于琳，王士奇，薛雅文，楊天勝

（沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159）

0 引言

目前，地熱供暖方式在我國北方許多城市都得到了廣泛的推廣。但是地熱供暖在技術(shù)方面和工程實施方面都還存在許多不足之處，針對地熱供暖的方式，本文在現(xiàn)有技術(shù)和材料的基礎(chǔ)上提供了一種便攜式模塊化半自動地暖管線鋪設(shè)機設(shè)備，利用地板采暖的取熱方式[1]，有效地解決地暖鋪設(shè)耗時長、工作效率低等問題。

本產(chǎn)品采用推車式設(shè)計，解決了器械行走問題并且可以作為所有模塊化的承載平臺且具有可拆卸性，為了解決推車不轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的與地面發(fā)生滑動的問題，設(shè)計過程中我們棄用了一體式滾輪，采用分體式。在設(shè)計過程中，先確定整體外觀結(jié)構(gòu)，其次考慮模塊化的問題。將外觀方案確定后，將之拆分為對應(yīng)預(yù)期設(shè)計模塊，并進行比對，確定最優(yōu)方案。

家庭地暖系統(tǒng)的構(gòu)成主要有地暖管材和流量控制器兩大部分，在地暖施工行業(yè)中普遍認為流量控制器每個支流鋪設(shè)管線長度控制在65～50 m左右，所以本設(shè)備建立在此基礎(chǔ)上。本設(shè)計方案充分考慮了施工環(huán)境、施工要求、器械耐久度等要求。因為聚苯醚（PPO）材料具有良好的力學(xué)性能、抗腐蝕性能高、耐磨度高、不易變形等特點，所以設(shè)備中部分零件材料選用聚苯醚（PPO）材料。

1 地暖鋪設(shè)技術(shù)分析

眾所周知，鋪設(shè)地暖在當今的房屋裝修中是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。地暖管指的是一種在低溫熱水地面輻射采暖系統(tǒng)中充當?shù)蜏責崴h(huán)流動載體的管材。而用什么樣的材料也是鋪設(shè)地暖過程中應(yīng)當注意的一個問題?，F(xiàn)有的地暖的鋪設(shè)方式為3步：首先在樓板處鋪設(shè)一層保溫層，然后用卡子將用于供暖的地熱管線固定在地面上，最后在管線上覆蓋一層水泥。正常情況下，地熱供暖所使用管道的組數(shù)和房間的面積成正比。由此可知，房間的面積越大，鋪設(shè)地暖所耗費的供暖管線組數(shù)也就越多。這樣不僅會增大熱循環(huán)空間，還會改善供暖的效果，但是也會耗費更多的供暖管線。有關(guān)調(diào)查顯示，我國現(xiàn)在鋪設(shè)地暖選用的均為PVC地熱供暖管，與之前采用的鐵制管材相比，這種管子有不銹蝕、不容易結(jié)垢的優(yōu)點。采用PVC管既可以使供暖管線的壽命延長，并且利用采暖地面結(jié)構(gòu)在架空層鋪設(shè)管線系統(tǒng)[2]，也可以使清理更加便捷，同時也減少了堵塞的情況。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和走訪水暖基建工人，大多數(shù)業(yè)主都會選擇地熱的方式為房屋取暖。目前國內(nèi)的關(guān)于地暖管道的鋪設(shè)還停留在人工鋪設(shè)階段，在充分保證效率的前提下，管線鋪設(shè)最少需要2個人，正常的鋪設(shè)進度為2人每天鋪設(shè)500 m管線，且耗時費力。

現(xiàn)階段主要有直列式、往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式3種管式地暖的鋪設(shè)方法。

1）下層鋪設(shè)地暖專用皮棉反射膜，上層鋪設(shè)管道，用卡扣固定。

2）下設(shè)厚度為2.0 cm以上擠塑板鋪設(shè)地暖，再鋪設(shè)錫紙反熱膜，上鋪設(shè)管道，用倒刺卡固定。

3）下設(shè)模具，直接進行管道鋪設(shè)[3]。

前兩種較為常用，后一種因成本較高暫未普及。為解決耗時長、工作效率低等問題，特別提出本次項目產(chǎn)品機械便攜式模塊化半自動地暖管線鋪設(shè)機。

2 便攜式模塊化半自動地暖鋪設(shè)機設(shè)計

2.1 功能要求

通常地暖鋪設(shè)是人工根據(jù)圖樣進行逐步鋪設(shè)，這樣鋪設(shè)不僅費時費力、速度較慢，影響室內(nèi)裝修的整體進程，而且現(xiàn)存的鋪設(shè)設(shè)備主要是用來輔助鋪設(shè)，其結(jié)構(gòu)簡單、固定性能差，也不利于裝卸。為了避免或減少鋪設(shè)過程中的問題，提升工作質(zhì)量和效率，對于地暖鋪設(shè)設(shè)備的主要功能要求有：1）便于施工人員操作，方便攜帶移動，減少運輸成本；2）機械結(jié)構(gòu)完善，功能合理；3）人機界面操作簡單，使用方式便捷。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)備采用人力推車式設(shè)計，將整體設(shè)備分為承載滾輪、支撐架、底盤、固定模組，各模組可分別拆開且組裝簡便。將固定模組運用電磁原理轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱俞敇屧?，利用已固定的管線通過導(dǎo)向通道拉動承載滾輪，達到自動放管的目的。

2.2.1 承載滾輪設(shè)計

承載滾輪為H形滾輪設(shè)計，主要由主擋板、副擋板、固定定位套軸、固定心軸等零部件組裝而成，其主要作用在于固定。

如圖2所示，主擋板設(shè)計有擋板、連接軸，擋板上設(shè)計有定位凹槽，連接軸一端與擋板一體成型，另一端通過螺紋與副擋板連接。

地暖管線自身存在彈性會產(chǎn)生曠量，在設(shè)備使用過程中需要減少曠量，因此設(shè)計固定定位軸套，為保證圓周的完整性，在固定定位軸套上開孔，利用管線自身應(yīng)力進行周向相對固定。模型如圖3所示，軸套一端與主擋板定位凹槽吻合，另一端為平面端，副擋板（如圖4）與主擋板螺紋連接后壓緊固定定位軸套。具體裝配效果如圖5所示。

圖1 整體渲染裝配圖

圖2 主擋板

圖3 固定定位軸套

圖4 副擋板

圖5 承載滾輪裝配圖

2.2.2 支撐架設(shè)計

支撐架是連接承載滾輪和底部的關(guān)鍵，并且承載著部分管線的導(dǎo)向功能，主要構(gòu)件包括2根固定桿、2片三角形支撐架、1根承載滾輪軸，固定桿兩端有螺紋設(shè)計，通過螺紋螺帽組合連接兩片三角形支撐架，與此同時，前端支撐桿上裝有微緊機構(gòu)，作為管線導(dǎo)向。微緊機構(gòu)中以，2根彈簧作用于兩對向U形滑輪，管線通過中間的O形孔以達到導(dǎo)向兼緊固的作用。微緊機構(gòu)如圖6所示，固定于前端固定桿，三角支撐架的U形槽設(shè)計是為了方便裝載承載滾輪，承載滾輪軸為固定心軸，且軸通過一端螺母控制軸向移動，并增強整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。最終裝配效果如圖7所示。

圖6 微緊機構(gòu)

圖7 支撐架裝配總圖

2.2.3 底盤

底盤承載著本設(shè)備中行走功能及搭載固定模組和支撐支撐架的作用，為達到便攜的目的，底盤與支撐架的連接采用內(nèi)嵌支撐架并且增加限位孔插入限位銷的方案。

在前端與后端2根橫欄加上滾動輪，中間2根作為搭載固定模組的功用。整體裝配概念圖如圖8所示。其中圖9為固定機構(gòu)和底盤連接的連接器，此連接器通過四爪卡扣設(shè)計，為防止連接器竄動，可在底盤橫欄上加裝限位膠塊。

圖8 底盤裝配概念圖

圖9 底盤連接器

圖9中連接器中心有一窗口，其主要目的是嵌入固定模組，固定模式也采用卡扣式設(shè)計，在固定模組外殼形狀與連接器窗口吻合，當固定模組前端預(yù)設(shè)計多個簧片，簧片越過連接器底板自動卡緊，達到固定的目的。在鋪設(shè)地暖管道后，主要的固定方式采用卡釘來固定，使用卡釘能夠使地暖管道的固定比原來更加快速、方便。鋼絲卡釘主要采用U形設(shè)計，U形開口的距離需要根據(jù)地暖管道的直徑來定，一般情況為3.5～4.0 cm，要略大于卡釘?shù)陌雸A直徑，該設(shè)計主要利用了鋼絲卡釘本身的彈性，使U形開口距離與管道直徑基本一致，依靠鋼絲本身的張力使鋼絲與發(fā)泡水泥層的摩擦力得到增大，防止鋼絲卡釘從發(fā)泡水泥層中彈出。

2.2.4 固定模組設(shè)計

固定模組采用的是電動釘槍原理，在殼體中設(shè)置有加速線圈，同時在加速線圈中設(shè)置有一個供沖擊錘移動的軌道，其沖擊錘的制成材料為導(dǎo)磁材料，沖擊錘末端有復(fù)進彈簧，沖擊錘前端安裝有撞針。電動釘槍工作由控制開關(guān)控制。沖擊錘體上設(shè)有2排外輪廓高于沖擊錘外表面的可圍繞銷軸旋轉(zhuǎn)的滾輪，滾輪外緣與沖擊錘體外的軌道相接觸時，沖擊錘軌道與滾輪外緣的摩擦力臂遠遠大于滾輪銷軸所受的摩擦力臂，在這一原因下，使得滾輪繞其運動更為靈活，沖擊錘在運動過程中所受的摩擦也大大減小，電動釘槍承受的熱負荷也隨之減少，使用壽命提高。

此電動釘槍有強、中、弱3個擋位，分別對應(yīng)水泥基面、泡沫基面、模板基面。釘槍沖擊錘下方存在U形槽將排釘插入即可使用。

此設(shè)備在固定模組正下端存在導(dǎo)向架，將管線線路固定以免出現(xiàn)電動釘槍失誤將釘偏離軌道，傷到施工人員；電動釘槍激發(fā)開關(guān)處于推車把手處，并且配有壓力感應(yīng)裝置，一旦設(shè)備底座離開地面或發(fā)生傾斜，電動釘槍受到感應(yīng)，立即停止工作，以免傷到施工人員；此感應(yīng)裝置還能感受到釘槍發(fā)出釘所受到的壓力，如果不是標準的壓力，偏離原來的軌道，釘槍會觸發(fā)感應(yīng)，終止設(shè)備的工作。

3 結(jié)論

本設(shè)計結(jié)合現(xiàn)代供暖方式的現(xiàn)實情況和主要發(fā)展趨勢，以地熱供暖為切入點，在現(xiàn)有材料、技術(shù)及施工方式的基礎(chǔ)上，提出了一種機械便攜式模塊化半自動的地暖管線鋪設(shè)機設(shè)計，在結(jié)構(gòu)和使用方式方面進行了一系列創(chuàng)新性的設(shè)計和可行性分析。相比于其他地暖鋪設(shè)工具，本產(chǎn)品便于攜帶、安裝，單人即可完成操作，并且在模塊化的加持下，可將傳統(tǒng)住宅地暖施工轉(zhuǎn)向為工業(yè)化操作，使裝修更加簡單、節(jié)約，且質(zhì)量可靠[4]，由于未采用氣泵等噪聲過大設(shè)備，減少了在施工過程中對工人和其他住戶產(chǎn)生的噪聲干擾，減少工人工作量、節(jié)省時間、提升效率，并且可用于多種水管式地熱鋪設(shè)工作，以一種經(jīng)濟環(huán)保的方式來解決地熱供暖施工難度大、工作效率低等問題，更符合節(jié)能減排理念。