于琳，王士奇，薛雅文，杨天胜
（沈阳理工大学汽车与交通学院，沈阳 110159）
目前，地热供暖方式在我国北方许多城市都得到了广泛的推广。但是地热供暖在技术方面和工程实施方面都还存在许多不足之处，针对地热供暖的方式，本文在现有技术和材料的基础上提供了一种便携式模块化半自动地暖管线铺设机设备，利用地板采暖的取热方式[1]，有效地解决地暖铺设耗时长、工作效率低等问题。
本产品采用推车式设计，解决了器械行走问题并且可以作为所有模块化的承载平台且具有可拆卸性，为了解决推车不转弯产生的与地面发生滑动的问题，设计过程中我们弃用了一体式滚轮，采用分体式。在设计过程中，先确定整体外观结构，其次考虑模块化的问题。将外观方案确定后，将之拆分为对应预期设计模块，并进行比对，确定最优方案。
家庭地暖系统的构成主要有地暖管材和流量控制器两大部分，在地暖施工行业中普遍认为流量控制器每个支流铺设管线长度控制在65～50 m左右，所以本设备建立在此基础上。本设计方案充分考虑了施工环境、施工要求、器械耐久度等要求。因为聚苯醚（PPO）材料具有良好的力学性能、抗腐蚀性能高、耐磨度高、不易变形等特点，所以设备中部分零件材料选用聚苯醚（PPO）材料。
众所周知，铺设地暖在当今的房屋装修中是十分关键的环节。地暖管指的是一种在低温热水地面辐射采暖系统中充当低温热水循环流动载体的管材。而用什么样的材料也是铺设地暖过程中应当注意的一个问题。现有的地暖的铺设方式为3步：首先在楼板处铺设一层保温层，然后用卡子将用于供暖的地热管线固定在地面上，最后在管线上覆盖一层水泥。正常情况下，地热供暖所使用管道的组数和房间的面积成正比。由此可知，房间的面积越大，铺设地暖所耗费的供暖管线组数也就越多。这样不仅会增大热循环空间，还会改善供暖的效果，但是也会耗费更多的供暖管线。有关调查显示，我国现在铺设地暖选用的均为PVC地热供暖管，与之前采用的铁制管材相比，这种管子有不锈蚀、不容易结垢的优点。采用PVC管既可以使供暖管线的寿命延长，并且利用采暖地面结构在架空层铺设管线系统[2]，也可以使清理更加便捷，同时也减少了堵塞的情况。
根据现场调查和走访水暖基建工人，大多数业主都会选择地热的方式为房屋取暖。目前国内的关于地暖管道的铺设还停留在人工铺设阶段，在充分保证效率的前提下，管线铺设最少需要2个人，正常的铺设进度为2人每天铺设500 m管线，且耗时费力。
现阶段主要有直列式、往复式、旋转式3种管式地暖的铺设方法。
1）下层铺设地暖专用皮棉反射膜，上层铺设管道，用卡扣固定。
2）下设厚度为2.0 cm以上挤塑板铺设地暖，再铺设锡纸反热膜，上铺设管道，用倒刺卡固定。
3）下设模具，直接进行管道铺设[3]。
前两种较为常用，后一种因成本较高暂未普及。为解决耗时长、工作效率低等问题，特别提出本次项目产品机械便携式模块化半自动地暖管线铺设机。
2.1 功能要求
通常地暖铺设是人工根据图样进行逐步铺设，这样铺设不仅费时费力、速度较慢，影响室内装修的整体进程，而且现存的铺设设备主要是用来辅助铺设，其结构简单、固定性能差，也不利于装卸。为了避免或减少铺设过程中的问题，提升工作质量和效率，对于地暖铺设设备的主要功能要求有：1）便于施工人员操作，方便携带移动，减少运输成本；
2）机械结构完善，功能合理；
3）人机界面操作简单，使用方式便捷。
2.2 结构设计
本设备采用人力推车式设计，将整体设备分为承载滚轮、支撑架、底盘、固定模组，各模组可分别拆开且组装简便。将固定模组运用电磁原理转变为电动钉枪原理，利用已固定的管线通过导向通道拉动承载滚轮，达到自动放管的目的。
2.2.1 承载滚轮设计
承载滚轮为H形滚轮设计，主要由主挡板、副挡板、固定定位套轴、固定心轴等零部件组装而成，其主要作用在于固定。
如图2所示，主挡板设计有挡板、连接轴，挡板上设计有定位凹槽，连接轴一端与挡板一体成型，另一端通过螺纹与副挡板连接。
地暖管线自身存在弹性会产生旷量，在设备使用过程中需要减少旷量，因此设计固定定位轴套，为保证圆周的完整性，在固定定位轴套上开孔，利用管线自身应力进行周向相对固定。模型如图3所示，轴套一端与主挡板定位凹槽吻合，另一端为平面端，副挡板（如图4）与主挡板螺纹连接后压紧固定定位轴套。具体装配效果如图5所示。
图1 整体渲染装配图
图2 主挡板
图3 固定定位轴套
图4 副挡板
图5 承载滚轮装配图
2.2.2 支撑架设计
支撑架是连接承载滚轮和底部的关键，并且承载着部分管线的导向功能，主要构件包括2根固定杆、2片三角形支撑架、1根承载滚轮轴，固定杆两端有螺纹设计，通过螺纹螺帽组合连接两片三角形支撑架，与此同时，前端支撑杆上装有微紧机构，作为管线导向。微紧机构中以，2根弹簧作用于两对向U形滑轮，管线通过中间的O形孔以达到导向兼紧固的作用。微紧机构如图6所示，固定于前端固定杆，三角支撑架的U形槽设计是为了方便装载承载滚轮，承载滚轮轴为固定心轴，且轴通过一端螺母控制轴向移动，并增强整体结构的稳定性。最终装配效果如图7所示。
图6 微紧机构
图7 支撑架装配总图
2.2.3 底盘
底盘承载着本设备中行走功能及搭载固定模组和支撑支撑架的作用，为达到便携的目的，底盘与支撑架的连接采用内嵌支撑架并且增加限位孔插入限位销的方案。
在前端与后端2根横栏加上滚动轮，中间2根作为搭载固定模组的功用。整体装配概念图如图8所示。其中图9为固定机构和底盘连接的连接器，此连接器通过四爪卡扣设计，为防止连接器窜动，可在底盘横栏上加装限位胶块。
图8 底盘装配概念图
图9 底盘连接器
图9中连接器中心有一窗口，其主要目的是嵌入固定模组，固定模式也采用卡扣式设计，在固定模组外壳形状与连接器窗口吻合，当固定模组前端预设计多个簧片，簧片越过连接器底板自动卡紧，达到固定的目的。在铺设地暖管道后，主要的固定方式采用卡钉来固定，使用卡钉能够使地暖管道的固定比原来更加快速、方便。钢丝卡钉主要采用U形设计，U形开口的距离需要根据地暖管道的直径来定，一般情况为3.5～4.0 cm，要略大于卡钉的半圆直径，该设计主要利用了钢丝卡钉本身的弹性，使U形开口距离与管道直径基本一致，依靠钢丝本身的张力使钢丝与发泡水泥层的摩擦力得到增大，防止钢丝卡钉从发泡水泥层中弹出。
2.2.4 固定模组设计
固定模组采用的是电动钉枪原理，在壳体中设置有加速线圈，同时在加速线圈中设置有一个供冲击锤移动的轨道，其冲击锤的制成材料为导磁材料，冲击锤末端有复进弹簧，冲击锤前端安装有撞针。电动钉枪工作由控制开关控制。冲击锤体上设有2排外轮廓高于冲击锤外表面的可围绕销轴旋转的滚轮，滚轮外缘与冲击锤体外的轨道相接触时，冲击锤轨道与滚轮外缘的摩擦力臂远远大于滚轮销轴所受的摩擦力臂，在这一原因下，使得滚轮绕其运动更为灵活，冲击锤在运动过程中所受的摩擦也大大减小，电动钉枪承受的热负荷也随之减少，使用寿命提高。
此电动钉枪有强、中、弱3个挡位，分别对应水泥基面、泡沫基面、模板基面。钉枪冲击锤下方存在U形槽将排钉插入即可使用。
此设备在固定模组正下端存在导向架，将管线线路固定以免出现电动钉枪失误将钉偏离轨道，伤到施工人员；
电动钉枪激发开关处于推车把手处，并且配有压力感应装置，一旦设备底座离开地面或发生倾斜，电动钉枪受到感应，立即停止工作，以免伤到施工人员；
此感应装置还能感受到钉枪发出钉所受到的压力，如果不是标准的压力，偏离原来的轨道，钉枪会触发感应，终止设备的工作。
本设计结合现代供暖方式的现实情况和主要发展趋势，以地热供暖为切入点，在现有材料、技术及施工方式的基础上，提出了一种机械便携式模块化半自动的地暖管线铺设机设计，在结构和使用方式方面进行了一系列创新性的设计和可行性分析。相比于其他地暖铺设工具，本产品便于携带、安装，单人即可完成操作，并且在模块化的加持下，可将传统住宅地暖施工转向为工业化操作，使装修更加简单、节约，且质量可靠[4]，由于未采用气泵等噪声过大设备，减少了在施工过程中对工人和其他住户产生的噪声干扰，减少工人工作量、节省时间、提升效率，并且可用于多种水管式地热铺设工作，以一种经济环保的方式来解决地热供暖施工难度大、工作效率低等问题，更符合节能减排理念。
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