Float-Ram手动压缩土块（CEB）压机设计：基于浮动模具的双向压缩与单杠杆凸轮-从动件传动的人体工学优化

《Mechanism and Machine Theory》：About the design of float-ram, a manually operated press to produce compressed earth blocks for building construction

　　

充分且可持续的住房仍是全球性尚未解决的挑战。研究人员详细介绍了一种新型人力驱动压机的设计，用于生产“Blocco Mattone”型压缩土块（Compressed Earth Block, CEB）。该机器采用浮动模具（floating mold）实现双向压缩（bidirectional compression）。单个输入杠杆（single input lever）与两组凸轮-从动件传动（cam-follower transmissions）改善了人体工学（ergonomics）与操作者安全性（operator safety）。该技术已在多国用于建造房屋、学校及幼儿园。

获得充足且可持续的住房仍是全球性未解挑战。研究人员在文中指出，尽管1948年《世界人权宣言》第25条已确认充足住所为基本人权，且联合国人居署（UN-Habitat）亦致力于推动可持续社区与城市发展，2015年《可持续发展议程》将第11项目标（SDG 11）列为确保所有人获得安全、可负担住房并升级贫民窟，但至2018年全球仍有超过10亿人口居住于贫民窟，占城市人口的24%。传统土坯与夯土建造技术虽历史悠久，但在经济资源有限的地区，基于本地材料的自助建造技术具有重要价值。压缩土块（Compressed Earth Block, CEB）技术因可提升块体力学性能并防止雨季侵蚀（尤其在掺入6%至10%波特兰水泥稳定时），适用于改善居住条件。然而，现有手动压机存在显著局限：以Cinva-Ram及Altech Geo50为代表的机型长期占据应用主导，但其单向压缩方式因土壤与模壁摩擦易形成沿砖块高度的密度梯度，导致力学性能不均与耐久性下降；而具备双向压缩能力的商业机型如Altech Geo50虽能改善结构均质性，却存在结构复杂、制造成本高昂、操作者人体工学欠佳、缺乏针对低成本手动压机的运动学优化设计等突出问题。在此背景下，研究人员设计了一种名为Float-Ram的新型手动压机，旨在以低成本、高安全性与优良人体工学特性生产Blocco Mattone型互锁稳定CEB，以回应发展中国家农村地区的可持续住房需求。

为开展研究，研究人员综合运用理论力学分析与实验测试法。首先基于Blocco Mattone型土壤混合料的圆柱试样（直径110 mm、初始高度h₀约150 mm）静态压缩试验，建立含水率w=8.5%下的土壤指数压实模型（p=k₁e^k₂c_r，k₁=425.7 Pa、k₂=20.4）。继而采用运动学反演与虚功原理，将指数阻力曲线映射为近似恒定操作者输入力（约300 N），通过解析法设计压缩凸轮与弹出凸轮轮廓（含多项式过渡、指数段、接近段及减速段）。研制传感器化原型（集成线性位移传感器、角位移传感器及载荷传感器），在实验室对六种不同装料量（6.8 kg–7.3 kg）进行双向压缩测试，验证凸轮传动效率与双向压实特性。样本来源于意大利Politecnico di Torino开发的Blocco Mattone型土壤混合体系，并在坦桑尼亚Njombe地区实地应用。

State of the art about manually operated press（手动操作压机技术现状）
研究人员系统回顾了自1789年Fran?ois Cointeraux首台机器以来的技术演进，指出从传统手工夯土坯到机械静压设备的发展路径。以E. Gossieaux于1904年设计的“La Madelon”及其改进型“La Super Madelon”为代表的早期移动压机体积庞大、价格昂贵且机械结构僵化，限制了其在自助建造项目中的普及。Chilean工程师Raul Ramirez于1952年开发的Cinva-Ram虽成为世界上应用最广泛的手动压机之一，但其单向压缩的固有机械局限导致砖块密度梯度显著。近期研究表明，CEB的高力学性能需依赖最佳含水率下2 MPa至5 MPa的受控静压。双向压缩通过同时压制砖块相对两侧显著改善结构均质性，但Altech Geo50等商业机型的操作杠杆刚性连接凸轮，经下移动框架实现底部受压后，再通过贝尔维尔弹簧包（Belleville spring pack）迫使上框架完成第二阶段压缩，该过程操作费力、机构复杂，且缺乏开源优化设计。

About Blocco Mattone compressed earth block（关于Blocco Mattone压缩土块）
研究人员介绍了由意大利Politecnico di Torino建筑技术学院Roberto Mattone教授自20世纪90年代起研发的Blocco Mattone CEB。该块体尺寸为140×280×95 mm，上部设两个互锁凸块、底部设两个凹槽，侧面带有约三分之一宽度的公母互锁结构，可精确定位并简化墙体、转角及立柱的砌筑。为确定适宜土壤，研究总结了12项现场试验方法，包括目视检查、气味试验、触觉试验、颜色试验、手洗试验、光泽试验、沉降试验、干强度试验、可塑性试验、黏聚试验、落球试验及收缩试验，以评估土质组成与最佳含水率。生产流程涵盖：原土完全干燥后经3 mm筛网筛分；干混掺入6%至10%重量比的水泥稳定剂至均匀色泽；逐渐加水搅拌；使用手动压机制块；随后进入三阶段养护期，即首日覆盖防晒防风，第2至3天持续洒水保湿以支持水泥水化，第3天后可堆码两至三层继续保湿，标准养护期28天块体达到特征抗压强度。

Local demands and design requirements（当地需求与设计需求）
研究人员以坦桑尼亚Njombe地区为案例，指出当地农村人口主要从事小规模农业，传统房屋以烧制黏土砖建造，砖块不均、易碎且生产过程耗木量大、环境负面影响显著，且因砖形不规则导致灰缝砂浆用量大、墙体平整度差。据此提出Float-Ram的设计需求：围绕CEB生产周期的装料、压制与脱模三阶段，机器须以单一主运动链完成全部操作，优先保障安全性、易用性与精确性，操作者无需过度用力即可维持良好姿势，最大杠杆旋转90°即可完成压制与顶出。机器须具备可运输性，适应1200×800 mm标准托盘运输，折叠后外形尺寸为800×900×1250 mm，并配置轮子以便工地短距离移动。基于Blocco Mattone土壤混合料的静态压缩试验，研究人员建立了压力p与压缩比c_r=(h-h₀)/h₀的指数关系，拟合公式为p=k₁e^k₂c_r，其中k₁=425.7 Pa、k₂=20.4。当w=8.5%时兼顾均匀压实与减少养护开裂；2 MPa目标压力对应c_r=41.7%，故初始块体高度取163 mm，压缩行程68 mm。

Machine design（机械设计）
Float-Ram以中心圆柱运动对（central cylindrical kinematic pair）为核心架构，通过浮动模具实现双向压缩：压缩力由模具底板经土体传至固定于机架的模具顶板，模具侧壁可随摩擦力竖向自由移动，无需复杂双框架机构。单输入杠杆经两组凸轮-从动件传动分别完成块体压制与顶出。压缩凸轮轮廓基于力平衡与虚功原理解析合成：将土壤指数阻力曲线反演为近似恒定操作者输入力（约300 N），凸轮型线包含多项式过渡段、指数压实段、接近段及减速段，确保操作者仅在90°转角范围内感知极小力值波动。弹出凸轮采用三段对称运动律（摆线-线性-摆线），总转角α_em=π/2，总位移y_em=q₀+d。原型机框架由矩形截面结构钢切割焊接而成，圆柱轴经磨削镀铬处理（同挖泥设备液压活塞材质），模具板采用渗碳氮化特殊钢，压缩与顶出滚轮采用SKF商用部件（型号NUTR 4090），支撑浮动模具的定制压缩弹簧参数精确设定，整机配可折叠侧腿与输入杠杆及实心橡胶车轮。

Experimental tests（实验测试）
为验证机器性能，研究人员在实验室对传感器化原型进行多工况测试。系统配置两个线性位移传感器分别测量模具底板位移y与浮动模具位移z，角位移传感器测量凸轮转角α，并通过不可延伸缆绳绕过被动滑轮施加输入力，由载荷传感器测得缆绳张力后经几何关系换算操作者输入力F_u。试验在六种不同装料量（6.8 kg至7.3 kg）下重复进行。结果表明：随装料量增加，所需压缩力F相应增大，但经凸轮-从动件传动比映射后，操作者输入力F_u在整个压制过程中保持准恒定，与理论预测一致，验证了凸轮型线对土壤指数阻力的有效补偿。模具底板位移y在各试验中因受凸轮轮廓机械约束而保持一致；浮动模具竖向位移z与底板位移y最大值的比值平均为38.4%±1.7%，虽因土-模壁摩擦及中心圆柱副内摩擦略低于理想双向压缩的50%，但强有力地证实了Float-Ram无需复杂双框机构即可实现真正的双向压实。

Social impact of the project（项目社会影响）
研究人员指出，Float-Ram的成功实施依赖多方协作：明确表达需求并采纳新技术的当地社区、具备技术能力与创造力的研究团队与技术人员、在脆弱地区开展合作发展项目的组织，以及连接各方的协调者。该技术在坦桑尼亚Njombe地区已用于建造住宅、Mkiu幼儿园及Ikelu护士学校。结果表明，采用CEB建造的房屋较传统不规则烧砖房更健康、更耐久，且保持了低成本自助建造优势，对SDG 10（减少不平等）与SDG 11（可持续城市和社区）产生积极影响。Mkiu幼儿园为缺乏学前教育机会的地区提供了早期教育，使女性得以参与劳动，不同宗教背景儿童共同就学，对SDG 4（优质教育）、SDG 5（性别平等）、SDG 10（减少不平等）及SDG 16（和平与正义）具有正面影响。Ikelu护士学校与附属医院结合，为偏远地区培养本地医疗人员，对SDG 3（良好健康与福祉）意义重大。

Conclusion（结论）
研究结论指出，Float-Ram的开发、实验验证与实地应用证明了该技术的有效性。主要技术创新包括：中心圆柱运动对与浮动模具系统在不引入机械复杂度、双杠杆机构及前代商业压机高成本特征的前提下实现了有效双向压实；基于指数土壤压实定律（p=k₁e^k₂c_r）的解析凸轮设计成功将操作者约300 N的准恒定手动用力转化为所需高压缩力；在仅90°的杠杆旋转范围内优化了工作轨迹，降低了操作者体力疲劳并确保操作安全性；实验室测试在6.8 kg至7.3 kg不同装料量下证实了凸轮合成数学模型的有效性，浮动模具位移比38.4%±1.7%确认了真正双向压实的达成；机器将装料、压制与顶出集成于单一主装配，模块化折叠结构（运输尺寸800×900×1250 mm）适配标准托盘运输并便于工地移动。在坦桑尼亚的部署证明，适当技术具备触发社会自我赋能进程的潜力。此外，研究人员提出四步通用设计框架：经验阻力曲线分析、操作者与人体工学约束定义、基于虚功原理的解析运动学反演推导瞬时传动比y′(α)=dy_c/dα，以及应用公式（12）至（14）完成凸轮轮廓合成。该框架确保任何非线性材料压实定律均可被映射为预设舒适的人力输入，无需依赖试错式物理原型。