螺旋式混凝土布料机关键技术研究

欧阳周全

摘 要：在现有技术基础之上，对螺旋式混凝土布料机的关键技术进行了分析研究，并针对现有产品存在的不足，提出了改进方法和结构的优化设计，对螺旋式混凝土布料机关键运动部件选型计算，并对主要承载结构件进行有限元分析，为螺旋式混凝土布料机的开发提供理论基础和技术依据，最后对螺旋式混凝土布料机的发展方向进行了预判。

关键词：螺旋式;混凝土布料机;关键技术

中图分类号：TU64文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）16-0070-03

Abstract： On the basis of the existing technology， the key technologies of spiral concrete distributor were analyzed and studied. Aiming at the shortcomings of existing products， the improved method and the optimal design of structure were put forward. The selection and calculation of the key moving parts of spiral concrete distributor and the limitation of the main bearing structure parts were also presented. Meta-analysis provided theoretical and technical basis for the development of spiral concrete distributor. Finally， the development direction of spiral concrete distributor was predicted.

Keywords： spiral;concrete distributor;key technology

装配式建筑是建筑工业化的一种绿色、可持续的类型，更是建筑业转型升级的必经之路[1]。PC工厂预制构件生产线和生产设备是装配式建筑发展过程中不可替代的一环。混凝土布料机是PC工厂预制构件的关键核心设备，其性能的好坏直接影响PC构件质量。由此，本文主要介绍螺旋式混凝土布料机的结构、工作原理以及优化后的布置形式。此外，笔者还根据自身的实际研发经验，对螺旋式混凝土布料机的关键技术进行了研究[2]。

1 螺旋式混凝土布料机概述

螺旋式混凝土布料机是对放置在预制构件模具上的模台进行混凝土浇注，其性能的好坏直接影响预制构件的产品质量。该设备是PC工厂预制构件生产线的核心设备，主要由料斗装置、挡料平台、小车机构、大车机构、大车支架以及液压、电控系统组成[3]。

料斗装置的上部接收输料车运送的混凝土物料，下部的螺旋轴在电机的驱动下，通过螺旋运动来挤压混凝土，同时控制液压缸带动出料门的“开/合”，从而实现精准布料。挡料平台的主要作用是防止输料车在工作时污染布料机料斗和小车上的设备，且人员可以在平台上检修、清洗。小车机构、大车机构分别在两个垂直方向（[X、Y]向）运动，能保证自动布料机在模台各个位置布料。通过上位机读取预制构件的图纸数据（CAD、DXF格式），并编译成机器可识别代码，控制液压缸、电机等执行机构运行，从而实现自动化布料[4，5]。

螺旋式布料机的电气柜布置在大车的端側，地面线缆通过大车架的拖链进入电气柜，电器柜的线缆通过拖链进入小车，再从小车的桥架进入中心料斗，最后与各个电气元件相连。这种布置方式的优点是：中心料斗显得更简洁、美观;电气柜在大车的端侧，不容易被输料车的混凝土污染。另外，液压站布置在小车的一侧，通过安装防护罩对液压装置进行防护。

2 螺旋式混凝土布料机的关键技术

2.1 螺旋式混凝土布料机的挡料平台

挡料平台的四周采用型材矩形管焊接作为骨架，保证具有一定的强度和刚度，表面铺设花纹钢板避免人员清洗时滑倒。同时，其中间设有方孔格栅板，一方面可以过滤混凝土中的异常物料，如大块石头、掉落的设备零部件;另一方面，也能防止清洗人员跌落到料斗中。目前，市场上现有的大多数螺旋式混凝土布料机挡料平台采用刚性连接，且缺少辅助落料装置，导致平台上方容易积料、堵料。由此，广东联城住工装备信息科技有限公司设计了一种新型的挡料平台：平台上的格栅板采用柔性结构连接于平台骨架上，并在左右两侧安装2台振动电机，有效解决了积料问题。

2.2 中心料斗

中心料斗是布料机的主要功能部件，料斗的上部接收输料车运送的混凝土物料，料斗体则临时存放混凝土。为了防止混凝土凝固，在料斗中间安装搅拌机构。料斗下部的螺旋轴在电机的驱动下，通过螺旋运动来挤压混凝土，同时控制液压缸带动出料门的“开/合”，从而实现精准布料。由于螺旋运动是连续的，因此，利用变频电机的实时控制，实现精准布料。

2.3 螺旋轴

在料斗宽度一定的条件下，布置的螺旋轴数量越多，布料的精度越高，且螺旋每转一圈，出料体积越小，越有利于自动、精准布料。国外标杆企业EBAWE的自动布料机采用10个螺旋轴。经研究分析发现，国内的螺旋布料机大多采用8个螺旋轴，这主要是因为：国内无法绝对保证混凝土不含有体积大于50mm的块状物体，如果混凝土中夹杂有体积大于螺旋轴叶片空间的物体，螺旋轴就无法正常工作。

2.4 出料门

出料门翻板的开启与闭合是通过控制液压缸的伸缩来实现的。而出料门的设计是根据四连杆原理，在料斗上选择合适的铰点位置，考虑到液压缸安装距的合理性（即安装距与液压缸行程相匹配），以及液压缸的作用力臂不能太小（容易出现死点），要保证出料门翻板开启的最大位置能超过螺旋叶片的最大高度。这样，当需要对螺旋轴进行维修或者需要更换螺旋轴时，只需要开启出料门翻板，就可以拔出或者插入螺旋轴，从而避免安装或拆卸螺旋轴时，需要拆卸整个出料门机构。

2.5 螺旋轴轴端密封装置

螺旋轴的一端伸入料斗内的混凝土中，另一端需要连接驱动电机，处于料斗外部。因此，密封装置是螺旋式布料机的关键部件。混凝土中含有大量大小不一、不规则的颗粒，对密封件的损伤很大。布料机很容易出现螺旋轴轴端漏浆、密封件需要经常更换的问题。针对上述问题，广东联城住工装备信息科技有限公司自主开发了一种新型密封装置，利用注脂泵向密封装置内注入一定压力的油脂，通过油脂压力来抵消料斗内部混凝土的渗透压力，并设计了两道密封结构：第一道为迷宫密封，通过迷宫初步隔离了颗粒较大的物体（大于0.5mm）;第二道密封最关键，利用单向阀原理，采用耐磨性能优异的材料制造成密封垫，通过对密封座外壳以及密封座内轴套的结构进行设计，以实现密封座的单向阀功能以及面密封功能。

3 螺旋式混凝土布料机关键部件选型计算

3.1 螺旋电机选型

已知条件：混凝土密度2.4×103kg/m3，螺旋数量8个，布料机下料能力[Q]为1m3/min，混凝土阻力系数[W0]取10，螺旋输送机水平长度[L]=0.612m，螺旋直径[D]=175mm，驱动装置总效率为0.9，功率储备系数[K]取1.2。

需要的轴功率的计算公式为：

（1）

将相关数据带入式（1）可计算出需要的轴功率为[N0]=0.359kW。

空载功率的计算公式为：

（2）

将相关数据代入式（2）可以算出[N1]=0.005 3kW。

需要的最小电机功率为：

（3）

其中，驱动装置总效率[η]取0.9，功率备用系数[K1]取1.2。

将相关数据代入式（3）可以得到需要的最小电机功率[N]=0.486kW。

考虑到螺旋被混凝土中大颗粒物料卡死，选择电机功率为1.1kW。减速比为25.6，电机转速为55r/min，输出扭矩为159N·m，输出轴为35mm，使用系数为1.55。通过最后校核可知：单个螺旋下料要求能力Q为18×103kg/h，螺旋转一圈（一个螺距的行程），单个螺旋的出料量为0.0078×103kg，单个螺旋下料实际能力Q1为25.739×103kg/h>18×103kg/h，即满足下料要求。

3.2 走行电机选型

已知条件：大车自重[Q0]=3 394kg，满载时大车载荷[Q1]=13 128kg，最大运行速度[Vmax]=30m/min，大车轮直径D=300mm，驱动电机数量[N]为2个。

车轮最大转速为：

（4）

将相关数据带入式（4）可以计算出[n]=31.85r/min。

走行电机选型首先要计算出布料机运行的总阻力[Pj]，总阻力又由摩擦阻力[Pm]、坡道阻力[Pp]和风阻力[Pwi]三部分组成。由于螺旋式混凝土布料机运行在室内，故不考虑风阻，[Pwi]=0。

摩擦阻力为：

（5）

式中，[μ]为滚动摩擦力臂，取值0.03;[d]为车轮轴承内径，为6cm;[f]为滚动轴承摩擦系数，取值0.015;[Kf]为车轮与轨道的摩擦系数，取值2。由此可以计算出[Pm]=181.742kg。

坡道阻力为：

（6）

其中，[Kp]取0.002。可以计算出[Pp]=33.044kg。

总阻力为：

（7）

大车走行电机需要的静功率为：

（8）

式中：驱动装置总效率[η]取0.9，电机数量[Z]为2台。代入数据，可以计算出大车走行电机需要的静功率[P]=0.585kW。考虑到留有足够的余量，选择大车走行电机功率为1.1kW。为带制动的变频电机，配67型减速机，采用空心軸安装方式，减速比为35.6，电机转速为39r/min，输出扭矩为246N·m，输出轴为40mm，使用系数为3.14。

4 螺旋式混凝土布料机的有限元分析

螺旋式混凝土布料机的主要受力和运动部件是小车架和大车架，采用SolidWorks自带的有限元分析模块Simulation分别对小车架和大车架进行静力学分析，主要步骤包括边界条件设定、施加载荷、划分网格及最后的求解计算。

4.1 小车架的有限元分析

小车架左、右主梁以及中间的连接横梁均采用型材矩形管结构，左、右主梁与中间横梁之间采用螺栓连接。图1和图2是小车架在混凝土满载情况下的应力、位移分析结果。

材料为Q345钢材，屈服强度[σs]=345MPa，安全系数取1.7，许用应力[[σ]]=202.9MPa。通过有限元分析，最大应力187MPa<[[σ]]，最大位移为0.381 8mm，满足钢结构设计要求。

4.2 大车架的有限元分析

大车架左、右主梁采用矩形管结构，横梁采用工字钢结构，左右主梁与中间横梁采用螺栓连接。图3和图4是大车架在混凝土满载情况下的应力、位移分析结果。

材料为Q345钢材，屈服强度[σs]=345MPa，安全系数取1.7，许用应力[[σ]]=202.9MPa。通过有限元分析，最大应力167MPa<[[σ]]，最大位移为1.995mm，满足钢结构设计要求。

5 结语

本文主要研究了螺旋式混凝土布料机关键技术，探讨了螺旋式混凝土布料机设计过程中的关键点，也解决了实际中遇到的问题，对今后螺旋式混凝土布料机的开发及实际工程应用提供了一定的借鉴价值。PC工厂自动化生产线是今后的发展方向，但目前，国内能提供完整的自动化产线的生产厂家很少，主要依靠国外进口。因此，自动化生产线和自动化、智能化的螺旋式混凝土布料机将是未来的发展方向和研究重点。

参考文献：

[1]李滨.我国预制装配式建筑的现状与发展[J].中国科技信息，2014（7）：114-115.

[2]孙红，孙健，吴玉厚，等.大型智能PC构件自动化生产线简介[J].混凝土与水泥制品，2015（3）：35-37.

[3]张泽平.数控混凝土布料机控制系统关键技术研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2018.

[4]于明，任霞，刘兴刚，等.混凝土预制构件关键技术研究及成套装备开发[J].科技创新导报，2015（30）：67-68.

[5]周磊，韦赵滨，石小虎，等.混凝土预制构件布料机设计研究[J].建筑机械化，2018（11）：27-29.