（机械制造及其自动化专业论文）沥青路面热再生维修机械加热板温度控制系统的研究.pdf

同济大学硕士学位论文 摘要 目前我国的公路建设飞速发展，每年投资规模已经超过2 0 0 0 亿元。9 0 年代以后 建成的高速公路已陆续进入大、中修期。从现在起，每年有1 2 的沥青路面需要翻 修，旧沥青废弃量将达到每年2 2 0 万吨之巨，如能加以利用，每年将节省数以亿计 的材料费，而且非常有利于对环境的保护。因此，沥青再生技术的研究、推广和相 关专用设备的开发，对我国降低公路建设成本、保护生态环境具有极大的现实意义。 本课题对沥青热再生问题进行深入研究，确定了一种热再生维修机械可采用的加热 板型式，并做了大量测试，在对试验数据分析的基础上制作了一套加热板温度控制 装置，用于实践，效果良好。 对就地热再生技术进行分析的过程中，全面论证了应用就地热再生技术所需的 各个设备的结构及作用、施工作业的工艺流程及关键技术，并对其优缺点进行研究 论证，提出我们采用的方案。 对运用红外线加热沥青路面的技术进行论证。介绍了红外线光谱辐射特性、辐 射场、换热表面的辐射特性、热辐射应用定律、沥青路面的红外线加热技术等理论 知识；计算确定了沥青路面红外线加热板的型式。利用自行设计制作的燃气红外线 加热板对沥青路面进行加热试验，获得大量宝贵的第一手数据资料，通过对数据的 分析提出控制思想。 针对沥青路面热再生维修机械加热板设计制作了一套合理、安全、快速的加热 控制系统。该套系统能够根据沥青路面热再生维修机械实际作业时的环境及路面情 况进行现场加热模式选择，还可对各阶段控制参数进行微调，整个操作过程全部通 过触摸屏进行，直观、明了。在实际工作过程中该套加热板控制系统的加热效果符 合预期设想，达到了设计要求。 关键词：就地热再生红外线加热温度控制系统 同济大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tt h ep r e s e n tt i m e ，h i g h w a yc o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r yi sd e v e l o p i n gq u i c k l y t h c i n v e s t m e n ts u r p a s s e s2 0 0b i l l i o ny u a np e ry e a r 砀eh i g h w a y sb u i l t a f t e r19 9 0 sh a s a l r e a d ye n t e r e dar e p a i r i n gp e r i o d 12p e r c e n to ft h ec u r r e n ta s p h a l ts u r f a c eh i g h r o a d n e e d so v e r h a u l i n ga n n u a l l y t h ew a s t eo fo l da s p h a l tw i l la m o u n tt o2 ，2 0 0 ，0 0 0t o n say e 碣 b e i n gr e u s e d ，i tc a l ls a v eb i l l i o n sy u a no fm a t e r i a l s ，i ti sa l s ob e n e f i c i a lt oe n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n t h e r e f o r e ，i ti s o fg r e a ts i g n i f i c a n c et or e s e a r c ha n dp o p u l a r i z ea s p h a l t r e g e n e r a t i o nt e c h n o l o g y , t h e nd e v e l o ps p e c i a le q u i p m e n t a f t e rd e e pr e s e a r c ho na s p h a l t h e a tr e g e n e r a t i o n ，w ed e c i d e dam o d e lo fh e a t i n gp a n e lw h i c hc a nb ea d o p t e db yh e a t r e g e n e r a t i n gr o a d - r e p a i r i n gm a c h i n e s ，s e tu pas e to ft e m p e r a t u r ec o n t r o ld e v i c e sf o r h e a t i n gp a n e la f t e rm a n yt e s t s i tw o r k sw e l lw h e na p p l i e di np r a c t i c e t h e r ea r ee n t i r ea n a l y s e sa b o u to n - t h e s p o th e a tr e g e n e r a t i o n ，i n c l u d i n gf u n c t i o n s a n ds t r u c t u r e so ft h ee q u i p m e n t ，c o n s t r u c tt e c h n i c sa n di t sk e yt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt o t h er e s u l to ft h e s ea n a l y s e s ，t h em a t e r i a le q u i p m e n t ，s t r u c t u r ea n dc o n s t r u c tt e c h n i c sa r e c h o s e n i ti sak e yt e c h n o l o g yi nw h i c ht h ei n f r a r e dh e a t i n go na s p h a l tr o a di su s e d a f t e r h a v i n gat h o r o u g hr e s e a r c ho fi n f r a r e dh e a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，s e v e r a la s p e c t s a r e d i s c u s s e d ：r a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi n f r a r e d s p e c t r m n ，r a d i a t i o nf i e l d ，r a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fe x c h a n g e dh e a ts u r f a c e ，a p p l i c a t i o nl a wo fh e a tr a d i a t i o na n di n f r a r e d h e a t i n gt e c h n o l o g y t h em o d e lo fi n f r a r e dh e a t i n gp a n e lo na s p h a l tr o a dw e r ed e c i d e d a f t e rc a c u l a t i o n d o i n gh e a t i n gt r a i l so na s p h a l tr o a db yg a si n f r a r e dh e a t i n gp a n e lm a d e b yo u r s e l v e s ，w eo b t a i n e dp r e c i o u sf i r s t h a n dd a t a t h ec o n t r o lt h o u g hi sp u tf o r w a r d b a s e do na n a l y s i so ft h ed a t a f o rah e a t i n gp a n e lo fh e a tr e g e n e r a t i n gr o a d - r e p a i r i n gm a c h i n e ，t h ek e yp r o b l e mi s h o wt od e s i g nas e to fh e a t i n gc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sr e a s o n a b l e ，s a f ea n dc o n v e n i e n t 功ee q u i p m e n tc a nm a k ep r o p e rc h o i c ea tt h ew o r k s i t ea c c o r d i n gt ot h ee n v i r o n m e n ti n w h i c ht h eh e a tr e g e n e r a t i n gr o a d r e p a i r i n gm a c h i n ei sw o k i n g i tc a na l s oa d j u s tt h e c o n t r o lp a r a m e t e r s m a k i n gt h ew h o l eo p e r a t i o nt h r o u g hat o u c hs c r e e nm a k ei td i r e c ta n d c l e a r i nf a c t ，t h eh e a t i n gp a n e lc o n t r o ls y s t e mh a sa c h i e v e dp r o s p e c t i v eg o a l sd u r i n gt h e w h o l ep r o c e s so ft h ep r a c t i c ew o r k k e yw o r d s ：o n - t h e - s p o th e a tr e g e n e r a t i o n ； i n f r a r e dh e a t i n g ； t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m 2 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得同济大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名：垒弛 日期：以年乡月- 夕日+ 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节课题的提出 一引言 在我国目前的等级公路中，沥青混凝土路面( 俗称黑色路面) 占了很大比例。 沥青路面在使用过程中，由于行车荷载的反复作用、气候的影响和沥青路面材料的 物理化学性质变化，随着时间的推移将产生诸如坑槽、裂缝、拥包、沉陷、啃边、 麻面、脱皮、松散等各种损坏。在车辆行驶不断撞击和雨雪侵蚀下，这些损坏将迅 速扩大，造成更大面积的破坏，严重影响车辆正常行驶。为了快速高效地修复已经 损坏的沥青路面，各国的科学家、工程师长期以来进行了坚持不懈的努力。 沥青路面的再生技术，是将旧沥青路面经过翻挖、回收、破碎、筛分后，与再 生剂、新沥青材料、新集料等按一定比例重新拌和混合料，使之能够满足一定的路 用性能并用其重新铺筑路面的一套工艺技术乜1 。使用这种技术维修路面能够达到快速 修复路面的目的并且可重复利用l i t 有材料，在路面维修工程机械上得到了广泛应用。 按其施工时破碎工艺的不同可分为冷再生技术和热再生技术。 沥青路面冷再生技术一般是用风镐、液压镐或铣刨机去除沥青路面的破损部分， 然后采用灌入法将碎石、热沥青等新料填入修整好的坑槽内或者在现场拌制沥青混 合料并将其填入坑槽，摊平后，再用压路机压实。这种作业方式由于其一系列的缺 点导致其应用受到极大限制。 沥青路面现场热再生利用技术是一种具有国际水平的高等级技术，采用就地加 热、翻松、搅拌、摊铺、压实等连续作业，一次成型新路面，经济、高效、快速、 环保、节约，具有显著的经济效益和社会效益“1 。沥青路面热再生维修机械是一种 能对沥青路面进行现场热再生的多用途维修机械，由路面加热机和路面再生机组成。 路面加热机主要是将旧路面加热并达到一定深度，使其避免铣刨机具对原材料及其 级配的破坏，同时提高再生机的作业速度。其中关键部分主要是加热板，它要提供 高效的辐射热能，对旧路面加热既要时间短、并达到一定的深度；又不能过热使沥 青老化，失去再生的意义；路面再生机由铣刨、集料、搅拌、摊铺、熨平等机具组 成，通过将加热后的旧路面层铣刨，把铣刨下来的材料收集在料仓内进行搅拌，就地 摊铺，熨平压实后形成新的路面。 同济大学硕士学位论文 二课题来源、选题依据 目前我国的公路建设飞速发展，每年投资规模已经超过2 0 0 0 亿元。在9 0 年代 以后陆续建成的高速公路已进入大、中修期，大量的翻挖、铣刨沥青混合料被废弃， 一方面造成环境污染，另一方面对于我国这种优质沥青极为匮乏的国家来说是一种 资源的浪费，而且大量的使用新石料，开采石矿会导致森林植被减少，水土流失等 严重的生态环境破坏。按照沥青的设计寿命( 1 5 2 0 年) ，从现在起，每年有1 2 的 沥青路面需要翻修，旧沥青废弃量将达到每年2 2 0 万吨之巨，如能加以利用，每年 可节省材料费3 5 亿人民币，而这个数字是以每年1 5 的速度增长的。1 0 年以后， 沥青路面的大、中修产生的旧沥青混合料将达到1 0 0 0 万吨阻1 。相比冷再生而言，如 果能在沥青路面维护过程中广泛采用热再生技术，可大大提高旧料利用率，且具有 速度快、干扰小等优点。采用热再生技术的沥青路面维护机械一般有两大类：一类 是对整个路面进行大面积翻修的大型热再生维修机械；另一类是对路面裂纹、坑洼 等病害进行小面积翻修的沥青路面热再生维修机械。两类机械设备都有翻修时对旧 路面加热的需求，而加热的效果将直接关系到路面旧材料的利用率和修复后路面质 量的好坏。因此，设计出热效率高、控制功能完善的加热板温度控制系统，对于自 主开发适合我国国情的热再生机械设备是一个非常关键的现实问题。目前国内有的 厂家已经开发了一些相关产品，但从实际使用情况来看，效果均不是很好，主要是 这些设备的加热系统自动化程度低，需要依靠操作人员现场根据肉眼和经验手动控 制，严重影响路面维护质量，增加操作人员劳动强度。所以，开发一种具有广泛适 用性、自动化程度高、调节方便、界面友好的沥青路面热再生机组加热板温度控制 系统，能大大提高目前国内各有关厂家相关产品的使用性能。 三国内外研究现状、发展动态 国外对沥青路面再生利用研究，最早从1 9 1 5 年在美国开始的，但由于以后大规 模的公路建设而忽略了对该技术的研究。1 9 7 3 年石油危机爆发后美国对这项技术才 引起重视，并在全国范围内进行广泛研究，到八十年代末美国再生沥青混合料的用 量几乎为全部路用沥青混合料的一半，并且在再生剂开发、再生混合料的设计、施 工设备等方面的研究也日趋深入。以英达公司的“修路王”为代表的沥青路面热再 生维修机械已经具有很高的自动化水平，适应性广，维护质量高。 西欧国家也十分重视这项技术，联邦德国是最早将再生料应用于高速公路路面 4 同济大学硕士学位论文 养护的国家，1 9 7 8 年就将全部废弃沥青路面材料加以回收利用。芬兰几乎所有的城 镇都组织旧路面材料的收集和储存工作。法国现在也已开始在高速公路和一些重交 通道路的路面修复工程中推广应用这项技术。其中联邦德国生产的维特根成套再生 机组最具代表性，已经在许多国家得到了广泛应用口一】。 我国高速公路起步较晚，但发展迅速。随着国民经济的发展，交通运输量的增加， 环境保护意识的增强及降低工程造价要求的提高，再生机械的发展出现了前所未有 的好兆头。由于我国热再生维修机械设备的研发相对滞后，已投入使用的设备主要 还是依赖于国外进口。因此，沥青路面再生技术的研究推广与应用已迫在眉睫。目 前国内虽然已有部分厂家生产具有多种功能的沥青路面热再生机组，但仅限于功能 的集合，使用操作仍然以手动为主，自动化程度很低，不利于进一步推广。面对如 此严峻的态势，研制出具有自主知识产权、控制方便、界面友好的沥青路面热再生 维修机械，同时制定有关的工艺规程，加速把科学技术转化成生产力已经成为一个 值得深入研究的重大课题。 我校多年来从事工程机械整机开发，“八五九五”技术攻关项目研究中积累 了一定的经验。试验及测试装置在路面设计、路面材料性质、路面加热与技术基础 方面有了相当的积累，但具有高度自动化水平的沥青路面热再生维修机械的研究与 开发尚属首次，本课题的研究成果填补国内空白。 四理论意义和实际应用价值 此项目具有很高的理论研究意义和实际应用价值。 1 工程上急需采用就地热再生技术。我国以前的公路维修制度是道班制、人工 化，既不能保证公路的质量又浪费资源，污染环境，而采用热再生技术作业则可以 1 0 0 回收利用原有材料，再生的路面可达到新筑的路面要求，不但避免了因废旧材料 对环境的污染，而且节约成本，使效益提高。 2 目前道路维修道班制已逐渐向专业化维修公司转化，有大量购买国产热再生 机械设备的实际需求( 国产设备价格仅相当于国外同类产品价格的1 2 左右) 。 3 沥青路面热再生机械设备应用前景广阔，具有良好的经济效益和社会效益。 第二节论文的主要研究内容 同济大学硕士学位论文 沥青路面热再生维修机械由路面加热机和路面再生机组成。路面加热机主要是 将旧路面加热并达到一定深度，使其避免铣刨机具对原材料及其级配的破坏，同时 提高再生机的作业速度。其中关键部分主要是加热板，它要提供高效的辐射热能， 对旧路面加热既要时间短、并达到一定的深度；又不能过热使沥青老化，失去再生 的意义；路面再生机由铣刨、集料、搅拌、摊铺、熨平等机具组成，通过将加热后的 旧路面层铣刨，把铣刨下来的材料收集在料仓内进行搅拌，就地摊铺，熨平压实后 形成新的路面。就地热再生工艺代替现有的冷铣刨( 破坏材料及其级配，浪费 2 0 3 0 ) 一旧料集散( 沥青废料的堆放造成环境污染) 一铺设新料的旧工艺，可 使路面材料完全被利用，节省了材料，减少了环境的污染，同时加速了路面的摊铺， 使道路交通随着工程进展而随之开放，对路面交通的影响降低到最低程度。本文针 对沥青路面热再生维修机械所采用的技术、设备进行了深入研究，取得了一定的成 果。本文主要研究内容有： 1 从理论上分析沥青路面热再生所涉及的技术、设备 2 对沥青路面热再生维修机械加热板的型式进行研究确定 3 测试加热板对典型条件下沥青路面的加热效果并对试验数据进行分析 4 设计制作加热板温度控制系统 5 对未来的研究提出展望 第三节小结 本章主要介绍了国内外沥青路面热再生技术、设备的发展态势，对本课题的来 源、选题依据进行了分析，提出了本课题研究的理论意义和实际应用价值，并对论 文主要涉及的工作进行了总结。目前我国的公路建设飞速发展，每年投资规模已经 超过2 0 0 0 亿元。按照沥青的设计寿命( 1 5 2 0 年) ，从现在起，每年有1 2 的沥青路 面需要翻修，旧沥青废弃量将达到每年2 2 0 万吨之巨，而且这个数字是以每年1 5 的速度增长的。因此，沥青再生技术的研究、推广和相关专用设备的开发，对降低 建设成本、保护生态环境以及对我们国家的公路建设都有极大的意义。本课题旨在 研究开发一种具有广泛适用性、自动化程度高、调节方便、界面友好的沥青路面热 6 同济大学硕士学位论文 再生维修机械加热板温度控制系统，以解决目前国内同类产品自动化程度偏低、加 热效果不够理想的问题。 7 同济大学硕士学位论文 第二章沥青路面就地热再生研究 第一节沥青再生问题 再生沥青路面的施工按其作业破碎工艺的不同可分为热法施工和冷法施工。热 法施工按施工工艺又可分为现场热再生法和厂拌热再生法。 一、旧沥青路面材料的性能 沥青路面材料是一种复合材料，它通常由5 5 - - - 7 的石油沥青、9 3 左右的粗集 料、细集料和矿粉等矿质混合料组成。石油沥青是由多种极其复杂的碳氢化合物和 这些碳氢化合物的非金属衍生物所组成的混合物，其化学组成元素主要是碳( 8 0 - - 8 7 ) 和氢( 1 0 1 5 ) ，其次是氧、硫、氮等( = 5 2 ) ，其余为碳酸镁、碳酸钙等物质1 。沥青路面使用粘结力较强 的沥青材料作结合料，大大增强了矿料间的粘结力，提高了混合料的强度和稳定性， 使路面的使用质量和耐久性得到提高。沥青混凝土路面具有表面平整、不渗水、行 车舒适、噪音小等优点，因而获得越来越广泛的应用。但它也经常受到天气、温度、 行车以及材料等方面的影响，以及路面结构设计等方面的原因，不可避免地会出现 各种各样的病害，而这些病害又对行车速度、路面使用寿命、乘客舒适性以及交通 安全等带来了有害的影响。 沥青路面老化主要是沥青的老化和骨料的细化。沥青路面在车轮荷载作用下， 承受着压应力、剪应力和拉应力等，同时沥青路面长期暴露于大自然，会受到各种 自然因素如氧、阳光、温度、水、风等的作用，只是混合料中的沥青、骨料的性能 发生物理、化学变化，并最终表现为沥青混合料使用品质下降。沥青混凝土路面的 损坏总体上可分为两大类，一类为结构性损坏，包括路面结构整体或其中某一部分 的破坏，使路面不能支承预定的荷载；另一类为功能性损坏，它可能不伴随结构性 损坏而发生，但由于平整度和抗滑性能等的下降，使其不再具有预定的功能，从而 影响了行车质量7 1 。 二、现场冷再生 现场冷再生法是用大功率路面铣刨拌和机将路面混合料在原路面上就地铣刨、 翻挖、破碎，再加入稳定剂、水泥、水( 或加入乳化沥青) 和骨料同时就地拌和， 用路拌机原地拌和，最后碾压成型。这种方法主要应用于冷法施工中，施工主要由 8 同济大学硕士学位论文 专用再生机实现，其核心是一个装有若干个硬质合金刀具的切削转子，转子旋转时 向上切削现有旧路铺层材料，如图2 1 所示。其不足之处主要有：工作时间长，需 在现场炒油，而且还需大量的人力和机械相配合，如运输车、切割机、新料加热机、 压路机等，工作效率低；采用冷再生法施工对被修路面的交通影响很大；另外，由 于原来的路面和新加入的沥青混合料温度相差太大，直接导致弱接缝问题，使路面 不能有效地阻挡水分渗入道路基层中，从而损坏道路基层，降低道路使用寿命。所 以这种方法目前应用较少，主要适用于等级低的道路或铺筑基层使用，国外多用于 乡村道路的翻修n 8 憎制。 粒化后的材料 铣刨及破碎已损坏的沥青面层 图2 1 冷再生机械工作情况 三、集中厂拌再生 集中厂拌再生法在工厂中对回收的沥青混合料进行集中处理，是一种实用、灵 活、简便而又能保证质量的沥青路面再生技术。 集中厂拌再生法将旧沥青路面经过翻挖后运回拌和厂，再集中破碎，根据路面 不同层次的质量要求，进行配比设计，确定旧沥青混合料的添加比例，再生剂、新 沥青材料、新集料等在拌和机中按一定比例重新拌和成新的混合料，从而获得优良 的再生沥青混凝土，铺筑成再生沥青路面。利用这种方法，可以方便对已被翻挖的 基层甚至路基的一些地段进行有效的补强，沥青层的重铺则可以象新路施工一样， 分别按下面层、上面层( 磨耗层) 的不同技术要求进行配合比设计，确定旧沥青回 收料的添加比例。 集中厂拌再生技术其施工机械为多台功能单一的再生设备，如路面铣刨机( 或 冲击锤) 、破碎筛分机、再生拌和机、运输厂拌设备、路面摊铺机及压路机等。再生 9 同济大学硕士学位论文 混合料的级配、新旧料的掺配比例、温度及拌和均匀程度均由再生拌和设备进行控 制。其主要缺点是维修过程中路面材料的利用率低，废弃料的处理及环境污染等方 面存在很多难以解决的问题，同时存在维修时间长，对交通干扰大，需要专门的工 厂来进行沥青混合料的处理，成本较高等问题。 四、现场热再生 现场热再生是一种就地修复破损路面的过程，它通过加热软化路面，铲起路面 废料，再和沥青粘合剂混合，有时可能还需要添加一些新的骨料。然后将再生料重 新铺在原来的路面上。一般用一台大型“沥青路面热再生联合机组”，先把沥青路面 烤热软化，再将旧沥青层收集起来输送到该机组中双卧轴连续搅拌机上，添加新骨 料、补充新沥青，搅拌后排到机组的摊铺器上，摊铺、捣实、熨平，再用压路机碾 压，铺成一条新路。现场热再生可以通过单次操作完成，把原材料和需修的路面重 新结合。或者是通过两阶段完成，即先将再生料重新压实，然后在上面再铺一层磨 耗层。这种方法施工简单方便，多用于基层承载能力良好、面层因疲劳而龟裂的路 段，特别适用于老化不太严重，但平整度较差的路面。 4 1 现场热再生法的特点： 在上述各种方法中，沥青路面现场热再生利用技术是一种具有国际水平的高等 级技术，采用就地加热、翻松、搅拌、摊铺、压实等连续作业，一次成型新路面， 经济、高效、快速、环保、节约，具有显著的经济效益和社会效益。当沥青路面表 面曾出现裂缝、泛油、磨损、车辙、坑槽等病害或路用性能下降，路面的损坏程度 还没有波及到基层时，都可以采用这种维修方法，使用先进的现场热再生机组，就 地加热旧路面，耙松、收集旧料，增加适当的新拌沥青混合料、再生剂进行机内热 搅拌，随即摊铺、熨平、碾压，即可快速开放交通，是一种连续式的现场热再生作 业方式。根据英达公司提供的资料，其“修路王 现场热再生修补方法与传统方法 相比，修补时间可节省5 6 ，作业人员节省1 2 ，旧路用材料完全利用，新沥青混合 料用量可节省1 2 1 。因此，沥青路面现场热再生方法在近几年的沥青路面养护中得 到了相对更为广泛的应用。其主要特点可概括为： ( 1 ) 任何直接重铺或铣刨后再添补的工程都可以用热再生的方法，旧路面混合料 就地再生利用，不需要搬运废料过程及废弃物堆放场地。 ( 2 ) 能保存骨料的完好，保留沥青的组成及性能，1 0 0 地利用旧料。而传统的 1 0 同济大学硕士学位论文 工厂再生法只能利用4 0 5 0 旧料，新的设备能够产生更高质量的沥青，它和新的沥 青混合料具有一样的生命周期。 ( 3 ) 不受大的交通流量的限制，与以前的维修方法相比，影响交通及沿途居民的 程度小，施工结束就可以开放交通。 ( 4 ) 施工产生的震动、噪音比其他施工方法小，有利于环保。 ( 5 ) 此维修方法是以路面面层为施工对象，适于基层承载力良好，因面层疲劳而 龟裂，车辙、破损的路面。损坏波及到基层以下时，原则上不适用，或必须首先对 基层进行处理。现场热再生一般不能纠正属于结构上的破坏。 ( 6 ) 现场热再生不能修复位于沥青层以下较深位置的伸缩裂纹，可以达到最大深 度为5 0 r a m 的位置，在某种情况下可以达到更深的再生深度。 ( 7 ) 在实行现场热再生方法前，路面上的大量冷混合料补丁、喷涂补丁必须除掉。 ( 8 ) 此方法是在路上加热旧路面，容易受特殊气温的影响，寒冷季节一般不宜施 工，天冷以及雨天时效率有所降低担3 一“8 1 。 4 2 现场热再生法实际应用： 现场热再生施工的主要设备是热再生机组，其中关键部分主要是加热板，它要 提供高效的辐射热能，对旧路面加热既要时间短、并达到一定的深度；又不能过热 使沥青老化，失去再生的意义。能对整条车道进行连续就地再生作业的设备一般具 有路面预热功能、热铣刨功能、新料添加功能、拌和功能、摊铺功能等。 综上所述，本课题研究的主要是就地热再生的加热技术及设备问题。 第二节就地热再生方式 根据路面破损情况的不同和对修复后路面质量等级的不同要求，就地热再生的 施工工艺主要有以下3 种： 一整形再生法 所谓整形再生法，就是由加热机对旧沥青路面加热至一定温度，用复拌机将路 面翻松，并在复拌机上的搅拌器中把翻松的材料拌和均匀( 可同时加入适量的添加 剂恢复沥青性能) ，然后摊铺到路面上，用压路机碾压成型的施工方法口1 。对维修破 损不严重、破损面积较小的路面也可以用人工将已加热软化的路面进行翻松作业。 同济大学硕士学位论文 修复后可消除原路面的车辙、龟裂，恢复路面的平整度，改善路面性能。 二复拌再生法 所谓复拌再生法，就是由加热机将旧沥青路面加热至一定温度，用铣刨机铣刨 旧沥青层，并收集到连续搅拌机内，增添新骨料，补充新沥青，经搅拌后将沥青混 合料排放到摊铺机上，进行摊铺，最后用压路机碾实( 如图2 2 所示) 口。这种方法 适用于维修中等程度损坏的路面，修复后可以恢复沥青路面原有的性质。 复拌再生法可以改善矿料级配、沥青含量，达到改善路面结构综合性能指标的 目的，并能够形成全断面均匀的再生面层。 再生添加剂新沥青混合料 加热 翻松 拌和摊铺 ( 再生加热机)( 路面再生机) 压实 ( 压路机) 图2 2 复拌再生 三重铺再生法 所谓重铺再生法，就是用加热设备把沥青路面烤热软化，用铣刨机铣刨旧沥青 层，与第二种不同的是将铣刨下来的沥青料直接进行摊铺，紧接着在其上面再摊铺 一层新的沥青混合料，然后再用压路机进行碾实( 如图2 3 所示) 口1 。这种方法适用 于破损较严重路面( 如出现大面积坑槽) 的维修翻新和旧路升级改造施工，修复后 形成与新建道路性能完全相同的全新路面。 重铺再生法由于最上层使用的是新沥青混合料，即使有局部路段的旧混合料发 生变化，也能确保再生层为不变的矿料级配及沥青含量。 1 2 同济大学硕士学位论文 再生添加剂 新沥青混合料 加热翻松 摊铺 ( 再生加i 热i l 机1 )( 路面再生机) 图2 3 重铺再生 压实 ( 压路机) 第三节就地热再生机械 要完成沥青路面的就地热再生过程，需要一个沥青路面热再生联合机组来完成， 该机组一般由再生用路面加热机，路面再生机和压实设备三部分组成。它把沥青路 面维修作业中的加热、翻修、添加新混合料、拌和、摊铺和压实成型等多种功能集 于一体。该机组主要用于路基完好、路面破损深度小于6 c m 的沥青路面维修，还可 以进行以提高原有路面等级为目的的旧路改造施工。 图2 2 、图2 3 所示的加热过程由热再生维修机械的加热系统来完成，旧沥青路 面的铣刨、加料和摊铺过程由其路面再生机来完成，碾压过程由其压实设备来完成。 一沥青路面热再生维修机械加热系统 沥青路面热再生维修机械加热系统的作用是，就地加热所需维修的沥青路面， 使旧沥青路面在一定深度软化，但绝不能使其明火燃烧，以损坏骨料质地。它主要 由燃烧系统、加热装置、燃料灌、管路系统、动力及传动系统、控制系统等组成， 并且有完善的消防安全保护系统。它应具有较高的热效率，足够的加热能力，加热 温度可调节以满足施工的要求，尽量不使沥青变质，有较高的经济性等功能。该机 组的工作速度一般为i m m i n - - 9 m r a i n ，加热宽度为2 5 4 5 m ，可以适用于不同宽度 路面的施工。 路面再生加热系统的分类如下： ( 1 ) 按结构不同可分为集中燃烧式和分散燃烧式 热风循环式是典型的集中燃烧式加热机( 如图2 4 所示) ，它采用一个大容量的 同济大学硕士学位论文 喷燃器并与加热装置分开，设有通风管道和箱罩。燃烧器燃烧产生的热量从通风管 送到加热箱罩内均匀地加热路面。集中燃烧式加热温度控制方便，加热宽度是通过 液压伸缩装置控制加热箱罩的不同位置来调节。 234 67g 1 发动机2 液压系统3 风机4 燃烧器 5 燃烧箱6 热风喷咀7 风道8 加热箱 图2 - 4 集中燃烧式加热机结构示意图 分散燃烧式加热装置由若干加热箱组成( 如图2 5 所示) ，每个加热箱内装有多 个( 1 0 1 0 0 ) 小容量燃烧器，直接加热路面。它结构简单，热量损失小，但不便于 实现自动控制，加热宽度的调节采用拆去部分加热箱或折叠式结构来实现。 2 3 4 56 7 1 喷咀2 燃烧箱3 发动机 4 升降装置5 、6 、7 加热箱 图2 5分散燃烧式加热机结构示意图 1 4 同济大学硕士学位论文 ( 2 ) 按燃料及加热方式的不同可分为红外线辐射式、热风循环式和红外线热风并用 式。 所谓红外线辐射式，就是通过液化石油气( l p g ) 的燃烧( 如图2 - 6 所示) ，激 发金属板或金属网产生红外线，利用红外线的发热原理来达到加热地面的方法。由 于红外线加热对路面材料有较强的热穿透能力，能有效地加热沥青路面的较深层部 位，具有热效率高、加热均匀等优点。其主要缺点是由于加热时对路面白上而下的 传热过程很容易造成上面层的沥青过热老化，影响沥青料的再生，所以使用该种加 热方式必须配备完善准确的加热板温度控制系统。 因l p g 罐大小的关系，一般用在小容量的燃烧装置上。 1 23 1 进气管路、阀门2 金属网3 火焰面 图2 6红外线辐射式加热装置示意图 所谓热风循环式，就是通过燃烧燃料油使空气经循环装置不断的进行循环加热 ( 如图2 7 所示) ，然后利用这一循环的热空气对地面进行加热的方法。 该加热温度是通过温度传感器，在热风发生装置出口处利用微机自动控制来实 现。热风可重复循环使用，热效率较高，节能显著，多用在大功率的大型燃烧装置 匕。 1 5 同济大学硕士学位论文 炉膛保温材料 图2 7 热风循环式加热装置 所谓红外线热风式，就是上述两种方式的结合。 一般红外线热风并用式加热器以煤油为燃料时，根据形状的不同可分为圆筒形 热反射板式和扁平框架式。圆筒形热反射式是将燃烧器燃烧的高温火焰吹到圆筒周 围产生红外线，并通过顶部的反射板反射到路面上，对路面进行加热。加热能力可 通过调节喷燃器的压力及更换喷嘴进行调整，调整范围比热风循环式小。由于加热 器箱罩内压力高，可防止冷空气的侵入，热风的排风量大。扁平框架式加热器燃烧 的高温火焰散射在孔状的波纹板面上，应用热辐射和对流的原理对路面进行加热。 此结构受热面积大，热辐射的效果好。加热能力可通过调节压力进行控制，调节范 围比热风循环大。 表2 1常见的三种再生用路面加热设备的主要参数表 型式一块板两块板三块板 简图 l 广 m 芒三弓 几 o 2 m 2 o眩勿oo 团圆o o 囫 行工作0 7 米分o “米分o 1 0 米分 走时 速非工作 0 - 6 千米川、时0 5 千米，j 、时o l o 千米，j 、时 度 时 回转半径 l o 1 2 米 8 l o 米3 “5 米 加热方式红外线辐射方式热风循环式红外线热风并用 式 尺寸工作时8 8 * 4 3 * 2 4 米7 3 * 4 3 * 2 2 米 13 2 * 4 4 * 2 6 米 l w非工作 8 7 * 2 5 * 2 8 米4 5 * 2 4 * 2 2 米8 4 * 2 5 * 2 6 米 h 时 1 6 旦塑奎堂堡主堂垡丝苎 注：摘自日本机械学会施工机械诸元表。 二沥青路面热再生维修机械 ( 1 ) 沥青路面热再生维修机械的种类 沥青路面热再生维修机械一般由新加混合料供给装置、铣刨装置、混合装置和 摊铺装置组成。依据选择的就地热再生方式的不同，其具体的组成也不相同。如选 用表2 1 第一种型式，它就有新加混合料供给装置、铣刨装置、混合装置和摊铺装 置四部分组成( 如图2 8 所示) 。如选用表2 1 第二种型式，它就没有混合装置， 而需要两个摊铺装置，一个用来摊铺铣刨后的沥青料，另一个用来摊铺新沥青混合料。 ( 如图2 - 9 所示) 。 12 3 4 1 供给装置2 混合装置3 铣刨装置4 摊铺装置 图2 8 第一种就地热再生方式 12 1 7 3 同济大学硕士学位论文 1 供给装置2 铣刨装置3 摊铺装置 图2 - 9 第二种就地热再生方式 ( 2 ) 主要装置 a 新加混合料供给装置 此种装置是用来供给沥青混合料的。该装置由料斗及链板式输送机组成。 b 铣刨装置 此种铣刨装置主要是转子结构，利用转子的转动对沥青路面进行铣刨。 设计的关键是刀具更换的方便及刀具的优化排列。关于转子上的刀具要采用更 换式刀具，损坏时可以现场快速更换。关于刀具的优化排列使刀具即使在最大的工 作深度也具有足够的拌和空间，同时保证转子的工作平稳，从而降低转子驱动系统 的磨损，提高其寿命。 c 混合装置 此种装置的主要工作部分是搅拌器，它的作用是把翻松后的材料与新沥青混合 料或再生添加剂搅和均匀。为使其具有最良好、最均匀的搅拌，一般装有反转搅拌 轴，同时可以通过改变搅拌器轴上独立的搅拌浆叶角度来选择最佳的混合料质量。 d 摊铺装置 此种装置是通过安装在摊铺机上的可变宽度的熨平板来完成混合料的铺设，形 成断面正确的道路。熨平板可调节到与实际的翻松器宽度相匹配，并可调节振捣和 振动作用力以达到最好的预压实效果。 沥青路面热再生维修机械的结构示意图如图2 1 0 所示。 熨平扳 燃烧罐 刮板输送机 图2 1 0 热再生维修机械结构示意图 1 8 同济大学硕士学位论文 下面列出德国维特根( w i r t g e n ) 公司生产的系列沥青路面热再生维修机械的 技术参数表2 2 、加热器的技术参数表2 3 阳1 。 表2 2 维特根( w i r t g e n ) 公司就热热再生机械技术参数 技术参数3 0 0 6 0 0 0 型再生机2 5 0 0 型再生机4 5 0 0 型再生机 适用于维修沥青面适用于改造旧沥青适用于大面积沥青路 层的龟裂。龟裂部位面层。通过翻松旧面的改造。通过翻松 被加热器加热松软路、加入粘结料、旧路、加入粘结料、 用途后，通过添加新混合与新沥青混合料拌与新沥青混合料拌和 料与之拌和后，再摊和并摊铺到路面并摊铺到路面上，使 铺到路面上上，使沥青路面得沥青路面得以再生 以再生 工作宽度 o 3 o 61 5 2 53 0 4 5 ( m ) 工作深度 o 一4 0 0 6 00 6 0 ( n l n l ) 发动机功率 3 6 。81 1 81 8 2 ( k w ) 使用总量 4 5 8 01 6 1 3 04 8 8 2 0 ( 埏) 车轮数量 444 行走驱动液压全轮驱动液压全轮驱动液压全轮驱动 表2 3 维特根( w i r t g e n ) 公司板式加热器技术参数 技术参数h m 2 5 0 0 型板式加热器h m 4 5 0 0 型板式加热器 该设备主要用于加热松该设备主要用于加热松 用途软旧沥青路面，以备2 5 0 0软旧沥青路面，以备4 5 0 0 型再生重铺机再生之用型再生重铺机再生之用 加热宽度( m m ) 2 6 0 04 6 8 0 3 9 3 1 加热面积( m2 ) 2 1 8 4 加热元件 红外线红外线 最大加热能力( m j h ) 5 4 3 69 7 4 3 燃料箱容量( l ) 2 5 5 06 0 0 0 发动机功率( k w ) 3 63 6 使用总重( k g ) 9 8 4 0 1 9 9 6 0 1 9 同济大学硕士学位论文 从各种再生方式、再生工艺以及再生设备的比较出发，参考国外再生技术及设 备，我们认为：沥青路面热再生维修机械的再生工艺及再生设备采用下列组合能够 比较好的适应国内目前的沥青路面维护需要且具有一定的可行性。其具体组合为： 就地热再生方式采用复拌再生方式，加热板采用红外线加热方式，再生机采用图2 8 第一种再生方式。下面几章分别对沥青路面热再生维修机械的关键技术一实现红 外线加热过程的设备及其控制系统进行深入研究。 同济大学硕士学位论文 第三章沥青路面加热技术的研究 第一节金属纤维燃烧器简介 一燃气红外辐射器的分类 燃气红外辐射器是使燃气通过某种方式的燃烧而辐射大量红外线的装置。按其 形式、原理不同，大致可以分为四类，即间接辐射管式、直接加热耐火材料式、催 化氧化式和表面燃烧式( 又称无焰燃烧式) 嘲。 1 间接辐射管式 它适用于工业上的热处理或退火工艺用的隔焰炉，可防止燃烧产物对工件的污 染和影响。 2 直接加热耐火材料式 它是指预混后的燃气一空气混合物在耐火材料隔壁附近燃烧，利用火焰加热耐 火材料壁，使温度升高并由耐火材料壁向外界辐射能量这种辐射器适用于直燃式热 交换器和冶炼炉中。 3 催化氧化式 它指燃气流出填料层后在表面催化层的催化作用下进行燃烧，不出现火焰，由 表面催化层向外直接辐射能量。这种辐射器为扩散式燃烧，不会回火，表面温度可 以较低，对一些易燃烧品如木材、纸张、塑料以及各种纤维和纺织品的烘干和加热 很安全，也可以作用于粮食和其他农产品的防潮干燥。 4 表面燃烧式 它指将均匀混合后的燃气和空气混合物送入辐射器的头部，使其在表面层进行 燃烧，形成炽热的赤红色，向外辐射能量，辐射表面的温度可达8 0 0 一9 0 0 。其 根据空气输入形式的不同，可分为引射式和强制鼓风式两种。除在工业上使用的大 型燃烧器需要强制鼓风式外，一般情况下均采用引射式。 根据辐射表面层所用材料和结构的不同，这种辐射器又可分为以下几种形式。 1 ) 多孔介质燃气红外辐射器： 燃烧器表面由均匀或非均匀的多孔介质制成，可燃气体混合物在这些自然形成 的微孔中燃烧。 2 ) 多孔陶瓷板燃气红外辐射器： 2 1 同济大学硕士学位论文 辐射表面由很多人工火道或火孔的陶瓷制成。这种燃烧器中的燃烧是在这些人 工形成的小火道或小孔中进行的。 3 ) 红外金属纤维燃烧器： 辐射表面层由金属纤维网构成。这种燃烧器中的燃烧是在网层之间进行的。可 以防止回火和脱火。 二红外金属纤维燃烧器 利用耐热合金的微细纤维丝制成的金属纤维燃烧器是一种高表面热强度以及低 n o x 、低噪音、高辐射性能的表面燃烧器，可适用于以往的辐射加热领域以及锅炉 等。表面燃烧器能够把燃气的能量转换成辐射能、高效率的加热物体，而其燃烧性 能很大程度上取决于构成燃烧器的通气性材料的性质。如家用辐射采暖器、工业用 的辐射热源大多采用内衬陶瓷板式，它通过比热小、导热系数小的陶瓷板上的小孔 喷出燃气，在表面燃烧后放射出辐射热能。近来，通气材料也利用新的构造优良的 耐火材料，特别是用微细纤维丝制成的。可以获得很高的表面温度、优良的辐射性 能；但其耐氧化性能和高温耐久性能不是很好。 目前，国际上较先进的燃气红外加热器使用金属纤维作为燃烧辐射面材料，它 是由一种