基于TRIZ理论的高楼外墙保温施工设备的设计*

2022-09-14李炜伦

机械研究与应用 2022年4期

李航, 袁远, 李炜伦

(1.内蒙古工业大学机械工程学院，内蒙古呼和浩特市 010051； 2.内蒙古工业大学经济管理学院，内蒙古呼和浩特市 010051)

0 引言

在建筑施工过程中，外墙保温是其中的重要环节，它不仅有利于房屋的保暖还具有节能环保的作用[1-2]。外墙保温施工技术分为多种[3]，其中，外墙保温的外挂式保温技术应用最为广泛，该技术是以聚苯板、岩棉、玻璃棉毡等作为保温材料，通过铺贴网格布、抹灰固定于外墙表面。由于其工艺繁琐与工况复杂，现阶段主要通过工人乘载吊篮方式进行施工操作，施工速度慢、效率低并且存在安全隐患。如果能设计一款代替人工铺网、抹灰等操作的施工设备，可有效缓解工人施工压力，提升施工效率。

虽然现阶段还很少有关于外墙保温施工设备的研究，但建筑物墙体抹灰设备得到了一定的推广与使用。国内外学者相继设计了螺旋扇叶状抹灰的手持型抹灰机[4]；设计了联动装置，集成了抹灰过程的盛灰、抹灰、抹平、压实等工序[5]；结合传感技术，设计了对墙体阴角实施抹灰作业的无死角半自动抹灰机[6]；以及对现有建筑施工设备进行仿真、优化设计、可靠性分析等研究[7]。上述研究设计可以为外墙保温设备的研发提供借鉴指导。工程实地探查的情况为：高楼外墙有阳台、腰线等障碍；采用聚苯板作为保温材料时，脆性大易损坏；铺网与抹灰同步进行。因此对如何实现高质量抹灰和施工设备其他功能提出了更高的要求。笔者拟运用TRIZ理论的“因果链分析”找到根本原因，同时借助“冲突矩阵”解决外墙保温施工设备设计的根本问题，为后续设备制造研发，提供理论依据。

1 基于TRIZ理论的方案分析

1.1 TRIZ理论简述

TRIZ理论(即“发明问题解决办法”)是前苏联发明家根里奇.阿奇舒勒带领一批学者对200多万专利文献加以收集、研究、整理、归纳、提炼，建立的一整套解决问题的理论、方法和体系[8]。包含了技术系统进化法则，最终理想解，40个发明原理，39个工程参数与矛盾矩阵，物理矛盾的分离原理，物-场模型，标准解法，发明问题的解决算法，科学效应和知识库。合理使用上述原理可加快发明创造的进程，实现产品整个生命周期的创新与优化。

1.2 因果链分析

因果链分析是辨识解析工程系统关键原因的分析手段[9]，它是通过建立因果链的缺陷而完成的，将目标问题和关键问题联系起来。根据关键原因提取关键问题，针对关键问题提出初始解决方案的假设，或者将关键问题转化成技术矛盾、物理矛盾等工具进行解决。外墙保温施工问题因果链分析如图1所示。

图1 因果链分析

根据因果分析模型可知，制约外墙保温施工自动化的主要原因可以分为人员、机械、环境三个方面。总结如下：①室外施工环境不同于室内，对于工人体力消耗更大，且施工过程存在安全隐患；②滑轨式升降方式具有稳定性好等优势，但是受限于安装与拆卸，无法应用于外墙，钢缆升降广泛应用于室外施工，但是稳定性较差；③外墙保温施工过程中，铺贴网格布与抹灰同时进行，铺网之前还需进行预抹灰操作，制约了现阶段抹灰设备的使用；④聚苯板质脆，激振压实等抹灰方式容易损坏聚苯板。

1.3 冲突矩阵分析

冲突矩阵[10]是指一个作用同时导致有用及有害的两种结果，TRIZ理论将39个工程参数与40个发明原理以及它们所对应的关系组成矛盾矩阵，当改善参数和恶化参数不同时，定义为技术矛盾，使用矩阵中推荐的发明原理解决问题，当改善参数和恶化参数相同时，定义为物理矛盾，可通过4大分离原理进行解决[11]。

通过因果链分析，结合TRIZ理论中的39个工程参数可以得出该系统的矛盾冲突。本设备以降低工人劳动强度、提高生产效率、增加施工过程安全性为设计宗旨，对应的工程参数分别为自动化程度、生产率、稳定性，但是需要用复杂的机构代替人工操作，系统较为复杂；设备进行抹灰操作时，不能破坏聚苯板，即需通过改变抹灰机构的形状来改善聚苯板受力情况；设备具备铺贴网格布、抹灰压实等功能，使得设备的体积很大，导致设备安装、运输起来不方便，所以减小设备的体积是设计过程重要环节，但是某些部件可能因减小体积导致可靠性降低；设备不但要对平整工作面进行施工，还需要能够躲避楼体的腰线、阳台等障碍物，但是会增加操作者的操作难度。根据分析得到改善/恶化的参数，得到冲突矩阵，如表1所列。

表1 冲突矩阵

利用矛盾矩阵提供的发明原理，并结合设计经验，最终筛选发明原理2(抽取原理)、10(预先作用原理)、14(曲面化原理)、15(动态化原理)、24(借助中介物原理)、35(物理或化学参数改变原理)作为解决外墙保温施工问题的指导思路。根据选用发明原理的释义，并结合设计经验、生产难度，得到解决方案，如表2所列。

表2 发明原理分析与应用

2 施工设备关键部件的创新设计

2.1 抹灰压实机构设计

抹灰压实部件主要完成外墙保温施工过程中的抹灰、压实及刮平操作，为了保证抹灰部件出料均匀且不损坏聚苯板，文中采用原理14(曲面化原理)设计锥形螺杆与扇叶状抹灰头，螺杆前部与抹灰扇叶固定连接，螺杆尾部与扇叶外壳通过硅胶垫片紧密配合，使出料管、扇叶外壳形成密闭管路，由电机带动齿轮组提供动力，抹灰浆料由螺杆挤压至抹灰扇叶，进而涂抹至墙面。采用原理35(物理或化学参数改变原理)改变抹灰扇叶的物理参数，由单扇叶抹灰变为三个抹灰扇叶，扇叶呈平行分布，提高了抹灰效率，扇叶下方设置压实辊子与刮板，伴随设备提升，完成压实与刮平操作。抹灰压实机构如图2所示。

图2 抹灰压实机构图1.储料器 2.输料管 3.硅胶垫片 4.挤压螺杆 5.压实辊子 6.螺杆外壳 7.螺杆 8.刮板 9.齿轮传动

2.2 铺贴网格布机构设计

外墙保温施工过程中，为增加网格布与聚苯板之间的抗拉强度，铺网之前需要进行预抹灰操作，即在聚苯板上涂抹一层胶浆。文中采用原理24(借助中介物原理)以传动轴与链传动作为中介物，网格布卷筒通过弹性卡夹固定在传动轴上，施工前将网格布自由端固定于墙面，随着设备提升，网格布铺贴于保温板。通过传动轴将铺贴网格布时产生的拉力转化为扭矩传递至链轮，链传动使预抹灰滚筒转动，进而实现铺网与预抹灰联动。预抹灰滚筒的设计运用原理2(抽取原理)，以外墙水泥拉毛滚筒为研究对象，内部设置成空腔，空腔与滚筒外壁之间设置有出料小孔，利用螺旋挤压原理，浆料由输料管运输至滚筒空腔，进而通过纤维毛涂抹于聚苯板。铺贴网格布机构如图3所示。

2.3 移动与升降机构的设计

设备要高楼外墙施工操作，需要完成升降、横向移动以及避障等操作，所以整个机构分为升降部分与水平移动部分。水平移动部分运用原理15(动态化原理)进行设计，将传统的固定式支架设计为小车结构，轨道与施工墙面平行布置，小车安装在轨道上，并且利用护栏防止小车侧翻。

施工设备完成一个工作面时，电机驱动丝杠使小车沿轨道移动，对下一个工作面进行施工。当施工设备上传感器接收到障碍的信号时，液压缸调节滑块位置，使其远离墙面从而完成避障操作。升降采用爬绳轮与钢缆配合的升降方式，但是钢缆升降存在稳定性较差等缺陷，文中采用原理10(预先作用原理)在钢缆与移动滑块的连接处增加紧固器装置，对升降钢缆进行预紧处理，增加设备运行的稳定性。移动与升降机构如图4所示。

3 外墙保温施工设备设计最终方案

通过对上述设计方案的整合，设计高楼外墙保温施工设备，结构如图5所示。

图5 外墙保温施工设备结构图1.铺贴网格布机构 2.网格布 3.抹灰机构 4.废料收集槽 5.投料口 6.超声波传感器 7.激光测距传感器 8.爬绳轮 9.限速器

整个设备包括箱体，箱体的上侧设置有投料口，内部安装有制动电机与控制器；箱体的施工面依次分布有铺贴网格布部分、抹灰压平部分、废料收集槽；箱体的侧部设置爬绳轮与限速器，升降钢缆缠绕在爬绳轮与限速器上，平移机构共两个，分别安装于高楼上下两端，钢缆通过紧固器连接于平移机构。

外墙保温施工时，铺贴网格布结构进行预抹灰操作，将网格布铺贴于聚苯板上；出料电机驱动挤压螺杆旋转，浆料被挤压到抹灰扇叶侧部，螺杆与抹灰扇叶同轴，扇叶旋转将浆料涂抹于网格布上；利用抹灰扇叶下方设置的压实辊子与刮板抹平浆料，多余的浆料掉落于废料收集槽，从而完成铺贴网格布、抹灰压实过程。

设备的移动装置分为平移机构与升降机构，制动电机通过主轴驱动爬绳轮在钢缆上转动，设备运行时，当激光测距传感器与超声波传感器检测到上方有障碍时，控制器调节移动机构进行避障，避障的同时控制器关闭出料电机，停止供料。设备完成一个单位施工面积时，触动平移按钮，使设备平移，进行下一个单位面积铺网抹灰。

4 可行性分析

通过对国家设计标准的详细了解与外墙保温施工设备的最终设计方案的分析，完成了设备主体结构的主要参数的计算：机械总重(含浆料)：400 kg，抹灰宽度：800nmm(n为正整数)，主轴直径：50 mm，制动电机额定功率：3 kW，制动电机额定转速：960 r/min。最后利用SolidWorks对施工设备进行建模。三维模型如图6所示。

图6 外墙保温施工设备三维模型

利用运动仿真模拟了施工设备升降、铺贴网格布、抹灰、压实刮平等操作过程，并且对关键零部件齿轮、轴等进行了强度、刚度校核，外墙保温施工设备均满足要求。

上述高楼外墙保温施工设备相对其他相似产品具备以下创新点：①采用螺杆挤压出料结构，出料稳定，扇叶设计有效防止旋转时破坏聚苯板；②结构设计简单，功能完善，易于操作与维护；③升降系统安装有紧固装置，稳定性高，结合传感技术，可完成自动避障，有效克服外墙保温工况复杂等因素的影响，提高了施工效率，降低工人的劳动强度。