預(yù)制箱梁模板清理噴涂裝置及控制系統(tǒng)設(shè)計*

艾小軍，譚凱威，杜小剛

（1.中鐵十一局集團第六工程有限公司，湖北 襄陽 441000；2.中鐵十一局集團漢江重工有限公司，湖北 襄陽 441000）

0 引言

目前高速鐵路預(yù)制箱梁模板清理和噴涂主要是靠人工操作，重復工作多，勞動量大，且對工人身體健康影響較大。在涂刷脫模劑時，工人隨意性較強，存在脫模劑涂刷不均勻，影響箱梁的外觀質(zhì)量[1-3]，繼續(xù)研究模板自動化清理和噴涂脫模劑裝備，實現(xiàn)模板自動清理、打磨和噴涂脫模劑等功能。

隨著智能化、信息化的高速發(fā)展，箱梁預(yù)制場也需逐漸向自動化、智能化施工發(fā)展，減少人工投入，提高箱梁模板自動清理、打磨及脫模劑噴涂等施工效率。本文基于目前箱梁預(yù)制施工現(xiàn)狀，研制開發(fā)了一套用于模板清理、打磨、噴涂專用裝置，應(yīng)用效果達到預(yù)期效果。

1 裝備結(jié)構(gòu)及性能

模板清理噴涂裝置主要由機架、走行機構(gòu)、清理機構(gòu)、收集機構(gòu)、噴涂機構(gòu)、電控系統(tǒng)等（圖1）組成。

圖1 預(yù)制箱梁清理噴涂裝置正面及背面圖

1.1 機架

機架采用桁架式結(jié)構(gòu)，主材采用矩形鋼管，具有結(jié)構(gòu)輕，迎風面積小的特點。機架主框架分為3個部分，通過法蘭聯(lián)接在一起，轉(zhuǎn)運方便，為適應(yīng)軌道軌距變化，走行車架可在主車架上移動，軌距可調(diào)范圍為13.2～13.6 m，以適應(yīng)梁場施工需要。

1.2 清理機構(gòu)

清理機構(gòu)分為平直滾刷機構(gòu)和立刷機構(gòu)。底面清理采用平直滾刷結(jié)構(gòu)，具有清理面積大，清理均勻的特點，為適應(yīng)模板預(yù)拱度浮動，滾刷機構(gòu)和機架連接處設(shè)有彈簧，可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)距離，且保證對模板有一定預(yù)壓力。側(cè)面清理采用立刷結(jié)構(gòu)，立刷尾部設(shè)有彈簧及縱向移動結(jié)構(gòu)，可以適用于預(yù)拱度帶來的模板距離變化；為處理模板底模和側(cè)模結(jié)合處圓角，專門設(shè)置帶有球狀刷毛立刷，保證對模板進行全方位清理。

1.3 收集機構(gòu)

收集機構(gòu)是由較軟刷毛的立刷、V型同步帶刷和吸塵裝置組成。清理翼模和側(cè)模采用立刷，每個立刷結(jié)合部均有一個吸塵收集口，灰塵直接被吸入或掉到底模上。底面模板清理由兩套V型同步帶刷，吸塵裝置共同完成，吸塵裝置采用3個2.6 m2高精度過濾濾芯和一整套脈沖反吹控制系統(tǒng)。

1.4 噴涂裝置

噴涂裝置由噴涂機構(gòu)和計量機構(gòu)組成。如圖2所示。噴淋機構(gòu)由電機、柱塞水泵、控制閥、噴淋系統(tǒng)等組成；計量機構(gòu)主要由脫模液箱、封閉式脫模劑粉箱和清水箱組成。另外，噴淋系統(tǒng)主管路和每個噴頭處均設(shè)置有濾網(wǎng)，以防顆粒物進入噴淋系統(tǒng)而堵塞噴頭。

圖2 噴涂裝置結(jié)構(gòu)

1.5 走行機構(gòu)

走行機構(gòu)采用輪軌型式，由軌道、驅(qū)動電機和行走輪組成，為設(shè)備整體移動提供動力。為實現(xiàn)設(shè)備走行速度線性可調(diào)，采用變頻器變頻調(diào)速[4]。

1.6 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)包括電纜卷筒、電控柜等。電纜卷筒固定在走行電機外側(cè)走道上，用于整機行走過程中供電電纜收放；電控柜是整個設(shè)備的控制核心，電機及傳感器接線均接入控制系統(tǒng)內(nèi)，放在整個車架頂部中間。

2 工作流程及特點

2.1 工作流程

（1）啟動準備。將設(shè)備吊裝至模板，設(shè)置行程限位開關(guān)，將脫模粉箱和清水箱所需物料加滿，按照觸摸屏上設(shè)定參數(shù)對物料進行配比及攪拌工作，檢查立刷和滾刷與模板的貼合度。

（2）清理收集。按照自動清理模式啟動走行機構(gòu)、清理機構(gòu)、收集機構(gòu)，進行自動行走清理收集，同時力矩傳感器實時監(jiān)控并（混凝土較多的地方力矩較大）自動調(diào)節(jié)行走速率，達到快速清理效果。若需再次清理，可再次自動清理或手動控制清理。

（3）模板噴涂。模板清理完畢后，選擇自動噴涂模式，依次啟動走行機構(gòu)、噴涂機構(gòu)，進行自動行走噴涂。若噴涂效果不達標，可再次自動噴涂或手動控制噴涂，達到預(yù)定效果。

（4）結(jié)束。噴涂完成后，拆除模板限位開關(guān)，將裝置吊裝至下一模板，開始下一個工作循環(huán)。

2.2 設(shè)備特點

（1）采用PLC和觸摸屏做為核心控制元件，可靠性高，人機交互性良好。

（2）信息化程度高。配置遠程信息化模塊，運行數(shù)據(jù)可遠程至云端數(shù)據(jù)庫，用戶可實時遠程監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)。

（3）作業(yè)效率高。整機模塊清理噴涂時間僅需0.5 h，大大縮短模板清理、噴涂時間，有效提高模板施工作業(yè)效率。

3 控制系統(tǒng)

箱梁清理噴涂裝置控制系統(tǒng)主要包括硬件與軟件兩部分，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)

硬件包括檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元。檢測單元包括傳感器、限位開關(guān)等，控制單元為西門子S7-1200控制器[5]，執(zhí)行單元包括電機、電磁閥等?？刂茊卧鶕?jù)檢測單元的檢測數(shù)據(jù)和既定程序進行分析處理，發(fā)出指令給執(zhí)行單元執(zhí)行對應(yīng)動作。

軟件包括PLC程序和人機界面程序。PLC程序?qū)⒏黝悅鞲衅鲾?shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)處理后傳遞給人機界面顯示，操作人員可通過人機界面設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)傳遞給PLC進行程序處理，方便操作與監(jiān)控維護。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1.1 檢測單元

檢測單元包括力矩檢測、液位檢測、脫模劑用量檢測等。（1）力矩檢測。通過力矩傳感器[6]檢測裝置走行阻力，為調(diào)整走行速率提供數(shù)據(jù)。（2）液位檢測罐體液位檢測均采用翻板液位計，安裝于罐體側(cè)壁。（3）行走檢測采用行程開關(guān)和紅外開關(guān)雙重檢測，可靠性更高；脫模機用量檢測采用羅斯蒙特流量計，精度高，可通過485通訊將數(shù)據(jù)遠傳至控制系統(tǒng)。

3.1.2 控制單元

控制單元通過既定程序進行邏輯處理檢測數(shù)據(jù)，并對執(zhí)行單元發(fā)出控制指令。（1）可編程控制器?？紤]控制及接收信號種類總多，箱梁清理噴涂裝置控制系統(tǒng)采用PLC控制器，同時可與人機界面進行以太網(wǎng)通訊[7]?？刂茊卧x用西門子S7-1200系統(tǒng)1215C控制器和2塊數(shù)字量輸入輸出模塊和1塊模擬量輸入模塊[8]。（2）觸摸屏[9-10]。系統(tǒng)選用昆侖通泰TPC1061TI觸摸屏，支持以太網(wǎng)、485[11-12]等通訊功能，同時還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件，具備強大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

3.1.3 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元是完成控制單元下達的指令，實現(xiàn)裝置完成箱梁模板清理噴涂時所必須的各項動作。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

（1）PLC程序設(shè)計：PLC程序設(shè)計包括了自動程序和手動程序設(shè)計。自動程序設(shè)計是整個程序重點，采用順序控制流程設(shè)計方法，根據(jù)外部傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對模板依次自動清理及噴涂作業(yè)；手動程序是對自動程序有效補充，在自動程序無法達到預(yù)期效果下，可以手動作業(yè)。具體流程如圖4所示。

圖4 程序流程

（2）人機界面程序設(shè)計：人機界面程序設(shè)計主要用于顯示清理、噴涂過程中相關(guān)參數(shù)（報警數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)、扭矩數(shù)值、配料參數(shù)等）。人機界面還有數(shù)據(jù)記錄功能，可將記錄的數(shù)據(jù)進行歸檔[13]。人機界面如圖5所示。

圖5 人機界面

4 應(yīng)用

為進一步驗證預(yù)制箱梁模板清理噴涂裝置及控制系統(tǒng)的性能，將該裝置應(yīng)用湖杭鐵路制梁場?，F(xiàn)場應(yīng)用如圖6所示。箱梁模板清理、噴涂裝置在現(xiàn)場應(yīng)用中，整體運行狀態(tài)良好，清理、噴涂效率比傳統(tǒng)人工作業(yè)提高明顯，安全可靠、操作簡單，能夠滿足梁場清理、噴涂等要求。

圖6 現(xiàn)場應(yīng)用

5 結(jié)束語

箱梁清理噴涂裝置研制，減少施工人員投入，提高了模板清理、噴涂效率及自動化程度，且具有較高可靠性和安全性?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，通過PLC控制器、MCGS組態(tài)軟件結(jié)合，實現(xiàn)了整套裝置運行控制及人機交互。該裝置研制取得了一些成果，但還存在很多不足，如裝置體積大、轉(zhuǎn)移存在不便等，仍需繼續(xù)研究優(yōu)化，實現(xiàn)小型化、智能化，最大程度降低人力消耗，提高作業(yè)效率。