張文兵 高 慧 呂奎龍 趙志剛

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100042；2.北京燕通建筑構(gòu)件有限公司，北京 102202)

0 引言

預(yù)制裝配式建筑技術(shù)是一種以預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)為主要構(gòu)件，經(jīng)裝配、連接而成的新興的綠色環(huán)保節(jié)能型建筑技術(shù)。與現(xiàn)場(chǎng)施工相比，預(yù)制裝配式施工具有施工方便、工程進(jìn)度快、生產(chǎn)成本較低、對(duì)周圍環(huán)境影響小，并且建筑構(gòu)件的質(zhì)量容易得到保證等優(yōu)點(diǎn)，在世界各地已逐步推廣開來。

我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)以前主要應(yīng)用在工業(yè)建筑中，近年來開始在民用建筑特別是住宅建筑中應(yīng)用，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，預(yù)制裝配式建筑也迎來了新的發(fā)展契機(jī)。要發(fā)展裝配式建筑就必須制作預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，首先需要解決鋼筋骨架綁扎問題。為此，本文分別設(shè)計(jì)了骨架移動(dòng)式和工作臺(tái)移動(dòng)式2種立式鋼筋骨架綁扎機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)制作了樣機(jī)，并進(jìn)行了分析比較。

1 方案1：骨架移動(dòng)式立式墻板鋼筋骨架綁扎機(jī)構(gòu)

制作鋼筋骨架需預(yù)先將鋼筋縱橫向排好并綁扎結(jié)實(shí)，在澆灌混凝土前直接整體吊裝定位，以便約束混凝土，提高混凝土構(gòu)件的整體性，并保證其強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因要承受較大荷載，為了保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，需要布置大量的鋼筋。目前，鋼筋骨架的綁扎都是手工進(jìn)行，需要綁扎的鋼筋數(shù)量巨大。這種傳統(tǒng)的綁扎鋼筋的方法不僅速度慢、生產(chǎn)效率低，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大。

通過研制墻板鋼筋骨架綁扎機(jī)構(gòu)，可以解決在鋼筋骨架生產(chǎn)過程中的實(shí)際問題，提高生產(chǎn)效率、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，具有重要的實(shí)際意義。

1.1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)思路為將原來平鋪式鋼筋骨架生產(chǎn)方式改為立式，即立式墻板鋼筋骨架綁扎機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)升降裝置、工人操作平臺(tái)，并采用防止傾覆機(jī)構(gòu)(鋼筋骨架兩邊各有2個(gè)可旋轉(zhuǎn)90°的卡爪，避免側(cè)翻傾覆，卡爪可隨氣缸活塞桿上下移動(dòng))，工人可在鋼筋骨架兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行綁扎作業(yè)。自動(dòng)升降裝置擬采用電動(dòng)或氣動(dòng)形式，無級(jí)調(diào)速，可在任意位置?？?，操作方便、安全可靠。

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)。該機(jī)構(gòu)兩側(cè)為工作臺(tái)，工人站在上面綁扎鋼筋骨架，自動(dòng)升降裝置采用氣動(dòng)機(jī)構(gòu)升降，可在任意位置停靠，方便工人工作，操縱閥控制[1]。骨架移動(dòng)式立式墻板鋼筋骨架綁扎機(jī)構(gòu)如圖1所示。

(a)骨架下降(b)骨架上升

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，細(xì)化立式墻板鋼筋骨架綁扎機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)鋼筋骨架的重量、總體尺寸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，確定氣動(dòng)元件的型號(hào)、規(guī)格和各部結(jié)構(gòu)尺寸及采用型材的規(guī)格，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

假定鋼筋骨架總重G1=3 000 N，骨架托架選用20#工字鋼，總長(zhǎng)約10 m，總重G2=3 000 N。鋼筋骨架綁扎機(jī)構(gòu)受力圖如圖2所示。

圖2 鋼筋骨架綁扎機(jī)構(gòu)受力圖

總載荷G=G1+G2=6 000 N，Z方向受力平衡，則

∑F=0

(1)

G=N1+N2=2N

(2)

式(2)中，N1、N2分別為左右2個(gè)氣缸的支承力，N為氣缸的實(shí)際輸出力。

假定車間氣壓p=0.5 MPa，缸徑為D,則氣缸截面積

A=π×(D/2)2

(3)

此時(shí)氣缸出力

F=pA=0.5×π×(D/2)2

(4)

式(4)中，F(xiàn)為氣缸理論出力，實(shí)際要根據(jù)工況情況確定。氣缸出力示意圖如圖3所示。圖3中F為氣缸理論出力[2]，f為阻力。

圖3 氣缸出力示意圖

氣缸實(shí)際輸出力

N=KF

(5)

式(5)中，K為載荷系數(shù)，對(duì)于靜負(fù)載(如夾緊、低速運(yùn)動(dòng)等)，阻力f很小，K≤0.7，取為K=0.7。

代入數(shù)值，求得D=φ104 mm。查表，可選缸徑為φ125 mm的氣缸，考慮兩側(cè)2個(gè)氣缸的不均衡性和安全系數(shù)，選擇缸徑為φ160 mm，行程為2 000 mm的氣缸。

1.3 三維數(shù)字模型創(chuàng)建

使用主流的機(jī)械CAD軟件UGNX軟件，進(jìn)行方案總體設(shè)計(jì)。UGNX實(shí)體建模充分繼承了傳統(tǒng)意義上的線、面、體造型特點(diǎn)，能夠方便迅速地創(chuàng)建三維實(shí)體模型，而且還可以通過其他特征操作，如掃描、旋轉(zhuǎn)實(shí)體等，并加以參數(shù)化和布爾操作來進(jìn)行更為廣闊的實(shí)體造型[3]。本文創(chuàng)建的包括總體裝配和各個(gè)部件的三維模型見圖1。

2 方案2：工作臺(tái)移動(dòng)式立式墻板鋼筋骨架綁扎機(jī)構(gòu)

方案1的綁扎機(jī)構(gòu)在鋼筋骨架升降時(shí)，重心較高，雖然設(shè)計(jì)有防傾覆機(jī)構(gòu)，但還是易發(fā)生側(cè)翻，故方案2改為鋼筋骨架固定，而工作臺(tái)上下升降的模式，工人可以在工作臺(tái)上進(jìn)行綁扎工作[4]。工作臺(tái)移動(dòng)式立式墻板鋼筋骨架綁扎機(jī)構(gòu)如圖4所示。

1—工作臺(tái)；2—支架；3—電動(dòng)推桿；4—欄桿。

為了方便操作，工作臺(tái)的升降采用4臺(tái)電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)同步升降，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集中控制。底座采用150 mm×150 mm的H型鋼制作。工作臺(tái)選用14#槽鋼[5]，上面鋪設(shè)花紋鋼板防滑。操作工作臺(tái)選用14#槽鋼焊接，總長(zhǎng)約24 m，總重量4 016 N，花紋鋼板厚度2.5 mm，面積為6 m2, 重量1 300 N。

假定工作臺(tái)上有2人同時(shí)進(jìn)行綁扎工作，按每人重850 N計(jì)算，總重量為1 700 N。工作臺(tái)重量與操作人員總重量為7 016 N，加上欄桿等計(jì)為10 000 N?？紤]到4臺(tái)電動(dòng)推桿工作的不均衡性和安全系數(shù)，電動(dòng)推桿選用DL40型，推拉力為8 000 N，電機(jī)功率0.25 kW，下側(cè)法蘭聯(lián)接。

3 方案比較

方案1的綁扎機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，但當(dāng)鋼筋骨架全部升起時(shí)重心較高，防傾覆機(jī)構(gòu)的2個(gè)卡爪受力條件不好，容易傾覆。方案2的綁扎機(jī)構(gòu)改為鋼筋骨架固定不動(dòng)，穩(wěn)定性大大提高，能有效防止傾覆，工人隨工作臺(tái)上下升降相對(duì)安全，兩側(cè)工作臺(tái)采用電動(dòng)推桿同步升降，易于集中控制。經(jīng)征求用戶單位技術(shù)人員意見，選擇方案2進(jìn)行了樣機(jī)試制，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試用，效果良好，得到用戶認(rèn)可。工作臺(tái)移動(dòng)式立式墻板鋼筋骨架綁扎機(jī)構(gòu)樣機(jī)如圖5所示。

1—工作臺(tái)；2—支架；3—電動(dòng)推桿；4—欄桿。

4 結(jié)論

本文對(duì)2種立式墻板鋼筋骨架綁扎機(jī)構(gòu)的方案進(jìn)行了比較。綜合來看，工作臺(tái)移動(dòng)式立式鋼筋骨架綁扎機(jī)構(gòu)對(duì)于提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保障操作安全，解決鋼筋骨架生產(chǎn)過程中的實(shí)際問題更勝一籌。