智能路沿石打槽放样一体机的设计*

李顺秋，王中长

（滨州学院机电工程学院，山东滨州 256603）

0 引言

我国公路交通行业坚决贯彻落实党中央改革开放的一系列方针政策，始终勇立时代发展潮头，实现了跨越式发展。中国的交通运输正处于全面支持小康社会的建设，优化网络布局的关键时期和过渡时期[1]。进入现代化的新阶段，必须提高交通建设质量、效率和技术更新。随着大量的资金投入，大规模的道路建设正在如期展开。在道路铺设的路面铺设以及其他方面，我国已经拥有了大量成熟装备，能够满足现有的发展规模[2]，但路沿石的铺设放样工作却依旧停留在人工铺设的阶段，现有装备只能将路沿石待铺设的沟槽进行加工，可剩余工序只能人工进行。路沿石材质有混凝土、大理石不等，可相同点就是重量大、不易移动，人工铺设的效率很低[3-4]。在此前，路沿石滑模机的发展以有近百年的历史。最早的滑模机只是为了改变传统的低效率的施工作业方式，且这些机器的特点欧式机型较大，造价昂贵，适合大规模的施工。目前的道路工程装备市场，还未出现集打槽放样为一体的专业设备，仅有的路沿石开槽设备和路缘石滑膜机，虽然已经比较成熟，但在功能上较为单一。因此，本文设计了一款自动化程度较高、适合国内施工地点分散工程规模小的路沿石打槽放样一体机，与之前市面上已有的路沿石滑膜机相比节省80%的人力。解决路沿石放样开槽效率低人工成本高的问题，实现单人独立省力地完成路沿石放样工程[5]，具有推广应用价值。

1 整机设计

智能路沿石打槽放样一体机设计理念旨在减少筑路成本，提升路沿石放样质量水平，缩短建路工期，设计方向在于把路沿石放样过程智能化，结构如图1所示。分别由车辆支撑系统、全车动力系统、石料储存台、水泥定量干湿分离系统、破土开槽机构和车辆定位巡线系统等部分组成。其中，车辆支撑系统主要是由底部车架支撑着力，全车的动力系统也将分为车辆行走和路沿石放样两部分。石料储存台是将提前由大型机械运输摆放到台上，再由台上滚轮依次运输到放样处使路沿石精准地滑落到铺摊好的槽中放样[6]。

图1 智能路沿石打槽放样一体机整体结构

（1）水泥定量干湿分离系统主要由水泥干粉沙石储存仓、搅拌棒、水泵、出料口组成。将水泥干湿分离，可以保证工作的时长和水泥强度由工程质量和进度决定。

（2）破土开槽机构用于现场水泥砂浆、路沿石放样地表整平。车辆定位控制系统采用自动、备用手动双系统操作增加施工车辆的稳定性，车辆的行进轨迹通过道路路边线的循迹来完成。

（3）整体车身支架的设计全部采用轻型的合成三角刚片，车架整体材料采用轻型三角钢架组成，使用氩弧焊焊接，强度可靠，重量在保证强度的情况下得到了减轻。这样的设计能够减轻全车的质量，极大地节约了电能的消耗，增加了电池的续航能力。此外，轮胎采用新型的合成橡胶轮胎，且车辆前端装有自动转向机构。

2 工作原理

智能路沿石打槽放样一体机在STM32单片机为控制中枢的控制系统的作用下可实现全自动打槽、水泥铺摊以及路沿石放样的功能。机车发动后将开槽刀架放落至合适高度，开槽刀启动高速转动刀片使路面开槽平整，正转启动水泥搅拌仓内的搅拌电机将搅拌好的水泥砂浆经水泥通道管平整铺摊在槽内，启动搅拌电机反转可对干湿分离的水泥和砂石进行搅拌以备下次路沿石的放样。由大型机械设备将石料放置石料储存台上由台上的滚轮传输带将石料运输到放样口，最后再沿着放样滑梯滑至铺摊好的水泥砂浆上安装完毕[7]。

3 关键部分设计

3.1 水泥干湿分离搅拌系统

为了能够及时地将水泥浆运输到现场，此设计采取即搅即用的方式，搅拌系统结构如图2所示。干水泥储存在储存仓中通过搅拌棒搅动，促使干水泥及沙石落入搅拌仓内搅拌，再通过通道经出料口将水泥砂浆送至槽内，保证了施工过程的质量。

3.2 破土开槽机构

破土开槽机构由刀架、电动推杆、刀片、大功率电机组成，如图3所示。其中可调刀架由电动推杆和25 mm镀锌方钢焊接制成，最大能达到65°的臂展角度。

破土开槽机构与水泥干湿分离搅拌系统共同完成地表的整平工作。刀头由2 mm高强度钢板焊接制成，将大功率电机安装在刀架上，动力传输使用六角梅花联轴器，能够满足长时间高强度的破土作业。

图2 水泥干湿分离搅拌系统

图3 破土开槽机构

3.3 水泥振动装置

考虑到水泥出料后形状不一及路沿石放样不平整，加设水泥振动装置。此装置通过一块3 mm厚振动板，形状类似于雪橇装置，方便前进，并在平板上镶嵌了一个直流振动电机，能将水泥找平并振出内部气泡，保证凝固后水泥的强度以及路沿石放样平整，结构如图4所示。

图4 水泥振动装置

4 控制系统设计

为了保证路沿石打槽放样一体机能够合理且顺畅的工作，设计的设备以机电一体化为基础控制理念。以STM32单片机（图5）为控制中枢，与此同时还运用了L298N电机驱动模块、水平激光仪、电机驱动器、以及降压稳压模块等电器元件来进行辅助配合，实现自动完成路沿石打槽、水泥铺摊、放样、振动的智能设计[9]。

图5 STM32f103单片机系统

图6 控制系统及独立开关

考虑到继电器的种类较多，控制系统的稳定性和对电气元件的保护，通过高低电平的变换控制电机的启停。

以独立开关作为辅助控制核心，通过线性键盘、减速电机和调速器等元件（图6），以及在电源部分设计的过流和过载保护，进一步增加控制系统抵抗电流的冲击能力。通过以上元件的配合使用，使路沿石打槽放样的全部工序一体式地实现，提高了工作效率，减轻了工作人员的负担。

5 样机制作与试验

按如上设计理念试制出来的样机基本达到路沿石打槽放样的效果。测试结果如表1所示，智能路沿石打槽放样一体机最快每分钟可放样6块路沿石，且样机的打槽效果较为平整，水泥铺摊厚度、平整度基本一致，两块路沿石放样高度差保证在±5 mm，缝宽保证在±3 mm，放样水准达到施工基本要求。

表1 智能路沿石打槽放样一体机放样质量标准

6 结束语

针对目前路沿石放样工艺存在自动化程度低、人工施工缓慢、效率低、单人无法独自完成作业等问题。顺利实现智能控制、自动打槽、水泥铺摊、路沿石放样的自动化，并通过样机试制实验实现了路沿石放样工艺所需的基本功能，实现了路沿石放样一体机多功能的目的。为同类型路沿石放样设备设计提供了一种可行的参考方案，为路沿石机器多功能化、智能化指出了参考方向。