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        混凝土濕噴機(jī)臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

        2019-10-15 03:01:44許輔瑤林濤牛心悅
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2019年18期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化混凝土

        許輔瑤,林濤,牛心悅

        (三一汽車(chē)制造有限公司,長(zhǎng)沙410100)

        1 引言

        近10年來(lái),高速鐵路建設(shè)日益增多,隧道建設(shè)速度和質(zhì)量成為高速通車(chē)的主要瓶頸。噴濕機(jī)是隧道施工中必不可少的設(shè)備,不僅可加快隧道施工速度,而且可以提高施工質(zhì)量,因此,濕噴機(jī)設(shè)備在高鐵隧道施工得到了廣范應(yīng)用[1]。

        2 混凝土濕噴機(jī)的工作原理

        混凝土濕噴機(jī)主要利用液壓泵推動(dòng)輸送缸做往復(fù)運(yùn)動(dòng),由壓縮空氣稀釋后傳遞到噴頭位置,在噴頭位置加入速凝劑,噴射到工作面上。該噴射方式中,混凝土迅速凝固,可提高施工效率[2]。在工藝角度,要考慮臂架長(zhǎng)度、工作區(qū)域和范圍。為保證濕噴機(jī)的工作穩(wěn)定,需優(yōu)化臂架尺寸,深入分析其臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)合可靠工作機(jī)理合理優(yōu)化設(shè)計(jì),采用伸縮、俯仰、四連桿等方式,提高工作效率。

        3 混凝土濕噴機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)

        3.1 混凝土濕噴機(jī)結(jié)構(gòu)分析

        濕噴機(jī)臂架主要結(jié)構(gòu)包括舉升臂結(jié)構(gòu)、小臂伸縮結(jié)構(gòu)和噴頭總成結(jié)構(gòu)。對(duì)現(xiàn)濕噴機(jī)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)存在舉升臂油缸鉸接點(diǎn)位置不合適、小臂不能回?cái)[導(dǎo)致隧道內(nèi)移車(chē)頻繁,施工中濕噴機(jī)出現(xiàn)回彈量大、效率低等現(xiàn)象。

        3.2 舉升臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

        舉升臂架以TKJ混凝土濕噴機(jī)為例進(jìn)行分析。濕噴機(jī)組設(shè)計(jì)二級(jí)臂架,中間為回轉(zhuǎn)機(jī)械臂架系統(tǒng)。臂架由舉升臂、平行連桿、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、舉升油缸、伸縮臂等組成。臂架可完成多個(gè)不同動(dòng)作。不同的動(dòng)作可確保噴嘴運(yùn)動(dòng)軌跡及受?chē)娒婢嚯x、角度均符合噴射工作需求,噴射質(zhì)量有保障,回彈率較低。為優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力,應(yīng)在舉升臂工作范圍控制舉升油缸舉升力最小,確定舉升臂優(yōu)化函數(shù)。

        舉升油缸受力變化越小,則結(jié)構(gòu)力系在舉升臂俯仰中變化幅值越小,結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,工作中的應(yīng)力變化幅值越小。舉升臂受力分析如圖1所示。

        圖1 舉升臂受力分析

        設(shè)計(jì)變量點(diǎn)A高度為(yA)、B點(diǎn)坐標(biāo)(xB,yB)、C點(diǎn)坐標(biāo)(xC,yC),舉升臂長(zhǎng)度為lAF,D是AF的中點(diǎn),lAD是舉升臂長(zhǎng)度的1/2。

        舉升臂俯仰角度αmin,αmax,對(duì)應(yīng)矢量表達(dá):

        對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)變量需滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求,針對(duì)設(shè)計(jì)安裝位置、運(yùn)輸高度及實(shí)際工作范圍,確定不同變量約束范圍:

        通過(guò)函數(shù)及設(shè)計(jì)變量,以蒙特卡洛模擬方法設(shè)計(jì)隨機(jī)過(guò)程,反復(fù)生成序列,計(jì)算參數(shù)、統(tǒng)計(jì)量,得到其分布特征。系統(tǒng)各單元可靠性特征已知,但是系統(tǒng)可靠性較復(fù)雜,多采用隨機(jī)模擬方式計(jì)算系統(tǒng)預(yù)計(jì)值,模擬次數(shù)越多,則精度越高,模擬流程如圖2所示。

        以此編制優(yōu)化程序,優(yōu)化舉升臂結(jié)構(gòu),得到具體結(jié)果。方案中,臂架安裝高度降低,舉升臂架加長(zhǎng),機(jī)構(gòu)工作范圍也將發(fā)生變化。優(yōu)化設(shè)計(jì)后,原各鉸點(diǎn)力在最值及均值上比原始方案效率高出很多,其鉸點(diǎn)力最大值及平均值減小近31.43%和8.99%。

        圖2 蒙特卡洛模擬流程

        3.3 折疊伸縮臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

        噴射臂設(shè)計(jì)時(shí),要考慮不同組成部分的需求,以發(fā)揮各部分最大化價(jià)值為最終目標(biāo)。運(yùn)動(dòng)規(guī)律以空間機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì),分析工作臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)在工作臂兩端[3]?,F(xiàn)車(chē)載濕噴機(jī)小臂直接采用伸縮式臂架,通過(guò)小臂伸縮運(yùn)動(dòng)將噴頭傳動(dòng)到指定噴射位置。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,在車(chē)載式濕噴機(jī)上得到一定的運(yùn)用。但局限性比較明顯,如不能往回?cái)[動(dòng)、導(dǎo)致死角大、施工效率低。

        為消除伸縮臂不能實(shí)現(xiàn)往回?cái)[動(dòng)導(dǎo)致的施工死角,對(duì)現(xiàn)有小臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,新設(shè)計(jì)折疊伸縮臂由折疊臂、小臂和伸縮臂組成。折疊臂可以實(shí)現(xiàn)將小臂和伸縮臂240°水平擺動(dòng);小臂外套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為四邊形薄壁箱型結(jié)構(gòu),內(nèi)套后端部及外套前端設(shè)計(jì)為滑塊,以油缸伸縮確保伸縮臂在外套內(nèi)壁可滑動(dòng)。伸縮臂內(nèi)設(shè)計(jì)為四邊形薄壁箱型結(jié)構(gòu),運(yùn)動(dòng)和外臂保持一致。濕噴機(jī)工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)副在施工中,使噴射總成在掌子面頂部、側(cè)部自由活動(dòng),確定噴頭總成的實(shí)際施工空間及姿態(tài),使噴頭總成隨掌子面加工方向有序噴射混凝土。通過(guò)新增車(chē)載濕噴機(jī)折疊臂,使小臂和伸縮臂能水平擺動(dòng)240°,更適合現(xiàn)場(chǎng)施工,可以減少移車(chē)次數(shù),使效率提升20%。

        3.4 噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

        現(xiàn)有噴頭總成包括360°馬達(dá)、240°馬達(dá)、噴頭、混流器,噴頭總成因沖擊易導(dǎo)致360°馬達(dá)和240°馬達(dá)連接座松動(dòng),導(dǎo)致回彈量大和平整度降低。對(duì)噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化,新改進(jìn)后,360°和240°馬達(dá)連接座連接結(jié)構(gòu)消除松動(dòng);通過(guò)增加8°刷動(dòng)馬達(dá),改進(jìn)后噴頭總成參數(shù)合理,且剛度高,振動(dòng)幅度小,在某地區(qū)施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中表現(xiàn)良好,回彈量降低9.86%。使用優(yōu)化后的濕噴機(jī)臂架進(jìn)行作業(yè),噴涂作業(yè)面均勻,混凝土不易脫落,技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)內(nèi)較高的要求,應(yīng)用效果突出。

        4 結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,本文主要對(duì)濕噴機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,著重對(duì)混凝土濕噴機(jī)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從舉升臂結(jié)構(gòu)、折疊伸縮臂結(jié)構(gòu)、噴頭結(jié)構(gòu)3方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,優(yōu)化大臂鉸接點(diǎn)位置,新設(shè)計(jì)折疊臂、優(yōu)化現(xiàn)有馬達(dá)連接座安裝結(jié)構(gòu)及增加8°刷動(dòng)馬達(dá),使舉升臂鉸點(diǎn)力最大值及平均值分別減小31.43%和8.99%,施工效率提升20%和回彈量降低9.86%。

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