新型路緣石滑模機的初步設(shè)計

陳立東，陳秀宏，王衛(wèi)東，郭廣亮，劉榮昌，張 亮，馮利臻，李國昉

新型路緣石滑模機的初步設(shè)計

陳立東1，2，陳秀宏1，王衛(wèi)東3，郭廣亮4，劉榮昌1，張 亮1，馮利臻1，李國昉1，2

(1.河北科技師范學院機電工程學院，河北秦皇島 066600;2.河北科技師范學院農(nóng)業(yè)機械研究所，河北秦皇島 066600;3.中信渤海鋁業(yè)控股有限公司，河北秦皇島 066000;4.秦皇島科博工程機械制造有限公司，河北秦皇島 066604)

為了解決傳統(tǒng)路緣石修筑方法費工、費時、效率低、質(zhì)量差等問題，以18 kW拖拉機發(fā)動機為滑模作業(yè)動力源，采用虛擬設(shè)計與樣機試驗相結(jié)合的方法，為新型路緣石滑模機設(shè)計路面不平自適應(yīng)高度調(diào)整系統(tǒng)、四柱雙缸并聯(lián)同步液壓系統(tǒng)、高壓水清洗系統(tǒng)及自適應(yīng)轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)。結(jié)果表明，樣機作業(yè)速度達到2～14．5 m·min－1，轉(zhuǎn)場速度達到35 m·h－1，滑模作業(yè)表面光滑，滿足設(shè)計指標要求，可為新型路緣石滑模機的改進提供借鑒。

路緣石;滑模機;高壓清洗系統(tǒng);自適應(yīng)調(diào)整

0 引言

與人工作業(yè)方式相比，采取路緣石滑模自動成型機械進行路緣石澆筑成型，可以提高成型質(zhì)量和作業(yè)效率，節(jié)約勞動力，降低作業(yè)成本，減少資源浪費［1-4］。目前，國內(nèi)現(xiàn)有的路緣石滑模機大多采用自行方式，作業(yè)時雖然也能實現(xiàn)一定程度高度的調(diào)整，但調(diào)整精度較低，作業(yè)后也需要運輸車輛進行輔助轉(zhuǎn)場，效率非常低，同時作業(yè)后由于工作裝置與混凝土物料之間有較強的黏附性［5-10］，需要專門運到清洗場地進行模具清洗，而清洗效果并不理想。因此，開發(fā)性能良好、轉(zhuǎn)場效率高且價格適中的路緣石滑模機對促進道路施工機械技術(shù)進步、加快改善路緣石施工方式具有重要作用。

1 新型路緣石滑模機的基本組成

新型路緣石滑模機主要由機體、物料輸送裝置、物料成型裝置、動力裝置、行走裝置、找平裝置、升降裝置、牽引裝置、高壓清洗系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

2 路面不平自適應(yīng)高度調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計

自適應(yīng)高度調(diào)整系統(tǒng)是新型路緣石滑模機的重要組成部分，集控制技術(shù)、機械設(shè)計、液壓傳動、檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)等于一體，主要由找平儀檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成［11］。當作業(yè)路面不平時，滑模機通過高度調(diào)整系統(tǒng)在找平儀調(diào)高范圍內(nèi)實時調(diào)整高度適應(yīng)路面變化，使滑模機達到最佳作業(yè)效果。

2．1 自適應(yīng)高度調(diào)整控制系統(tǒng)的組成

滑模機作業(yè)時，首先由控制系統(tǒng)根據(jù)找平儀滑桿的偏移信號自動輸出滑模機在本作業(yè)面采樣點的高度控制信號，這些控制信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、放大，施加于高度調(diào)整液壓系統(tǒng)，控制滑模機的四柱液壓缸，使滑模機上升或下降，對滑模機位置進行及時調(diào)整，實現(xiàn)滑模機的自適應(yīng)高度變化，以保證作業(yè)效果?？刂葡到y(tǒng)的組成如圖2所示［12］。

圖1 新型路緣石滑模機的總體結(jié)構(gòu)

圖2 自適應(yīng)高度調(diào)整控制系統(tǒng)

2．2 自適應(yīng)高度調(diào)整控制策略的選擇

自適應(yīng)高度調(diào)整控制系統(tǒng)采用了專家PID控制算法［13-14］，其控制器原理如圖3所示。本控制系統(tǒng)運行實踐結(jié)果表明:控制器的魯棒性好，控制精度高，能很好地適應(yīng)外界條件變化，有較強的抗干擾能力，在控制過程中專家PID控制器的控制與決策符合人的思維邏輯，有較高的人工智能效果。

3 四柱雙缸并聯(lián)同步液壓系統(tǒng)的設(shè)計

四柱雙缸并聯(lián)同步液壓系統(tǒng)由4個雙作用液壓缸、4個M型三位四通換向閥、4個液壓鎖組成。其中滑模機前方設(shè)置2個液壓缸，且分別與2個分流集流閥連接，通過控制器控制2個液壓缸且實現(xiàn)同步升降［15］;另2個液壓缸設(shè)置在滑模機后方，通過控制器控制2個液壓缸，實現(xiàn)獨立升降，提高滑模機的控制靈活性。四柱液壓缸分別與連桿機構(gòu)及滑模機機架連接。4個三位四通換向閥分別與4個液壓鎖通過油管相連，換向閥與換向閥之間串聯(lián)連接。四柱雙缸液壓原理如圖4所示。

圖3 專家PID控制器原理

滑模機工作過程中，液壓泵在牽引拖拉機的帶動下將油箱中的液壓油吸出，其中液壓油經(jīng)濾油器過濾后分為二路:一路經(jīng)過先導式溢流閥調(diào)壓后連接油箱，具有對系統(tǒng)的調(diào)壓功能;另一路流經(jīng)單向閥進入三位四通換向閥、雙向液壓鎖、分流集流閥后進入液壓缸的無桿腔，液壓油從液壓缸的有桿腔流出，經(jīng)液壓鎖和三位四通換向閥返回油箱。

當三位四通換向閥處于中位時，由于原有的進油和回油管路不通，系統(tǒng)保持原有壓力，從而實現(xiàn)滑模機作業(yè)過程中的保壓。

3．1 同步控制的前端液壓系統(tǒng)

同步控制的前端液壓系統(tǒng)由分流集流閥控制，組成包括油箱、過濾器、液壓泵、電動機、單向閥、先導式溢流閥、三位四通換向閥、分流集流閥、雙向液壓鎖和液壓缸?；C前端左右2個液壓缸在下降工進時，2DT通電吸合后三位四通換向閥右位接通，液壓油在液壓泵作用下經(jīng)單向閥、三位四通換向閥、雙向液壓鎖右側(cè)單向閥進入有桿腔，無桿腔內(nèi)液壓油由分流集流閥以等分流量經(jīng)液壓鎖、三位四通換向閥后回油箱?；C需要調(diào)整上升時，液壓缸在1DT通電吸合后，三位四通電磁換向閥左位接通，液壓油經(jīng)油泵、三位四通換向閥、雙向液壓鎖進入分流集流閥，等分流量進入雙液壓缸無桿腔，推動滑模機機體前端同步上升，有桿腔的液壓油經(jīng)雙向液壓鎖后經(jīng)三位四通換向閥流回油箱［16］。本滑模機液壓系統(tǒng)油路2個方向分別有分流集流作用，有效保證了2個液壓缸在上升和下降時的同步運行，且同步精度較高。

3．2 獨立控制與同步控制相結(jié)合的后端液壓系統(tǒng)

圖4 四柱雙缸并聯(lián)同步液壓原理

為了提高滑模機升降系統(tǒng)的靈活性，滑模機后端的2個升降液壓缸采用獨立控制與雙缸同步液壓控制相結(jié)合的液壓回路。該液壓回路由3部分組成，即由液壓鎖及三位四通換向閥控制的2個獨立的控制回路和由分流集流閥控制的液壓同步系統(tǒng)［17］，其組成包括油箱、過濾器、液壓泵、單向閥、溢流閥、3個串聯(lián)的三位四通電磁換向閥、分流集流閥、雙向液壓鎖和液壓缸，系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 獨立控制與同步控制的后端液壓原理

滑模機后端左右2個液壓缸在滑模機工作過程中可實現(xiàn)同步提升、同步下降或完成獨立升降。在雙缸同步下降工進時，8DT通電吸合后三位四通電磁換向閥右位接通，液壓油在液壓泵作用下經(jīng)單向閥、3個串聯(lián)的三位四通電磁換向閥后，經(jīng)雙向液壓鎖右側(cè)單向閥進入有桿腔，無桿腔內(nèi)液壓油由分流集流閥以等分流量經(jīng)液壓鎖、三位四通換向閥后回油箱。滑模機需要調(diào)整同步上升時，液壓缸在7DT通電吸合后三位四通電磁換向閥左位接通，液壓油經(jīng)油泵、3個三位四通換向閥后經(jīng)雙向液壓鎖進入分流集流閥等分流量進入雙液壓缸無桿腔，推動滑模機機體前端同步上升，有桿腔的液壓油經(jīng)雙向液壓鎖后經(jīng)三位四通換向閥流回油箱。液壓系統(tǒng)油路2個方向分別有分流和集流作用，有效保證了2個液壓缸在上升和下降時的同步運行，且同步精度較高。

當需要獨立控制后端液壓缸進行升降動作時，其工作過程為:液壓泵將油箱中的油吸出，經(jīng)過濾器過濾后壓出，其中一路經(jīng)過溢流閥調(diào)壓后連接油箱，對系統(tǒng)具有調(diào)壓功能，另一路經(jīng)換向閥1后經(jīng)過液壓鎖進入左后液壓缸完成其升降;當3DT通電吸合后三位四通換向閥1左位接通，液壓油經(jīng)油泵、單向閥、換向閥1左位、液壓鎖至左后液壓缸有桿腔，推動滑模機左后端下降;當4DT通電吸合后三位四通換向閥1右位接通，液壓油經(jīng)油泵、單向閥、換向閥1右位、液壓鎖至左后液壓缸無桿腔，推動滑模機左后端上升。同理，換向閥2用來控制右后液壓缸的升降。

4 滑模機模具高壓水清洗系統(tǒng)

為了提高滑模機模具作業(yè)效果，滑模機在作業(yè)完成后需要進行及時清洗，然而滑模機一般是在野外作業(yè)，清洗作業(yè)不方便，特別是水源不好找。為此，本項目滑模機利用牽引拖拉機的動力，增加設(shè)計了模具高壓水清洗系統(tǒng)，由動力傳動裝置、水泵、儲水箱、水管、高壓水槍等組成，如圖6所示。

圖6 滑模機模具高壓水清洗系統(tǒng)的組成

5 電控-液壓式自適應(yīng)轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)

牽引式滑模機雖然結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)場效率高、自適應(yīng)好，但由于牽引拖拉機與滑模機體之間采用牽引連接，且具有一定的距離，因此在進行彎道施工作業(yè)時，滑模機隨著牽引拖拉機的轉(zhuǎn)彎而轉(zhuǎn)彎，容易造成路緣石滑模路徑偏差，從而影響滑模效果。牽引拖拉機距離模具越遠，偏差就越大。為了能適應(yīng)彎道路緣石滑模特點，采用了電控-液壓式自適應(yīng)轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)［18］。

電控-液壓式自適應(yīng)轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)主要由彎道轉(zhuǎn)彎偏差傳感器、彎道調(diào)整液壓缸、流量控制閥、電液伺服閥、電子控制單元、彎道標線等組成，如圖7所示。其基本的工作過程是:當滑模機進行彎道作業(yè)時，由安裝在滑模機上的轉(zhuǎn)彎偏差傳感器檢測彎度偏差，并將偏離信號傳給電子控制單元(ECU)，電控單元進行修正處理后，發(fā)出控制指令給液壓系統(tǒng)電磁換向閥、伺服閥等，為液壓缸提供動力，從而實現(xiàn)機組的自適應(yīng)調(diào)整。

圖7 電控-液壓式自適應(yīng)轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的組成

6 樣機作業(yè)試驗

2014年9月在貴州省平壩縣進行了樣機應(yīng)用，樣機作業(yè)速度為2～14．5 m·min－1，轉(zhuǎn)場速度快，達到了35 km·h－1，滑模作業(yè)效果如圖8所示。本機與其他同類機型的性能參數(shù)比較如表1所示。

圖8 矩形斷面路緣石滑模作業(yè)效果

7 結(jié)語

為適應(yīng)復(fù)雜的路緣石滑模機工作環(huán)境，同時考慮節(jié)約生產(chǎn)成本，本文開發(fā)設(shè)計了轉(zhuǎn)場效率高、易清洗且價格適中的牽引式路緣石滑模機。四柱雙缸并聯(lián)同步液壓系統(tǒng)提高了滑模機自適應(yīng)高度調(diào)整的準確度;由牽引拖拉機動力輸出軸提供動力的高壓水清洗系統(tǒng)提高了滑模機組的使用方便性;電控-液壓式自適應(yīng)轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)，對彎道路緣石滑模作業(yè)具有很好的糾偏效果，提高了彎道作業(yè)質(zhì)量，減小了彎道施工誤差。本機采用通用的35馬力四輪拖拉機作為牽引動力，在山區(qū)平直道路路緣石滑模作業(yè)的效果突出，效率提高3～5倍，轉(zhuǎn)場速度提高到35 km·h－1。

表1 本機與其他同類產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟指標對比

［1］ 焦建民，張竹平，朱紹安，等．LCI型路緣石自動成型［J］．筑路機械與施工機械化，1993，10(2):4-7．

［2］ 張 華，肖小芬．YC15型路緣石滑模機［J］．建筑機械化，1993(4):28-29．

［3］ 趙國普，何慧國．路緣石滑模攤鋪機在國內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用［J］．筑路機械與施工機械化，2009，26(11):16-20．

［4］ 胡永彪，鄭成波，康敬東，等．路緣石滑模施工設(shè)備及其施工技術(shù)的發(fā)展［J］．筑路機械與施工機械化，2009，26(4):35-37．

［5］ 胡永彪，何挺繼，陳 蝶．我國筑路機械的現(xiàn)狀與未來［J］．筑路機械與施工機械化，1998，15(6):2-4．

［6］ 晟 華．江蘇四明SMC-522輪胎式滑模機［J］．筑路機械與施工機械化，2009，26(11):32．

［7］ 邢鵬飛．牽引式路緣石滑模攤鋪機的設(shè)計與研究［D］．秦皇島:河北科技師范學院，2015．

［8］ 張 奕．PC200路緣石滑模機關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．秦皇島:燕山大學，2010．

［9］ 晟 華．江蘇四明SMC-522輪胎式滑模機［J］．產(chǎn)品大觀，2009(11):32．

［10］ 鄭成波．路緣石滑模機工作裝置防粘技術(shù)研究［D］．西安:長安大學，2009．

［11］ 趙國普，徐寶國，周正明，等．水泥混凝土構(gòu)造物滑模攤鋪機自動控制系統(tǒng)［J］．筑路機械與施工機械化，2015，32(7):90-94．

［12］ 陳丹鳳，徐寶國，宋愛國，等．智能化履帶滑模機測控系統(tǒng)設(shè)計［J］．測控技術(shù)，2013，32(7):95-99．

［13］ 張金煥．PID控制系統(tǒng)和模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的研究及比較［J］．武漢理工大學學報，2005，27(5):286-290．

［14］ 劉莉宏．基于智能控制的PID控制方式的研究［J］．北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報，2012，11(2):33-38．

［15］ 劉 飛．雙缸四柱液壓機同步控制系統(tǒng)仿真與研究［D］．上海:上海工程技術(shù)大學，2016．

［16］ 趙國普，于勤玲，徐寶國，等．路緣石水泥滑模攤鋪機液壓控制系統(tǒng)［J］．筑路機械與施工機械化，2015，32(12):49-53．

［17］ 林 濤，王 欣，賈劍鋒．同步分流閥在全液壓平地機上的試驗研究［J］．筑路機械與施工機械化，2008，25(5):52-54．

［18］ 鄭凱峰．四軸重型車輛電控液壓全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究［D］．北京:北京理工大學，2014．

Preliminary Design of New Slipform Curb Machine

CHEN Li-dong1，2，CHEN Xiu-hong1，WANG Wei-dong3，GUO Guang-liang4，LIU Rong-chang1，ZHANG Liang1，F(xiàn)ENG Li-zhen1，LI Guo-fang1，2

(1．School of Mechanical and Electrical Engineering，Hebei Normal University of Science and Technology，Qinhuangdao 066600，Hebei，China;2．Agricultural Machinery Institute of Hebei Normal University of Science and Technology，Qinhuangdao 066600，Hebei，China;3．CITIC Bohai Aluminium Industries Holding Company Limited，Qinhuangdao 066000，Hebei，China;4．Qinhuangdao Kebo Engineering Machinery Manufacturing Co．Ltd．，Qinhuangdao 066604，Hebei，China)

In order to solve the problems of traditional curb construction method，such as timeconsuming，low efficiency and poor quality，the 35 hp tractor was used as the traction power，and the 18 kW engine was used as the driving force for slipforming．The combination of virtual design and prototype test was applied，and an adaptive height adjustment system，a four-column double-cylinder synchronous hydraulic system，a high-pressure water cleaning system and an adaptive turning system were designed for the new slipform curb machine．The experimental results show that the operating speed is 2 ～14．5 m·min－1，the transfer speed reaches 35 m·h－1，the slipforming surface is smooth and meets the design requirements，which can provide reference for the improvement of the new slipform curb machine．

curb;slipform paver;high-pressure cleaning system;adaptive adjustment

U417．4

B

1000-033X(2017)10-0106-05

2017-03-12

河北省高等學?？茖W技術(shù)研究重點項目(ZD2015029)

陳立東(1973-)，男，河北唐山人，副教授，碩士，研究方向為機械創(chuàng)新設(shè)計與試驗。

［責任編輯:王玉玲］