CN110485427B - 一种高陡边坡喷砼装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于高陡边坡的喷砼装置，其包括车体，以及设置于所述车体上的送料机构、折叠臂机构、转台、重心调节机构和控制机构，其中：所述送料机构用于容纳混凝土且为其喷射提供动力；所述折叠臂机构用于提供通道以将混凝土喷射至所述车体外预定位置；所述转台用于承载所述折叠臂机构以调节所述折叠臂机构的延伸方向；所述重心调节机构用于根据所述喷砼装置所处表面的坡度α以及所述折叠臂机构的延伸方向和距离调节所述喷砼装置的重心。

Description

一种高陡边坡喷砼装置

技术领域

本发明涉及混凝土自动喷射领域，尤其涉及一种适用于高陡边坡的喷砼装置。

背景技术

在绿化工程中，山体绿化一直是个难点，尤其是陡峭的坡面的绿化。现有技术中为了实现对陡峭坡面的绿化，通常需要在这些陡峭坡面上形成混凝土坡面和相应的支护边坡体系，其中会借助移动式混凝土喷射装置来实现对野外坡面上的喷砼操作。

常见的移动式混凝土喷射装置为混凝土泵车，它是将用于泵送混凝土的泵送系统和用于布料的臂架系统集成在汽车底盘上的专用工程机器。它集混凝土的输送和浇注工序于一体，具有灵活机动、施工程序简单、工作效率高、浇注质量好等优点。

然而，现有的混凝土喷射一般都是采用直线伸缩臂的方式来实现混凝土的喷射，但是出于稳定性考虑，伸缩臂在伸长后的臂长受限，喷射距离有限，难以用于陡边坡场景的应用范围。现有技术中还提出采用折叠臂组件的喷射车方案，其中借助折叠臂结构实现纵向叠加而非横向叠加，使得臂组件不受诸如车身长度的影响，延长了喷车的喷射距离。但是，现有技术中的这些混凝土喷射车方案基于稳定性问题，不适合停留在坡面表面上作业，导致其作为范围受限于臂长。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种适合在坡面上稳定作业，使得能够作用于陡边坡进行混凝土喷射操作的喷砼装置。

本发明的用于高陡边坡的喷砼装置包括车体，以及设置于所述车体上的送料机构、折叠臂机构、转台、重心调节机构和控制机构，其中：所述送料机构用于容纳混凝土且为其喷射提供动力；所述折叠臂机构用于提供通道以将混凝土喷射至所述车体外预定位置；所述转台用于承载所述折叠臂机构以调节所述折叠臂机构的延伸方向；所述重心调节机构用于根据所述喷砼装置所处表面的坡度α以及所述折叠臂机构的延伸方向和距离调节所述喷砼装置的重心。

进一步地，所述车体包括底盘和倾斜探测模块；所述倾斜探测模块包括垂直加速度计、水平加速度计、速度传感器和数据处理单元；所述速度传感器用于获取所述喷砼装置的车轮的速度；所述垂直加速度计用于获取在所述喷砼装置的坐标系下的垂直加速度A_Z；所述水平加速度计用于获取在所述喷砼装置的坐标系下的水平加速度A_X；所述数据处理单元被设置成根据所述速度传感器、所述垂直加速度计和所述水平加速度计的输出计算所述喷砼装置所处表面的坡度α和所述喷砼装置在所述表面上的仰角β。

更进一步地，所述数据处理单元被设置成根据关系式(3)和(4)获得所述坡度α的实际值α_r和所述仰角β的实际值β_r：

α_r＝J_α+K_α*α_T+L_α*α_T ² (3)

β_r＝J_β+K_β*β_T+L_β*β_T ² (4)

其中，所述α_T和所述β_T依据关系式(1)和(2)获得：

A₁β-0.5g(α+β)²+g＝A_z (1)

-0.5A₁β²+g(α+β)-A₁＝A_x (2)

g为地球的重力加速度；行进加速度A₁根据所述车轮的速度计算获得；并且，事先利用多个实测值α_r和β_r，以及相应的多个计算值α_T和β_T，基于最小二乘法确定得到所述系数J_α、K_α和L_α以及J_β、K_β和L_β。

进一步地，所述送料机构包括料仓、料泵和空气压缩单元；所述料仓用于容纳混凝土，其设置在所述喷砼装置的重心位置上；所述料泵和所述空气压缩单元为所述料仓内的混凝土提供动力，使其能够经由所述折叠臂组件向外输送。

进一步地，所述折叠臂机构包括多个输送臂，相邻的所述输送臂之间通过关节连接且分别由液压单元进行驱动；所述液压单元包括电源、变压器、电机、双向液压泵、液压蓄能器、驱动液压缸和液压控制回路；所述电源通过所述变压器向所述电机提供电功率；所述电机驱动所述双向液压泵向所述液压控制回路提供加压油；所述液压控制回路控制对所述驱动液压缸内的加压油的加注，从而控制与所述驱动液压缸连接的所述输送臂的运动。

更进一步地，所述液压控制回路包括换向阀、单向阀、第一变量泵、定量泵、第二变量泵和转速器；所述双向液压泵依次经由所述第一变量泵和所述单向阀连接所述驱动液压缸；所述驱动液压缸通过所述换向阀连接所述定量泵，所述定量泵通过所述第二变量泵连接所述液压蓄能器；所述转速器用于对所述驱动液压缸进行速度控制；所述液压控制回路被设置成：当收回所述折叠臂时，来自所述驱动液压缸的液压油经由所述换向阀驱动所述定量泵，所述定量泵带动所述第二变量泵，从而对所述液压蓄能器进行增压充液；且当抬起所述折叠臂时，打开所述换向阀，所述液压蓄能器中的液压油驱动所述第二变量泵，所述第二变量泵驱动所述定量泵，从而对注入所述驱动液压缸中的液压油进行增压。

进一步地，所述重心调节机构包括沿圆周均匀分布的多个气动调节单元，以便根据所述坡度α以及所述折叠臂的作业方向和距离调节所述喷砼装置的重心；所述气动调节单元包括固定板、活动板、第一气囊、第二气囊及距离传感器；所述固定板固定连接在所述底盘上，其一端通过铰链与所述活动板的一端连接；所述第一气囊固定于所述固定板上，所述第二气囊固定于所述活动板上，且所述第一气囊和所述第二气囊在靠近所述铰链的一端形成气体联接，从而形成剪刀口形状；所述固定板中开有气孔和气道，所述气孔与所述第一气囊形成气体联通，并且所述气孔通过所述气道与所述空气压缩机形成气体联通；所述距离传感器设置在所述活动板的远离所述铰链的那端以检测所述活动板相对于所述固定板之间的距离变化；所述转台连接所述活动板。

更进一步地，所述重心调节机构被设置成：事先根据在不同的所述坡度α下，所述折叠臂的不同作业方向和距离所对应的所述喷砼装置的重心变化，确定所述重心调节机构对所述转台的方位的调节量，并建立相应的映射表。

进一步地，本发明的喷砼装置还包括控制盒，所述控制盒包括上盒、下盒和中间组件，所述上盒和所述下盒借助所述中间组件以可拆卸的方式装配在一起。

更进一步地，所述中间组件包括第一元件和第二元件；所述第一元件具有水平部，其沿水平方向具有靠外侧的第一端部和靠内侧的第二端部；在所述水平部的第二端部向下延伸形成有第一突出部；在所述水平部的上表面向上形成有第二突出部，且在所述水平部的下表面向下形成有第三突出部，其中，所述第三突出部位于所述第二突出部的外侧；在装配状态下，所述第二突出部与所述上盒的端面上的凹陷部形成紧密接合，所述第三突出部与所述下盒的端面上的凹陷部形成紧密接合；所述第二元件具有固定部和缓冲部；所述固定部固定连接在所述下盒的内侧面上；所述缓冲部包括从所述固定部下端延伸形成的近似半圆弧段，以及从所述半圆弧段关于竖直方向成15-25度向外侧延伸的直线段；在装配状态下，所述直线段与所述第一元件的第一突出部形成接触。

附图说明

图1示出了本发明的喷砼装置的原理框架图；

图2示出了本发明的重心调节机构的气动调节单元的结构原理图。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

如图1所示，本发明的喷砼装置包括车体，以及设置于车体上的送料机构、折叠臂机构、转台、重心调节机构和控制机构。

车体包括底盘和倾斜探测模块。本领域技术人员知晓，车体中通常配置有垂直加速度计、水平加速度计和速度传感器，例如水平加速度计通常设置在防抱死系统中，速度传感器通常设置车轮上以实现车速监测。因此，本发明仅基于车辆已有的垂直加速度计、水平加速度计和速度传感器，结合创新的检测方式，实现了用于对车辆倾斜状态实时检测的倾斜探测模块。

因此，本发明的倾斜探测模块包括垂直加速度计、水平加速度计、速度传感器和数据处理单元。

在倾斜探测模块中，速度传感器获取四个车轮的速度；垂直加速度计获取车辆坐标系下的垂直加速度A_Z；水平加速度计获取车辆坐标系下的水平加速度A_X。

数据处理单元基于车轮速度信息计算出当前行进加速度A₁。作为示例，可以对四个车轮速度求平均以得到车辆当前行进速度，再基于当前行进速度的变化计算出当前的行进加速度A1。

随后，数据处理单元依据以下关系式(1)和(2)计算出喷砼装置当前所处地面的坡度α的计算值α_T，以及喷砼装置当前相对地面的仰角β的计算值β_T：

A₁β-0.5g(α+β)²+g＝A_z (1)

-0.5A₁β²+g(α+β)-A₁＝A_x (2)

其中，g为地球的重力加速度。

倾斜探测模块的数据处理单元再基于以下关系式(3)和(4)根据计算值α_T和β_T得到坡度α和仰角β的实际值：

α_r＝J_α+K_α*α_T+L_α*α_T ² (3)

β_r＝J_β+K_β*β_T+L_β*β_T ² (4)

其中，系数J_α、K_α和L_α以及J_β、K_β和L_β可以在事先利用多个实测值α_r(i)和β_r(i)，以及相应的多个计算值α_T(i)和β_T(i)，基于最小二乘法确定得到。在此，由于特殊地采用了关系式(3)和(4)中的二次拟合函数，使得能够很好地实现测量值与实际值之间的修正，从而利用车辆已有测量元件精确地实时获得喷砼装置所处坡面值及其在坡面上的仰角值，使得后续的重心调节操作成为可能。

送料机构包括料仓、料泵和空气压缩单元。料仓容纳待喷射的混凝土，其设置在喷砼装置的重心位置上，因此，喷砼装置的重心不会在喷砼作业过程中因料仓内混凝土量发生变化而变化，这对于本发明的喷砼装置的重心控制，从而适于高陡坡作业。料泵和空气压缩单元为料仓内混凝土提供动力，使其能够经由折叠臂组件向外输送。

折叠臂机构包括多个输送臂，相邻臂之间通过关节连接且分别由液压单元进行驱动。

在本发明中，液压单元包括电源、变压器、电机、双向液压泵、液压蓄能器、驱动液压缸和液压控制回路。

电源通过变压器向电机提供电功率，电机驱动双向液压泵工作以使得能够借助双向液压泵在相反的两个方向上向液压控制回路提供加压油。液压控制回路控制对驱动液压缸内的加压油的加注，从而控制与驱动液压缸连接的折叠臂的运动。在本发明中，由于双向液压泵的存在，可以避免控制阀的使用，从而减少压力损失。

液压控制回路包括换向阀、单向阀、变量泵、定量泵、变量泵和转速器。双向液压泵依次经由变量泵和单向阀连接驱动液压缸。驱动液压缸还通过换向阀连接定量泵，定量泵通过变量泵连接液压蓄能器。转速器用于接收速度命令以对驱动液压缸进行速度控制。

在开始工作中，电机驱动双向液压泵向驱动液压缸内注入加压油，使驱动液压缸进行延伸动作(其通常对应于折叠臂的抬起操作)，其中借助转速器对驱动液压缸中驱动杆的运动速度进行控制。

当要收回折叠臂时，双向液压泵停止提供动力，因此驱动液压缸中的液压油将在折叠臂的重力作用下从缸体内流出，流出的液压油将经由换向阀驱动定量泵，定量泵带动变量泵，因此能够借助定量泵和变量泵的作用对液压蓄能器进行增压充液，从而实现对驱动能量的回收。

在下次折叠臂抬起操作中，液压蓄能器中的高压液压油驱动变量泵和定量泵，从而对注入驱动液压缸中的液压油进行增压，从而驱动折叠臂的延伸运动。当液压蓄能器中的压力不足时，将启动双向液压泵提供动力。由此可见，在本发明的液压单元中不仅可以实现速度可控的折叠臂延伸和收回操作，而且还能够实现部分能量的回收利用，大大提高液压能效。

折叠臂机构设置在转台上，因此能够借助转台调节折叠臂(即砼喷射)的作业方向。

转台通过重心调节机构与车体底盘连接。重心调节机构根据喷砼装置所处坡面的坡度和折叠臂的当前作业距离来调节装置整体的重心，以确保喷砼装置在坡面作业中的稳定性。

重心调节机构包括沿圆周均匀分布的多个气动调节单元。

如图2所示，气动调节单元包括固定板、活动板、第一气囊、第二气囊及距离传感器。固定板固定连接在车体的底盘上，其一端通过铰链与活动板的一端连接。第一气囊固定于固定板上，第二气囊固定于活动板上，且第一气囊和第二气囊在靠近铰链的一端形成气体联接，从而形成剪刀口形状。固定板中开有气孔和气道，该气孔与第一气囊形成气体联通，并且气孔通过气道与空气压缩机形成气体联通。在这种结构下，通过向气囊中注入和抽离空气，能够方便地调节固定板和活动板之间的夹角。距离传感器设置在活动板的远离铰链的那端以检测活动板相对于固定板之间的距离变化，以便获得活动板与固定板之间的夹角变化。

转台连接气动调节单元的活动板，因此，通过控制气动调节单元改变活动板与固定板之间的夹角，能够方便地改变转台的方位。借助这种方位调节，使得能够补偿由于折叠臂延展作业引起的喷砼装置整体重心的偏移(这种重心偏移往往会影响作业过程中坡面上的喷砼装置的稳定性，从而限制折叠臂的延展范围，即导致在不同坡面上允许不同程度的最大延展范围)，从而能够最大程度地利用折叠臂的作业范围。

在本发明中，事先根据不同坡度α下折叠臂的不同作业方位和距离所对应的车辆整体重心变化值，确定重心调节机构对转台方位的调节量，并建立相应的映射表。因此，当喷砼装置在坡面上作业时，控制机构能够方便且迅速地依据倾斜探测模块提供的坡度值α、折叠臂的作业方位和距离，控制重心调节机构对转台的方位进行调节，使得喷砼装置在作业过程中处于稳定状态下。由于能够安全稳定地在坡面上作业，因此，本发明的喷砼装置能够很好地借助有限的折叠臂应用于高陡边坡的混凝土喷射作业。此外，由于本发明的重心调节机构的气囊设计，还能够为折叠臂提供非常有效的缓冲作用，缓解作业过程中由于混凝土喷射动作对折叠臂的冲击作用，提高作业稳定性，改善设备使用寿命。

由于混凝土喷射装置的使用场景具有高灰尘和高振动等特点，因此，在本发明的喷砼装置中还设有控制盒，其用于容纳控制机构，以免控制机构的电路结构和敏感电子元件受到灰尘和/或振动影响。

在本发明中，控制盒包括上盒、下盒和中间组件。上盒和下盒借助中间组件装配在一起，以提供方便拆卸的密封结构。

中间组件包括第一元件和第二元件，第二元件的弹性大于第一元件的弹性。

第一元件具有水平部，其沿水平方向具有靠外侧的第一端部和靠内侧的第二端部。在水平部的第二端部向下延伸形成有第一突出部；在水平部的上表面向上形成有第二突出部，且在水平部的下表面向下形成有第三突出部，其中，第三突出部位于第二突出部的外侧。在装配状态下，第二突出部与上盒端面上的凹陷部形成紧密接合，第三突出部与下盒端面上的凹陷部形成紧密接合。

第二元件具有固定部和缓冲部。固定部固定连接在下盒的内侧面上。缓冲部包括从固定部下端延伸形成的近似半圆弧段，以及从半圆弧段关于竖直方向成15-25度向外侧延伸的直线段。在装配状态下，该直线段将与第一元件的第一突出部形成接触。因此，借助第一元件和第二元件之间的这种配合结构，在装配状态下，第二元件会向第一元件的第二端部施加一个倾斜向上的作用力，这种作用力有利于加强第二和第三突出部与上盒和下盒之间的结合作用。并且，无论控制盒受到何种方向的外部作用力，第二元件的缓冲部都能够提供一定的缓中作用，并在提供这种缓冲作用的同时会对第一元件的第二端部施加更大的倾斜向上的作用力，从而进一步稳固控制体的密封连接。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，且在不发生矛盾的情况下，上述各种替换方式可以相互组合使用。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种用于高陡边坡的喷砼装置，其包括车体，以及设置于所述车体上的送料机构、折叠臂机构、转台、重心调节机构和控制机构，其中：

所述车体包括底盘；

所述送料机构用于容纳混凝土且为其喷射提供动力；

所述折叠臂机构用于提供通道以将混凝土喷射至所述车体外预定位置；

所述转台用于承载所述折叠臂机构以调节所述折叠臂机构的延伸方向；

所述重心调节机构用于根据所述喷砼装置所处表面的坡度α以及所述折叠臂机构的延伸方向和距离调节所述喷砼装置的重心，所述转台通过所述重心调节机构与所述底盘连接；并且，

所述重心调节机构包括沿圆周均匀分布的多个气动调节单元，以便根据所述坡度α以及折叠臂的作业方向和距离调节所述喷砼装置的重心；

所述气动调节单元包括固定板、活动板、第一气囊、第二气囊及距离传感器；

所述固定板固定连接在所述底盘上，其一端通过铰链与所述活动板的一端连接；

所述第一气囊固定于所述固定板上，所述第二气囊固定于所述活动板上，且所述第一气囊和所述第二气囊在靠近所述铰链的一端形成气体联接，从而形成剪刀口形状；

所述固定板中开有气孔和气道，所述气孔与所述第一气囊形成气体联通，并且所述气孔通过所述气道与空气压缩机形成气体联通；

所述距离传感器设置在所述活动板的远离所述铰链的那端以检测所述活动板相对于所述固定板之间的距离变化；

所述转台连接所述活动板。

2.如权利要求1所述的喷砼装置，其中，所述车体还包括倾斜探测模块；

所述倾斜探测模块包括垂直加速度计、水平加速度计、速度传感器和数据处理单元；

所述速度传感器用于获取所述喷砼装置的车轮的速度；

所述垂直加速度计用于获取在所述喷砼装置的坐标系下的垂直加速度A_Z；

所述水平加速度计用于获取在所述喷砼装置的坐标系下的水平加速度A_X；

所述数据处理单元被设置成根据所述速度传感器、所述垂直加速度计和所述水平加速度计的输出计算所述喷砼装置所处表面的坡度α和所述喷砼装置在所述表面上的仰角β。

3.如权利要求2所述的喷砼装置，其中，所述数据处理单元被设置成根据关系式(3)和(4)获得所述坡度α的实际值α_r和所述仰角β的实际值β_r：

α_r＝J_α+K_α*α_T+L_α*α_T ² (3)

β_r＝J_β+K_β*β_T+L_β*β_T ² (4)

其中，所述α_T和所述β_T依据关系式(1)和(2)获得：

A₁β-0.5g(α+β)²+g＝A_z (1)

-0.5A₁β²+g(α+β)-A₁＝A_x (2)

g为地球的重力加速度；行进加速度A₁根据所述车轮的速度计算获得；并且，事先利用多个实测值α_r和β_r，以及相应的多个计算值α_T和β_T，基于最小二乘法确定得到所述系数J_α、K_α和L_α以及J_β、K_β和L_β。

4.如权利要求1所述的喷砼装置，其中，所述送料机构包括料仓、料泵和空气压缩单元；

所述料仓用于容纳混凝土，其设置在所述喷砼装置的重心位置上；

所述料泵和所述空气压缩单元为所述料仓内的混凝土提供动力，使其能够经由所述折叠臂组件向外输送。

5.如权利要求1所述的喷砼装置，其中，所述折叠臂机构包括多个输送臂，相邻的所述输送臂之间通过关节连接且分别由液压单元进行驱动；

所述液压单元包括电源、变压器、电机、双向液压泵、液压蓄能器、驱动液压缸和液压控制回路；

所述电源通过所述变压器向所述电机提供电功率；

所述电机驱动所述双向液压泵向所述液压控制回路提供加压油；

所述液压控制回路控制对所述驱动液压缸内的加压油的加注，从而控制与所述驱动液压缸连接的所述输送臂的运动。

6.如权利要求5所述的喷砼装置，其中，所述液压控制回路包括换向阀、单向阀、第一变量泵、定量泵、第二变量泵和转速器；

所述双向液压泵依次经由所述第一变量泵和所述单向阀连接所述驱动液压缸；

所述驱动液压缸通过所述换向阀连接所述定量泵，所述定量泵通过所述第二变量泵连接所述液压蓄能器；

所述转速器用于对所述驱动液压缸进行速度控制；

所述液压控制回路被设置成：当收回所述折叠臂时，来自所述驱动液压缸的液压油经由所述换向阀驱动所述定量泵，所述定量泵带动所述第二变量泵，从而对所述液压蓄能器进行增压充液；且当抬起所述折叠臂时，打开所述换向阀，所述液压蓄能器中的液压油驱动所述第二变量泵，所述第二变量泵驱动所述定量泵，从而对注入所述驱动液压缸中的液压油进行增压。

7.如权利要求1所述的喷砼装置，其中，所述重心调节机构被设置成：事先根据在不同的所述坡度α下，所述折叠臂的不同作业方向和距离所对应的所述喷砼装置的重心变化，确定所述重心调节机构对所述转台的方位的调节量，并建立相应的映射表。

8.如权利要求1所述的喷砼装置，其还包括控制盒，所述控制盒包括上盒、下盒和中间组件，所述上盒和所述下盒借助所述中间组件以可拆卸的方式装配在一起。

9.如权利要求8所述的喷砼装置，其中，所述中间组件包括第一元件和第二元件；

所述第一元件具有水平部，其沿水平方向具有靠外侧的第一端部和靠内侧的第二端部；在所述水平部的第二端部向下延伸形成有第一突出部；在所述水平部的上表面向上形成有第二突出部，且在所述水平部的下表面向下形成有第三突出部，其中，所述第三突出部位于所述第二突出部的外侧；

在装配状态下，所述第二突出部与所述上盒的端面上的凹陷部形成紧密接合，所述第三突出部与所述下盒的端面上的凹陷部形成紧密接合；

所述第二元件具有固定部和缓冲部；所述固定部固定连接在所述下盒的内侧面上；所述缓冲部包括从所述固定部下端延伸形成的近似半圆弧段，以及从所述半圆弧段关于竖直方向成15-25度向外侧延伸的直线段；

在装配状态下，所述直线段与所述第一元件的第一突出部形成接触。

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