智能路沿石打槽放樣一體機的設計*

李順秋，王中長

（濱州學院機電工程學院，山東濱州 256603）

0 引言

我國公路交通行業堅決貫徹落實黨中央改革開放的一系列方針政策，始終勇立時代發展潮頭，實現了跨越式發展。中國的交通運輸正處于全面支持小康社會的建設，優化網絡布局的關鍵時期和過渡時期[1]。進入現代化的新階段，必須提高交通建設質量、效率和技術更新。隨著大量的資金投入，大規模的道路建設正在如期展開。在道路鋪設的路面鋪設以及其他方面，我國已經擁有了大量成熟裝備，能夠滿足現有的發展規模[2]，但路沿石的鋪設放樣工作卻依舊停留在人工鋪設的階段，現有裝備只能將路沿石待鋪設的溝槽進行加工，可剩余工序只能人工進行。路沿石材質有混凝土、大理石不等，可相同點就是重量大、不易移動，人工鋪設的效率很低[3-4]。在此前，路沿石滑模機的發展以有近百年的歷史。最早的滑模機只是為了改變傳統的低效率的施工作業方式，且這些機器的特點歐式機型較大，造價昂貴，適合大規模的施工。目前的道路工程裝備市場，還未出現集打槽放樣為一體的專業設備，僅有的路沿石開槽設備和路緣石滑膜機，雖然已經比較成熟，但在功能上較為單一。因此，本文設計了一款自動化程度較高、適合國內施工地點分散工程規模小的路沿石打槽放樣一體機，與之前市面上已有的路沿石滑膜機相比節省80%的人力。解決路沿石放樣開槽效率低人工成本高的問題，實現單人獨立省力地完成路沿石放樣工程[5]，具有推廣應用價值。

1 整機設計

智能路沿石打槽放樣一體機設計理念旨在減少筑路成本，提升路沿石放樣質量水平，縮短建路工期，設計方向在于把路沿石放樣過程智能化，結構如圖1所示。分別由車輛支撐系統、全車動力系統、石料儲存臺、水泥定量干濕分離系統、破土開槽機構和車輛定位巡線系統等部分組成。其中，車輛支撐系統主要是由底部車架支撐著力，全車的動力系統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械運輸擺放到臺上，再由臺上滾輪依次運輸到放樣處使路沿石精準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整體結構

（1）水泥定量干濕分離系統主要由水泥干粉沙石儲存倉、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度由工程質量和進度決定。

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

（3）整體車身支架的設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，強度可靠，重量在保證強度的情況下得到了減輕。這樣的設計能夠減輕全車的質量，極大地節約了電能的消耗，增加了電池的續航能力。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向機構。

2 工作原理

智能路沿石打槽放樣一體機在STM32單片機為控制中樞的控制系統的作用下可實現全自動打槽、水泥鋪攤以及路沿石放樣的功能。機車發動后將開槽刀架放落至合適高度，開槽刀啟動高速轉動刀片使路面開槽平整，正轉啟動水泥攪拌倉內的攪拌電機將攪拌好的水泥砂漿經水泥通道管平整鋪攤在槽內，啟動攪拌電機反轉可對干濕分離的水泥和砂石進行攪拌以備下次路沿石的放樣。由大型機械設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輸到放樣口，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 關鍵部分設計

3.1 水泥干濕分離攪拌系統

為了能夠及時地將水泥漿運輸到現場，此設計采取即攪即用的方式，攪拌系統結構如圖2所示。干水泥儲存在儲存倉中通過攪拌棒攪動，促使干水泥及沙石落入攪拌倉內攪拌，再通過通道經出料口將水泥砂漿送至槽內，保證了施工過程的質量。

3.2 破土開槽機構

破土開槽機構由刀架、電動推桿、刀片、大功率電機組成，如圖3所示。其中可調刀架由電動推桿和25 mm鍍鋅方鋼焊接制成，最大能達到65°的臂展角度。

破土開槽機構與水泥干濕分離攪拌系統共同完成地表的整平工作。刀頭由2 mm高強度鋼板焊接制成，將大功率電機安裝在刀架上，動力傳輸使用六角梅花聯軸器，能夠滿足長時間高強度的破土作業。

圖2 水泥干濕分離攪拌系統

圖3 破土開槽機構

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，并在平板上鑲嵌了一個直流振動電機，能將水泥找平并振出內部氣泡，保證凝固后水泥的強度以及路沿石放樣平整，結構如圖4所示。

圖4 水泥振動裝置

4 控制系統設計

為了保證路沿石打槽放樣一體機能夠合理且順暢的工作，設計的設備以機電一體化為基礎控制理念。以STM32單片機（圖5）為控制中樞，與此同時還運用了L298N電機驅動模塊、水平激光儀、電機驅動器、以及降壓穩壓模塊等電器元件來進行輔助配合，實現自動完成路沿石打槽、水泥鋪攤、放樣、振動的智能設計[9]。

圖5 STM32f103單片機系統

圖6 控制系統及獨立開關

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

以獨立開關作為輔助控制核心，通過線性鍵盤、減速電機和調速器等元件（圖6），以及在電源部分設計的過流和過載保護，進一步增加控制系統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，提高了工作效率，減輕了工作人員的負擔。

5 樣機制作與試驗

按如上設計理念試制出來的樣機基本達到路沿石打槽放樣的效果。測試結果如表1所示，智能路沿石打槽放樣一體機最快每分鐘可放樣6塊路沿石，且樣機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，放樣水準達到施工基本要求。

表1 智能路沿石打槽放樣一體機放樣質量標準

6 結束語

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、單人無法獨自完成作業等問題。順利實現智能控制、自動打槽、水泥鋪攤、路沿石放樣的自動化，并通過樣機試制實驗實現了路沿石放樣工藝所需的基本功能，實現了路沿石放樣一體機多功能的目的。為同類型路沿石放樣設備設計提供了一種可行的參考方案，為路沿石機器多功能化、智能化指出了參考方向。