DMD1000型高效节能式抹光机的研究与创新设计

姚东伟

（江海职业技术学院，江苏 扬州225101）

0 引 言

混凝土抹光机适用于各种混凝土面层提浆、压实、刮平等作业，有效地提高了混凝土表面的密实度和耐磨性，广泛应用于混凝土路面、桥面、楼面、跑道和地坪等。目前，高级公路采用大型滑模式摊铺机作业，一般公路或其他工程都采用辊轴式整平机或振动梁配合插入式振动器、地面抹光机等小型施工机具施工［1］。经过调查和研究，市场上抹光机主要有圆盘式和叶片式［1］，通过电动机或内燃机驱动。圆盘式抹光机主要用于混凝土的提浆和抹平，叶片式抹光机主要用于混凝土后续施工中的抹光，是一种施工质量好、效率高的施工机械，但具有4 叶片施工不稳定，振动幅度和频率大，叶片更换资源浪费，蜗轮蜗杆传递效率低，磨损快等缺点。为有效解决现有抹光机的缺点，本着高效、节能和性能可靠等技术要求，经过研究和实验，设计出具有工作效率提高25%，机械传递效率达92%，节能提高1.6%等创新技术的DMD1000 型高效节能式磨光机。

1 主要研究的问题

1.1 叶片数量和叶片更换形式

市场上主要销售的手扶式叶片抹光机［1］，叶片数量4个，叶片与之相连的叶片连杆采用铆焊的形式连接。这样的4 叶片设计造成施工中不稳定，振动幅度和频率较大，施工人员操作时手和手臂随着抹光机一起振颤，增加不舒服感和劳动强度，同时叶片损坏后，需要把叶片连杆一起更换，造成成本和资源浪费。

1.2 角度调节机构和施力方式

为了达到较好的抹平效果，抹光机的抹平片需要进行一定的角度调节（0°～10°）［1］，抹光机由于采用压盘下压形式，整机重量全部压在压盘上，调整时需要的调节压力大，操作不省力，导致调节不够灵活轻便。

1.3 蜗轮蜗杆传递和换向机构

抹光机的动力传递到抹平片上，需要传递、减速和换向，主要采用蜗轮蜗杆机构，而蜗轮蜗杆相对齿轮传递而言效率低，能耗大，磨损率大，造成抹光机可靠性低，折旧率大，同时蜗轮蜗杆在制造工艺上复杂，制造成本较高［2］。

2 创新设计

2.1 5 叶片抹片的结构设计

为了提高抹光机抹光效果，把原来4 叶片设计成5叶片，5 叶片在圆周方向均匀分布，通过定位螺栓安装连接。这样设计在抹光机其他参数不变的条件下，在作业中，同一位置被抹到的概率提高了25%，抹光机的工作效率也提高了25%，同时抹光机工作的稳定性提高，振颤幅度和频率降低，操作更加平稳，也解决了叶片更换方便和节约资源的问题。

2.2 齿轮减速器的结构设计

在抹光机动力传递过程中，尽管蜗轮蜗杆能够实现大的传动比和动力换向，但其传递效率86%以下，发热量大，加速了零部件的磨损和破坏，创新设计双级齿轮减速器，既可以实现大的传动比传递和换向，有效提高传递效率达92%以上，同时也提高了工作可靠性和寿命，降低了制造成本。

2.3 三相异步启动永磁同步电动机配置设计

与传统的电动机相比，抹光机配置三相异步启动永磁同步电机具有下述特点：结构简单，无需电子元件变频启动，成本低，可靠性高；效率超过GB18613-2006 规定的节能评价值［3］，功率因数大于0.92；过载能力强，最大启动扭矩与额定扭矩之比达3 倍以上；高效节能，与常规电机相比节电30%以上。

3 创新设计原理分析

为了保证对研究设计内容的可行性，对创新设计进行原理分析。

3.1 5 叶片抹光机工作分析

在抹光机其他参数不变的情况下，设定发动机转速（输入轴）为n1，减速器的减速系数为k，输出轴的转速为n2，则 n2=k·n1。 （1）

在其他抹光机参数不变的情况下，同一地点采用不同数目的叶片得到的抹平效率设为p，则

式中，m 为叶片数量。

由此可以推定，在其他参数不变的情况下，采用5 叶片抹光机比4 叶片抹光机效率提高25%。

3.2 齿轮减速器的原理分析

采用蜗轮蜗杆减速器，则抹光机输入轴与输出轴转速的关系为 n2=k1·n1。 （3）

式中，n2为输入轴转速，k1为减速器减速比，n1为输出轴转速。

其能量传递为 p2=k2·k0·p1。 （4）式中：p1为输入能量，p2为输出能量，k0为除减速器以外的其他总传动效率，k2为减速器传动效率。

设计齿轮减速器机构关键是减速器减速比k1和减速器传动效率k2的设计。理想状态是希望减速器减速比k1和蜗轮蜗杆的相同，但减速器传动效率k2高一些，为此，我们设计双级减速，如图1 所示。

原理：整个减速器采用一级减速锥齿轮副和二级减速直齿轮副，一级锥齿轮把抹光机水平输入动力经过减速换向成垂直动力，一级被动锥齿轮与二级主动小齿轮同轴，小齿轮推动大齿轮实现二级减速却不换向［4］，减速器的体积大小没多大变化，而传递效率可提高到92%以上。

3.3 配置电动机的高效节能原理

该配置的电动机采用径向式磁路结构，瓦片状的永磁体贴附在钢制圆柱形转子外侧，异步启动转子紧配合压装在永磁转子外，异步启动转子导条的底部为隔磁磁桥，导条的底部与永磁体之间形成的隔磁磁桥的分布在整个圆周上基本是一致的［5］。由于受力均匀，有效地避免了嵌入式结构的隔磁磁桥在圆周上分布不均对转子机械结构强度的局部削弱，从而解决了电动机长期负载运行转子变形而失效的难题。

4 设计性能试验

4.1 试验条件和仪器

4.1.1 混凝土试验条件

混凝土采用425#水泥，水灰比为0.48～0.58，水泥、砂、石的施工配合比按材料质量比为1∶1.79∶4.51，坍落度为1～2 cm，混凝土骨料最大直径不大于20 mm，碎石含水率为1%，砂的含水率为3%［6］。

4.1.2 试验仪器及精度要求（见表1）

4.2 抹光机漏电和绝缘性试验

4.2.1 绝缘电阻和接触电阻的测定

表1 试验仪器与要求

1）绝缘电阻测量。切断电源，将抹光机的电动机引出线和接地端分别与兆欧表输出端连接，测量3 次，取平均值。

2）接触电阻测量。切断电源，将抹光机接地导线和机身罩最远点分别用导线与JWL-30 型稳流电源联接，开启稳流电源，调节电流至25 A 时读取电压值，接地端子接触电阻按式（5）计算：

式中：R 为接地端子接触电阻，Ω；U 为电流在25 A 时的电压值，V；R1为导线的电阻值，Ω。

4.2.2 泄漏电流的测定

测量在抹光机负载运行后从电源的任何一极流至规定零件的泄漏电流。按图2 所示，将抹光机的电动机接地端和地线分别与毫安表连接，测量线路电阻为（2000±100）Ω，测量仪表对20～5 000 Hz 范围内的所有频率应具有不低于5%的精度，但对更高的频率则不灵敏，测量泄漏电流是将图2 中的开关a、b、c 轮流打开，其它二只开关接通，循环测量，测量仪表上指示的较大值即为泄漏电流值［7］。

4.3 抹光机可靠性试验

可靠性试验采取连续循环作业的方式进行，平均每日不少于1 个工作班，每个工作班累计工作时间不少于5 h。

抹光机的可靠度可按下式计算：

式中：R 为可靠度；t0为累计作业时间，h；T1为修复故障时间，h。

抹光机平均无故障工作时间可按下式计算：

式中：T 为平均无故障工作时间，h；r0为故障当量次数。

式中，εi为第i 类的故障危害系数，ni为第i 类故障的次数。

4.4 抹光机生产率的测定

在额定工况下，抹光机在经真空脱水后的混凝土地面作业时，单位时间内抹光地面的面积即为生产率，可按下式计算： Q=S/t。 （9）式中：Q 为抹光机生产率，m/h；t 为测量时间，h；S 为抹光地面面积，m2。

5 试验分析

通过对抹光机主要的安全和生产性能的测定，结果表明：抹光机的绝缘电阻小于2 MΩ，接触电阻小于0.1 Ω，泄漏电流小于0.75 mA，符合国家质量安全技术要求［7］；抹光机可靠性考核时间高于350 h,首次故障前工作时间高于180 h，平均无故障工作时间达230 h 以上，可靠度高于95%；抹光混凝土地面，表面密实压光，无明显的裂纹、脱皮、麻面和起砂等现象，工程质量符合GBJ97-87 标准［8］，生产率提高了25%；配置的电动机经过质量监督检测，功率因数达到0.947 7，效率高达89.21%，比GB18613-2006所规定的节能评价值87.6%约高1.6%，比美国CEMA12-12（NEMA Preminum）超高效率电动机标准（86.5%）高出近3%，高效节能，与常规电机相比节电30%以上。

6 结 论

通过比较研究，创新设计的DMD1000 型高效节能式抹光机作业过程中振幅和频率明显减小，操作安全系数和舒适性提高；性能稳定，故障率低，可靠性较高，作业质量明显提高，生产效率提高了25%，；动力传递结构简单，传递效率高，使用寿命长，制造成本低；配置的三相异步启动永磁同步电机，具有明显的性能优势，高效节能。结果证明，研究设计的DMD1000 型高效节能式抹光机符合设计方案的技术指标，具有应用和推广价值。

［1］ 张建堂.水泥混凝土地面抹光机的现状及发展趋势［J］.建筑机械技术与管理，2002，15（9）：42-43.

［2］ 刘馥.基于Solid Works 的蜗轮蜗杆减速器设计［J］.装备制造技术，2012（3）：143-144.

［3］ 全国能源基础与管理标准化技术委员会合理用电分委员会.GB18613-2006 中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级［S］.

［4］ 叶元烈，秦东晨，苏智剑.双级圆柱齿轮减速器传动比分配的分析与计算［J］.机械传动，1997（4）：50-51.

［5］ 马隽.三相异步起动永磁同步电动机的优化设计［D］.杭州：浙江大学，2007.

［6］ 付征.混凝土配比设计方法的改进及其计算机化［D］.长沙：湖南大学，2005.

［7］ 沈阳建筑大学.JGJ46-2005 施工现场临时用电安全技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［8］ 中华人民共和国交通部.GBJ97-87 水泥混凝土路面施工与验收规范［S］.北京：中国计划出版社，1987.