筑路机械与施工机械化 ２０１ ７年 第３４卷 文章编号：ｉ０００—０３３Ｘ（２０１７）１０—０１０６—０５ 新型路缘石滑模机的初步设计 陈立东 ～，陈秀宏 ，王卫东。，郭广亮 ，刘荣昌 ，张 亮 ，冯利臻 ，李国 （１．河北科技师范学院机电工程学院，河北秦皇岛０６６６００；２．河北科技师范学院农业机械研究所， 河北秦皇岛０６６６００；３．中信渤海铝业控股有限公司，河北秦皇岛０６６０００； ４．秦皇岛科博工程机械制造有限公司，河北秦皇岛０６６６０４） 摘要：为了解决传统路缘石修筑方法费工、费时、效率低、质量差等问题，以１８ ｋＷ拖拉机发动机 为滑模作业动力源，采用虚拟设计与样机试验相结合的方法，为新型路缘石滑模机设计路面不平自 适应高度调整系统、四柱双缸并联同步液压系统、高压水清洗系统及自适应转弯系统。结果表明， 样机作业速度达到２４１４．５ ｍ・ｍｉｎ－。，转场速度达到３５ ｍ・ｈ一，滑模作业表面光滑，满足设计指 标要求，可为新型路缘石滑模机的改进提供借鉴。 关键词：路缘石；滑模机；高压清洗系统；自适应调整 中图分类号：Ｕ４１７．４ 文献标志码：Ｂ Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｎｅｗ Ｓｌｉｐｆｏｒｍ Ｃｕｒｂ Ｍａｃｈｉｎｅ ＣＨＥＮ Ｌｉ—ｄｏｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｘｉｕ—ｈｏｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｗｅｉ—ｄｏｎｇ。，ＧＵＯ Ｇｕａｎｇ—ｌｉａｎｇ ， ＬＩＵ Ｒｏｎｇ—ｃｈａｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉａｎｇ ，ＦＥＮＧ Ｌｉ—ｚｈｅｎ ，ＬＩ Ｇｕｏ—ｆａｎｇ （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 Ａｔｕｍｉｎｉｕｍ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｈｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６０００，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ；４．Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ Ｋｅｂｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６６０４，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｕｒｂ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｔｍｅ— ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ，ｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｐｏｏｒ ｑｕａｌｉｔｙ，ｔｈｅ ３５ ｈｐ ｔｒａｃｔｏｒ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ １ ８ ｋＷ ｅｎｇｉｎｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｆｏｒ ｓｌｉｐｆｏｒｍｉｎｇ．Ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｔｅｓｔ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ，ａｎｄ ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｈｅｉｇｈｔ ａｄｊ ｕｓｔｍｅｎｔ 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＿。，ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｐｅｅｄ ｒｅａｃｈｅｓ ３５ ｍ‘ｈ～，ｔｈｅ ｓｌｉｐｆｏｒｍｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｓ ｓｍｏｏｔｈ ａｎｄ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ５１ｉｐｆｏｒｍ ｃｕｒｂ ｍａｃｈｉｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｕｒｂ；ｓｌｉｐｆｏｒｍ ｐａｖｅｒ；ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ａｄａｐｔｉｖｅ ａｄｊ ｕｓｔｍｅｎｔ ０ 引 与人工作业方式相比，采取路缘石滑模自动成 作业效率，节约劳动力，降低作业成本，减少资源浪 费 。目前，国内现有的路缘石滑模机大多采用自 行方式，作业时虽然也能实现一定程度高度的调整， 但调整精度较低，作业后也需要运输车辆进行辅助 型机械进行路缘石浇筑成型，可以提高成型质量和 收稿日期：２０１７—０３一ｌ２ 基金项目：河北省高等学校科学技术研究重点项目（ＺＤ２０ｌ５０２９） 作者简介：陈立东（１９７３一），男，河北唐山人，副教授，硕士，研究方向为机械创新设计与试验。 Ｃ０ＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ＡＮＤ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ 转场，效率非常低，同时作业后由于工作装置与混凝 土物料之间有较强的黏附性［５。 ，需要专门运到清 重要组成部分，集控制技术、机械设计、液压传动、 检测与转换技术等于一体，主要由找平仪检测装 洗场地进行模具清洗，而清洗效果并不理想。因此， 开发性能良好、转场效率高且价格适中的路缘石滑 模机对促进道路施工机械技术进步、加快改善路缘 石施工方式具有重要作用。 置和控制系统等组成＿】 。当作业路面不平时，滑 模机通过高度调整系统在找平仪调高范围内实时 调整高度适应路面变化，使滑模机达到最佳作业 效果。 １ 新型路缘石滑模机的基本组成 新型路缘石滑模机主要由机体、物料输送装置、 物料成型装置、动力装置、行走装置、找平装置、升降 ２．１ 自适应高度调整控制系统的组成 滑模机作业时，首先由控制系统根据找平仪滑 杆的偏移信号自动输出滑模机在本作业面采样点的 高度控制信号，这些控制信号经Ｄ／Ａ转换、放大，施 加于高度调整液压系统，控制滑模机的四柱液压缸， 装置、牵引装置、高压清洗系统等组成，如图１所示。 ２ 路面不平自适应高度调整系统的设计 自适应高度调整系统是新型路缘石滑模机的 使滑模机上升或下降，对滑模机位置进行及时调整， 实现滑模机的自适应高度变化，以保证作业效果。 控制系统的组成如图２所示ｌ１引。 行 液压泵 图１新型路缘石滑模机的总体结构 设定基准ｌ 控制系统 ｌ高度控制信号 Ｄ／Ａ 转换 电压／功 率放大器 调高液 压系统 四柱 液压缸 滑模机 高度调整 滑模机位置 路 面 不 平 找平仪检测装置 图２ 自适应高度调整控制系统 ２．２ 自适应高度调整控制策略的选择 自适应高度调整控制系统采用了专家ＰＩＤ控 制算法口 “］，其控制器原理如图３所示。本控制系 统运行实践结果表明：控制器的鲁棒性好，控制精度 高，能很好地适应外界条件变化，有较强的抗干扰能 ３ 四柱双缸并联同步液压系统的设计 四柱双缸并联同步液压系统由４个双作用液压 缸、４个Ｍ型三位四通换向阀、４个液压锁组成。其 中滑模机前方设置２个液压缸，且分别与２个分流 集流阀连接，通过控制器控制２个液压缸且实现同 步升降口 ；另２个液压缸设置在滑模机后方，通过 力，在控制过程中专家ＰＩＤ控制器的控制与决策符 合人的思维逻辑，有较高的人工智能效果。 １Ｏ７ 筑路机械与施工机械化 ２０１ ７年 第３４卷 模机作业过程中的保压。 ３．１ 同步控制的前端液压系统 同步控制的前端液压系统由分流集流阀控制， 组成包括油箱、过滤器、液压泵、电动机、单向阀、先 导式溢流阀、三位四通换向阀、分流集流阀、双向液 压锁和液压缸。滑模机前端左右２个液压缸在下降 工进时，２ＤＴ通电吸合后三位四通换向阀右位接 通，液压油在液压泵作用下经单向阀、三位四通换向 幽３专冢ＰＩＤ控制器原理 阀、双向液压锁右侧单向阀进入有杆腔，无杆腔内液 控制器控制２个液压缸，实现独立升降，提高滑模机 的控制灵活性。四柱液压缸分别与连杆机构及滑模 机机架连接。４个三位四通换向阀分别与４个液压 锁通过油管相连，换向阀与换向阀之间串联连接。 四柱双缸液压原理如图４所示。 压油由分流集流阀以等分流量经液压锁、三位四通 换向阀后回油箱。滑模机需要调整上升时，液压缸 在１ＤＴ通电吸合后，三位四通电磁换向阀左位接 通，液压油经油泵、三位四通换向阀、双向液压锁进 入分流集流阀，等分流量进入双液压缸无杆腔，推动 滑模机工作过程中，液压泵在牵引拖拉机的带 动下将油箱中的液压油吸出，其中液压油经滤油器 过滤后分为二路：一路经过先导式溢流阀调压后连 接油箱，具有对系统的调压功能；另一路流经单向阀 滑模机机体前端同步上升，有杆腔的液压油经双向 液压锁后经三位四通换向阀流回油箱ｌ】 。本滑模 机液压系统油路２个方向分别有分流集流作用，有 效保证了２个液压缸在上升和下降时的同步运行， 进入三位四通换向阀、双向液压锁、分流集流阀后进 入液压缸的无杆腔，液压油从液压缸的有杆腔流出， 且同步精度较高。 ３．２独立控制与同步控制相结合的后端液压系统 经液压锁和三位四通换向阀返回油箱。 当三位四通换向阀处于中位时，由于原有的进 油和回油管路不通，系统保持原有压力，从而实现滑 为了提高滑模机升降系统的灵活性，滑模机后 端的２个升降液压缸采用独立控制与双缸同步液压 控制相结合的液压回路。该液压回路由３部分组 此处一个＇ａｌｌ缸动作另一只不会动因有液压锁 图４ 四柱双缸并联同步液压原理 １０８ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴ１０Ｎ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ＡＮＤ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ 成，即由液压锁及三位四通换向阀控制的２个独立 的控制回路和由分流集流阀控制的液压同步系 统 ”］，其组成包括油箱、过滤器、液压泵、单向阀、溢 流阀、３个串联的三位四通电磁换向阀、分流集流 阀、双向液压锁和液压缸，系统原理如图５所示。 左后缸Ｉ ｌ后 液压锁１厂＿卜１ １液压锁２ｒ千］ｃｈ液压锁３ 压力表 多 ｓ 向阀。 调 单向阀 、、Ｉｌ ／ 阀 图５ 独立控制与ｌ司步控制的后端液压原理 滑模机后端左右２个液压缸在滑模机工作过程 中可实现同步提升、同步下降或完成独立升降。在双 缸同步下降工进时，８ＤＴ通电吸合后三位四通电磁换 向阀右位接通，液压油在液压泵作用下经单向阀、３ 个串联的三位四通电磁换向阀后，经双向液压锁右侧 单向阀进入有杆腔，无杆腔内液压油由分流集流阀以 等分流量经液压锁、三位四通换向阀后回油箱。滑模 机需要调整同步上升时，液压缸在７ＤＴ通电吸合后 三位四通电磁换向阀左位接通，液压油经油泵、３个 三位四通换向阀后经双向液压锁进人分流集流阀等 分流量进入双液压缸无杆腔，推动滑模机机体前端同 步上升，有杆腔的液压油经双向液压锁后经三位四通 换向阀流回油箱。液压系统油路２个方向分别有分 流和集流作用，有效保证了２个液压缸在上升和下降 时的同步运行，且同步精度较高。 当需要独立控制后端液压缸进行升降动作时， 其工作过程为：液压泵将油箱中的油吸出，经过滤器 过滤后压出，其中一路经过溢流阀调压后连接油箱， 对系统具有调压功能，另一路经换向阀１后经过液 压锁进入左后液压缸完成其升降；当３ＤＴ通电吸合 后三位四通换向阀１左位接通，液压油经油泵、单向 阀、换向阀１左位、液压锁至左后液压缸有杆腔，推 动滑模机左后端下降；当４ＤＴ通电吸合后三位四通 换向阀１右位接通，液压油经油泵、单向阀、换向阀 １右位、液压锁至左后液压缸无杆腔，推动滑模机左 后端上升。同理，换向阀２用来控制右后液压缸的 升降。 ４滑模机模具高压水清洗系统 为了提高滑模机模具作业效果，滑模机在作业 完成后需要进行及时清洗，然而滑模机一般是在野 外作业，清洗作业不方便，特别是水源不好找。为 此，本项目滑模机利用牵引拖拉机的动力，增加设计 了模具高压水清洗系统，由动力传动装置、水泵、储 水箱、水管、高压水枪等组成，如图６所示。 列动 图６ 滑模机模具高压水清洗系统的组成 ５ 电控一液压式自适应转弯系统 牵引式滑模机虽然结构简单、转场效率高、自适 应好，但由于牵引拖拉机与滑模机体之间采用牵引连 接，且具有一定的距离，因此在进行弯道施工作业时， 滑模机随着牵引拖拉机的转弯而转弯，容易造成路缘 石滑模路径偏差，从而影响滑模效果。牵引拖拉机距 离模具越远，偏差就越大。为了能适应弯道路缘石滑 模特点，采用了电控一液压式自适应转弯系统 。 电控一液压式自适应转弯系统主要由弯道转弯 偏差传感器、弯道调整液压缸、流量控制阀、电液伺 服阀、电子控制单元、弯道标线等组成，如图７所示。 其基本的工作过程是：当滑模机进行弯道作业时，由 安装在滑模机上的转弯偏差传感器检测弯度偏差， 并将偏离信号传给电子控制单元（ＥｃＵ），电控单元 进行修正处理后，发出控制指令给液压系统电磁换 向阀、伺服阀等，为液压缸提供动力，从而实现机组 的自适应调整。 ｌ０９ 筑路机械与施工机械化 ２０１ ７年 第３４卷 达到了３５ ｋｍ・ｈ ，滑模作业效果如图８所示。本 机与其他同类机型的性能参数比较如表１所示。 转弯偏差传感器 牵引万向节 前右液压缸 图７ 电控一液压式自适应转弯系统的组成 ６样机作业试验 ２０１４年９月在贵州省平坝县进行了样机应用， 图８矩形断面路缘石滑模作业效果 ７ 结 语 为适应复杂的路缘石滑模机工作环境，同时考 综合性能 样机作业速度为２～１４．５ ｉｎ・ｒａｉｎ～，转场速度快， 性能指标 产品 作业效率 本机 ２～表１本机与其他同类产品技术经济指标对比 转场效率 ３５ ｋｍ・ｈ—ｌ 转弯误差校正 适应性 性价比 ｌ４．５ ｍ・ｍｉｎ－１ 自行转场 自动调整 普通路缘石及 通用性好，结构简单，转场方便，操作简单， 山区路缘石 维修便捷性价比好（每台１８万元） ，其他同类产品 １．３～１２ ｍ・ｍｉｎ一 通过其他专门运输 工具及起吊工具转场 普通路缘石 价格较高，结构复杂（每台３５￣５０万元） 虑节约生产成本，本文开发设计了转场效率高、易清 ［７］ 邢鹏飞．牵引式路缘石滑模摊铺机的设计与研究［Ｄ］．秦皇 洗且价格适中的牵引式路缘石滑模机。四柱双缸并 联同步液压系统提高了滑模机自适应高度调整的准 确度；由牵引拖拉机动力输出轴提供动力的高压水清 洗系统提高了滑模机组的使用方便性；电控一液压式 自适应转弯系统，对弯道路缘石滑模作业具有很好的 岛：河北科技师范学院，２Ｏ１５． ［８］ 张 奕．ＰＣ２００路缘石滑模机关键技术研究［Ｄ］．秦皇岛：燕 山大学，２ｏｌｏ． ［９］ 晟 华．江苏四明ＳＭＣ一５２２轮胎式滑模机［Ｊ］．产品大观， ２００９（１１）：３２． ［１０］ 郑成波．路缘石滑模机工作装置防粘技术研究［Ｄ］．西安：长 安大学，２００９． 纠偏效果，提高了弯道作业质量，减小了弯道施工误 差。本机采用通用的３５马力四轮拖拉机作为牵引动 力，在山区平直道路路缘石滑模作业的效果突出，效 率提高３～５倍，转场速度提高到３５ ｋｍ・ｈ一。 参考文献： ［ｉ］ 焦建民，张竹平，朱绍安，等．ＬＣＩ型路缘石自动成型［Ｊ］．筑路 机械与施工机械化，１９９３，ｉｏ（２）：４－７． ［１１］ 赵国普，徐宝国，周正明，等．水泥混凝土构造物滑模摊铺机自 动控制系统［Ｊ］．筑路机械与施工机械化，２０１５，３２（７）：９０—９４． ［１２］ 陈丹风，徐宝国，宋爱国，等．智能化履带滑模机测控系统设计 ［Ｊ］．测控技术，２Ｏｌ３，３２（７）：９５—９９． 『１３］ 张金焕．ＰＩＤ控制系统和模糊自适应ＰＩＤ控制系统的研究及 比较［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００５，２７（５）：２８６—２９０． ［１４］ 刘莉宏．基于智能控制的ＰＩＤ控制方式的研究［Ｊ］．北京工业 职业技术学院学报，２Ｏｌ２，１１（２）：３３—３８． ［１５］ 刘 飞．双缸四柱液压机同步控制系统仿真与研究［Ｄ］．上 海：上海工程技术大学，２０１６． ［２］ 张华，肖小芬．ＹＣＩ５型路缘石滑模机［Ｊ］．建筑机械化， １９９３（４）：２８—２９． ［３］ 赵国普，何慧国．路缘石滑模摊铺机在国内外的发展与应用 ［Ｊ］．筑路机械与施工机械化，２００９，２６（１１）：１６－２０． ［４］ 胡永彪，郑成波，康敬东，等．路缘石滑模施工设备及其施工技 术的发展［Ｊ］．筑路机械与施工机械化，２００９，２６（４）：３５—３７． ［１６］ 赵国普，于勤玲，徐宝国，等．路缘石水泥滑模摊铺机液压控制 系统［Ｊ］．筑路机械与施工机械化，２ｏｌ５，３２（１２）：４９—５３． ［１７］ 林涛，王欣，贾剑锋．同步分流阀在全液压平地机上的试 ［５］ 胡永彪，何挺继，陈蝶．我国筑路机械的现状与未来［Ｊ］．筑 验研究［Ｊ］．筑路机械与施工机械化，２００８，２５（５）：５２—５４． ［１８］ 郑凯峰．四轴重型车辆电控液压全轮转向系统研究［Ｄ］．北 京：北京理工大学，２０１４． 路机械与施工机械化，１９９８，１５（６）：２－４． ［６］ 晟 华．江苏四明ＳＭＣ－５２２轮胎式滑模机［Ｊ］．筑路机械与施 工机械化，２００９，２６（１１）：３２． ［责任编辑：王玉玲］ １１Ｏ