智能路沿石打槽放樣一體機(jī)的設(shè)計(jì)*

李順秋，王中長(zhǎng)

（濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東濱州 256603）

0 引言

我國(guó)公路交通行業(yè)堅(jiān)決貫徹落實(shí)黨中央改革開(kāi)放的一系列方針政策，始終勇立時(shí)代發(fā)展潮頭，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。中國(guó)的交通運(yùn)輸正處于全面支持小康社會(huì)的建設(shè)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布局的關(guān)鍵時(shí)期和過(guò)渡時(shí)期[1]。進(jìn)入現(xiàn)代化的新階段，必須提高交通建設(shè)質(zhì)量、效率和技術(shù)更新。隨著大量的資金投入，大規(guī)模的道路建設(shè)正在如期展開(kāi)。在道路鋪設(shè)的路面鋪設(shè)以及其他方面，我國(guó)已經(jīng)擁有了大量成熟裝備，能夠滿足現(xiàn)有的發(fā)展規(guī)模[2]，但路沿石的鋪設(shè)放樣工作卻依舊停留在人工鋪設(shè)的階段，現(xiàn)有裝備只能將路沿石待鋪設(shè)的溝槽進(jìn)行加工，可剩余工序只能人工進(jìn)行。路沿石材質(zhì)有混凝土、大理石不等，可相同點(diǎn)就是重量大、不易移動(dòng)，人工鋪設(shè)的效率很低[3-4]。在此前，路沿石滑模機(jī)的發(fā)展以有近百年的歷史。最早的滑模機(jī)只是為了改變傳統(tǒng)的低效率的施工作業(yè)方式，且這些機(jī)器的特點(diǎn)歐式機(jī)型較大，造價(jià)昂貴，適合大規(guī)模的施工。目前的道路工程裝備市場(chǎng)，還未出現(xiàn)集打槽放樣為一體的專業(yè)設(shè)備，僅有的路沿石開(kāi)槽設(shè)備和路緣石滑膜機(jī)，雖然已經(jīng)比較成熟，但在功能上較為單一。因此，本文設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)化程度較高、適合國(guó)內(nèi)施工地點(diǎn)分散工程規(guī)模小的路沿石打槽放樣一體機(jī)，與之前市面上已有的路沿石滑膜機(jī)相比節(jié)省80%的人力。解決路沿石放樣開(kāi)槽效率低人工成本高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)單人獨(dú)立省力地完成路沿石放樣工程[5]，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)

智能路沿石打槽放樣一體機(jī)設(shè)計(jì)理念旨在減少筑路成本，提升路沿石放樣質(zhì)量水平，縮短建路工期，設(shè)計(jì)方向在于把路沿石放樣過(guò)程智能化，結(jié)構(gòu)如圖1所示。分別由車輛支撐系統(tǒng)、全車動(dòng)力系統(tǒng)、石料儲(chǔ)存臺(tái)、水泥定量干濕分離系統(tǒng)、破土開(kāi)槽機(jī)構(gòu)和車輛定位巡線系統(tǒng)等部分組成。其中，車輛支撐系統(tǒng)主要是由底部車架支撐著力，全車的動(dòng)力系統(tǒng)也將分為車輛行走和路沿石放樣兩部分。石料儲(chǔ)存臺(tái)是將提前由大型機(jī)械運(yùn)輸擺放到臺(tái)上，再由臺(tái)上滾輪依次運(yùn)輸?shù)椒艠犹幨孤费厥珳?zhǔn)地滑落到鋪攤好的槽中放樣[6]。

圖1 智能路沿石打槽放樣一體機(jī)整體結(jié)構(gòu)

（1）水泥定量干濕分離系統(tǒng)主要由水泥干粉沙石儲(chǔ)存?zhèn)}、攪拌棒、水泵、出料口組成。將水泥干濕分離，可以保證工作的時(shí)長(zhǎng)和水泥強(qiáng)度由工程質(zhì)量和進(jìn)度決定。

（2）破土開(kāi)槽機(jī)構(gòu)用于現(xiàn)場(chǎng)水泥砂漿、路沿石放樣地表整平。車輛定位控制系統(tǒng)采用自動(dòng)、備用手動(dòng)雙系統(tǒng)操作增加施工車輛的穩(wěn)定性，車輛的行進(jìn)軌跡通過(guò)道路路邊線的循跡來(lái)完成。

（3）整體車身支架的設(shè)計(jì)全部采用輕型的合成三角剛片，車架整體材料采用輕型三角鋼架組成，使用氬弧焊焊接，強(qiáng)度可靠，重量在保證強(qiáng)度的情況下得到了減輕。這樣的設(shè)計(jì)能夠減輕全車的質(zhì)量，極大地節(jié)約了電能的消耗，增加了電池的續(xù)航能力。此外，輪胎采用新型的合成橡膠輪胎，且車輛前端裝有自動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

2 工作原理

智能路沿石打槽放樣一體機(jī)在STM32單片機(jī)為控制中樞的控制系統(tǒng)的作用下可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)打槽、水泥鋪攤以及路沿石放樣的功能。機(jī)車發(fā)動(dòng)后將開(kāi)槽刀架放落至合適高度，開(kāi)槽刀啟動(dòng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)刀片使路面開(kāi)槽平整，正轉(zhuǎn)啟動(dòng)水泥攪拌倉(cāng)內(nèi)的攪拌電機(jī)將攪拌好的水泥砂漿經(jīng)水泥通道管平整鋪攤在槽內(nèi)，啟動(dòng)攪拌電機(jī)反轉(zhuǎn)可對(duì)干濕分離的水泥和砂石進(jìn)行攪拌以備下次路沿石的放樣。由大型機(jī)械設(shè)備將石料放置石料儲(chǔ)存臺(tái)上由臺(tái)上的滾輪傳輸帶將石料運(yùn)輸?shù)椒艠涌?，最后再沿著放樣滑梯滑至鋪攤好的水泥砂漿上安裝完畢[7]。

3 關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

3.1 水泥干濕分離攪拌系統(tǒng)

為了能夠及時(shí)地將水泥漿運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，此設(shè)計(jì)采取即攪即用的方式，攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。干水泥儲(chǔ)存在儲(chǔ)存?zhèn)}中通過(guò)攪拌棒攪動(dòng)，促使干水泥及沙石落入攪拌倉(cāng)內(nèi)攪拌，再通過(guò)通道經(jīng)出料口將水泥砂漿送至槽內(nèi)，保證了施工過(guò)程的質(zhì)量。

3.2 破土開(kāi)槽機(jī)構(gòu)

破土開(kāi)槽機(jī)構(gòu)由刀架、電動(dòng)推桿、刀片、大功率電機(jī)組成，如圖3所示。其中可調(diào)刀架由電動(dòng)推桿和25 mm鍍鋅方鋼焊接制成，最大能達(dá)到65°的臂展角度。

破土開(kāi)槽機(jī)構(gòu)與水泥干濕分離攪拌系統(tǒng)共同完成地表的整平工作。刀頭由2 mm高強(qiáng)度鋼板焊接制成，將大功率電機(jī)安裝在刀架上，動(dòng)力傳輸使用六角梅花聯(lián)軸器，能夠滿足長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度的破土作業(yè)。

圖2 水泥干濕分離攪拌系統(tǒng)

圖3 破土開(kāi)槽機(jī)構(gòu)

3.3 水泥振動(dòng)裝置

考慮到水泥出料后形狀不一及路沿石放樣不平整，加設(shè)水泥振動(dòng)裝置。此裝置通過(guò)一塊3 mm厚振動(dòng)板，形狀類似于雪橇裝置，方便前進(jìn)，并在平板上鑲嵌了一個(gè)直流振動(dòng)電機(jī)，能將水泥找平并振出內(nèi)部氣泡，保證凝固后水泥的強(qiáng)度以及路沿石放樣平整，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水泥振動(dòng)裝置

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證路沿石打槽放樣一體機(jī)能夠合理且順暢的工作，設(shè)計(jì)的設(shè)備以機(jī)電一體化為基礎(chǔ)控制理念。以STM32單片機(jī)（圖5）為控制中樞，與此同時(shí)還運(yùn)用了L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、水平激光儀、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、以及降壓穩(wěn)壓模塊等電器元件來(lái)進(jìn)行輔助配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成路沿石打槽、水泥鋪攤、放樣、振動(dòng)的智能設(shè)計(jì)[9]。

圖5 STM32f103單片機(jī)系統(tǒng)

圖6 控制系統(tǒng)及獨(dú)立開(kāi)關(guān)

考慮到繼電器的種類較多，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對(duì)電氣元件的保護(hù)，通過(guò)高低電平的變換控制電機(jī)的啟停。

以獨(dú)立開(kāi)關(guān)作為輔助控制核心，通過(guò)線性鍵盤、減速電機(jī)和調(diào)速器等元件（圖6），以及在電源部分設(shè)計(jì)的過(guò)流和過(guò)載保護(hù)，進(jìn)一步增加控制系統(tǒng)抵抗電流的沖擊能力。通過(guò)以上元件的配合使用，使路沿石打槽放樣的全部工序一體式地實(shí)現(xiàn)，提高了工作效率，減輕了工作人員的負(fù)擔(dān)。

5 樣機(jī)制作與試驗(yàn)

按如上設(shè)計(jì)理念試制出來(lái)的樣機(jī)基本達(dá)到路沿石打槽放樣的效果。測(cè)試結(jié)果如表1所示，智能路沿石打槽放樣一體機(jī)最快每分鐘可放樣6塊路沿石，且樣機(jī)的打槽效果較為平整，水泥鋪攤厚度、平整度基本一致，兩塊路沿石放樣高度差保證在±5 mm，縫寬保證在±3 mm，放樣水準(zhǔn)達(dá)到施工基本要求。

表1 智能路沿石打槽放樣一體機(jī)放樣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前路沿石放樣工藝存在自動(dòng)化程度低、人工施工緩慢、效率低、單人無(wú)法獨(dú)自完成作業(yè)等問(wèn)題。順利實(shí)現(xiàn)智能控制、自動(dòng)打槽、水泥鋪攤、路沿石放樣的自動(dòng)化，并通過(guò)樣機(jī)試制實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了路沿石放樣工藝所需的基本功能，實(shí)現(xiàn)了路沿石放樣一體機(jī)多功能的目的。為同類型路沿石放樣設(shè)備設(shè)計(jì)提供了一種可行的參考方案，為路沿石機(jī)器多功能化、智能化指出了參考方向。