（道路与铁道工程专业论文）西部高原地区沥青混凝土路面施工机械使用性能及机群配置研究.pdf

摘要 摘要 西部高原地区恶劣的气候决定了此条件下公路工程机械化旌工的艰巨性和复 杂性。以柴油机为动力的施工机械在高原地区工作时，由于大气条件的改变极大 地影响了机械的生产率。各单机生产率的卜i 降最终导致整个施工系统机械数量与 配置应与平原地有很大的不同。如果在高原地区旌工仍然采用平原地区的机群 配置，必然导致整个施工机群配置的失调，施工成本的提高。因此研究西部高原 地区的单机生产率下降规律与机群配置对公路施工及施工企业有较强的现实意 义。 本论文以西部交通建设科技项目( 项目合同编号：2 0 0 13 1 82 2 38 3 ) 的子项 目西部地区公路旋t 设备选氆指南为依托，选择公路施t 中机械种类多、配 套性强、使用广泛的沥爵混凝上路面机械化施_ t 系统作为研究对象，系统分析、 论证在不同海拔商度f 各施工机械乍产率降低的一般规律：并从环境适应性、工 作能力、可靠性、经济性、组织管理水平高低等多个方面对不同种类机械进行系 统组合匹配，使其在适应高原施工气候环境、满足施工要求的前提条件f ，系统 运行相对稳定、效率相对最高、成本相对最低，并提出针对目前常用沥青混凝土 路面机械化施工机械设备在不同海拔高度下的机群配置使用表。 关键词：西部岛原地区，公路工程，机械化施工，生产率，机群配置，组织管理 摘要 a b s t r a c t t h ec l i m a t eo fw e s tt a b l e l a n di ss od i a g u s t i n gt h a tm e c h a n i z e dc o n s t r u c t i o no f h i g h w a yp r o j e c ti sh a r da n dc o m p l e x t h ep r o d u c t i v i t i e so fm a c h i n e sw h i c h a r ed r i v e d b yd i e s e le n g i n e sa r ea f f e c t e dg r e a t l yo nt h ea r e ab e c a u s eo ft h ea t m o s p h e r i cc h a n g e t h em a c h i n e s n u m b e ra n dd e p l o y i n go ft h ew h o l ec o n s t r u c t i o ns y s t e ma r ed i f f e r e n t b e t w e e nt h et a b l e l a n da n dp l a i nb e c a u s eo ft h ed e c l i n eo fe a c hm a c h i n e sp r o d u c t i v i t y u s i n gt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o do fp l a i nb r i n g sa b o u tt h em a l a d j u s t m e n to fm a c h i n e d e p l o y i n ga n de l e v a t i o no fc o n s t r u c t i o nc o s t ，t h ep a p e rh a sg r e a tp r a c t i c a lm e a n i n g t o h i 曲w a y c o n s t r u c t i o na n dc o n s t r u c t i o ne n t e r p r i s e sw h i l es t u a y p r o d u c t i v i t y s d e s c e n d i n gl a wo f e a c hm a c h i n ea n dm a c h i n e s d e p l o y i n g o nw e s tt a b l e l a n da r e a t h ep a p e rs u m m a r i z et h ec o n c l u s i o nr e l y i n go nt h es e l e c t i n gm a n u a lo fh i 【g h w a y c o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t sw h i c hi sg e n e r a t i o no f t h ei t e mo f s c i e n t i f i ct r a f f i cc o n s t r u c t i o n o nw e s tt a b l e l a n da r e a ( i t e ms e r i a ln u m b e r ：2 0 0 13 1 82 2 38 3 ) a n ds e l e c tt h ea s p h a l t c o n c r e t er o a ds u r f a c em e c h a n i z e dc o n s t r u c t i o ns y s t e m a ss t u d yo b j e c tw h i c ht h e m a c h i n e s k i n di sm o r e ，t h eq u a l i t yo fm a t c h i n gi sm o r es t r o n ga n du s i n gi se x t e n s i v e ， a n a l y z ea n dd e m o n s t r a t eb yt h en u m b e r st h ep r o d u c t i v i t y sr e d u c e dc o m m o n l yl a wo f d i f i e r e n tc o n s t r u c t i o nm a c h i n e si nd i f f e r e n ta l t i t u d e t h ep a p e rc o m b i n ea n dm a t c h d i f f e r e n tm a c h i n e sb yt h en u m b e r sf r o me n v i r o n m e n ta d a p t a b i l i t y ，w o r k i n g a b i l i t y ，r e l i a b i l j 田，o c o n o m yn a t u r e , o r g a n i z i n gm a n a g e m e n tl e v e l ，d i s c r e t i o n , m a k i n g t h es y s t e mm o v er e l a t i v e l ym o r es t a b l e ，e f f i c i e n c yh i g h e r , c o s tl o w e ru n d e rt h ep r e m i s e o fa d a p t i n gc o n s t r u c t i o ne n v i r o n m e n ta n ds a t i s f y i n gc o n s t r u c t i o nd e m a n da n db r i n g f o r w a r dm a c h i n e s d e p l o y i n gu s i n gt a b l ei nd i f f e r e n ta l t i t u d ea i m i n ga ta s p h a l tc o n c r e t e r o a ds u r f a c em a c h i n e so f m e c h a n i z e dc o n s t r u c t i o ni nc o m m o nu s ea tp r e s e n t k e yw o r d s ：w e s tt a b l e l a n da l g a ，h i g h w a ye n g i n e e r i n g ，m e c h a n i z e dc o n s t r u c t i o n p r o d u c t i v i t y ，m a c h i n e s d e p l o y i n g ，o r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n t 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 争娣 日期：2 0 牛年 月吕日 重庆交通学院学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密耐，在立年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以卜方框内打“”) 学位论文作者签名：尹瑞 l h 期：2 曲2 年弓月g 日日期：工。畸年弓月吕同 第一章引言 第一章引言 2 0 0 0 年7 月，党中央、国务院做出了西部大开发的重大战略决策，从而拉开 了西部大开发的帷幕。进行西部大开发的前提条件是必须搞好基础设施的建设。 为此，党中央、国务院有关部门经过充分论证后，决定在西部高原地区大量修建 高标准的公路作为西部开发的首要任务之一，以彻底改变西部高原地区交通长期 落后的局面。 修建高标准的公路，需要使用大量的工程机械。大部分工程机械都配备以柴 油作为燃料的内燃机，其标定的生产率是该内燃机在标准的工作条件下测得的。 但在施工一线，施工条件千差万别，作为衡量机械生产能力大小的重要指标之一 机械生产率，则随着施工工况的改变而产生较大波动。施工作业环境作为影 响机械施工工况的一个重要方面，在施工组织确定情况下，决定着各种旌工机械 的实际生产率。 在我国辽阔的西部高原地区，l 上i 地和高原地域广阔，内燃机在高原地区工作 时，由于大气条件的改变，使发动机的进气最、燃烧、热损失、输出功率、燃油 消耗率等都发生变化，发动机机械负荷和热负荷状况与平原地区相比存在很大差 异，因此极大地影响了机械的生产率：同时，西部高原地区独特的地理位置和恶 劣的自然环境亦给施工人员的活动和工程机械的启动性、耐久性、可靠性等带来 不利影响，因此了解西部高原地区自然环境对工程机械的影响并搞好设备选型和 匹配，对于保证工程质量、加快施工进度、降低工程成本就显得意义重大。 1 1 本课题研究的目的 在西部高原地区施工，无论是高原型旄工机械或者普通平原型施工机械，都 要受到高原环境的影响和制约，具体归结为机械生产率有不同程度的降低。针对 目前施工机械设备现状，结合我国西部大开发的实际需要，在西部高原地区独特 的自然气候条件下，如何确定气候环境对施工机械的影响( 尤其是对各种机械实 际生产率的影响程度) ：如何根据施工现场的现有条件，合理地选择机械，匹配机 械，使整个机械化施工系统各单机作业时，能快速、高效、经济地完成作业任务， 机群作业时，能相互配合、协调有序已经成为当前一个必须解决的紧迫问题。 为了体现施工机械选型、配套研究的代表性，本课题重点选择公路簏工中作 业机械种类多、配套性强、使用广泛的沥青混凝土路面机械化施工系统作为研究 第一章引言 2 对象，系统分析、论证在不同海拔下各旖工机械生产率降低的一般规律：并从环 境适应性、工作能力、可靠性、经济性、组织管理水平高低等多个方面对不同种 类机械进行系统组合匹配，使其在适应高原施工环境、满足施工要求的前提下， 系统运行相对稳定、效率相对最高、成本相对最低。 1 2 当前国内、国外高原机械研究概况 7 0 年代初期，由于建设青藏铁路的需要，急需适应高原低温环境的工程机械， 我国的高原工程机械由此开始发展，从1 9 7 4 年至1 9 7 9 年，我国进行了发动机高 原增压技术、发动机低温启动技术、高原工程机械用柴油机恢复功率、工程机械 高原动力恢复及整机匹配性能、涡轮增压器高原性能研究、空滤器高原性能等的 研究。 改革开放以后，我国在高原工程机械领域进行了机械装备环境适应性这一共 性技术的深入研讨，制定了相应的标准并将研究成果应用到产品中去，开发研究 出一些高原机械产品。 虽然我国高原工程机械的发展方面做出了一定的成绩，但到目前为止，还没 有出现真正意义上的高原机械，所谓的高原型工程机械只是经过高原适应性改造 的工程机械，其同样要受到高原特殊环境的影响，只是由于它具有随海拔增高的 自补偿能力，能够缓解高原环境对设备生产率的影响。目前已经通过认证的高原 型工程机械产品都是如此，如徐工集团推出的w t u 9 5 d 高原型稳定土摊铺机、 z l 4 0 g h 及z l 5 0 g h 高原型轮式装载机，广西柳工集团生产的高原型z l 5 0 g 轮式 装载机等。但就总体而言，我国在高原型机械设备研制、投产方面的步伐已明显 落后于施工生产一线的需求。当前在高原地区使用的机械设备很大一部分是以平 原地区条件作为设计工况的机械设备，即在高原地区使用时，是以牺牲相当一部 分生产率为代价的。在国外，由于自然地形所限，很难在国外找到象青藏高原那 样独特的自然地理条件，因此，对于高原型机械设备的研究并不深入，针对使用 于高原地区施工一线的进口机械设备，与国产机械设备相比，尽管在可靠性、耐 久性、操作轻便性方面具有一定优势，但对于高海拔地区使用时所带来的一些问 题并未彻底解决，利用机械储备动力亦只能适用于3 0 0 0 m 以下地区，但仍然要受 到低温、缺氧的影响，生产能力有不同程度的下降。 目前，我国对高原工程机械研究中的不足之处主要表现在以下几个方面： 对高原环境适应性技术的基础性研究尚显不足，试验条件落后： 通用性工程机械主机的质量及可靠性尚有差距； 高原工程机械用材料和零部件在低温条件下可靠性差，故障率高： 第一章引 言 产品的技术标准落后，不能满足产品发展的需要，需要逐步进行修订。 1 3 本课题的研究思路及方法 1 3 1 本课题的研究思路 本课题的研究思路分为两部分，第二章、第三章分析各施工机械生产率随海 拔高度的下降规律。第四章分析机械化施工机群配置的规律，并最后得到在不同 海拔高度下的机群配置使用表。 其中第二章结合高原气候环境特点，分析非增压柴油机和增压柴油机在高原 环境的工作特性，得出非增压柴油机和增压柴油机的性能参数对海拔高度的变化 规律；并分析了工程机械高原环境适应性技术。第三章结合各施工机械的受力分 析及发动机功率的计算，分析高原环境对各施工机械作业的影响，得出各施工机 械的生产率及油耗率对海拔高度的变化规律。 第四章以整个工程为研究对象，从施工机械成本分析入手，并结合机械类型、 施工工艺条件、施工方案类别，在适应高原施工气候环境、满足旌工要求的前提 条件下，得出高原环境下沥青混凝土路面施工系统机械配置的通用数学模型。 1 3 2 本课题的研究方法 第二章、第三章以柴油机的性能参数对海拔高度的变化规律为基础，对各施 工机械发动机功率进行计算，得出各施工机械生产率及油耗率对海拔高度的变化 规律。 第四章以我院高等级公路机械化施工课题组高等级公路( 沥青混凝土路面) 机械化施工组织与机械动态作业定额应用研究成果为基础，从整个工程项目机 械成本出发，运用概率论和技术经济分析的原理进行优化求解，得出在满足所有 条件下的满意方案。 第二章工程机械高原环境适应技术 4 第二章工程机械高原环境适应技术 我国地域辽阔，是世界上高原面积占有最大的国家，海拔1 0 0 0 m 2 0 0 0 m 高原 占国土面积的2 5 ，2 0 0 0 m 3 0 0 0 m 高原占7 ，3 0 0 0 m 以上占2 6 ，其中云贵， 青藏、帕米尔高原面积总计达到2 ，7 0 0 ，0 0 0 平方公里，平均海拔高度达到3 ，0 0 0 4 ，0 0 0 n , 。 世界上海拔在2 0 0 0 m 以上的高原有1 7 1 0 1 2 ，我国占6 3 ，国际标准i s o 对高原的定义为海拔1 0 0 0 m 以上，我国工程机械高原适应性研究定义为2 0 0 0 m 以 e 。 2 1 高原环境气候特点 高原环境有着独特的和较恶劣的气候条件，具体表现在：大气压力下降、空 气密度减少、氧气含量不足、平均气温偏低且昼夜温差大、低温期长、长年冻土 地带面积大和风沙尘大等现象。 1 大气压p 、空气密度p 与含氧量妒。如下：( 表2 - l ，图2 - 1 ) 表2 1 海拔变化与大气压、水沸点及含氧量的对应关系 海拔，m o1 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 0 大气压，k p a 1 0 1 3 9 0 07 9 27 0 16 1 65 4 o 水沸点， 1 0 09 6 69 3 39 08 6 98 4 含氧量 t = o 2 9 9 32 6 5 52 3 4 82 0 9 61 8 2 11 5 9 7 ( g m 。) t = 一2 0 3 2 3 02 8 0 52 5 3 42 3 3 41 9 6 41 7 2 1 2 大气与地表温度 海拔每升高1 0 0 0 m ，年平均气温下降5 7 。c 。年低温期长，昼夜温差大，海拔 4 0 0 0 m 以上年平均气温一4 以下。 3 风压、风沙 海拔每升高1 0 0 0 m ，风压下降9 ；沙尘量大于低海拔多尘空气含尘密度的5 倍以上。 4 太阳辐射能 辐射最强月是5 月，辐射能达7 1 1 0 5 k j ( c m 2 n 1 ) 。海拔每升高1 0 0 0 m 约增加 第二章工程机械高原环境适应技术 1 0 ，3 0 0 0 m 以上趋缓。 p 拿 e 1 0 0 i p 3 1 0 一 。 、 ，一 l0 心i p 暑 之 m r 0 2 1 4 0 一 0 4 05 0 0 0 h ( m ) 图2 - 1 p 、p 、，随海拔高度的变化规 p 奢 暑 j 2 2 高原环境对工程机械性能的影响 2 2 1 对动力系统的影响 1 ) 气缸内充气量减少，过量空气系数下降，可燃混合气过浓，燃烧状况恶化， 后燃现象严重。柴油机动力性能和经济性能变差，热负荷增加。 2 ) 冷却风扇质量流量减少，冷却水沸点降低，导致散热能力下降，热负衙进 一步增加。 3 ) 压缩终点压力与温度下降。机油粘度增大，起动阻力矩增大，蓄电池容量 降低，致使柴油机低温起动困难。 4 ) 空气滤清器效率下降，进气阻力上升快，储尘能力降低，使用寿命缩短。 5 ) 废气中碳烟、未燃烃( 1 - i t ) 、c o 、醛类等有害物排放量大大增加，n o 。含量 略有下降。低速排气烟度增大。 6 ) 燃烧室积碳严重，柴油机早期磨损，可靠性和寿命降低。 7 ) 增压柴油机增压器与内燃机匹配运行线发生变化，压气机效率降低、增压 器超速、低速喘振的趋势增加，扭矩特性变差。 8 ) 风冷发动机由于进气量和冷却风量均受空气密度下降的影响，功率下降， 热负荷升高的情况更加突出。 非增压柴油机工作特性( 图2 - 2 ) 1 ) 在海拔3 0 0 m 以上，供油量不变的条件下，柴油机功率、转矩几乎与大气 压成正比下降，在低速范围内下降趋势略高于高速范围。 第二章工程机械高原环境适应技术 6 2 ) 外特性最大转矩点和最低油耗点随海拔高度增加向高速移动。后备转矩适 应性系数及速度系数均减少，稳定工作转速范围变窄，低转速区油耗上升较快。 3 ) 随海拔高度的增加，过量空气系数减少，燃烧过程发生变化。压缩终点压 力、温度均下降，最佳喷油提前角增大；后燃期燃烧量增加，放出的热量不能有 效利用；耗油率、热负荷增加( 表2 2 ) ；当海拔高度接近3 0 0 0 m 时，空气过量系 数口接近1 或 、 ，一，瓦 一 g 、 4 5 0 一 0 1 1 6 0 g 1 2 0 君 ； 、一 8 0 0 6 0 0 0 h ( m ) 图2 - 5 某机p 。、乏、g 、f 随海拔高度h 的变化规律 c 整机各系统部件的起动随动性能 环境温度对油液粘度的影响，使传动系统各泵和变矩器泵轮的负荷也大为增 加。强行起动将造成以下弊端：发动机缸内冷态磨损加剧：蓄电池放电强度大， 第二章工程机械高原环境适应技术 1 2 使用寿命大为降低，正常保养己不能满足要求；与工程机械发动机匹配的起动机 的低温超负荷运转，使起动机零件强度不能承受多次的冷态起动负荷，破坏率大 大升高。 3 ) 高原空气滤清性能的变化 空气滤清器特性包括流量阻力特性、效率特性、寿命特性。工程机械柴油机 在额定流量时阻力不大于3 k p a ，要求滤清效果 9 9 ，使用寿命( 每保养周期) 达3 0 0 5 0 0 h 。 多风沙的高原恶劣环境，其含尘密度在无风的情况下仍可达到1 5 9 m 3 以上， 因此高原地区空气滤清器作业条件与原设计差别很大，一方面增加了进气阻力， 使发动机功率进一步降低；另一方面增加了保养频率和难度，缩短了使用保养寿 命，导致发动机的早期磨损和大修期缩短。 2 3 工程机械高原环境适应性关键技术 基本型工程，在全面实旌高原环境适应关键技术之后，在海拔3 5 0 0 m 、一2 5 4 0 的高原条件下，各项动力性、经济性、可靠性等指标达到同类机型零海拔的 正常水平，成为适应高原地区使用的高原型工程机械。 1 功率恢复型的增压技术 r 废气涡轮增压是解决非增压柴油机高原功率恢复的有效措施。 高原功率恢复型增压，主要是对非增压柴油机在高原功率下降的情况下采取 增压措施，使其功率恢复到原机零海拔标定水平。它通过增压供气，增加气缸充 气密度，以提高过量空气系数，达到缸内燃油充分燃烧，恢复平均有效压力及恢 复功率的目的在匹配时给予喘振线和最高转速以足够的余量，对增压器的性能及 结构也有相应的要求。降低柴油机的热负荷为主要的辅助措施。 柴油机高原增压也将带来不利的因素，如其加速性不如非增压柴油机，尤其 是对于频繁变工况运行的液力传动型的工程机械，发动机的加速性能与变矩器的 加速性能共同影响，使整机动力响应速度具有明显的滞后特征。另一方面，柴油 机起动时，因无高温排气，涡轮与压气机无法工作，起动瞬时的进气压力反而低 于非增压，增压配置对高原地区机械低温起动有明显的阻滞作用。 2 中冷器及其应用 第二章工程机械高原环境适应技术 空气被压缩以后，温度与压力将同时提高，海拔3 5 0 0 m ，增压压比矾 2 时， 充气温度将达到1 4 0 ( 2 以上，使柴油机热负荷大为上升。将增压后的空气在进入气 缸前进行冷却的装置称为中冷器( 分为空空中冷与水空中冷) 。增压柴油机采取中 冷后，充气温度降低、密度增加，可大幅度地提高柴油机的功率并改善经济性和 热负荷。柴油机供油不变，增压温度每降低i o c ，功率可提高3 ，最高燃烧温 度、循环平均温度、排气温度、缸盖温度都显著下降。一般高原增压空气在效率 较高的中冷器中的温降可达到4 0 6 0 。 3 热平衡技术 解决液力系统高原冷却问题，要与柴油机恢复功率一起综合考虑，既要控制 柴油机因增压产生的热负荷升高，又要控制传动散热系统因高原散热能力下降引 起的温升。在进行系统热平衡计算时，一般重点考虑冷却风量、空气密度和散热 器的散热能力。 液力传动系统的热平衡及散热，根据机种不同有所不同。对于系统工作平和、 负荷相对较小的机种，高原对其温度的影响相对较小，如推土机、铲运机等；散 热能力有一定储备的轮式装载机，在3 0 0 0 m 以下作业运输可不用考虑；但对于工 作负荷重、动作频繁高的液压挖掘机、散热储备小的轮式装载机等，液压系统的 散热性能一定要进行重新设计。 4 高原低温起动技术 由于高原对低温起动三个方面的影响，及高原增压柴油机增压器对发动机起 动进气的阻滞作用，高原增压型工程机械低温起动条件比较严酷，一般采用以下 措施来解决： 起动液喷注装置。 起动时向气缸内喷注挥发性好、燃点低的起动液，带动柴油机迅速燃烧。特 点：操作方便，冷机起动，机械磨损大，起动迅速，适宜一1 5 c 以内起动。 预热起动装置。 通过预热器使热蒸气或液体在水套循环预热发动机机体和润滑机油，达到热 机起动的目的。特点：起动柔和，机械磨损小，起动电动机负荷轻，起动温度可 达- - 4 0 ，预热时间长。 电预热塞。 第二章工程机械高原环境适应技术 1 4 可通过电热丝对润滑油进行加温。特点：操作方便，加温时问长，可在一2 5 以内使用，适于有固定电源的场所采用。 选用适合的油料，以保证低温条件下润滑油的粘温性能，减少机械摩擦副 起动阻力。 蓄电池在低温条件下保持稳定的工作能力：采用低温蓄电池：对蓄电池进 行加热保温：将普通蓄电池降低二级使用；适量增大电解液密度；增加充电次数。 加大起动电动机功率。 增设离合器。对采用液压或液压传动的工程机械，增设离合器，在起动时 使发动机脱开其他部分，以减轻起动电动机的负担。 一般推荐冷态起动方法( 喷注起动液) 在一1 5 以上使用，一1 5 1 2 以下尽可 能采用机体预热方式，以保障发动机、起动电动机、蓄电池的正常性能及长期使 用的可靠性。 5 空气滤清 高原地区空气滤清器与发动机的匹配应考虑以下几个方面： 对白吸式发动机匹配： 额定流量应接近或稍大于配套发动机额定吸气量。 在保证原始进气阻力小于2 k i a ( 标准状态下阻力值) 条件下，第一级粗滤 效果在额定流量时应达到9 0 以上，同时兼顾常用工况下的粗滤效率大于8 0 。 对增压发动机匹配： 增加滤芯过滤面积，使其流量大于额定吸气量的3 0 。 增大发动机进气管通径和空气滤清器出气管通径，降低进气附加阻力。 应考虑加装粗滤装置，并将其粗滤效率提高到9 5 左右。 第三章西部高原地区沥青混凝土路砸机械化施工机械使用性能及经济性分析 1 5 第三章西部高原地区沥青混凝土路面机械化施工 机械使用性能及经济性分析 沥青砼路面机械化施工系统是我国高等级公路建设中常用的一种机械组合匹 配系统，由于沥青砼路面直接与汽车轮胎接触，施工结果对汽车运行的舒适性、 安全性、经济性产生很大影响：且沥青混凝土路面工程造价高、机械之间组合匹 配的差异性对工程施工质量、施工进度、施工成本影响巨大。因此研究沥青砼路 面机械化旌工系统在西部高原地区的合理使用对于其它机械化施工系统具有良好 的启示作用。由于高原地区独特的气候条件及自身结构、作业对象等原因，沥青 砼路面机械化施工系统中各种机械( 在此主要研究装载机、搅拌机、摊铺机、压 实机械) 受不同海拔、不同温度地区施工环境的影响各不一样，因此，在研究系 统机械选型、组合匹配之前，必须对系统中各种机械的使用情况以及在使用过程 中可能受到西部地区气候特征影响进行分析。 沥青砼路面机械化施工系统以装载机、压路机、摊铺机和沥青混凝土搅拌设 备四种设备为主要机型，装载机、压路机、摊铺机一般多选用工程机械用柴油发 动机作为动力，液力机械传动为常用的传动形式。沥青混凝土搅拌设备以电为动 力。 3 1 装载机 装载机是一种广泛用于公路、铁路、矿山、建筑、水电、港口等工程的土石 方施工机械，它主要用来铲、装、卸、运土与砂石一类散状物料，也可对岩石、 硬土进行轻度铲掘作业。在公路、特别是高等级公路施工中，它主要用于路基工 程的填挖、沥青和水泥混凝土料场的集料、装料等作业。 3 1 1 装载机受力分析及发动机功率的计算 装载机的总体受力分析 装载机总体受力分析的目的是确定总体受力最大工况。全轮驱动的轮胎式装 载机总体受力最大工况是以下几种典型作业工况。 1 ) 铲斗插入料堆牵引工况 装载机沿水平面以i 档速度前进，工作油缸闭锁，铲斗缓缓插入料堆。此时 第三章西部高原地区沥青混凝土路面机械化施工机檀垡用性能区丝鎏丝坌堑! ! 铲斗插入料堆的阻力只为 t = 1 0 k l k 2 k 3 k 4 ，：”b g ( 3 卜1 ) 式中：f 铲斗插入阻力，n ； 世。被铲掘物料的块度及松散程度影响系数； 以物料种类影响系数； 丘物料高度影响系数； j 已铲斗形状系数； ，。铲斗插入料堆深度，c m ； b 。铲斗宽度，c m 。 2 ) 装载机插入料堆后，停止前进，提升动臂。此时作用在装载机的铲起阻力 兄为 疋= 2 2 l 。坟k ， ( 3 卜2 ) 式中：e 铲起阻力，n ； 髟开始提升时物料的剪切应力，p a 。 装载机的发动机功率 1 ) 行走所需功率只 只：! 墨生塑二望( 3 1 3 ) 1 3 6 0 0 9 d 巧= f 6 g o s ( 3 卜4 ) 式中：f 最大插入力，n ； 凡滚动阻力，n ； v 作业速度，取v = 3 4 k m h ： 占额定滑转率，轮胎式取0 3 0 3 5 ，履带式取0 1 5 ； 协传动系统总效率，机械传动取0 8 5 0 8 8 ，液力机械传动0 6 0 0 7 5 。 厂滚动阻力系数； g 装载机的总重量，n ； 口运动表面与水平面的夹角。 2 ) 油泵所需功率只 最= 器( 3 1 - 5 ) 式中：，油泵输出压力，m p a ； 第三章西部高原地区沥青混凝土路面机械化施工机械使用性能及经济性分析 1 7 饼油泵理论流量，l m i n ： 珊油泵机械效率，珊= 0 7 5 0 8 5 。 3 ) 发动机附件消耗功率只 一般可按发动机额定功率的1 0 计算。 4 ) 装载机的发动机总功率 e = 只+ 足+ b ( 3 1 6 ) 3 1 2 高原环境对装载机铲装作业影响的计算 在以下计算中，装载机的作业条件除海拔高度不同，假设铲装的物料、行走 地面条件等都相同。 若不考虑油泵所需功率只和发动机附件消耗功率只，则可得下式：( 以下计算 式未经说明均指“h ”代表柴油机标定功率受影响的海拔高度，“0 ”代表柴油机标 定功率不受影响的海拔高度，对非增压柴油机定义为海拔o 3 0 0 m ，对增压柴油机 定义为海拔o 1 0 0 0 m ) 鱼：生 ( 3 1 7 ) e op 1 0 根据装载机的总体受力分析，最不利工况是铲斗插入料堆牵引工况和装载机 停止前进，提升动臂时的作业工况。因此，高原环境对装载机主要影响为动力不 足，装载机的铲斗不能满载，表现为装载机插入料堆的深度降低。对装载机的速 度的影响不予考虑。 根据式( 3 卜3 ) ，可得： 鱼：生一n 一与生 ( 3 1 8 ) 只。只o 、 鼻o 1 e 。 根据式( 3 1 - 1 ) 可得： 拣 ， ，。1 k 在高原地区，装载机插入料堆的深度降低，使得装载机铲装的斗容降低，斗 容的降低直接影响装载机的作业生产率。装载机的实际载料斗容q 。* 鬈b 。，因此 可以得到下式： 券q = ( 矧1 。6 = ( 等卅一等等) “ o ol 民jl 只o 、鼻。j 如果不考虑装载机的滚动阻力的影响，则： 第三章西部高原地区沥青混凝土路面机械化施工机械使用性能及经济性分析塑 等= ( 甜 3 1 3 高原环境对装载机生产率及油耗率的影响 高原环境对装载机的生产率的影响 在沥青混凝土路面施工中，装载机主要考虑为对沥青混凝土搅拌设备上料， 轮胎式装载机配合搅拌设备上料的生产率可按下式计算： d ：3 6 0 0 q o k r ，二 式中：q 装载机生产能力，m 3 h ； 吼铲斗容量，m 3 ； 足铲斗系数，取0 8 ； 玎作业效率，取0 6 0 8 ； l 循环时问，s 。 乙可按下式计算： l = l o v l + ，l v 2 + t 式中：，n 料堆至搅拌机配料斗距离，1 1 1 。 v 前进速度，取0 1 8 0 2 2 ，m s ； v ，返回速度，取0 2 4 0 2 5 ，m s ： ，固定时间，即旋转、装斗、翻斗时间，一般取3 5 s 。 因为不考虑装载机的作业速度的改变，则可认为 = 根据式( 2 1 - 1 2 ) 、( 2 1 - 1 3 ) 和( 2 1 - 1 5 ) ，高原地区装载机的生产率与平原 地区相比可按下式计算： 仉= 器：嘲6 式中：r ；不同海拔高度，装载机生产率的折减系数。 高原环境对装载机的油耗率的影响 装载机是以柴油机作为其动力装置，因此其油耗率的增加即为柴油机油耗率 的增加，即： 以：量盐：盟 g = 0g p 0 第三章西部高原地区沥青混凝土路面机械化旖工机械使用性能及经济性分析 1 9 式中：腹不同海拔高度，装载机油耗率的增长系数。 g ：装载机的油耗率； g e 柴油机的油耗率。 根据表2 - 4 和式( 3 卜1 5 ) 、( 3 卜1 6 ) ，装载机的生产率和油耗率对海拔高度 的变化如下：( 表3 - 1 ，图3 1 a ，3 - l b ) 表3 - 1装载机的生产率和油耗率对海拔高度的变化 海拔高度- 项目名称 0 - 3 0 03 0 0 5 0 05 0 肛1 0 0 01 0 0 0 1 5 0 01 5 0 0 - 2 0 0 0 2 0 0 0 - - 2 5 0 0 非增压生产率折减系数 1o 9 6 70 8 8 40 8 0 60 7 2 9 0 6 5 7 柴油机油耗率增长系数11 0 1 5 1 0 5 31 0 91 1 2 81 1 6 5 增压生产率折减系数10 9 8 7 09 7 60 9 6 3 柴油机 油耗率增长系数 11 0 0 81 0 1 51 0 2 3 续表3 - 1 海拔高度 项目名称 2 5 0 0 - 3 0 0 03 0 0 3 5 0 0 3 5 0 0 - 4 0 0 04 0 0 0 4 5 0 04 5 0 0 , 一5 0 0 0 非增压生产率折减系数 0 5 8 6 柴油机 油耗率增长系数 1 2 0 3 增压生产率折减系数0 9 5 2 o 9 4 0o 9 3 00 9 1 70 9 0 6 柴油机油耗率增长系数1 0 3 01 0 3 81 0 4 51 0 5 3 1 0 6 0 图3 1 a 装载机的生产率对海拔高度的变化 第三章西部高原地区沥青混凝土路面机械化旌工机械使用性缝厦经蓬壁坌堑! 1 0 3 0 0 5 0 01 0 0 0 1 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 04 5 0 05 0 0 0i - i ( m ) 图3 - 1 b 装载机的油耗率对海拔高度的变化 3 2 压路机 3 2 1 压路机的牵引力和牵引功率 压路机的应用有两种典型工况，即压实作业工况与运输转移工况。压路机在 压实作业时，由于铺层材料松软，需要克服很大的滚动阻力，还要伴随着振动压 实，此时使用低速档行驶。压路机在转移工地时，需要克服的仅有较小的滚动阻 力，此时可以用高速档行驶，遇有陡坡或难行路段可减速以增大牵引力。 压路机依靠其滚轮与地面的相互作用所发挥的牵引力来完成其滚动压实作 业。压路机在行驶过程中的任何瞬间，其牵引力恒等于所有行驶阻力之和，发动 机输出的功率恒等于所消耗的功率之和。根据牵引力和所消耗功率的大小，可以 分析压路机的技术经济性能及选定发动机的额定功率。 压路机行驶过程中的阻力 压路机在行驶作业时，在机器上作用有以下几种外部阻力。 1 ) 滚动阻力凡( n ) 压路机的滚动阻力为后轮滚动阻力f 。和前轮滚动阻力f ，：之和，即 一= f n + 2 = g f e o s a ( 3 2 - 1 ) 式中：g 压路机的总重力( n ) ； ，r 滚动阻力系数，初始压实取0 1 3 o 1 5 ，压实3 8 遍取0 1 0 ，压 实8 遍以后取0 0 7 ，公路行驶时取0 0 5 ： 口地面的纵向坡道角度，口取0 6 2 8 。 2 ) 坡道阻力t ( n ) 第三章西部高原地区沥青混凝土路面机械化施工机械使用性能及经济性分析 2 1 坡道阻力是压路机总重力在坡道平行方向的分量，即 e = g s i n 口 ( 3 2 - 2 ) 3 ) 惯性阻力f i ( n ) 压路机加速行驶时，需克服机器平移加速的惯性力和回转零件加速回转的惯 性力矩。 压路机平移加速的惯性阻力为； f 。_ 立 (3g 2 - 3 ) 。1 g d t 式中：g 重力加速度。 鲁压路机平移加速度，瓦d v = 去( 纛 2 ( m s 2 ) ； v 压路机行驶速度( k m h ) o f 加速时间，压路机取2 4 s 。 在压路机的回转零件中，主要是车轮的转动惯量对惯性阻力的影响，其它回转 零件的影响可以忽略不计。设彬和职分别为后轮和前轮的质量。后轮与前轮加速 引起的惯性阻力为： f j 2 圭眠+ w 。百d v ( 3 2 - 4 ) 总的加速阻力f 应为： 呜咏= ( ，+ 警) d v ( 3 2 - 5 ) 设瓯为计入回转质量的折算系数，则： 8 0 = 1 + 警 ( 3 2 _ 6 ) 乃= 氏形象 ( 3 2 _ 7 ) 经统计测算，对静作用两轮压路机和串联振动压路机取瓯= 1 1 7 1 2 1 ，对 静作用三轮压路机取瓯= 1 2 2 1 2 8 ，对轮胎驱动单轮振动压路机取磊= 1 2 0 1 2 5 。压路机的惯性阻力在加速行驶时表现为加速阻力( 正值) ，在减速行驶时表 现为推进力( 负值) 。 4 ) 辅助工作装置的工作阻力f x ( n ) 分为带有松土器或推土铲的压路机，在这里不予考虑。 5 ) 迎风阻力凡 第三章西部高原地区沥青混凝土路面机械化簏工机械使用性能及经济性分析 2 2 因为本课题研究的是压实作业时压路机的牵引力和牵引功率，不考虑压路机高 速行驶时的牵引力和牵引功率，也不予考虑。 压路机压实作业时的总牵引力和牵引功率 从动力学的观点看，压路机在行驶过程中存在着抵抗机器前进的外部阻力和推 进机器前进的切线牵引力，在把惯性力也视作外部阻力的情况下，这两者总是相 互平衡的。外部阻力与切线牵引力的关系用牵引力平衡方程式表示，此方程式具 有以下形式： f i = f f f ，f i4 - f x 4 - f 。 t 3 2 - 8 ) 式中只前的符号上坡取正、下坡取负，f ，前的符号加速取正、减速取负。 此牵引力平衡方程式尚不能反映全部的能量消耗形式，例如未计入驱动轮滑转 的能量损失、因此在确定发动机功率和讨论牵引效率时，还应使用牵引功率平衡 的概念。驱动轮滑转引起的功率损失只( k w ) 为： 只：墨生! 二! ! ：尘生( 3 2 - 9 ) ” 3 6 0 03 6 0 01 一书 发动机传给驱动轮的总牵引功率只( k w ) 应为 只= 杀讽= 嘉击 式中：j 驱动轮的滑转率，压路机压实作业时取占= 0 0 5 ，路面行驶时取8 = 0 压路机在压实作业时，切线牵引力需克服滚动阻力、坡道阻力及加速惯性阻 力，并且伴随有滑转引起的功率损失。写出牵引力五和牵引功率只的平衡方程式 为： e = g ( f c o s 口4 - s i n 口) + 磊形妾 只= 6 ( f c o s a + s i n , z ) + 8 0 w 妄 赤而1 3 2 2 压路机的振动参数及振动功率 振动压路机的振动参数主要是振幅和频率，还有一些是派生振动参数，如振动 加速度、激振力和动作用力等，这些派生参数都可以用振幅和频率导出来。另外 就是振动功率，它是计算振动压路机功率消耗所必需的。振动功率不仅与振动参 数有关，而且还与工况有着密切的关系。 振动压路机的振动参数及其选择 这里主要介绍振动频率和振幅及其选择。 1 ) 振动频率 第三章西部高原地区沥青混凝土路面机械化施工机械使用性能及经济性分析 2 3 压路机振动轮在激振力的作用下产生受迫振动，其振动频率厂( t t z ) 、角频率 国( r a d s ) 和振动周期t ( s ) 分别按以下公式计算： 厂= 云 ( 3 2 1 3 ) 国砌小筹 r ：! ：丝 ( 3 2 1 4 ) 式中：，激振器的转速( r m i n ) 。 振动压路机工作频率珊的合理取值应大于并接近“机一土”振动系统的二级 固有频率吐，一般取国：l 互2 b ：。处于压实状态的土壤，成为密实而具有弹性 的物体，这时“机土”振动系统的共振频率通常在1 3 2 7 h z 之间。所以，振动 压路机的振动频率应在2 5 5 0 h z 之间。 2 ) 工作振幅和名义振幅 振动压路机在振动压实作业时，振动轮的实际振幅称为振动压路机的工作振 幅，用a 来表示，振动压路机的工作振幅是一个随机参数。为了，便于评价和比较 下同机型振动压路机的振动性能，就引入了名义振幅这个设计上的概念。 所谓“名义振幅”，是指把振动压路机用支撑物架起来，振动轮悬空时测得的 振幅，也称为“空载振幅”，用以来表示。名义振幅的大小只与振动轮本身的参振 质量及激振器的静偏心矩有关，而不受外部工况条件的约束。振动轮的名义振幅a 。 ( m ) 用下面的公式计算： 。m e a o2 m d 式中：m 。激振器的静偏心矩( k g m ) ； m d 振动质量( k g ) 。 此处的振动质量指参与振动压实工作的所有零件质量的总和，包括振动轮本 身、激振器、液压马达、安装板等，甚至还应计入减振器质量的一半。 通