姚東偉

（江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225101）

0 引 言

混凝土抹光機(jī)適用于各種混凝土面層提漿、壓實(shí)、刮平等作業(yè)，有效地提高了混凝土表面的密實(shí)度和耐磨性，廣泛應(yīng)用于混凝土路面、橋面、樓面、跑道和地坪等。目前，高級(jí)公路采用大型滑模式攤鋪機(jī)作業(yè)，一般公路或其他工程都采用輥軸式整平機(jī)或振動(dòng)梁配合插入式振動(dòng)器、地面抹光機(jī)等小型施工機(jī)具施工［1］。經(jīng)過調(diào)查和研究，市場(chǎng)上抹光機(jī)主要有圓盤式和葉片式［1］，通過電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)。圓盤式抹光機(jī)主要用于混凝土的提漿和抹平，葉片式抹光機(jī)主要用于混凝土后續(xù)施工中的抹光，是一種施工質(zhì)量好、效率高的施工機(jī)械，但具有4 葉片施工不穩(wěn)定，振動(dòng)幅度和頻率大，葉片更換資源浪費(fèi)，蝸輪蝸桿傳遞效率低，磨損快等缺點(diǎn)。為有效解決現(xiàn)有抹光機(jī)的缺點(diǎn)，本著高效、節(jié)能和性能可靠等技術(shù)要求，經(jīng)過研究和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出具有工作效率提高25%，機(jī)械傳遞效率達(dá)92%，節(jié)能提高1.6%等創(chuàng)新技術(shù)的DMD1000 型高效節(jié)能式磨光機(jī)。

1 主要研究的問題

1.1 葉片數(shù)量和葉片更換形式

市場(chǎng)上主要銷售的手扶式葉片抹光機(jī)［1］，葉片數(shù)量4個(gè)，葉片與之相連的葉片連桿采用鉚焊的形式連接。這樣的4 葉片設(shè)計(jì)造成施工中不穩(wěn)定，振動(dòng)幅度和頻率較大，施工人員操作時(shí)手和手臂隨著抹光機(jī)一起振顫，增加不舒服感和勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)葉片損壞后，需要把葉片連桿一起更換，造成成本和資源浪費(fèi)。

1.2 角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和施力方式

為了達(dá)到較好的抹平效果，抹光機(jī)的抹平片需要進(jìn)行一定的角度調(diào)節(jié)（0°～10°）［1］，抹光機(jī)由于采用壓盤下壓形式，整機(jī)重量全部壓在壓盤上，調(diào)整時(shí)需要的調(diào)節(jié)壓力大，操作不省力，導(dǎo)致調(diào)節(jié)不夠靈活輕便。

1.3 蝸輪蝸桿傳遞和換向機(jī)構(gòu)

抹光機(jī)的動(dòng)力傳遞到抹平片上，需要傳遞、減速和換向，主要采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，而蝸輪蝸桿相對(duì)齒輪傳遞而言效率低，能耗大，磨損率大，造成抹光機(jī)可靠性低，折舊率大，同時(shí)蝸輪蝸桿在制造工藝上復(fù)雜，制造成本較高［2］。

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 5 葉片抹片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高抹光機(jī)抹光效果，把原來4 葉片設(shè)計(jì)成5葉片，5 葉片在圓周方向均勻分布，通過定位螺栓安裝連接。這樣設(shè)計(jì)在抹光機(jī)其他參數(shù)不變的條件下，在作業(yè)中，同一位置被抹到的概率提高了25%，抹光機(jī)的工作效率也提高了25%，同時(shí)抹光機(jī)工作的穩(wěn)定性提高，振顫幅度和頻率降低，操作更加平穩(wěn)，也解決了葉片更換方便和節(jié)約資源的問題。

2.2 齒輪減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在抹光機(jī)動(dòng)力傳遞過程中，盡管蝸輪蝸桿能夠?qū)崿F(xiàn)大的傳動(dòng)比和動(dòng)力換向，但其傳遞效率86%以下，發(fā)熱量大，加速了零部件的磨損和破壞，創(chuàng)新設(shè)計(jì)雙級(jí)齒輪減速器，既可以實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比傳遞和換向，有效提高傳遞效率達(dá)92%以上，同時(shí)也提高了工作可靠性和壽命，降低了制造成本。

2.3 三相異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)配置設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)相比，抹光機(jī)配置三相異步啟動(dòng)永磁同步電機(jī)具有下述特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需電子元件變頻啟動(dòng)，成本低，可靠性高；效率超過GB18613-2006 規(guī)定的節(jié)能評(píng)價(jià)值［3］，功率因數(shù)大于0.92；過載能力強(qiáng)，最大啟動(dòng)扭矩與額定扭矩之比達(dá)3 倍以上；高效節(jié)能，與常規(guī)電機(jī)相比節(jié)電30%以上。

3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理分析

為了保證對(duì)研究設(shè)計(jì)內(nèi)容的可行性，對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行原理分析。

3.1 5 葉片抹光機(jī)工作分析

在抹光機(jī)其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（輸入軸）為n1，減速器的減速系數(shù)為k，輸出軸的轉(zhuǎn)速為n2，則 n2=k·n1。 （1）

在其他抹光機(jī)參數(shù)不變的情況下，同一地點(diǎn)采用不同數(shù)目的葉片得到的抹平效率設(shè)為p，則

式中，m 為葉片數(shù)量。

由此可以推定，在其他參數(shù)不變的情況下，采用5 葉片抹光機(jī)比4 葉片抹光機(jī)效率提高25%。

3.2 齒輪減速器的原理分析

采用蝸輪蝸桿減速器，則抹光機(jī)輸入軸與輸出軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系為 n2=k1·n1。 （3）

式中，n2為輸入軸轉(zhuǎn)速，k1為減速器減速比，n1為輸出軸轉(zhuǎn)速。

其能量傳遞為 p2=k2·k0·p1。 （4）式中：p1為輸入能量，p2為輸出能量，k0為除減速器以外的其他總傳動(dòng)效率，k2為減速器傳動(dòng)效率。

設(shè)計(jì)齒輪減速器機(jī)構(gòu)關(guān)鍵是減速器減速比k1和減速器傳動(dòng)效率k2的設(shè)計(jì)。理想狀態(tài)是希望減速器減速比k1和蝸輪蝸桿的相同，但減速器傳動(dòng)效率k2高一些，為此，我們?cè)O(shè)計(jì)雙級(jí)減速，如圖1 所示。

原理：整個(gè)減速器采用一級(jí)減速錐齒輪副和二級(jí)減速直齒輪副，一級(jí)錐齒輪把抹光機(jī)水平輸入動(dòng)力經(jīng)過減速換向成垂直動(dòng)力，一級(jí)被動(dòng)錐齒輪與二級(jí)主動(dòng)小齒輪同軸，小齒輪推動(dòng)大齒輪實(shí)現(xiàn)二級(jí)減速卻不換向［4］，減速器的體積大小沒多大變化，而傳遞效率可提高到92%以上。

3.3 配置電動(dòng)機(jī)的高效節(jié)能原理

該配置的電動(dòng)機(jī)采用徑向式磁路結(jié)構(gòu)，瓦片狀的永磁體貼附在鋼制圓柱形轉(zhuǎn)子外側(cè)，異步啟動(dòng)轉(zhuǎn)子緊配合壓裝在永磁轉(zhuǎn)子外，異步啟動(dòng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的底部為隔磁磁橋，導(dǎo)條的底部與永磁體之間形成的隔磁磁橋的分布在整個(gè)圓周上基本是一致的［5］。由于受力均勻，有效地避免了嵌入式結(jié)構(gòu)的隔磁磁橋在圓周上分布不均對(duì)轉(zhuǎn)子機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的局部削弱，從而解決了電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期負(fù)載運(yùn)行轉(zhuǎn)子變形而失效的難題。

4 設(shè)計(jì)性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件和儀器

4.1.1 混凝土試驗(yàn)條件

混凝土采用425#水泥，水灰比為0.48～0.58，水泥、砂、石的施工配合比按材料質(zhì)量比為1∶1.79∶4.51，坍落度為1～2 cm，混凝土骨料最大直徑不大于20 mm，碎石含水率為1%，砂的含水率為3%［6］。

4.1.2 試驗(yàn)儀器及精度要求（見表1）

4.2 抹光機(jī)漏電和絕緣性試驗(yàn)

4.2.1 絕緣電阻和接觸電阻的測(cè)定

表1 試驗(yàn)儀器與要求

1）絕緣電阻測(cè)量。切斷電源，將抹光機(jī)的電動(dòng)機(jī)引出線和接地端分別與兆歐表輸出端連接，測(cè)量3 次，取平均值。

2）接觸電阻測(cè)量。切斷電源，將抹光機(jī)接地導(dǎo)線和機(jī)身罩最遠(yuǎn)點(diǎn)分別用導(dǎo)線與JWL-30 型穩(wěn)流電源聯(lián)接，開啟穩(wěn)流電源，調(diào)節(jié)電流至25 A 時(shí)讀取電壓值，接地端子接觸電阻按式（5）計(jì)算：

式中：R 為接地端子接觸電阻，Ω；U 為電流在25 A 時(shí)的電壓值，V；R1為導(dǎo)線的電阻值，Ω。

4.2.2 泄漏電流的測(cè)定

測(cè)量在抹光機(jī)負(fù)載運(yùn)行后從電源的任何一極流至規(guī)定零件的泄漏電流。按圖2 所示，將抹光機(jī)的電動(dòng)機(jī)接地端和地線分別與毫安表連接，測(cè)量線路電阻為（2000±100）Ω，測(cè)量?jī)x表對(duì)20～5 000 Hz 范圍內(nèi)的所有頻率應(yīng)具有不低于5%的精度，但對(duì)更高的頻率則不靈敏，測(cè)量泄漏電流是將圖2 中的開關(guān)a、b、c 輪流打開，其它二只開關(guān)接通，循環(huán)測(cè)量，測(cè)量?jī)x表上指示的較大值即為泄漏電流值［7］。

4.3 抹光機(jī)可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)采取連續(xù)循環(huán)作業(yè)的方式進(jìn)行，平均每日不少于1 個(gè)工作班，每個(gè)工作班累計(jì)工作時(shí)間不少于5 h。

抹光機(jī)的可靠度可按下式計(jì)算：

式中：R 為可靠度；t0為累計(jì)作業(yè)時(shí)間，h；T1為修復(fù)故障時(shí)間，h。

抹光機(jī)平均無故障工作時(shí)間可按下式計(jì)算：

式中：T 為平均無故障工作時(shí)間，h；r0為故障當(dāng)量次數(shù)。

式中，εi為第i 類的故障危害系數(shù)，ni為第i 類故障的次數(shù)。

4.4 抹光機(jī)生產(chǎn)率的測(cè)定

在額定工況下，抹光機(jī)在經(jīng)真空脫水后的混凝土地面作業(yè)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)抹光地面的面積即為生產(chǎn)率，可按下式計(jì)算： Q=S/t。 （9）式中：Q 為抹光機(jī)生產(chǎn)率，m/h；t 為測(cè)量時(shí)間，h；S 為抹光地面面積，m2。

5 試驗(yàn)分析

通過對(duì)抹光機(jī)主要的安全和生產(chǎn)性能的測(cè)定，結(jié)果表明：抹光機(jī)的絕緣電阻小于2 MΩ，接觸電阻小于0.1 Ω，泄漏電流小于0.75 mA，符合國家質(zhì)量安全技術(shù)要求［7］；抹光機(jī)可靠性考核時(shí)間高于350 h,首次故障前工作時(shí)間高于180 h，平均無故障工作時(shí)間達(dá)230 h 以上，可靠度高于95%；抹光混凝土地面，表面密實(shí)壓光，無明顯的裂紋、脫皮、麻面和起砂等現(xiàn)象，工程質(zhì)量符合GBJ97-87 標(biāo)準(zhǔn)［8］，生產(chǎn)率提高了25%；配置的電動(dòng)機(jī)經(jīng)過質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)，功率因數(shù)達(dá)到0.947 7，效率高達(dá)89.21%，比GB18613-2006所規(guī)定的節(jié)能評(píng)價(jià)值87.6%約高1.6%，比美國CEMA12-12（NEMA Preminum）超高效率電動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)（86.5%）高出近3%，高效節(jié)能，與常規(guī)電機(jī)相比節(jié)電30%以上。

6 結(jié) 論

通過比較研究，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的DMD1000 型高效節(jié)能式抹光機(jī)作業(yè)過程中振幅和頻率明顯減小，操作安全系數(shù)和舒適性提高；性能穩(wěn)定，故障率低，可靠性較高，作業(yè)質(zhì)量明顯提高，生產(chǎn)效率提高了25%，；動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳遞效率高，使用壽命長(zhǎng)，制造成本低；配置的三相異步啟動(dòng)永磁同步電機(jī)，具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，高效節(jié)能。結(jié)果證明，研究設(shè)計(jì)的DMD1000 型高效節(jié)能式抹光機(jī)符合設(shè)計(jì)方案的技術(shù)指標(biāo)，具有應(yīng)用和推廣價(jià)值。

［1］ 張建堂.水泥混凝土地面抹光機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.建筑機(jī)械技術(shù)與管理，2002，15（9）：42-43.

［2］ 劉馥.基于Solid Works 的蝸輪蝸桿減速器設(shè)計(jì)［J］.裝備制造技術(shù)，2012（3）：143-144.

［3］ 全國能源基礎(chǔ)與管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)合理用電分委員會(huì).GB18613-2006 中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)［S］.

［4］ 葉元烈，秦東晨，蘇智劍.雙級(jí)圓柱齒輪減速器傳動(dòng)比分配的分析與計(jì)算［J］.機(jī)械傳動(dòng)，1997（4）：50-51.

［5］ 馬雋.三相異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2007.

［6］ 付征.混凝土配比設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)及其計(jì)算機(jī)化［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2005.

［7］ 沈陽建筑大學(xué).JGJ46-2005 施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電安全技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［8］ 中華人民共和國交通部.GBJ97-87 水泥混凝土路面施工與驗(yàn)收規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，1987.