3 Роботизация производства бетонных работ

Современное строительство характеризуется большими объема­ми выполнения бетонных работ. Объемы использования монолит­ного бетона и железобетона составляют свыше 130 млн. м3 и про­должают увеличиваться. Около 80'% объема монолитного бетона используются в промышленном строительстве в первую очередь для возведения конструкции подземных частей зданий и сооруже­ний и фундаментов под технологическое оборудование. Монолит­ный бетон и железобетон широко применяют для возведения ды­мовых труб, градирен, силосов, тяжелых колонн, различных резер­вуаров, энергетических объектов, подпорных стенок, сложных арочных и сводчатых покрытий. Монолитный бетон и железобе­тон используется для устройства полов, подъездных дорог. Возрас­тает интерес к монолитным бетонным и железобетонным конст­рукциям в гражданском строительстве. Монолитные конструкции применяют для строительства высотных зданий общественного назначения и жилых многоэтажных домов. Из монолитного желе­зобетона возводят здания повышенной этажности, характеризую­щиеся сложными, выразительными по форме планами и сочета­ниями объемов. Эффективен монолитный бетон при строительст­ве в районах с повышенной сейсмичностью.

Главным направлением повышения эффективности бетонных работ является индустриализация заготовительных процессов, ши­рокомасштабное внедрение комплексной механизации и автома­тизации на основе использования достижений робототехники и микропроцессорной техники.

Возведение конструкций из монолитного бетона и железобето­на включает комплекс работ, который состоит из заготовитель­ных, транспортных и монтажно-укладочных операций. Направле­ния развития технологии бетонных работ предусматривают перво­очередное решение задач комплексной механизации подачи, распределения и укладки бетонной смеси. На строительных пло­щадках требуются машины и оборудование, которые бы выполня­ли непрерывную подачу и укладку бетонной смеси в конструкции и обеспечивали бы заданный темп бетонирования. Причем места укладки бетона могут располагаться как ниже нулевой отметки, так и на значительной высоте от нее. Они могут иметь значитель­ные габариты и объемы. Сократить трудоемкость подачи и уклад­ки бетонной смеси, устранить тяжелый ручной труд и повысить производительность труда позволяет использование бетононасо­сов, трубопроводного транспорта, специальных бетоноукладчиков, бетоноукладочных стрел-манипуляторов и роботов. Особенно они эффективны при бетонировании больших площадей и возведении монолитных железобетонных зданий. Шарнирно-распределитель­ные стрелы представляют собой манипуляторы с бетонопроводами, имеющие ручное, дистанционное или программное управле­ние. Они монтируются на автобетононасосах, поворотных плат­формах, временных и стационарных опорах, башенных кранах.

Наибольшее применение на строительных площадках находит автобетононасос с шарнирно-распределительной стрелой. На рисунок 3.1 показан автобетононасос, оборудованный стрелой-мани­пулятором с гидравлическим управлением. Стрела автобето­нонасоса состоит из шарнирно-сочленяемых секций, по которым проходит бетонопровод, оканчивающийся гибким рукавом. Стре­ла-манипулятор имеет от 3 до 5 секций.Такой манипулятор позволяет с одной стоянки машины подавать бетонную смесь на высоту до 22 м в любую точку бетонируемой конструкции в радиусе до 20 м.

Рисунок 3.1. Автобетононасос с шарнирно-распределенной стрелой

Управление положением стрелы ведется машинистом с пульта, расположенного на машине. Некоторые автобетононасосы с шар­нирно-распределенной стрелой оснащены системой радиоуправ­ления, позволяющее оператору управлять перемещением стрелы с места укладки бетона. Перевод манипулятора из рабочего в транс­портное положение занимает 20—30 мин. Это дает возможность рационально использовать установку на многих объектах. Практи­ка применения автобетононасосов со стрелами-манипуляторами показала их высокую эффективность. Внедрение этого оборудова­ния на объектах с рассредоточенными объемами бетонных работ позволяет устранить трудоемкие операции по укладке бетонной смеси, избавить рабочих от больших затрат физического труда, грязной и вредной работы.

Высокие экономические показатели дает использование стрел-манипуляторов при возведении высотных монолитных зда­ний и сооружений с помощью переставных и скользящих опалу­бок. В этом случае на рабочем полу опалубки устанавливается опорная башня с поворотной платформой, на которой монтирует­ся стрела-манипулятор с бетонопроводом (рисунок 3.2).Бетонопровод стрелы через вертикальный трубопровод соединяется с автобетононасосом, располагаемым у основания сооружения.

Рисунок 3.2. Подача бетонной смеси манипулятором при возведении монолитных зданий 1 — скользящая опалубка; 2 — опорная башня; 3 — стрела-манипулятор; 4 — бетонопровод; 5 — автобетононасос; 6 — приемный бункер

Применение манипуляторов для укладки бетонной смеси в моно­литном строительстве позволяет исключить ручной труд и автома­тизировать этот процесс. Особенно перспективны манипуляторы при бетонировании в скользящей опалубке.

В этом случае можно создать роботизированные скользящие комплексы, обеспечивающие автоматизированную укладку бетон­ной смеси, ее уплотнение, установку арматуры и управление подъ­емом опалубки. Создание таких комплексов дело ближайшего бу­дущего. Они дадут возможность значительно расширить объем мо­нолитного строительства и снизить его себестоимость.

Шарнирно распределительные стрелы нашли широкое распространение за рубежом. Они имеют до пяти секций общей дли­ной до 32 м и выпускаются в комплекте с бетононасосами в ста­ционарном или в съемном вариантах. Ведущими производителями такого оборудования являются Германия и Япония. В Японии разработан робот для горизонтального распределения бетонной смеси в опалубки. Он укрепляется с помощью держателей на временной или постоянной опоре (рисунок 3.3). Манипулятор робо­та состоит из четырех звеньев коробчатой формы. В местах сочле­нений звеньев установлены пластмассовые подшипники. Каждое звено поворачивается с помощью гидравлических двигателей. Для улучшения операций укладки бетонной смеси центры вращения звеньев расположены немного эксцентрично по отношению к осям. На переднем звене манипулятора установлен привод для пе­ремещения гибкого рукава в вертикальной плоскости (вверх-вниз), что позволяет легко избегать в процессе бетонирова­ния торчащей арматуры и других препятствий. Для транспорти­ровки бетонной смеси на звеньях манипулятора укреплены трубы диаметром 125 мм, имеющие разъемные соединения. На послед­нем звене установлен гибкий рукав, соединенный с бетонопроводом. Пульт управления выполнен подвижным и установлен на четвертом звене. Предусмотрено также дистанционное управление роботом. Гидравлический привод обычно размещается на первом звене и обеспечивает плавное перемещение звеньев. Манипулятор снабжается вибраторами для уплотнения бетонной смеси или ин­струментом для отделочных работ. Масса дополнительной оснаст­ки может достигать 100 кг. В целях безопасности работ на каждом звене манипулятора установлены мигающие сигнальные лампы и звуковые зуммеры, которые начинают работать при включении робота. Четырехсекционная распределительная стрела манипуля­тора обеспечивает охват рабочей площади до 990 м2. Максималь­ная скорость движения рабочего органа при вращении любого звена не превышает 1 м/с. Время монтажа робота на объекте со­ставляет около 1 ч. Робот может работать с производительностью подачи бетонной смеси до 170 м3/ч. Применение описанного ро­бота на строительстве ряда административных зданий и промыш­ленных объектов с большим объемом бетонных работ позволило исключить тяжелую работу по укладке и уплотнению бетонной смеси, уменьшить число рабочих, занятых на этих операциях, и повысить качество получаемых железобетонных конструкций.

Рисунок 3.3. Манипулятор для горизонтальной укладки бетона

1 — звенья манипулятора; 2 — бетонопровод; 3 — гибкий рукав

Представляет интерес предложенная в Японии система подачи и распределения бетона, состоящая из башенного крана и мани­пулятора, управляемого одним оператором. Схема исполнительно­го устройства крана-манипулятора обеспечивает управляемое про­странственно ориентирование и позиционирование с заданной точностью. Для этого исполнительное устройство в отличие от традиционных строительных кранов построено по жесткой кине­матической схеме.

При производстве бетонных работ на строительных площадках приходится выполнять большой объем ручных операций, связан­ных с установкой арматуры. Несмотря на применение унифициро­ванных арматурных изделий, их установка характеризуется боль­шой трудоемкостью. Повысить производительность труда и исклю­чить тяжелый ручной труд позволяет применение манипуляторов и робототехнических устройств с комплектом сменных рабочих орга­нов для установки и сварки арматурных сеток.

Автоматизированную укладку тяжелых стержней арматуры обеспечивает робот, разработанный и внедренный в Японии (рисунок 3.4). Он выполнен на базе гидравлического экскаватора и снабжен бортовой микроЭВМ. Его эффективно использовать в промышленном строительстве при укладке большого числа стерж­ней арматуры массой до 100 кг. Применение робота в данном слу­чае значительно сокращает сроки ведения работ, улучшает усло­вия труда и сокращает число рабочих. Система управления маши­ной предусматривает три режима работы: непосредственное управление из кабины, дистанционное управление с выносного пульта и автоматизированное. Программа управления роботом по­зволяет автоматически раскладывать крупноразмерные стержни арматуры с фиксированным шагом, устанавливаемым оператор.

Рисунок 3.4. Робот для укладки сварки арматурных стержней

В Японии на строительных площадках нашла применение ро­бототехническая система для чистовой затирки и шлифовки бе­тонных полов (рисунок 3.5). Она является многофункциональным устройством, которое выполняет движение по незастывшему бето­ну, производит выравнивание уложенного бетона, нанесение на­стилки, а также выполняет циклевку и окончательную отделку по­лов. Система представляет собой мобильный строительный робот, имеющий колесное шасси, двухзвенную руку с рабочим инстру­ментом для обработки пола. Диаметр актуатора 102 см. Система работает в автоматическом режиме по программе, в которой зада­ются требования к геометрическим параметрам обрабатываемой поверхности пола, а также маршрут и скорость перемещений. Для управления движением применяют гидрокомпас, путеизмеритель­ное устройство с сенсорными датчиками обнаружения проема и касания боковой поверхности. Система управления на базе микроЭВМ обеспечивает автономное движение при управлении от бортовой навигационной системы по данным гидрокомпаса и ло­катора. Скорость перемещения машины изменяется от 0 до 12 м/мин, а ее производительность составляет 200—300 м2 обрабаты­ваемой поверхности в 1 ч.

Рисунок 3.5. Робототехническая система для чистовой обработки

полов 1 — шасси; 2 — манипулятор; 3 — рабочий инструмент;

Перспективным направлением использования средств робото­техники является набрызг-бетонирование. В Норвегии распро­странение получил роботизированный комплекс для набрызга бе­тонирования обводненными бетонными смесями. Исполнитель­ное оборудование, управляемое роботами, обеспечивает производительность до 20 м3/ч, при этом осыпь составляет 5—10%. Насосное и распределительное оборудование монтируется на шасси или на самоходных тележках, а бетонная смесь поступа­ет из автобетоносмесителя. Процессом набрызг-бетонирования управляет оператор.

Анализ отечественного и зарубежного опыта роботизации бе­тонных работ показывает, что в первую очередь необходимо обес­печить широкое внедрение на строительных объектах манипулято­ров и РТК, обеспечивающих подачу, распределение и укладку бе­тонной смеси. Эти комплексы должны быть мобильны, иметь программное и дистанционное управление. Целесообразно создать 3—4 типоразмерных группы такого оборудования, отличающихся производительностью, высотой подачи, зоной обслуживания. Это оборудование обеспечит комплексную механизацию и автоматизи­рованное управление укладкой и уплотнением бетонных смесей при устройстве фундаментов, бетонных полов, монолитных пере­крытий, стен и колонн. Кроме того, необходимо создать комплекс оборудования в стационарном, исполнении для установки на пе­рекрытиях возводимых объектов и на рабочих площадках опалу­бок. Перспективными следует считать работы по созданию робо­тизированных скользящих комплексов для строительства моно­литных железобетонных зданий и сооружений. Целесообразно внедрять манипуляторы для установки арматурных каркасов, сборки и разборки опалубок.