李順秋，王中長

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

0 引言

我國公路交通行業(yè)堅決貫徹落實黨中央改革開放的一系列方針政策，始終勇立時代發(fā)展潮頭，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。中國的交通運(yùn)輸正處于全面支持小康社會的建設(shè)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布局的關(guān)鍵時期和過渡時期[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。在道路鋪設(shè)的路面鋪設(shè)以及其他方面，我國已經(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，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，造價昂貴，適合大規(guī)模的施工。目前的道路工程裝備市場，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)計了一款自動化程度較高、適合國內(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。解決路沿石放樣開槽效率低人工成本高的問題，實現(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)用價值。

1 整機(jī)設(shè)計

智能路沿石打槽放樣一體機(jī)設(shè)計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)計方向在于把路沿石放樣過程智能化，結(jié)構(gòu)如圖1所示。分別由車輛支撐系統(tǒng)、全車動力系統(tǒng)、石料儲存臺、水泥定量干濕分離系統(tǒng)、破土開槽機(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，全車的動力系統(tǒng)也將分為車輛行走和路沿石放樣兩部分。石料儲存臺是將提前由大型機(jī)械運(yùn)輸擺放到臺上，再由臺上滾輪依次運(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，可以保證工作的時長和水泥強(qiáng)度由工程質(zhì)量和進(jìn)度決定。

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

（3）整體車身支架的設(shè)計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)的作用下可實現(xiàn)全自動打槽、水泥鋪攤以及路沿石放樣的功能。機(jī)車發(fā)動后將開槽刀架放落至合適高度，開槽刀啟動高速轉(zhuǎn)動刀片使路面開槽平整，正轉(zhuǎn)啟動水泥攪拌倉內(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)，啟動攪拌電機(jī)反轉(zhuǎn)可對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存臺上由臺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

3.1 水泥干濕分離攪拌系統(tǒng)

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

3.2 破土開槽機(jī)構(gòu)

破土開槽機(jī)構(gòu)由刀架、電動推桿、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，動力傳輸使用六角梅花聯(lián)軸器，能夠滿足長時間高強(qiáng)度的破土作業(yè)。

圖2 水泥干濕分離攪拌系統(tǒng)

圖3 破土開槽機(jī)構(gòu)

3.3 水泥振動裝置

考慮到水泥出料后形狀不一及路沿石放樣不平整，加設(shè)水泥振動裝置。此裝置通過一塊3 mm厚振動板，形狀類似于雪橇裝置，方便前進(jìn)，并在平板上鑲嵌了一個直流振動電機(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 水泥振動裝置

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

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，與此同時還運(yùn)用了L298N電機(jī)驅(qū)動模塊、水平激光儀、電機(jī)驅(qū)動器、以及降壓穩(wěn)壓模塊等電器元件來進(jìn)行輔助配合，實現(xiàn)自動完成路沿石打槽、水泥鋪攤、放樣、振動的智能設(shè)計[9]。

圖5 STM32f103單片機(jī)系統(tǒng)

圖6 控制系統(tǒng)及獨(dú)立開關(guān)

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

以獨(dú)立開關(guān)作為輔助控制核心，通過線性鍵盤、減速電機(jī)和調(diào)速器等元件（圖6），以及在電源部分設(shè)計的過流和過載保護(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

按如上設(shè)計理念試制出來的樣機(jī)基本達(dá)到路沿石打槽放樣的效果。測試結(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

針對目前路沿石放樣工藝存在自動化程度低、人工施工緩慢、效率低、單人無法獨(dú)自完成作業(yè)等問題。順利實現(xiàn)智能控制、自動打槽、水泥鋪攤、路沿石放樣的自動化，并通過樣機(jī)試制實驗實現(xiàn)了路沿石放樣工藝所需的基本功能，實現(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。