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-摊铺熨平板的动力学研究及计算机模拟仿真第1页1概述1.1引言近年来，随着我国经济的迅速发展，国家对公路建设的投资越来越大，特别是高速公路建设的投资，每年投资上千亿元，高速公路发展非常迅速。2004年中国高速公路里程新增4400公里，高速公路通车里程超过3.4万公里，居世界各国高速公路通车里程第二位；2005年底，我国高速公路里程达到4.1万公里。根据交通部最新公布的国家高速公路网规划，从2005年起到2030年，国家将斥资2万亿元，新建5.1万公里的高速公路，使我国高速公路的里程达到8.5万公里，高速公路的发展驶入快车道。对于高速公路如此大的投入,如此此快的发展速度，保证工程质量、提高施工效率，减少因过早破坏而导致的浪费，就显得尤为重要。与水泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、噪声小、养护简便等优点，因而得到广泛应用。据初步统计，在我国已建成的高等级公路中，沥青混凝土路面已经占到了75%以上。随着我国高速公路的发展，我国的公路施工技术已经路面质量已经有了较大提高，但是由于我国高速公路建设起步较晚，施工经验较少、施工法规不够科学合理、施工水平参差不齐，加上我国人口众多，交通量迅猛增长以及重型车比例增加（尤其是违法超重车辆现象存在严重），沥青路面在设计寿命（一般指建成通车到第一次大修的年限）内甚至是营运初期就开始出现一些早期破坏，如裂缝、车辙、松散、剥落等。沥青路面病害发生的原因是多方面的，其中包括路面设计不合理、施工质量水平不高、施工机械技术落后、养护管理不到位、交通量大、重车多，超载现象严重、水对路面结构的破坏、气候影响等因素。而其中一个最重要的原因就是施工质量存在问题。影响施工质量的因素也比较多，但最关键的因素就是沥青混合料的离析问题和压实度问题。由于我国幅员辽阔，高等级公路的规划里程和在建里程数量庞大，而建设资金并不是很充足，因此我国的公路施工企业对于在满足公路施工技术规范和质量要求的前提下，对于提高施工效率和降低施工成本有着更高的需求，这是我国公路建设与国外发达国家所面对问题的不同之处，是我国的国情所决定的。这也就决定了我国筑路机械行业和公路建设行业的专家学者的研究方向和研究热点。目前，解决提高施工效率、降低施工成本这一问题的重要途径之一就是采用大厚度、-摊铺熨平板的动力学研究及计算机模拟仿真第2页大宽幅抗离析摊铺技术，此孕育而生了大厚度、大宽幅抗离析摊铺机。本课题就是在这样的背景下提出的。1.2国内外摊铺机的发展及趋势1.2.1摊铺机技术的发展（1）国内摊铺机技术的发展我国的摊铺机工业起步较晚,20世纪60年代才有了自己的生产厂家。这些制造厂在引进国外技术的基础上进行生产,很大程度上受到国外技术发展的制约。1989年,徐州工程机械集团路面机械公司从德国VOGELE公司引进具有世界领先水平的沥青砼摊铺机生产制造技术,经过10多年的消化吸收、改进和技术创新,2000年形成了我国第一条年生产能力为500台的摊铺机装配流水线,并推出具有国际先进水平并代表我国摊铺机制造水平的RP8000型沥青砼摊铺机,该机采用当今世界先进的数字式、微电脑控制技术,整机技术性能接近当今世界先进水平。2001年,该公司与德国ABG公司合作。由于吸收了ABG和VOGELE两公司产品的优点,该公司现在推出的LTU125摊铺机质量较好。目前该公司是国内最具实力、品种最齐全的摊铺机生产制造厂家。陕西建设机械集团有限责任公司与德国ABG公司联合生产摊铺机已近10年,1992年该公司通过技贸合作,与德国ABG公司联合生产摊铺机,先后组装生产了ABG-TITAN411、TITAN423、TI2、TAN323、TITAN325、LTL60等多种型号摊铺机。该公司生产的ABG423已成为我国修筑高等级公路的首选品牌。西安筑路机械有限公司在20世纪70年代与交通部公路科学研究所研制了我国第一台LT6型轮式摊铺机,之后相继开发了LT1200、GTLY750、LT700、LT600、LTU4型履带式和LTY8、LT5等型号的轮胎式摊铺机,生产的摊铺机型号较齐全。此外,天津鼎盛工程机械公司、镇江华晨华通路面机械有限公司、成都新津筑路机械股份有限公司、南阳陆德筑路机械制造有限公司、陕西中大机械集团有限公司、西安燎原路面机械有限公司、中联重科、三一重工等企业都能生产沥青混合料摊铺机。（2）国外摊铺机技术的发展20世纪30年代,VOGELE公司生产出世界上第一台沥青混合料摊铺机,主要靠轨道作为基准来保证路面的平整度。BARBER-GREENE公司在1937年推出拖式摊铺机,它由拖拉装置和浮动熨平装置组成,结构简单,尺寸较小。但其供料装置功能简单,不能根据需料量控制进料量的大小；在找平性能方面,仅采用了浮动熨平板的自动找平特性,找平效果较-摊铺熨平板的动力学研究及计算机模拟仿真第3页差。5070年代,随着液压技术的成熟及自动控制理论的发展,摊铺机在功能上有了较大进步,除了摊铺宽度和厚度有所增加外,在找平装置、供料系统等方面与从前产品相比有着本质的改善。当今世界有8大摊铺机制造厂商:ABG、VOGELE、BLOW-KNOX、DYNAPAC、DEGAG、MARINI、BTELLT和CATERPILLAR。这些公司的技术代表了当今世界摊铺机的发展方向。ABG公司的产品目前是国际摊铺机市场首选品牌,其大型摊铺机在中国市场上的占有率已达70%以上。INGERSOLL-RAND瞄准中国路面机械市场,相继兼并了德国ABG公司和美国BLOW-KNOX公司,从而形成Ingersoll-Rand、Wirtgen(VOGELE)与Metso(DEMAG与DYNAPAC)三足鼎立的态势12。1.2.2摊铺机结构的发展（1）行走装置轮胎摊铺机具有良好的机动性,在国外公路施工中使用较多,但在路基较差的情况下容易打滑。针对这种情况,国内外许多厂家都开发了前轮带驱动的轮胎摊铺机,通过加装独立的液压驱动机构(具有同步与差速控制功能),可在摊铺作业时提高40%驱动能力,有效防止后轮打滑。在高速行驶时,还可实现前轮不驱动,有效解决了轮胎摊铺机附着性能不好的问题。美国BLOW-KNOX公司生产的摊铺机使用了小节距(102mm)无销轴履带行走装置,它消除了长履带节的起拱现象,使牵引性能和浮动性能得到提高,比压均匀,可在高速摊铺时获得平整路面。德国DEMAG公司生产的摊铺机履带行走装置采用了高架链轮技术。由于摊铺机摊铺时行走速度很低,同时要求作业平稳,所以多数摊铺机采用刚性悬架,即将履带台车架用螺栓固定在摊铺机机架上,这种结构十分简单又结实可靠。因而许多摊铺机都采用半刚性悬架结构(即三点悬挂的履带行走机构),如戴纳派克F182CS、TEREX的CR561、ABG525。相对于刚性悬架,由于半刚性悬架左右履带可绕后绞轴上下摆动,能自动适应地面的崎岖不平,所以它具有良好的附着性能,对于牵引性能要求较高的摊铺机,该结构确有可取之处。（2）螺旋布料器的发展戴纳派克公司将螺旋布料器的驱动装置外置,避免骨料在螺旋布料器中离析。美国BLOW-KNOX公司在BK系列某型号摊铺机的基础上,研制出在摊铺中随熨平板一起液压伸缩的螺旋布料器,尽管其结构较复杂,但它使自动伸缩熨平板结构更先进、完善、合理,应用更方便。-摊铺熨平板的动力学研究及计算机模拟仿真第4页（3）熨平板加热方式的发展传统的熨平板加热方式都采用丙烷液化气燃烧加热,存在喷嘴易损坏、火焰易被风吹灭等缺点,而且液化气瓶的更换很麻烦,因此熨平板加热方式有以电加热为主的趋势。如ABG公司新设计的TI2TAN326摊铺机即采用了电加热系统。随着电气元件质量的提高,电加热方式的应用将越来越普遍。（4）刮板输送器的发展美国TEREX公司生产的CR561摊铺机采用了可防温度离析的新技术,将传统的刮板输送器改为螺旋输送器,通过物料在输送中的二次搅拌,大大减少温度离析。为了消除沥青混合料的温度离析和材料离析，在自卸车和摊铺机中加入转运车,从自卸车上卸下的沥青混合料经过转运车二次搅拌后再进入摊铺机的料斗内。为此,ROADTEC公司设计了一种没有刮板输送器的摊铺机,直接将转运车卸下的混合料卸到螺旋布料器处,这样可节省发动机动力,从另一个角度上讲,可适当减小摊铺机的发动机功率。（5）调平系统的发展1手动调平系统20世纪50年代末,美国KANSAS州高速公路委员会的一名工程师发明了第一套自动找平装置。它结构简单,靠手动操作完成纵坡和横坡的调节,纵坡由基准线和指示器标明,横坡由安装在横梁上的传感器和指示器标明。纵坡调节工作原理:基准线挂在摊铺机一侧,指示器装在牵引梁枢铰点附近并作为参考点搭在基准线上。当摊铺机行走在高低不平的基层上时,指示器上下移动,操作人员通过旋转手动厚度调节螺钉即可保证摊铺出较平整的面层。横坡调节工作原理:横梁跨装在摊铺机两侧,并连接在两侧参考点上。带有指示尺的传感器装在横梁的中间,指示点可沿相应的指示器移动。拱形确定后,相应的指示点被初定在某一参考点处。指示保证摊铺出符合设计要求的路面。2自动调平系统手动厚度调节机构存在路面平整度分辨率较低、对操作人员的素质要求较高且劳动强度较大等不足。在手动厚度调节机构工作原理的基础上,通过应用闭环自动控制系统,于20世纪70年代初开发出自动熨平板控制装置。它靠移动牵引梁铰点来改变熨平板的倾斜位置。由于这段时期摊铺机的工作宽度较小,所以都采用纵坡和横坡控制器来进行找平作业。早期是半自动调平系统,横坡采用自动调节,纵坡采用手调装置控制；后期手动横坡调节机构也被自动装置取代,出现了全自动熨平控制系统,该系统工作特性相对-摊铺熨平板的动力学研究及计算机模拟仿真第5页较完善,且找平效果好。自动找平仪器也由角度传感器发展为超声波传感器、RSS激光找平传感器。如图1.1所示,RSS激光图1.1RSS自动找平系统原理找平系统使用大范围的多点扫描测量,当测量长度超过12m时,可等效于机械式平衡梁的30m测量长度,消除了油缸的误动作3。1.2.3发展趋势(1)向大型化和小型化发展很多情况下需要摊铺机一次性摊铺整个宽幅的路面,为此,开发了宽度大于12m的沥青混合料摊铺机,如VOGELE公司的S2500型摊铺机的最大摊铺宽度达到了16m,最大摊铺厚度为40cm。为了适应高速公路的修补作业和乡村道路的铺筑,沥青混合料摊铺机也向小型化发展,例如BTELLT公司推出了功率仅为13马力、摊铺宽度为0.91.8m的沥青摊铺机。(2)向多功能化发展摊铺机不仅需要摊铺沥青混合料,有时需要摊铺厚度为25cm以上的稳定土,要求摊铺机具有一机多能。为此,采用了相应的技术措施,主要有加大发动机功率、选用载重型液压系统、增强散热能力等。如中联重科的LTU90型摊铺机,选用力士乐的A4VG系列油泵、双层液压油散热器；ABG公司的TITAN326型摊铺机,其发动机功率加大到160kW,明显增强了摊铺机在多种工况下的适应能力。(3)向技术含量高方向发展CAN(控制器局域网络)是工程机械中最常用的现场总线,它是有效支持分布式控制或实时控制的一种串行通信网络。通信介质可选用双绞线、铜轴电缆和光纤。现在的摊铺机都是基于CAN总线控制系统。电子监控与故障诊断技术主要是指对摊铺机进行在线的智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护,实现摊铺机的监控与故障诊断智能化。无人驾驶技术也是摊铺机的一个发展方向。在特定的施工作业中,如易塌方区、辐射或有害健康的作业区等,需采用专用、带有遥控装置、高智能、无人驾驶的摊铺机。随着-摊铺熨平板的动力学研究及计算机模拟仿真第6页自动控制、机器人及网络技术在摊铺机领域的不断渗透,采用定向导航和位置诱导原理,依靠无线/有线通信、自身机械操作和自身监控信息反馈处理系统,通过计算机,无人驾驶技术在摊铺机上逐步得到应用。2001年,清华大学和徐州工程机械厂科技路面机械分公司联合开发了国内第一台无人驾驶的摊铺机,具有弯道的定径摊铺、机械的智能故障诊断等优点。(4)向减轻工作强度方向发展摊铺机的现场安装一直是较费力的工作,需要大量的人力,且劳动强度较大。ABG公司生产的326型摊铺机取消了加长熨平板端面的螺栓连接,改用液压油缸拉紧,连接时对齐两端面、调好上下高度、启动油缸拉紧即可,夯锤和振荡机构连轴器也由过去的梅花形改为齿形,这样不必将联轴器取下来,使熨平板的加长工作十分简单。326型摊铺机的拱度调节也由传统的机械调节改为液压调节,使拱图1.2高度自动调节的布料器度调节通过控制按钮就能实现,非常方便。螺旋叶片的高度调节也很费力,不少公司采用整体升降的方案,如美国REREX公司的CR561摊铺机,螺旋机构固定在摊铺机机架上,机架与台车架通过偏心轮连接,偏心轮转动时,机架即相对于台车架升降,从而实现螺旋叶片的高度调节,减轻了摊铺机现场安装和调整强度(见图1.2)45。1.4本章小结国外沥青混合料摊铺机经过近70年的发展,现已基本完善。我国的沥青混合料摊铺机技术还处在一种仿制国外产品的阶段,真正拥有自己知识产权的还不是很多,需要国内同行不断努力。-摊铺熨平板的动力学研究及计算机模拟仿真第7页2大型摊铺机抗离析控制技术和熨平板工作原理2.1大型摊铺机抗离析控制技术2.1.1离析的产生和分类温度离析、配比离析、储料离析、装料离析、运输离析、卸料离析等在物料倒入摊铺机料斗之前所产生的各种离析，都与摊铺宽度没有因果关系。摊铺机在摊铺过程中，无论铺宽铺窄，抗离析研究的重点应为大粒料是如何分离出来的，原来均匀的物料为什么在摊铺后会呈现离析。物料从料斗到熨平板前沿有三个运输环节：一是刮板向螺旋纵向送料，二是螺旋向熨平板前沿横向分料，三是料斗中剩余的物料经料斗收合向刮板上集料。摊铺机摊铺路面时物料离析有四种情况：一是横向离析，二是竖向离析，三是纵向带状离析，四是窝状离析。横向离析最容易产生，危害程度最大。（1）横向离析摊铺机螺旋输料的工作原理是：带有螺旋叶片的传动轴在料槽内旋转，使进入料槽的物料沿料槽向输送方向运移，并不停地向螺旋下面落料，同时向熨平板前沿塞料，整个工作过程是在摊铺机的行进中进行的。与摊铺机螺旋输料不同而又相似的是螺旋输送机，螺旋输送机的叶片随轴一起旋转，物料是在一封闭的料槽内向输送点输送，其充满系数影响着输送过程和能量的消耗，一般取充满系数小于0.5。对于螺旋输送机，学者们研究得比较多。有学者从动力学分析认为，在充满系数较大时，被输送的物料在料槽中的分布可近似地认为沿料槽的圆弧呈扇形分布。越靠近螺旋轴的物料颗粒，螺旋升角越大，圆周力越大。当圆周力大到一定程度，使物料摩擦力及自重无法平衡时，就开始随螺旋轴翻滚。该研究结论指出，水平螺旋输送机的充满系数是最主要的技术参数，对物料的输送效果影响最大。当充满系数超过0.4时，物料容易引起翻滚。有学者从运动学分析认为，靠近螺旋轴的物料圆周速度要比外层的大，但该处的轴向输送速度却显著降低。所以使内层的物料较快地绕轴进行转动，较早地到达表面，这就产生了一个附加的物料流。当充满系数较小时，物料颗粒在垂直于输送方向的附加物料流不严重；反之，在圆周方向的运动将比输送方向的运动强。螺旋在达到一