摘要：为了完成钢箱梁桥面的石子铺装工作，设计了基于单片机控制技术的石子铺装小车。该小车主要由车身、振动布料装置及控制系统等部分组成。其中，车身采用步进电机驱动；振动布料装置主要采用的双电机带动偏心块同步反方向转动，产生的激振力传递到料槽上，通过料槽的振动把石子铺装到桥面上；控制系统以单片机为核心，通过传感器等辅助部件，可实现小车的行走速度和料斗出料速度的控制等功能。该小车具有稳定可靠的性能，提高了效率，减少了石子铺装成本。
关键词：单片机；振动结构；激振力；小车钢桥是我国主要的桥型之一，其中钢箱梁桥的应用比较广泛，钢箱梁桥有重量轻、抗弯和抗扭刚度大、安装迅速、跨越能力大等优点，在城市立交桥、大型跨江海桥梁工程中应用广泛。
在钢箱梁桥的建设过程中，钢箱梁桥搭建好以后，进行桥面铺装的工作，尤其在大跨径的钢箱梁建设中，桥面的铺装工程极为重要。桥面的铺装的好坏直接影响到行车的安全性、舒服度、桥梁的寿命、社会效益，桥面铺装的好坏成为评价钢箱梁桥的建设的成功与否标准之一。在桥面铺装的过程中，要先在桥面上铺装上一层石子，然后在石子上铺上环氧沥青混凝土[1]。尤其是在石子的铺装过程中，石子铺装的效果要达到单层、均匀、无间隙。随着科技水平的迅速发展，各种生产的自动化水平越来越高，但现在国内石子的铺装，主要采用人工铺装，这种铺装方式精度低，生产成本高，耗费大量人力和物力。而且随着生产工作环境越来越复杂化，这种人工铺装的方式已经不再合适。针对以上情况，我们设计了石子铺装小车，满足了生产需要，该石子铺装小车效率高，石子可以均匀、整齐、无间隙地铺在钢箱梁的桥面上。
1、石子铺装小车的主要组成
石子铺装小车主要由车身、振动布料机构及控制系统等部分组成。车身采用步进电机驱动，通过链传动的方式带动车轮转动来实现小车的行走。料斗通过两个气缸[2]控制阀门的开关来控制石子的流量。石子铺装小车的振动布料机构主要采用，双电机带动偏心块同步反向转动，产生合成的激振力传递到料槽上，通过料槽的振动，实现石子的铺装。控制系统以单片机为核心，控制小车的启停，以及通过光电传感器的检测来判断石子是否出现卡槽的情况，来及时调整小车的工作状态。在小车铺装石子的过程中，通过 CCD 传感器采集石子铺装的图像[3]，进行二值化处理，判断石子铺的是否均匀，如果没有达到预期的效果，通过调节料斗的出料速度和小车的行走速度之间的关系，以达到石子均匀、单层、无间隙的铺装在钢箱梁桥面上。如图1 所示，石子铺装设备由车轮、弹簧、步进电机、偏心块、料斗、车架等零件组成。
图 1 石子铺装设备结构示意图
2、振动布料结构的设计与研究
该设备振动结构主要采取的是电机轴带动偏心质量块高速旋转，通过产生的离心力得到激振力，振动机构采用了两个相同型号的电机，两电机相对于机体纵向对称面对称安装，前后减震弹簧与质心的刚度距相等，转向相反，这样合成激振力作用线通过质心，振动轨迹应为一条位于机体纵向对称面且与水平方向呈一定夹角的直线[4]，在这种状态下料槽的运动应该为直线振动，石子在料槽内沿直线运动并且沿着料槽的宽度方向分散，石子最终在料槽出口端均匀单层分布[5]。
电机高速旋转带动偏心块同步旋转，偏心质量产生离心力，离心力通过电机轴传到电机壳体和机座上，带动料槽产生周期性振动，此产生的激振力的大小由偏心块的偏心质量、偏心距、旋转频率决定。振动布料结构力学模型的建立，如图 2 所示。
图 2 振动结构力学模型
石子在料槽上受到料槽振动的作用，同时受到自身的重力作用，在石子铺装小车工作的同时，车架也会产生振动，轮胎与地面也会产生弹性形变，对石子铺装小车整体来说可以简化成一个弹性系统[6]。根据达朗伯原理，可得微分方程：
式（1）为一线性非齐次方程，故其解由非齐次方程的任意特解和相应齐次方程的通解组成，特解和通解分别为稳态相应和瞬态响应，系统的瞬态响应因为系统阻尼作用逐渐衰退直至消失，最后只剩下稳态响应。稳态响应本质是一个简谐振动，其频率和激振力频率相等。
3、单片机控制系统
控制系统以 STC89C52 为核心[7-8]。主要实现的功能是：①实现设备的启动和停止；②控制料斗的出料速度；③通过对料道上光电传感器的监测，感知石子的运动情况，如果发生石子被卡住，光电传感器在一定时间内没有检测到石子，系统会启动报警装置，自动切断电源；④用 CCD图像传感器采集石子铺装的图像，然后进行二值化处理，以此来匹配料斗的出料速度和石子铺装设备的行走速度。
石子铺装小车工作过程如下：①小车系统得电后，电机带动链条，链条带动车轴转动，于此同时气缸控制阀门打开一定的角度，石子开始从料槽流出。②电机带动偏心块开始转动，合成的激振力通过支座传递到料槽上，通过料槽的振动石子向料槽的宽度方向扩散。③光电传感器检测料槽石子是否发生卡槽现象，如果发生卡槽现象，系统自动启动报警装置，切断电源。④石子铺装在钢箱梁桥面上后，CCD 传感器通过对石子铺装图像的处理来调节料斗出料的流量和小车速度之间的关系。
4、结束语
通过机械结构和单片机控制系统的综合设计，石子铺装设备可以广泛应用于钢箱梁的桥面铺装，和以往的人工铺装相比较，石子铺装设备的工作效率高，减少了劳动力，为企业节约了成本。实际表明，该设备可靠性高、反应灵敏、稳定性好。
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