）與主擋板螺紋連接后壓緊固定定位軸套。具體裝配效果如圖5所示。

圖1 整體渲染裝配圖

圖2 主擋板

圖3 固定定位軸套

圖4 副擋板

圖5 承載滾輪裝配圖

2.2.2 支撐架設(shè)計(jì)

支撐架是連接承載滾輪和底部的關(guān)鍵，并且承載著部分管線的導(dǎo)向功能，主要構(gòu)件包括2根固定桿、2片三角形支撐架、1根承載滾輪軸，固定桿兩端有螺紋設(shè)計(jì)，通過螺紋螺帽組合連接兩片三角形支撐架，與此同時(shí)，前端支撐桿上裝有微緊機(jī)構(gòu)，作為管線導(dǎo)向。微緊機(jī)構(gòu)中以，2根彈簧作用于兩對(duì)向U形滑輪，管線通過中間的O形孔以達(dá)到導(dǎo)向兼緊固的作用。微緊機(jī)構(gòu)如圖6所示，固定于前端固定桿，三角支撐架的U形槽設(shè)計(jì)是為了方便裝載承載滾輪，承載滾輪軸為固定心軸，且軸通過一端螺母控制軸向移動(dòng)，并增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。最終裝配效果如圖7所示。

圖6 微緊機(jī)構(gòu)

圖7 支撐架裝配總圖

2.2.3 底盤

底盤承載著本設(shè)備中行走功能及搭載固定模組和支撐支撐架的作用，為達(dá)到便攜的目的，底盤與支撐架的連接采用內(nèi)嵌支撐架并且增加限位孔插入限位銷的方案。

在前端與后端2根橫欄加上滾動(dòng)輪，中間2根作為搭載固定模組的功用。整體裝配概念圖如圖8所示。其中圖9為固定機(jī)構(gòu)和底盤連接的連接器，此連接器通過四爪卡扣設(shè)計(jì)，為防止連接器竄動(dòng)，可在底盤橫欄上加裝限位膠塊。

圖8 底盤裝配概念圖

圖9 底盤連接器

圖9中連接器中心有一窗口，其主要目的是嵌入固定模組，固定模式也采用卡扣式設(shè)計(jì)，在固定模組外殼形狀與連接器窗口吻合，當(dāng)固定模組前端預(yù)設(shè)計(jì)多個(gè)簧片，簧片越過連接器底板自動(dòng)卡緊，達(dá)到固定的目的。在鋪設(shè)地暖管道后，主要的固定方式采用卡釘來固定，使用卡釘能夠使地暖管道的固定比原來更加快速、方便。鋼絲卡釘主要采用U形設(shè)計(jì)，U形開口的距離需要根據(jù)地暖管道的直徑來定，一般情況為3.5～4.0 cm，要略大于卡釘?shù)陌雸A直徑，該設(shè)計(jì)主要利用了鋼絲卡釘本身的彈性，使U形開口距離與管道直徑基本一致，依靠鋼絲本身的張力使鋼絲與發(fā)泡水泥層的摩擦力得到增大，防止鋼絲卡釘從發(fā)泡水泥層中彈出。

2.2.4 固定模組設(shè)計(jì)

固定模組采用的是電動(dòng)釘槍原理，在殼體中設(shè)置有加速線圈，同時(shí)在加速線圈中設(shè)置有一個(gè)供沖擊錘移動(dòng)的軌道，其沖擊錘的制成材料為導(dǎo)磁材料，沖擊錘末端有復(fù)進(jìn)彈簧，沖擊錘前端安裝有撞針。電動(dòng)釘槍工作由控制開關(guān)控制。沖擊錘體上設(shè)有2排外輪廓高于沖擊錘外表面的可圍繞銷軸旋轉(zhuǎn)的滾輪，滾輪外緣與沖擊錘體外的軌道相接觸時(shí)，沖擊錘軌道與滾輪外緣的摩擦力臂遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滾輪銷軸所受的摩擦力臂，在這一原因下，使得滾輪繞其運(yùn)動(dòng)更為靈活，沖擊錘在運(yùn)動(dòng)過程中所受的摩擦也大大減小，電動(dòng)釘槍承受的熱負(fù)荷也隨之減少，使用壽命提高。

此電動(dòng)釘槍有強(qiáng)、中、弱3個(gè)擋位，分別對(duì)應(yīng)水泥基面、泡沫基面、模板基面。釘槍沖擊錘下方存在U形槽將排釘插入即可使用。

此設(shè)備在固定模組正下端存在導(dǎo)向架，將管線線路固定以免出現(xiàn)電動(dòng)釘槍失誤將釘偏離軌道，傷到施工人員；電動(dòng)釘槍激發(fā)開關(guān)處于推車把手處，并且配有壓力感應(yīng)裝置，一旦設(shè)備底座離開地面或發(fā)生傾斜，電動(dòng)釘槍受到感應(yīng)，立即停止工作，以免傷到施工人員；此感應(yīng)裝置還能感受到釘槍發(fā)出釘所受到的壓力，如果不是標(biāo)準(zhǔn)的壓力，偏離原來的軌道，釘槍會(huì)觸發(fā)感應(yīng)，終止設(shè)備的工作。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)結(jié)合現(xiàn)代供暖方式的現(xiàn)實(shí)情況和主要發(fā)展趨勢，以地?zé)峁┡癁榍腥朦c(diǎn)，在現(xiàn)有材料、技術(shù)及施工方式的基礎(chǔ)上，提出了一種機(jī)械便攜式模塊化半自動(dòng)的地暖管線鋪設(shè)機(jī)設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)和使用方式方面進(jìn)行了一系列創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)和可行性分析。相比于其他地暖鋪設(shè)工具，本產(chǎn)品便于攜帶、安裝，單人即可完成操作，并且在模塊化的加持下，可將傳統(tǒng)住宅地暖施工轉(zhuǎn)向?yàn)楣I(yè)化操作，使裝修更加簡單、節(jié)約，且質(zhì)量可靠[4]，由于未采用氣泵等噪聲過大設(shè)備，減少了在施工過程中對(duì)工人和其他住戶產(chǎn)生的噪聲干擾，減少工人工作量、節(jié)省時(shí)間、提升效率，并且可用于多種水管式地?zé)徜佋O(shè)工作，以一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的方式來解決地?zé)峁┡┕るy度大、工作效率低等問題，更符合節(jié)能減排理念。