预制混凝土箱梁自动抹面装置的开发与应用.pdf

0引言随着我国人口红利即将消失袁人工成本不断上升袁预制混凝土箱梁的施工方式已逐渐由传统的全人工施工开始向自动化生产方式转变1遥 同时袁随着机器人智能化程度的不断提高袁越来越多的劳动人员被智能机器人所替代袁 显著提高了生产效率袁降低了生产成本遥 目前袁预制混凝土箱梁生产工艺环节中的布料尧振捣尧养护等已实现自动化操作2-3袁但抹面工序仍依赖人工操作遥 因此袁研发应用自动化抹面设备袁提升大型预制构件机械智能化抹面工艺水平具有重大意义遥目前袁预制混凝土箱梁全自动抹面装置的开发主要存在以下几个难点院淤精度要求高袁全自动抹面装置需要能够精确定位袁并控制抹面厚度袁以达到预期的抹面效果曰 于装置需集成多种先进技术袁如机械设计尧电路控制尧混凝土自动抹面装置袁混凝土早期养护装置等遥本文针对目前预制混凝土箱梁顶板抹面工艺存在的效率低尧人工成本高尧成型质量波动大等缺点袁研发一种高适应性的自动化抹面装置袁以期提升箱梁自动化工艺水平袁推动预制箱梁工程的智能建造4遥预制混凝土箱梁自动抹面装置的开发与应用蒋涛涛1袁唐爱华2袁刘建鹏2袁田正宏1袁*渊1.河海大学 水利水电学院袁江苏 南京 210098曰2.中铁十二局集团第一工程有限公司袁陕西 西安 710000冤摘要院针对传统预制混凝土箱梁生产工艺存在效率低尧成本高尧成型质量波动大等缺点袁研发了一种预制混凝土箱梁顶板用自动抹面装置袁包括辊筒尧抹盘尧刮板和喷雾四个功能模块袁并设有控制系统接收模块传感器信号袁通过 PLC 输出工艺控制指令遥 工程应用效果表明院该装置作业效率较高尧操控灵活袁且成型质量较好袁显著降低了预制混凝土箱梁抹灰劳动强度和人工成本袁为现场智能施工提供了较好的解决方案和技术手段袁具有一定的应用和推广价值遥关键词院预制混凝土箱梁曰顶板抹面曰自动化施工曰物联网曰智能建造中图分类号院TU647文献标识码院Adoi:10.19761/j.1000-4637.2023.09.054.05Development and application of automatic smearing device for precastconcrete box girderJIANG Taotao1,TANG Aihua2,LIU Jianpeng2,TIAN Zhenghong1,*渊1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering袁 Hohai University,Nanjing 210098,China;2.ChinaRailway 12th Bureau Group No.1 Engineering Co.,Ltd.,Xi爷an710000,China冤Abstract:In response to the shortcomings of low efficiency,high cost,and large quality fluctuations in thetraditional construction process of precast concrete box girder,an automatic smoothing device is developed for precast boxgirder,including four functional units,such as roller,squeegee,scraper and spray.A control system is used to receive thesensors of the above-mentioned units and the process control instructions is output through PLC.The engineeringapplication shows that the device is efficient,flexible and has good molding quality,which greatly reduces the laborintensity and cost.It provides an effective solution and technical means for intelligent construction on site,and hasimportant application and promotion value.Keywords:Precast concrete box girder;Top surface smoothing;Automated construction;Internet of things;Intelligent construction圆园23 年第 9 期混 凝 土 与 水 泥 制 品圆园23 晕燥.99 月悦匀陨晕粤 悦韵晕悦砸耘栽耘 粤晕阅 悦耘酝耘晕栽 孕砸韵阅哉悦栽杂September54-图 3抹盘单元结构图Figure 3Structure of wiping disk unit表 1辊筒单元设计参数Table 1Roller unit design parameters1装置结构设计预制混凝土箱梁自动化抹面装置采用可拆装组合式移动桁架5袁通过拆卸中间段实现不同轮轨间距的转换袁以适应不同梁型要求遥 前端设置辊压单元袁用于推平尧滚压和提浆混凝土曰中间设置抹盘单元袁通过多个抹盘的往复移动袁完成滚压面的进一步处理曰后端设置刮板单元袁将抹压完成的表面进一步挤压袁 并在振动刮板作用下实现表面收光遥自动抹面装置的各单元可独立作业袁 也可协同工作袁伴随桁架系统的纵向移动袁自动完成整个预制混凝土箱梁顶板的抹面工序遥其整体结构见图 1遥单榀总重渊含设备袁不含纵向移动导轨冤小于 1.2 t袁最大跨中挠度变形小于 1/400 跨度遥设计采用 2 个辊筒单元尧4 个抹盘单元尧2 个刮板单元遥 其中袁2 个辊筒单元尧4 个抹盘单元均可以进行独立升降袁实现工作状态和行走状态的切换曰4个抹盘单元随抹盘轨道同步升降袁实现作业高度的可调遥两侧行走单元均采用伺服电机驱动袁每个电机通过链传动系统驱动两个轮轨袁实现四轮驱动的效果袁保障自动抹面装置在深厚混凝土区域作业时不至于打滑遥 为尽量降低设备高度袁行走系统也在高度布置方面进行了优化袁充分利用有限空间遥 行走单元顶部除了桁架结构安装座之外袁还设置有起吊环袁方便抹面装置在模板上下的起吊作业遥1.1辊筒单元辊筒单元是自动抹面装置的核心部件袁采用双电动缸直拉+双重型轮组导向的驱动模式袁由辊筒尧液压系统等组成袁辊筒单元结构见图 2遥辊筒单元的作用是对顶板表面进行初步压实和平整袁为后续的抹盘单元和刮板单元提供良好的基础遥 辊筒单元的工作原理如下院在移动桁架单元驱动下袁辊筒单元沿着顶板表面水平移动袁同时袁双电动缸直拉+双重型轮组导向的驱动模式使得辊筒单元可在垂直方向上进行升降和调节袁以适应不同厚度和坡度的顶板施工遥 液压系统控制辊筒单元的升降尧压力和角度袁使得辊筒单元能与顶板表面保持良好的接触和压实效果遥 辊筒在顶板表面上进行往复运动袁对混凝土进行挤压和搓揉袁消除内部空隙和气泡袁提高混凝土的密实度和强度遥辊筒单元的主要设计参数见表 1遥上述参数配置的特点在于应用双电动缸直拉+双重型轮组导向的驱动袁 可提高辊筒单元的功率尧转矩尧稳定性和可靠性遥 内置电机可提供更可靠的动力源袁可以很好地配合液压系统进行辊筒单元的升降和调节袁 自动控制辊筒单元的转速和方向袁以确保混凝土获得最佳的振滚效果遥1.2抹盘单元抹盘单元的作用是对顶板表面进行二次压实和整平袁消除辊筒留下的痕迹和缺陷袁提高顶板表面的光洁度遥 抹盘单元由水平轨道式抹盘尧电机尧减速器等组成袁其结构见图 3遥抹盘单元的工作原理为在移动桁架单元的驱动下袁抹盘单元沿着顶板表面水平移动袁同时袁水平轨道式抹盘使得抹盘能够在垂直方向上进行升降和调节袁以适应不同表面要求的顶板施工遥 电机和减速器提供抹盘单元的驱动力袁控制抹盘的转速和方向遥 抹盘在顶板表面上进行往复运动袁对混凝土进行挤压和搓揉袁 消除辊筒留下的痕迹和缺陷袁提高顶板表面的光洁度遥渊a冤正面渊b冤反面图 1自动抹面装置整体结构Figure 1Overall structure of automatic smearing system图 2辊筒单元结构图Figure 2Structure of roller unit设计参数名称设计参数值备注辊筒驱动电机功率/kW辊筒转速/渊r/min冤辊筒升降电动缸载荷/N2伊2603 000要可调裕度系数 1.5预制混凝土箱梁自动抹面装置的开发与应用蒋涛涛袁唐爱华袁刘建鹏袁等55-滚筒图 5运动及旋转方向示意图Figure 5Schematic diagram of movement anddirection of rotation如图 3 所示袁抹盘单元依靠自身的重力作为抹压的正压力袁在辊筒滚压过后基本成型的顶板表面进行旋转+往复直线+沿轴线方向运动遥 为此袁抹盘和电机总成架设在四轮轨道小车上袁四轮轨道小车行走在抹盘轨道上袁 随链条驱动系统左右往复运动遥 由于抹盘单元旋转运动需要克服混凝土的较大阻滞力产生的力矩袁另外设置抗扭矩轮组袁卡在抹盘轨道内侧袁抵御抹盘正反转过程中产生的反向作用力矩袁防止轨道小车卡阻遥抹盘单元的主要设计参数见表 2遥1.3刮板单元刮板单元的主要功能是将抹压完成的表面进一步挤压袁 并在振动刮板的作用下实现表面收光遥刮板单元由两个相同的刮板组件组成袁每个刮板组件包括刮板安装架尧刮板尧振动电机尧升降电缸等袁其结构见图 4遥 板安装架固定在下沉式安装架的后部袁通过升降电缸可以调节刮板与箱梁顶板表面的距离遥 为了提高定位精度,准确控制抹面厚度袁电控系统单位移动量级精确到了 0.01 m遥刮板的侧面轮廓为 L 形袁其长度为 11.3 m遥 刮板由不锈钢材料制成袁 具有较高的硬度和耐磨性遥刮板与安装架之间通过铰链连接袁可以在水平方向上微调角度遥 刮板上方安装有振动电机袁可以产生一定频率和幅度的振动力袁使刮板在与混凝土表面接触时产生高频震荡袁从而提高收光效果遥 两个刮板组件一线排开袁邻接刮板加工成同一个斜度的板子袁当刮板水平刮过顶板表面后袁相邻斜角刮板可以抹去间隙导致的混凝土痕迹遥1.4喷雾单元顶面浇筑完成后表面易严重失水袁通过喷雾湿润和二次抹面收光来达到闭合早期裂缝尧提高混凝土致密性的效果袁 为了解决此问题设置了喷雾单元遥 喷雾单元安装在刮板单元和抹盘单元之间袁由喷雾管尧喷嘴尧水泵尧水箱等组成遥 水泵和水箱安装在行走单元上袁可随设备移动遥 水箱内装有清水袁可通过外部接口进行补充或更换遥 喷雾管沿着桁架结构布置袁通过支架固定在下沉式安装架上袁可随桁架系统进行纵向移动遥 喷嘴均匀分布在喷雾管上袁对准顶板表面袁可在水泵的驱动下将水以雾状喷洒到顶板表面遥 为了解决何时喷雾尧喷雾量多少的问题袁通过开裂风险系数 Rc这一参数来控制混凝土早期养护的效果袁 使混凝土的含水率控制在合理区间袁不影响混凝土的硬化过程及后期强度遥 其中袁Rc表达式见式渊1冤遥Rc=f渊t袁h冤渊1冤式中院t 是实时温度曰h 是环境湿度遥通过温度尧湿度传感器获得的实时温度和环境湿度计算 Rc袁以 Rc作为何时喷雾的判据遥喷雾量 Ws由 Rc控制袁其表达式见式渊2冤遥Ws=0Rc臆0.85酌ln酌RRc跃0.85嗓渊2冤式中院酌 为喷雾量制约常数遥通过合理的喷雾量可使混凝土的含水率控制在合理的区间袁避免混凝土表面过度干燥袁从而保证混凝土的强度和耐久性遥喷雾单元的启动既集成于全自动抹面模式中袁也可通过有线触摸式控制器根据顶板表面的实际情况进行调节使用遥2施工工艺流程为了配合自动抹面装置的使用袁结合运行方式设计了改装要求少且适应现场施工环境的施工工艺遥 图 5 为自动抹面装置运动及旋转方向示意图遥渊1冤施工准备遥 在模板两侧铺设钢轨袁作为自动化抹面装置的行走轨道袁 并调整轨道顶面高度袁使设计参数名称设计参数值备注抹盘转动驱动功率/kW抹盘往复驱动功率/kW抹盘往复移动速度/渊m/s冤抹盘升降电动缸载荷/N0.8伊40.40.10.35 000伊4要要速度可调节4 次电动缸驱动表 2抹盘单元设计参数Table 2Design parameters of wiping disk unit图 4刮板单元结构图Figure 4Structure of scraper unitc右移动左移动刮板滚筒升降电缸抹盘抹盘圆园23 年第 9 期混凝土与水泥制品总第 329 期56-其平顺遥 将自动抹面装置吊装到钢轨上袁行进方向与布料方向相同袁并将总电源线插入专门配套的隔离变压器插座上袁接通总电源袁接电方向为行进方向左侧遥 在操作面板上袁打开电源按钮袁触摸屏点亮显示遥渊2冤标定零点遥 通过纵移确认整个自动抹面装置的零点位置渊可以用点动按钮挪动抹面架确定零位冤袁在主界面点击长按纵移标零按钮袁将当前纵移位置置为 Y 轴初始零点基准 渊注意观察坐标为0.0冤袁标零完成后袁其标志亮绿色遥 完成标零后系统方可直接定位或归零操作渊否则系统拒绝执行此类操作冤遥渊3冤校准各单元作业高度遥 由于不同的模具因为安装或磨损问题袁导致预制混凝土箱梁顶面到轨道梁顶面距离各有偏差遥 因此袁不同的台座模具要分别校准作业高度遥 为了简化施工工序袁控制面板具有记忆功能袁每种不同模具只需校准一次作业高度存储即可遥渊4冤各单元运转遥 普通工况下使用一键工作即可遥 对应不同的工况可进入各单元操作面板调整运行状态袁见图 6遥3测试及应用为了验证自动抹面装置的适用性袁在宜昌宜兴铁路夷陵梁场进行了自动抹面装置的现场测试袁见图 7遥3.1现场测试3.1.1辊筒单元测试现场对辊筒单元进行了空载尧负载和过载三种测试遥 在空载情况下袁测试辊筒单元的转速尧运行噪音尧能耗等指标曰在负载和过载的情况下袁测试辊筒单元的振滚能力遥 测试结果显示袁在各种负载和过载情况下袁辊筒单元在预设的转速和功率范围内正常工作遥 在过载测试中出现辊筒断点停转现象袁经过排查为内置电机线路短路袁利用橡胶套筒加厚了内置电机的绝缘层袁解决了内置线路的短路问题遥3.1.2抹盘单元和刮板单元现场还对抹盘单元和刮板单元进行了过程测试和静态测试遥 过程测试中对抹盘和刮板的工作速度尧高度尧力度等指标进行了测试遥 测试结果显示院设备能正常完成预定任务曰静态测试中袁对抹盘和刮板单元进行耐磨性和强度测试袁两者均能够在使用寿命内正常工作遥3.2抹面效果预制混凝土箱梁自动抹面效果见图 8遥使用自动抹面装置生产的预制混凝土箱梁顶面板具有以下几个特点院渊1冤平整度高遥 自动抹面装置可以生产符合设计图纸要求的表观质量袁能够避免人工抹平可能出现的不平整和不规则现象袁平整度误差小袁减少对混凝土表面的结构稳定性和视觉效果的影响遥渊2冤平滑性好遥 自动平滑装置可以确保预制混凝土箱梁顶面的平滑和抛光袁同时袁具有精细的纹理和光泽度遥 自动抹面设备可以消除人工收光可能造成的表面粗糙遥渊3冤早期养护效果好遥 除了抹面质量较好袁自动抹面装置还可适时调整混凝土含水率遥 根据实际生产需要袁可将水均匀地喷洒在混凝土表面袁形成覆盖整个表面的薄水膜袁 避免混凝土表面过度干燥袁作为早期养护的措施6袁有助于提高混凝土表面的养护效果和后期强度遥3.3效益对比结合现场生产效果袁对预制混凝土箱梁的传统人工和自动抹面效益进行了比较袁结果见表 3遥图 6操作面板示意图Figure 6Schematic diagram of the operation interface图 7夷陵梁场测试现场Figure 7Yiling girder testing field图 8抹面效果Figure 8Plastering effect渊下转第 79 页冤预制混凝土箱梁自动抹面装置的开发与应用蒋涛涛袁唐爱华袁刘建鹏袁等57-自动抹面提升效果仅需 1 人操作设备可节约 5 人劳动力每座梁需 0.5 h效率提高 100%平整度误差依渊12冤mm自动抹面的质量不管是从视觉上袁还是实际测量上均优于人工抹面项目传统人工抹面劳动力需 6 人作业效率每座梁需 1.0 h误差平整度误差依渊35冤mm表 3自动抹与人工工艺效果对比表Table 3Comparison of the effect of automated smoothing andmanual process接受力性能影响的试验研究J.建筑结构,2013(14):77-82.12 中华人民共和国住房和城乡建设部.装配式混凝土结构技术规程:JGJ 1要2014 S.北京:中国建筑工业出版社,2014.13 中华人民共和国市场监督管理总局,中华人民共和国标准化管理委员会.金属材料拉伸试验第 1 部分:室温试验方法:GB/T 228.1要2021S.北京:中国标准出版社,2022.14 熊杨,李俊华,孙彬,等.装配式建筑套筒灌浆料强度及影响因素 J.建筑材料学报,2019,22(2):110-115.15 俞锋,朱华援早强微膨胀水泥基灌浆料的性能研究J.混凝土与水泥制品,2012(11):6-9.16 张帆.钢筋与套筒约束灌浆料粘结滑移性能试验研究D长沙:湖南大学,2020.17 郑清林.灌浆缺陷对套筒连接接头和构件性能影响的研究D北京:中国建筑科学研究院,2018.18 黄小坤,田春雨.预制装配式混凝土结构研究J.住宅产业,2010(9):28-32.19 中华人民共和国住房和城乡建设部.钢筋与套筒灌浆连接应用技术规程:JGJ 355要2015.北京:中国建筑工业出版社,2015,20 谷凡,石雅男,赵唯坚.钢筋套筒灌浆连接部件的拉拔性能研究J.建筑与预算,2017(4):34-37.21 孙志远,陈权,夏文传,等.钢筋上焊接锚固板半灌浆套筒力学性能有限元分析J.混凝土与水泥制品,2022(10):74-77.22 张文豪.装配式剪力墙套筒灌浆连接灌浆过程研究D.合肥:安徽建筑大学,2022.23 杜永峰,张天允,李虎.套筒内锈蚀钢筋与灌浆料黏结性能试验研究J.湖南大学学报(自然科学版),2022,49(3):90-100.收稿日期院2023-05-20第一作者院赵建华渊1965要冤袁男袁研究员级高级工程师遥通信地址院 江苏省南京市建邺区安国村 62 号南京市建筑工程质量安全检测中心联系电话院13675167878E-mail院zjh_由表 3 可知院自动抹面设备比人工抹面具有显著优势遥4结论渊1冤在预制混凝土箱梁生产过程中袁自动抹面设备的研发可以替代人工抹面工艺遥 在节省劳动力尧节省时间尧提高质量等方面袁自动抹面设备均具有较显著的优势遥渊2冤工程测试结果表明袁采用本文开发的预制混凝土箱梁顶板自动抹面装置生产的产品具有较高的平整度尧光滑度和密实度袁还可以实现对预制混凝土箱梁的自适应早期养护遥渊3冤自动抹面装置的开发和改进具有重要的工程意义和市场前景袁不仅可以提高预制混凝土箱梁生产的自动化和智能化水平袁减少对技术工人的依赖袁提高企业的生产能力和水平袁还可保证相关桥梁工程的质量遥参考文献院1 曹妍,王芮文,谢国春,等.集中预制箱梁智能数控装配线施工工法J.黑龙江交通科技,2023,46(2):92-94.2 王晓玲,王栋,任炳昱,等.高拱坝混凝土振捣机器人系统研发及应用J.水利学报,2022,53(6):631-643,654.3 丁凯悦.预制混凝土布料机数控技术研究D.石家庄:石家庄铁道大学,2019.4 周强.基于可扩展组合式预制构件数字化生产线的生产基地建设J.建筑施工,2021,43(5):958-961.5 王永,张书起.桁架式自行抹面机在南水北调渠道衬砌工程中的应用J.南水北调与水利科技,2009,7(6):323-326,366.6 曾勇,江东,刘山洪.不同养护组合对连续刚构箱梁混凝土早期温度场的影响研究J.混凝土,2021(6):124-128.收稿日期院2023-08-16第一作者院蒋涛涛渊1999要冤,男,硕士研究生遥通信作者院田正宏渊1966要冤袁男袁教授遥联系电话院18651863760E-mail院zh-渊上接第 57 页冤装配式混凝土结构套筒灌浆料强度试验研究赵建华袁凌良建袁万里袁等79-