混凝土預(yù)制構(gòu)件布料機設(shè)計研究

周 磊，韋趙濱，石小虎，陳煒寧，曹國巍，魏 乾，張聲軍

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065001；2.廊坊凱博建設(shè)機械科技有限公司，河北 廊坊 065001）

1 背 景

建筑工業(yè)化，住宅產(chǎn)業(yè)化是我國建筑業(yè)的新趨勢。混凝土預(yù)制構(gòu)件布料機簡稱PC（precast concrete）布料機，是建筑工業(yè)化中生產(chǎn)混凝土預(yù)制構(gòu)件的重要工具。目前，我國的裝配式建筑市場需求巨大，但是實現(xiàn)構(gòu)件量產(chǎn)的工廠很少，造成我國建筑行業(yè)無法從現(xiàn)澆轉(zhuǎn)換為預(yù)制裝配。現(xiàn)有PC布料機日布料量在850～900m2，技術(shù)不夠完善，有如下缺點。

1）現(xiàn)在工廠里的PC布料機采用的出料方式是利用混凝土自身的重力，出料量和出料速度都是不可控的。門簾式布料機布料不均，需要人工攤勻，效率很低。

2）移動的人工控制布料機，需要人工輔助布料，這種布料機的作用就相當(dāng)一個混凝土的轉(zhuǎn)運裝備，自動化和智能化程度很低，無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。

3）自動布料的PC布料機，雖能實現(xiàn)自動移動，但定位不準(zhǔn)，通過人工將模具圖紙信息處理之后輸入控制器，過程復(fù)雜而且需要反復(fù)輸入。

本文論述一種新的布料機設(shè)計研究，可進一步提高布料產(chǎn)量，減少人工勞動，提高工作穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)布料機產(chǎn)業(yè)升級。

2 結(jié)構(gòu)組成和系統(tǒng)原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1是自動布料機的結(jié)構(gòu)簡圖，主要由鋼結(jié)構(gòu)軌道架、行走系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、儲料斗、儲料斗升降系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、螺旋布料系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。

圖1 預(yù)制構(gòu)件布料機結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)原理

中央控制器控制攪拌機卸料到布料斗，根據(jù)模具圖紙的信息控制布料機移動并控制對應(yīng)的螺旋輸送機和布料閥門打開，在移動過程中布料。通過“S”形行走規(guī)則覆蓋模具的整個區(qū)域，從而將模具中布滿料。如此移動布料機循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)對各模具的布料。

3 設(shè)計研究

3.1 布料方式選擇

原來的布料機是利用混凝土自身的重力和流動性來進行布料的，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但布料效果差，需要人工輔助，可控性差，不能進行量化操作。新的布料機通過螺旋輸送機（圖2）輸送混凝土進行強制出料，均勻布料。控制器控制布料機橫向移動，在厚度非零的區(qū)域啟動螺旋輸送機，變頻器運行同時繼電器打開出料閥，開始布料。

圖2 螺旋布料機構(gòu)

布料機的布料量可以通過螺旋輸送機的運行狀況來進行計算，公式如下。

螺旋輸送機輸送量

式中Q——輸送量，t/h；

D——螺旋葉片直徑，m；S——螺距，m；

n——螺旋轉(zhuǎn)速，r/min；

φ——填充系數(shù)；

γ——物料單位容積質(zhì)量，t/m3；

ε——傾斜輸送系數(shù)。

選定螺旋輸送機安裝固定之后,Q=kn，即在勻速移動過程中混凝土的出料量和轉(zhuǎn)速成正比例線性關(guān)系，布料厚度和出料量也是線性關(guān)系，那么布料厚度和轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，通過控制螺旋轉(zhuǎn)速來控制布料厚度。如果是單螺旋布料，因為所占長度短，會導(dǎo)致布料慢且效率低。這里的螺旋采用的是8個螺旋并排能顯著提高布料覆蓋率，提升效率。

建立模型采用微分的思想來分析如何控制布料厚度：取一極短的時間Δt；設(shè)布料機的移動速度為v;設(shè)布料機的布料寬度（8個螺旋的所占寬度）為s；設(shè)布料厚度為h；則布料機移動距離為l=Δtv；布料機布料的量為m=QΔt；因為截取的時間極短，認為下落的料堆積成長方體，則m=ρV， 因 為V=slh；h=(knΔt)/(ρsΔtv)； 得 到h=(kn)/(ρsv)。

可見，布料的厚度和螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速成正比，和布料機的移動成反比。為了保證布料的均勻性，需保持布料機以恒定的速度移動布料，通過調(diào)整螺旋的轉(zhuǎn)速來改變布料厚度。

3.2 自動化生產(chǎn)技術(shù)

通過人工控制布料機移動布料不僅需要增加勞動力控制外，而且布料斗裝滿混凝土?xí)r重近4t，存在安全隱患。新的設(shè)計用控制器控制伺服電機來進行移動并控制螺旋的轉(zhuǎn)動和布料閥門開閉。其控制系統(tǒng)如圖3。

圖3 布料機控制系統(tǒng)簡圖

布料機控制系統(tǒng)主要是由上位機和控制器，伺服控制器變頻器和各種傳感器組成。采用分散控制集中管理的控制策略，通過各控制模塊控制各執(zhí)行機構(gòu)，并由控制器統(tǒng)一管理。上位機通過圖紙解析，將模具的圖紙信息轉(zhuǎn)換為布料機移動的坐標(biāo)命令，按“S”形路線進行移動，根據(jù)模具信息啟動螺旋，用變頻器上面運行對應(yīng)的常開點控制布料電磁閥。變頻器的頻率是根據(jù)模具所需的布料厚度決定的。“S”形移動首先在原點縱向移動到模具邊緣，再橫向移動布料車的長度，接著縱向移動到模具邊緣，再橫向移動布料車的長度，如此循環(huán)往復(fù)直到覆蓋整個模具，布料完成后自動移動回到原點。出料量通過稱重系統(tǒng)準(zhǔn)確控制，實時動態(tài)修正。位置傳感器檢測布料機到達的關(guān)鍵位置，原點位置，模具邊緣位置等，配合伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確完成位置移動。采用現(xiàn)場總線通信，協(xié)議兼容Profibus ,Modbus協(xié)議。

3.3 圖紙解析方法研究

通過模具圖紙可以確定的布料路徑和閥門開閉等各種控制命令。為了減少人工重復(fù)性的輸入圖紙的相關(guān)信息，通過設(shè)計程序，用軟件處理圖紙，轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)命令，大大減少了重復(fù)性的人工操作。如圖4所示，這是上位機程序中的一個子程序，在啟動生產(chǎn)前需要加載圖紙，生成模型坐標(biāo)信息并給到控制器移動布料機布料。

4 結(jié) 論

新型布料機采用強制式螺旋出料，出料量可以準(zhǔn)確控制，而且出料均勻，不會灑料到模具外。移動和布料采用自動化控制，布料高效快捷，適合量產(chǎn)。直接加載圖紙補充模型庫，實現(xiàn)自動布料，可配合自動化生產(chǎn)線。經(jīng)過現(xiàn)場的施工實踐，該布料機效果理想，能夠一定程度推動PC構(gòu)件的生產(chǎn)，順應(yīng)了裝配式建筑的發(fā)展。

圖4 圖紙?zhí)幚砹鞒?/p>