（机械设计及理论专业论文）ms9改性乳化沥青稀浆封层机研究.pdf

摘要 本文对改性乳化沥青稀浆封层机整机设计进行了研究。在对国内外稀浆封层机发展进 行调研的基础上，分析了不同稀浆封层机的工作原理和控制模式，深入研究了稀浆封层机 的关键技术。分析了稀浆封层机搅拌系统运动学和动力学特性，建立了搅拌系统数学模型， 结构上，摊铺箱核心部分采用了液压驱动双螺旋分料机构，摊铺宽度无级伸缩调节。为后 续设计提供了可靠的理论依据。 以西门子s 7 2 0 0 p l c 为核一t l , 器件，依据控制要求设计完成了硬件系统设计，在s 7 2 0 0 仿真环境下完成了软件开发。通过设备的现场调试、实验，控制器( 硬件和软件) 的工作 性能达到了设计要求，设备施工质量符合国家施工标准，达到了预期的研究目标。 在十多年的产品研发工作中，作者对整机性能进行了深入的研究和实验，主持研究的 m s 9 改性乳化沥青稀浆封层机也获得五项专利成果和交通部科学技术成果奖。 关键词：稀浆封层机，摊铺系统，搅拌系统，液压系统，控制系统，p l c a b s t r a c t b yt h ea n a l y s i so fp l e n t yo fd a t ao na b o u te m u l s i f i c a t i o na s p h a l tc o a t i n gm a c h i n e ，t h e e m u l s i f i c a t i o na s p h a l tc o a t i n gm a c h i n e sw h o l ed e s i g ni ss t u d i e d w o r kp r i n c i p l ea n dc o n t r o l m o d eo fm a n yk i n d so fe m u l s i f i c a t i o na s p h a l tc o a t i n gm a c h i n e sa r ec o m p a r e d , a n d ，t h ep a p e r s t u d i e dt h ec o r et e c h n o l o g yo fe m u l s i f i c a t i o na s p h a l tc o a t i n gm a c h i n e o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sc h a r a c t e r ，m a t h e m a t i cm o d u l eo fm i xs y s t e mi ss e tu p h s t r u c t u r e ，t h ed o u b l eh e l i xs t r u c t u r e ，t h ec o r ep a r to ft h ep a v i n gb o x ，i sa d o p t e d ，w h i c hi m p r o v e s t h ef l e x i n ga b i l i t yo fp a v i n gb o x a c c o r d i n gt o t h e r e q u e s t o fc o n t r o l l e r , t h ec o n t r o ls y s t e mi s s t u d i e d ，a n di t s c o l e c o m p o n e n ti ss i m e n ss 7 2 0 0 t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e ma r ef i n i s h e d i nt h es i m u l a t i v ec i r c u m s t a n c e t h r o u g ht h ed e b u go nt h es p o t ，t h ec o n t r o l l e rw o r k sv e r yw e l l ， t h eq u a l i t yi sa c c o r d e dw i t ht h es t a n d a r d i nt h el a s tt e n y e a r s ，t h ea u t h o rr e s e a r c h e dt h et e c h n o l o g yo fe m u l s i f i c a t i o na s p h a l t c o a t i n g t h em s 9w h op r e s i d e da n ds t i l d i e dw a sp r o v e dt ob es u c c e s s f u la n dw o nf i v ep a t e n t s k e yw o r d s ：e m u l s i f i c a t i o na s p h a l tc o a t i n gm a c h i n e ，p a v i n gs y s t e m ，m i x i n gs y s t e m ， h y d r a u l i cs y s t e m ，c o n t r o ls y s t e m ，p l c 论殳匏刨住声日月 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明 确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：副七之 “缸钿文日 论支知识产仅仅属声日月 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本 人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署 名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文储繇o l 、j 哆 导师签名：镌d c 讫 州薛石月0 2 1 日 9 - 一睁6 月j - l 绪论 本章论述了稀浆封层机的简要发展历程及国内外现状，介绍m s 9 改性乳化沥青稀浆封 层机的技术特点，阐述了稀浆封层机发展的背景和意义。 1 1 稀浆封层技术概述 1 1 1 稀浆封层技术简介 稀浆封层，顾名思义就是由级配好的细集料、填料、乳化沥青和水为材料，按一定比 例拌和成稀浆状，摊铺、硬化、成型后起到封层作用的一种路面结构。 稀浆封层起源于德国，至今已有9 0 多年的历史。我国开始应用稀浆封层实在7 0 年代 的援外工程，该技术是“八五”期间在全国推广应用项目。稀浆封层的应用范围非常广， 亦可用于公路的养护。因为地具有节约能源、减少环境污染及延长施工季节等优点，越来 越赢得公路技术人员和养护工人的青睐。 乳化沥青，就是将沥青热融，经过机械的作用，以细小的微滴状态分散于含有乳化剂 的水溶液中形成水包油状的沥青溶液，使用时不需要加热，可以在常温下进行喷洒、贯入 或拌合摊铺，铺筑各种结构路面的面层和基层，也可以做透层油、粘油及用于各种稳定基 层的养护。 改性乳化沥青封层属于稀浆封层技术范畴，在它的骨料中含有细料与粉料，通过专用 的稀浆封层机拌制成糊状的稀浆混合料，然后均匀铺在路面上。该技术将稀浆封层技术应 用范围拓展到路面结构层的应用，不再仅仅是防水、维修收缩裂纹和乏油，而且能用于形 成具一定功能的结构层( 增加路面摩擦性能的防滑层、l o m m 内微观不平的表面校准层、 车辙填补) 、提高公路养护效率、对推动公路养护技术的发展有着深远的现实意义和历史 意义】【1 4 i 。 1 1 2 改性乳化沥青封层的特性和使用范围 1 1 2 1 材料组成及作用 1 ) 乳化沥青。乳化沥青有多种类型，实际使用应根据下封层路用性能的需求和工地 石料的性能来确定沥青、改性剂和乳化剂，具体生产配制，此项工作宜选用专业试验室或 厂家完成。乳化沥青的质量应符合表一的技术要求。 2 ) 骨料。骨料的级配、坚固性、砂量应满足要求。骨料的选择范围比较广泛，可以 是酸性的，也可以是碱性的，一般可就地取材，多数用于热沥青面层的骨料均可使用。骨 料按级配的粗细分为：i 型、i i 型、i i i 型，其级配情况如表1 2 。 乳化沥青质量指标表1 1 项目标准备注 粘度s1 2 4 0 标准粘度 筛上剩余量 5 5 贮存稳定性( 5 天) 2 3 拌和 均匀密级配拌和 中、慢裂拌和稳定度 蒸发残留物6 0 - 2 0 0 针入度 4 0 延伸度( ) 9 7 5 溶解度( 三氯乙烯) 骨料级配表表1 2 筛孔直径( n l m ) 通过筛孔的百分率( ) i 型i i 型 型 51 0 0 9 0 - 1 0 07 0 9 0 2 59 0 - 1 0 0 6 5 9 04 5 7 0 1 2 5 6 5 - 9 04 5 7 02 8 5 0 0 6 34 0 - 5 0 3 0 5 09 3 4 0 3 1 52 5 4 2 1 8 3 01 2 2 5 o 1 51 5 3 01 0 2 1 7 1 8 0 0 7 41 0 2 5 5 1 55 1 5 参考沥青用量( ) 1 0 6 7 5 1 3 56 5 1 2 骨料量( k g m 2 1 3 2 5 45 4 8 18 1 1 3 6 3 ) 填料。可改善级配，调节破乳速度，提高混合料的稳定性和封层的强度。常用的 填料依次为水泥、石灰粉、粉煤灰、矿粉。 4 ) 添加剂。主要调节破乳时间，其类型应根据施工现场具体条件通过专业试验室或 厂家提供。它可以是无机盐、有机酸、碱或高分子聚合物或表面活性剂。 5 ) 水。水主要调节稠度，其质量应满足饮用水标准，不得使用含有杂质或受化学污 染的脏水。混合料中的水包括骨料中的水、乳液中的水和外加水，外加水的用量为干骨料 的6 一1 1 ，而混合料总的含水量为干骨料的1 2 2 0 之间。 1 1 2 2 技术特点 1 ) 显著提高道路养护质量。改性沥青稀浆封层技术不但可以提高路面防滑能力、增加 路面色彩对比度、改善路面性能、延长路面使用寿命，而且在面层不发生塑性变形的条 件下可修复深达3 8 m m 的车辙而无需碾压，并且十分稳定。 2 ) 应用范围广。该项技术不仅可以用来维修旧的沥青路面，而且可以用来铺筑新沥青 路面的封层；可以用在水泥砼路面和桥面上铺筑罩面。 3 ) 节约能源和材料。采用改性沥青稀浆封层技术只需在沥青乳化时一次加热，而且 加热温度远低于采用热沥青维修时的温度，这就节约了大量的能源。 4 ) 施工速度快，固化时间短。采用连续式改性乳化沥青稀浆封层摊铺1 天能摊铺5 0 0 t 改性乳化沥青混合料，折合为1 条l o 6 k m 长的标准车道，摊铺厚度最小可达9 m m 5 m m 。 5 ) 减少环境污染，改善施工条件。改性乳化沥青在密封状态中生产，沥青的加热温 度低( 1 2 0 1 4 0 c ) 、加热时间短、污染程度低。同时现场是在常温条件下进行旅工， 避免了因灼热沥青而引起的烧伤、烫伤和蒸汽的熏烤，从而改善施工条件，降低劳动强 度，保护工人的身体健康。 1 1 2 3 使用范围 改性稀浆封层混合料具有较好的流动性、渗透性、黏附性：有利于填充和治愈路面裂 缝：有利于旧路面的结合；有利于气候的变化( 低温不裂与高温不软) ；能提高路面的密 实性和防水性；采用质坚耐磨擦骨料，可以提高路面的防滑和耐磨。因而改性稀浆封层可 用于地方道路和城市道路；可用于高等级公路和高速公路：可用于飞机场跑道、滑行道、 停机坪、停车场等面层。 采用改性稀浆封层可以至愈水泥混凝土路面的裂纹，防止表面水泥混凝土剥落，提高 路面的平整度，减少由于伸缩缝而引起吸行车颠簸，还可防止汽车轮胎行使在水泥混凝土 路面上产生的噪音。 在桥面上采用稀浆封层养护，可以显著的减轻桥面自重，经常提高桥面的平整度，粗 糙度与防水性。 改性稀浆封层在坚实平整的基层上作防尘措施，必要时可以做双封层，可以防止旱季 行车尘土飞扬，也可以保证雨季里晴雨行车。沥青路面两侧道肩，可以采用稀浆封层拓宽 路面，减少中间路面上车辆拥挤，有利于快慢车辆分道行驶。 隧道中的路面，采用改性稀浆封层养护，缩短封闭交通时间，封层的厚度薄，不会影 响隧道中的经净空高度。改性稀浆封层便于做成各种彩色路面，显示各种标志。 1 2 稀浆封层技术国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状 二十世纪一九一七年德国人发明了乳化沥青。1 9 2 0 年还是德国人用非常精细连续级配 骨料、乳化沥青和水在一个铁锅里经过用铁锨的搅拌混合成稀浆状混合料，这种混合料当 时称：“s c h l a m i e ”，即为原始的稀浆；图1 1 是当时德国人制浆的工具：铁锅、铁铲 等。 图1 1 原始制浆设备 这种当时被称为：“s c h l a m i e ”浆状的混合料制好后，装入一只罐，最早用马车运到工 作地点；随着汽车工业的发展，后改用汽车；这就是最原始的稀浆封层车( 见图l 一2 、1 - - 3 ) 。到达工作地点后，在后部牵引一个布料槽，预先制好的稀浆混合料流入布料槽，然 后通过人工将稀浆混合料摊铺在整个路面上；这也就是最早的稀浆封层技术【9 l 【1 4 j 。 图1 2 原始稀浆封层车 图1 3 原始稀浆封层车 四十年末期，美国的加利福尼亚州才开始使用稀浆封层。1 9 5 0 年在美国德克萨斯州、 加利福尼亚州出现了用搅拌装置的稀浆封层车，就像现代的水泥混凝土搅拌运输车，见图 1 4 。 图1 - - 4 用搅拌装置的稀浆封层车 一九五五年，第一台连续式稀浆封层机在加利福尼亚州由c a l i f o r n i af r e s n oa s p h a l $ 0 造；该机具备第一代稀浆封层机的雏形：在一辆大型牵引底盘上装有集料仓、乳化沥青箱、 水箱；后部装有g r e e n 发明的双轴螺旋搅拌器；其摊铺箱与以前相同，该机也称为：b r a d s f i a w 机械，见图1 - - 5 。 图1 - 5 第一台连续式稀浆封层机 一九六o 年，在美国德克萨斯州维克的稀浆封层公司生产出了第一代大型车载稀浆 封层机，见图1 - - 6 。 图1 6 第一代大型车载稀浆封层机 上世纪六十年代中期，随着汽车制造技术的发展、慢裂快凝阳离子乳化沥青的发明， 稀浆封层技术发生了很大的进步，发明了慢裂快凝稀浆封层技术( 称之为改性稀浆封层) ， 改性稀浆封层技术的需求导致了第二代稀浆封层机进入市场；因此促进了稀浆封层技术在 在美洲、欧洲和其他国家迅速增长。第一代与第二代的主要区别见表1 3 。美洲型和欧洲 型的主要区别见表1 4 。 第三代改进和变化是：发动机的动力更加强劲( m a x1 1 0 k w ) ；优化液压系统的设计f 恒 压变量、电控比例调节) ，提高了液压系统的效率：高效、双轴强制快速拌和装置( 4 6 秒) ： 适合微表处在内的各种稀浆封层工艺施工的摊铺箱；各种材料计量更为准确，增加了水、 液体添加剂的计量表；电、液控制操作。同时，用于车辙填铺的车辙摊铺箱应用到实际中 去，扩大了应用范围。 第一、二代稀浆封层机的区别表1 - 3 第一代 第二代 搅拌形式不同单轴空心螺旋是双轴叶片强制拌和 摊铺箱不同 。 只有布料功能兼有布料和二次搅拌的功能 驱动行驶不同 机械驱动为主液压驱动为主 控制、操作行驶不同机械电、液为主 欧、美稀浆封层机区别表1 - 4 美洲欧洲 制浆能力不同 1 - 3 t 1 8 t m i n1 0 t 1 5 t m i n 布料方式不同 连续螺旋布料；螺旋叶片布料 液体料供应方式不同泵送 气送 总体布置不同紧凑 松散 相同点工作发动机的功率较小3 0 - 5 0 k w 到上世纪九十年代末期，以电脑控制为主、全自动闭环计量控制的、能应用于微表处 等各种稀浆封层施工工艺的第四代稀浆封层机在美国和德国进入市场；同时，不同形式连 续是稀浆封层设备也先后在美国、欧洲投入市场。 图1 8 德国产全自动电脑控制改性乳化沥青稀浆封层机 图1 8 美国v s s 公司产连续式稀浆封层机 1 2 2 国内发展现状 我国早在上世纪七十年代初期，交通部公路科研所姜云焕研究员领导的课题小组依据 我国的条件、借鉴外国的技术开展了乳化沥青及稀浆封层技术的研究，这个时期为乳化沥 青及稀浆封层技术应用在我国的第一个高潮。随着八十年代的逐步改革开放，陕西的咸阳、 辽宁沈阳、吉林、河南的孟州、河北的秦皇岛等地先后参照国外的产品和技术仿制生产出 牵引式、车载式第一代国产稀浆封层机：为我国后来迅速的使用改性乳化沥青稀浆封层和 微表处( m i c r o s u f f a c i n 曲技术奠定下了坚实的基础。 自上个世纪九十年代中期以来，我国先后引进购买欧美第二代、三代稀浆封层机近三 十台( v s s 、b e r i n i n g 、y a n g 、b e r g k a m p ) ：2 0 0 0 年9 月，山东进行第一次微表处试验；2 0 0 1 年前后，改性乳化沥青稀浆封曾先后在广深珠高速、沪宁高速、太旧高速作了试验段；2 0 0 2 年以来，大面积进行了应用并取得了较好效果和可喜成绩。 九十年代初期，徐工引进了德国w e i s i g 公司八十年代初期技术的稀浆封层机；2 0 0 1 年，北方交通公司仿制德国b e r i n i n g 公司八十年代初期产品s - - h y 8 0 0 0 稀浆封层机的 p m 8 进入市场；2 0 0 2 年，西安筑路机械有限公司设计生产我国第一台具有独立自主知识产 权的m s 9 稀浆封层机进入市场。 1 3 本文研究的主要内容 1 3 1 课题的提出 我国公路路面铺装率约为3 0 ，其中大部分还是沥青路面，尤其是在主干线公路上。 这些路面无论新旧，都在经受着长年累月大自然的严酷腐蚀。当前迫切需要加快养护速度， 提高养护质量，降低养护成本的施工方法，经过十年的实践证明，稀浆封层与改性稀浆封 层是适合我国公路养护的方法。它无论对低等级公路和高等级公路，无论对城市道路和城 乡道路，无论对沥青路面和混凝土路面，都可在用较少的材料、较快的速度、较少的污染 的情况下，尽快改善路面状况。 因此，稀浆封层技术对我国道路建设和养护有着重要的意义。它的研究与探索，将推 动我国公路养护事业的蓬勃发展。 1 3 2 本文研究的主要内容 本课题是自主研发项目，在对市场和现有技术的充分调研的基础上，经过长期的努力， 对整机性能及各个部分进行了研究，并取得可相当的科技成果。本论文研究的主要内容如 下： 1 ) 对稀浆封层技术的发展概况，设备发展情况和关键技术进行调研； 2 ) 改性乳化沥青稀浆封层机系统方案调研论证； 3 ) 改性乳化沥青稀浆封层机搅拌系统和摊铺箱结构设计； 4 ) 改性乳化沥青稀浆封层机液压系统研究与设计； 5 ) 改性乳化沥青稀浆封层机控制系统设计： 6 ) m s 9 系列改性乳化沥青稀浆封层机现场实验和整机性能调试。 2 稀浆封层机工作原理与组成 2 1 稀浆封层机简介 稀浆封层机可根据机动性、作业方式、主要结构及拌和方式等进行分类。 1 ) 按机动性分为：拖式、半挂式、自行式。 拖式稀浆封层机机动性能较差，摊铺作业速度受牵引车的影响，生产率小，适用于县 乡道路或小型工程；自行式均采用卡车底盘，由底盘提供行驶和作业速度的全部动力，行驶 速度快、对于坡道和弯道摊铺质量好，是目前国外封层机采用的主要结构形式。半挂式结合 以上两者的优点，着重在操作的方便性、维修的简便性。 2 ) 按作业方式分为：有前接料斗和无前接料斗；前者，每次施工前要到料场装料； 后者则在装料时可事先不中断作业，可以实现稀浆封层无横向接缝，生产量大大提高，特 别适合用于高等级公路和大型稀浆封层工程。 3 ) 按拌和方式分：单轴螺旋式搅拌器、双轴浆叶式搅拌器；单轴螺旋式搅拌器主要 用于拌制普通型稀浆混合料，可以保证物料在大流量短行程的情况下搅拌均匀；双轴浆叶 式搅拌器主要用于拌制聚合物改性稀浆混合料，。 “ 2 2 稀浆封层机的组成 稀浆封层机的结构分为两大部分： 1 ) 行驶底盘部分，即机器的行走和承重部件。其功能是使机器能够按预定速度行驶， 完成运输和作业中的行驶任务，并在其上布置全套的作业装置。 2 ) 作业部分，即完成机器作业过程中各种物料的存贮、输送、搅拌、摊铺、控制、操 作等。这部分主要由给料、拌和、动力传动和计量控制等系统组成【1 6 】【1 ”。 本文以m s 9 稀浆封层机为例介绍稀浆封层机的简单构成，如图2 1 所示。 1 底盘系统 底盘的作用为承载、行走、并且提供一些其它的功能，如气路、热水回路等。主组成 部分：汽车载重底盘( 2 6 t 3 2 t ) 、副车架及连接装置、安全保护设施。 2 工作发动机及附件 工作发动机要求能够给整机系统提供足够大的动力储备。主要组成部分：发动机、底 座及减震装置、飞轮连接及动力输出装置、启动电机和发电机。 3 电气系统 电器系统的先进与否直接代表了稀浆封层机的技术水平。主要组成部分：主令控制器 ( 按钮或操作开关) 、c p u 处理器或继电器、保险装置、信号和照明灯、电瓶、接线端子 和电缆。 图2 一l 稀浆封层机结构组成 4 液压系统 液压系统是每一台稀浆封层机的工作机构的动力传递系统，有的稀浆封层机也采用高 压气输送液体材料。主要组成部分：液压泵、各类控制阀、连接管路、液压油及油箱、液 压油冷却器、工作机构的驱动马达和执行油缸、进出油滤器等。 5 乳化沥青系统 乳化沥青系统主要组成部分：乳化沥青箱、过滤器、乳化沥青泵及加热回路、计量装 置、三通阀、标定管路、自加载循环管路、搅拌箱进油管路；、； 6 水系统 水系统也是稀浆封层机不可缺少的部分，水的用途主要有调节浆的稀稠度、路面喷水、 高低压清洗；进入搅拌箱的水要能控制其流量，清洗用水要能调节其压力，主要组成部分： 水箱、过滤器、水泵、手动阀门、控制阀门、计量装置、搅拌箱进水管路、地面喷水装置 和管路、低压水清洗装置和管路、乳化沥青管道及搅拌箱清洗管路、高压水泵及清洗装置、 自加载管路； 7 添加剂系统 该系统用来添加一些外加剂，以调节改变乳化沥青的破乳时间，适应外界环境的变化； 主要组成部分：添加剂罐、过滤器、泵、调节阀、计量装置、添加管路、标定管路、自加 载管路； 8 皮带输送机 皮带输送机用于稀浆封层机对骨料的输送，主要组成部分：机架及连接装置上下托 棍、驱动滚筒、改向滚筒、涨紧装置、环形皮带、减速机等。 9 骨科仓 骨料仓用来存储级配骨料，要求容积足够大，能满足施工过程的需要，并且，料仓侧 壁要有一定的倾斜度如4 2 a 4 5 9 ，保证料仓中的骨料能够顺利下落到输送机皮带上；料门 调节装置用来调节出料量；为了防止骨料的悬空，增加振动破拱装置。主要组成部分：料 仓、破拱装置、料门调节装置； 1 0 配比系统 该系统保证各原料能够按一定的比例进入搅拌箱，有机械式、液压式、机液复合式。 以m s 9 为例( 图2 2 ) ：液压马达驱动离合器轴，离合器轴带动骨料输送带、乳化沥青泵、 添加剂和细料纤维送料器的液压泵；采用两个电控离合器以控制乳化沥青泵、骨料输送带、 添加剂和细料纤维送料器的液压泵的启停；所有原料供给以这种方式结合在一起，在操作 中无需改变混合物配比就可以改变稀浆产量。 图2 2 稀浆封层机传动系统 n 搅拌装置 搅拌装置保证了稀浆混合料的充分混合，要求该系统搅拌轴要有足够高的转速，能在 很短的时间内拌和混合料并且把混合料送入摊铺 系统中( 4 - 6 秒) ，搅拌叶片要求为耐磨金属材料制 成。该装置是稀浆封层发展过程中变化比较明显的 一个地方，最早的搅拌箱是单轴螺旋叶片式，拌和 能力差，拌和效率低，只能做慢裂慢凝的稀浆封层； 后来发展为双轴搅拌形式，在此基础上出现了双炮 筒式双轴搅拌叶片式搅拌箱，拌和能力高，效率也 高，满足了改性稀浆封层发展的要求。 图2 - - 3 搅拌装置 1 2 泥、纤维添、液体染料、添加系统 该系统是随着稀浆封层技术的发展为了改善稀浆封层混合料的成浆性和提高改性稀 浆封层稀浆的和易性、摊铺层的强度、调节破乳时间、摊铺彩色稀浆封层而设计的。该系 统由料仓、螺旋输料器和计量部分组成。 1 3 摊铺箱 摊铺箱是所有稀浆封层机获得优质稀浆封层的一个非常重要的部件，所有原料经整机 精确配比拌和成浆后，稀浆混合料最终由摊铺箱完成摊铺：摊铺箱对每一台稀浆封层机来 说有两大作用：首先是存储混合料、其次是把混合料均匀的摊铺至养护的路面。所以从结 构形式上可以分为无搅拌轴摊铺箱、双搅拌轴摊铺箱甚至三轴摊铺箱。 2 3 稀浆封层机工作原理 稀浆封层的基本原理是：各种原料如水、乳化沥青、添加剂、骨料、矿物细料等能够 按一定比例充分搅拌混合，并且在很短的时间内能够摊铺至路面并尽快开放交通。无论什 么样的稀浆封层机都必须有以下几个组成部分：水箱、乳化沥青箱、添加剂罐、骨料仓、 矿物细料仓、皮带输送机、搅拌箱和摊铺箱并配有动力系统和控制系统以及行驶系统。 其工作的流程是：骨料通过输送机、矿物细料通过螺旋输料装置进入搅拌箱；水、乳 化沥青、添加剂等通过泵( 或者是压缩空气压入) 进入搅拌箱，所有原料通过搅拌箱进行 充分拌和成为稀浆混合料，拌和时闼在4 6 秒钟左右，稀浆混合料流入摊铺箱，摊铺箱 在稀浆封层机牵引下把混合料摊铺至待养护路面其厚度主要取决于骨料的级配和最大骨 料粒径，一般情况下为最大骨料粒径的0 8 1 2 倍，同时也与使用的石料级配、乳化沥青 的品种、添加剂的成分、摊铺装置的结构、稀浆的稠度等因素有关；各种不同工艺其后度 也不同，普通稀浆封层5 m m 左右、改性稀浆封层9 r a m 左右、改性乳化沥青稀浆封层和微 表处1 2 1 5 m m 、车辙填补2 0 r a m 左右；施工速度大概在1 6 k m h 左右。 改性稀浆封层施工工艺就是将五种原材料按一定比例、一定的顺序进行配料与拌和，将 拌出的稀浆混合料摊铺在路面上，其施工工艺流程如( 图2 5 ) 各种原材料进入拌和机，按图( 2 6 ) 的流程进料，顺序不能颠倒，否则就不能拌造出 合格的稀浆混合料，无法取得封层施工成功。 按比例计量进入拌和机的原材料，只用1 r a i n 时间即可进入摊铺箱，并可立即摊铺在路面 上，总共不用2 m i n 即可完成全部旌工工艺过程完全机械化、自动化，而且环环相扣，密切配 合，只用很短的时间即可完成施工作业。 图2 4 稀浆封层施工工艺流程 图2 5 各原材料进入拌和机的顺序 2 4 稀浆封层机工作特点 稀浆封层虽然很薄，但其耐用性很强，沥青分布均匀、含量适中，路面平整粗糙，既无 松散干涩现象，又无表面泛油、油包等现象。 根据稀浆封层施工工艺要求，封层机必须具有给料、拌和、摊铺和计量控制等功能， 它能将骨料、矿粉、水、乳化沥青按一定比例输送到拌和筒内，加入添加剂，经快速搅拌形 成流动状态的乳化沥青稀浆混合料，通过分料器送入摊铺槽内，然后均匀平坦地摊铺在路 面上。稀浆封层机作业的优点主要表现在： 1 ) 维修迅速，交通中断时间短； 2 ) 可减少路面厚度，降低工程造价，同时节省热能： 3 ) 节约沥青用量并延长路面使用寿命； 4 ) 维修路面后降低了道路交通噪声： 5 ) 可增大道路表面附着系数； 6 ) 恢复路面平整度，减小路面变形，填补路面空隙： 7 ) 形成路面防水层；减少车辆的能量消耗； 8 ) 路表面结构组织优良； 9 ) 封层机的人工材料、机械费用、工程造价都低于其它结构。 稀浆封层机设备的簏工工艺是决定设备作业质量好坏的关键因素，合理的制定稀浆封 层机的施工工艺也是今后需要努力的方向之一。 3稀浆封层机摊铺系统和搅拌系统研究 摊铺系统是一个独立的作业系统，它的作用是将稀浆均匀地铺到路面上并按要求控制 摊铺的速度和宽度。他是由摊铺箱、螺旋摊铺器、液压马达、封浆刮板、刮平胶板以及滑 轨调节器等组成。摊铺箱有左右主框架组成并通过销轴连接，以便随路拱自行调拱。横向 可以伸缩的摊铺箱能适应不同宽度的路面施工要求，摊铺宽度的调整范围一般在2 5 4 5 m 。螺旋摊铺器起到再次拌和并将稀浆摊到两侧的作用，它由液压马达驱动，其旋转方 向和旋转速度分别可调。用于普通稀浆的摊铺箱一般布置单排螺旋摊铺器( 二轴) ，用于 聚合物改性稀浆封层的摊铺器则需要二排以上的螺旋摊铺器( 四轴) ，以增强搅拌强度和 效果。 封浆刮板、刮平胶板以及滑轨调节器保证了摊铺箱向前移动时，稀浆混合料从压向地 面的刮平胶板与地面之间形成的间隙流出，滑轨一般布置三个，通过螺旋机构可以控制封 层的高度，划归的另一个作用是支撑摊铺箱的重力，减轻稀浆刮板对刮平胶板的磨损，因 此，滑轨底面应是耐磨材料制成。 现在常用的摊铺箱有以下几种：所以从结构形式上可以分为无搅拌轴摊铺箱、单搅拌 轴摊铺箱、双搅拌轴摊铺箱，甚至三轴摊铺箱；从所能实现的摊铺形式可分为： m i c r o s u r f a c i n gb o x 改性稀浆封层摊铺箱、s l u r r yb o x 稀浆封层摊铺箱、r u tb o x 车辙摊铺 箱、s l o p eb o x 斜坡摊铺箱等。改性稀浆封层摊铺箱为双轴搅拌形式，通常要求搅拌轴转速 高，有二次拌和能力和输送混合料的功能。国内能提供液压伸缩无级变宽并且可以做改性 稀浆封层机摊铺箱的厂家只有西筑公司，可提供的摊铺箱有双轴搅拌改性稀浆封层摊铺箱 和车辙摊铺箱，前种摊铺箱可铺2 5 0 0 4 0 0 0 m m 、后者摊铺箱可铺1 3 5 0 1 7 5 0 m m 。 3 1 摊铺箱总体设计 摊铺箱是稀浆封层机取得高作业质量的一个非常重要的部件，所有原料经精确配比拌 和后，稀浆或改性稀浆混合料最终摊铺由摊铺箱完成。摊铺箱对每一台稀浆封层机来说有 两大作用：首先是存储混合料、其次是把混合料均匀的摊铺至待养护的路面。 图3 1 是m s 9 改性乳化沥青稀浆封层机摊铺箱示意图，从中可以看出稀浆封层机摊 铺系统的组成。图3 1 中螺旋布料器总成是摊铺箱的核心，它采用液压马达驱动实现无级 调速：三个滑靴总成起到支撑摊铺箱自重和控制摊铺厚度的作用( 通过螺旋装置调整高 度) ：刮平器总成的作用是对摊铺好的路面进行表面休整，使其平整光滑；踏板总成是供 工作人员站立，可以随时清除路面上的杂物，保证铺出高质量的路面【7 】i “】【“。 图3 1 摊铺箱结构图 3 1 1 螺旋布料器设计 m s 9 稀浆封层机螺旋布料器采用双螺旋结构，m s 9 的螺旋布料器采用了双螺旋布料 器。整个摊铺机共采用四根螺旋，如图3 2 所示，左侧两个是一组，右边两个是一组。 两边前后螺旋转向相反，使物料在整个摊铺过程中可以长时间充分搅拌，延长了稀浆破乳 时间。 旋i 向i 。1 赢八、 一 一一 一 _ - 一一 一 l 一一 一 一一一 一 图3 - 2 物料流动匿 物料在搅拌过程中呈现环行循环状态。这样可以避免摊铺过程中摊铺箱两头物料堆积 过多，提高了摊铺均匀度。 图3 3 是单根双螺旋结构图，它是由内、外螺旋、内轴、外连接筒、导向销组成。 这个结构有液压缸和液压马达驱动可实现双螺旋的旋转和无级伸缩。 如图3 3 所示，内螺旋与内轴连接，二者又连接于传动轴上，双螺旋机构的转动动 力来自于此。内轴上加工有螺距、导程与螺旋一样的螺旋槽，外螺旋连接在外连接筒上， 外连接筒套在内轴上，导向销通过小孔嵌入内轴上的螺旋槽，驱动螺旋机构伸缩的液压缸 连接在外套筒上，当液压缸运动都时，推动导向销沿螺旋槽运动，从而使连接在外套筒上 的外螺旋一边旋转一边伸缩，调整摊铺宽度。 图3 3 螺旋连接图 1 螺旋叶片尺寸计算 螺旋叶片的展开图一共十二件，全部采用激光下料，其中间为一组拼焊，按选项要求 在工艺轴上一次拉伸成型，视螺旋变形情况点焊固定，并割除多余部分，成形后进行整体 正火处理。螺旋叶片的尺寸计算有展开图法和计算法两种，这里采用计算法计算，主要是 确定r 、r 、a 。 计算项目计算过程计算结果 主要计算公式如下： r ：旦，r ：r + c ，a ：丝垦= 1 3 6 0 。 a bh r ( 3 1 ) 式中：r 螺旋节展开图内圆半径 r 螺旋节展开图外圆半径 d 螺旋外圆直径 d 螺旋内圆直径 h 螺旋导程 a 展开图切角 a ( 缸d ) 2 + h 2 ) 螺旋外缘展 开长 b ( 缸d ) 2 + h 2 ) 螺旋内缘展开 长 c ( 孚) 一螺旋节壳度 现已知成形后螺旋的导程为h = 200r i 3 m ，直径d = 220m m ，c = 72m m 。 1 ) 计算螺旋内圆 所以， 直径 d = d 2 c = 2 2 0 2 7 2 = 7 6 r a m d = 7 6 m m 2 ) 计算螺旋外缘 展开长 a 。厮面i ：7 1 9 1 7 m m a = 7 1 9 1 7 m m 3 ) 计算螺旋内缘 展开长 b ：厄丽：3 1 1 3 7 m m b = 3 1 1 3 7 m m 由以上所得可计算出螺旋叶片展开图主要 4 ) 螺旋节展开图 尺寸。 内圆半径 r 。生。3 1 1 3 7 。7 2 6 0 m m r = 6 0 m m 5 1 螺旋节展开图 a b6 9 0 9 4 3 1 1 3 。7 外圆半径 r = r + c = 6 0 + 7 2 = 1 3 2 m m r = 1 3 2 m m 6 1 展开图切角 a ；2 r r - a3 6 0 。：4 7 6 7 。 a = 4 7 6 7 。 劢r 2 螺旋布料器转速的计算 由螺旋布料器转速计算公式 。：肇 1 5 d 2 p kt 式中： d 螺旋直径。单位m ，一般取0 3 0 4 ( 3 2 ) 卜一螺旋直径。单位m ，一般取t = d ； p ，混合料密度。单位t m 3 一般取1 3 - - 1 4 ； k ，截面填充系数。一般取0 6 0 7 5 ； 玩螺旋布料器生产率。每侧螺旋生产率为( o 6 - 0 7 ) q ； 现已知q = 1 5 0 帕，取螺旋直径为2 2 0 r a m ，由此，计算得： l m a x ；去= 2 5 1 ( r r a i n ) n 一2 d 7 z j 4c 舳， 又因公式( 3 2 ) 是根据沥青混凝土摊铺机螺旋分料器定额计算公式推导得来，而新型 的双螺旋无级伸缩装置工作能力远远加强，加之稀浆工作阻力较小。m s 9 摊铺箱的螺旋布 料器中，左右两侧的各两个双螺旋相当于摊铺机中的一根螺旋的作用，所以可以适当减小 转速。 同时，经过样机调试试验测定，降低旋转速度切实可行，并可为液压元件的选择提供 便利。鉴于此原因，特在上述计算数值上乘以双螺旋工作系数u = ( 0 5 - - 0 7 ) 。 所以，最终螺旋布料器最大转速范围为： 万一= 而q l b = 1 2 5 卜1 7 5 7 ( r m i n ) ( 3 3 ) 3 1 2 第二刮平器设计 第二刮平器的设计要求：能随着螺旋机构的伸缩而调整宽度；能够调节高度，以适应 不同的摊铺厚度。通过旋转调节装置上的手轮来调节高度；通过连接盘调整刮板与地面间 的夹角，并用挂钩固定刮板位；二者配合使用可以更加合理地调节高度，满足不同的摊铺 高度。 刮平器采用耐磨橡胶制成伸缩框和刮板，保证了其有较高使寿命。 3 1 3 滑靴总成设计 m s 9 上设计有三套滑靴装置分别为：滑靴总成、内置滑靴总成、中间滑靴总成。 滑靴总成主要是用来支撑整个摊铺箱的自重，在摊铺过程中起导向作用。可以调整高 度，宽度。 中间滑靴总成的作用是：保证摊铺出的路面有一定拱度。如图3 4 所示，没有中间 滑靴总成时，铺出的路面是平的，这样不能复现原路面的拱度，使得排污不便。 没有中f 可渭靴 有中间涓靴 图3 4 中间滑靴总成 在有中间滑靴的情况下，可摊铺出带有拱度的路面，这样的路面更适应需要，排水去 污好。 内置滑靴总成：作用是在需要纵向分块摊铺时，保护已摊铺部分与即将摊铺部分的纵 向接缝。如图( 3 5 ) 所示，在工作过程中，抬起滑靴放下内滑靴进行摊铺时，可以保护 已经铺好的路面，使得接缝处较为平整。 滑 靴 内 滑 靴 图3 5 内置滑靴总成工作示意图 3 2 搅拌系统设计 搅拌系统主要是完成各种原料的混合搅拌，搅拌质量的好坏也直接影响设备所也质 量，根据施工的工艺要求，稀浆封层机的拌和装置采用双卧轴连续式搅拌机。 3 2 1 双卧轴搅拌机结构和工作原理 双卧轴搅拌机是随着混凝土施工工艺的改进而逐渐发展起来的新机型。国外从二十世 纪四十年代后期开始在美国和德国出现，但因轴端密封技术的不成熟，其发展基本处于停 顿状态? 直到七十年代初，由于这项技术得到突破，双卧轴搅拌机在不少国家又重新发展 起来，目前已形成系列产品。我国于二十世纪八十年代初研制成功，但发展迅速，在产品 规格和生产数量上，都远远超过了其它机型【1 2 】 ”】【“】。 双卧轴搅拌机，主要由传动、搅拌、卸料、轴端密封和支承等机构组成。其中，搅拌 机构是双卧轴搅拌机的核心部分，混和料搅拌质量的好坏，生产率的高低，使用维修费用 的多少都与它有关。 搅拌机构是由水平安置的双圆槽形拌筒、两根按相 反方向转动的搅拌轴和其上安装的搅拌叶片组成的。搅 拌叶片的作用半径是相互交叉的，叶片与轴中心线成一 定角度，并且前后上下都错开一定的空间。所以当搅拌 轴转动时，叶片一方面带动混合料在两个拌筒内轮番地 作圆周运动，上下翻滚，同时在搅拌叶片相遇或重叠的 部位，混合料在两轴之间的共域相互交换体位；另一方 面推动混合料沿着搅拌轴方向，不断地从一个旋转平面 向另一个旋转平面运动。 取一运动的微小混合料作为一个运动单元，该单元在搅拌过程中有着复杂的运动形 式。当搅拌叶片带动该单元由拌筒底部向上运动时，由于其处在重力作用下没有其他阻挡， 混合料从由挤紧状态松脱出来产生分散抛落，如同自落搅拌过程；当搅拌叶片推动该单元 向下运动时，由于拌筒内壁和附近物料的阻力，使混合料受到挤压力、摩擦力作用，既有 大的流动，又有小范围的挤散和重新混合，如同强制搅拌过程。所以，在搅拌轴旋转的过 程中，双卧轴搅拌机既有自落搅拌作用，也有强制搅拌作用；既有对混凝土的切割，也有 一定的冲击。特别是两根反向旋转的搅拌轴带动叶片所形成的交叉料流( 如图3 - - 6 ) ，在混 合料间产生强烈的对流挤压，使混合料在任一瞬间受到不同方向外力作用，为混凝土实现 宏观和微观匀质性创造了更为有利的条件。 双卧轴搅拌机优点总结如下：1 ) 搅拌机外形尺寸小、高度低、布置紧凑，装载运输便 利，而且结构合理坚固，工作可靠性好：2 ) 搅拌机容量大，效率高。与同容量自落式相比， 搅拌时间可缩短一半以上，而且物料运动区域位于卸料门上方，卸料时间也比其他机型短， 因而生产率高。 这种搅拌机的不足之处是：功率消耗大，结构复杂，制造成本偏高。 3 2 2 稀浆封层机搅拌系统的设计 l搅拌机结构特点 如图1 ，搅拌机主要由搅拌装置、拌缸、驱动系统、机架等部分组成。其中搅拌装置由 两根卧轴、搅拌臂、搅拌桨叶等部件组成f ”j ，如图3 7 。搅拌缸由壳体、衬板、盖板等 部件组成。进料口设置在搅拌缸一端盖板的上部，卸料口可设置在搅拌缸另一端的下部或端 部，如图3 9 。 j。瑚 o；一一 塞一 一。一心 图3 7 搅拌机结构 图3 8 搅拌装置结构 一够 图3 9 拌缸结构 2 桨叶拌料时动力分析与运动分析 进行物料拌和时，松散的混合料在桨叶作用下，动力与运动形态极为复杂。为进行定性 分析，将某一瞬间桨叶对混合料的作用情况简化为图3 1 0 所示。 ， 饕憋 j ：i ? ， 一- ：曩 t 乏i 图3 1 0 浆叶动力图 p 、+ - h - - 图3 1 1 浆叶运动图 1 ) 动力分析 如图3 1 0 所示，设桨叶工作表面对混合料的作用力的合力为e 则混合料对桨叶的反作 用力f = f 。f 1 分解成两分力：沿桨叶工作表面宽度方向的滑移力f 。和垂直于桨叶工作表面 的正压力f ：，且分力大小为： f l = fs i n ，f 2 = f c o s 凡 式中， 一桨叶在搅拌轴上的投影与轴中心线夹角。 ( 3 4 ) 此外，混合料与桨叶表面作相对运动时，在相对运动表面有一摩擦力f ，。f ，计算公式 为：f ，= f ：u ，u 为混合料与桨叶工作表面的摩擦系数。 从图3 - - 1 0 可知，当f 1 f 2l i 0 时，混合料即沿桨叶工作表面移动： 当f 。一f2us o ，即f 。sf ：u 时，混合料在桨叶宽度方向不会移动，此时，搅拌机生 产率等于0 。 将f ，sf 2u 交换后得： f s i n 九sfc o s 九u( 3 5 ) 即当九一 a r c t g 时，桨叶的运动不能推动混合料沿搅拌轴方向移动。 2 ) 运动分析 如图3 1 1 所示，混合料在桨叶的作用下，一方面与桨叶一起作圆周运动，另一方面沿桨 叶工作表面的宽度方向滑动。 混合料沿桨叶工作表面宽度方向的滑动速度1 ，可分解为两个分速度：轴向速度v ，和切 向速度n ，分速度大小为： v 1 = v c o $ 入 v = ys i n 九 = v v 2 = v - v s i n x ( 3 6 ) 式中： v 一桨叶线速度( 设计时确定) ： 叱一混合料的线速度； 一桨叶在搅拌轴上的投影与轴中心线夹角。 综合浆叶动力分析与运动分析，可以得出： i 档入一定时( 大于a r c t g l a ) ，v 增大一f 增大一f 1 f2u = f ( s i n 九- l ac o s x ) 增大 一v 增大一n 增大一混合料沿轴向的运动速度加；反之，v 减小一混合料沿轴 向的运动速度减小。 i i 当v 为定值，凡= a r c t g | l 4 0 。时，入增大一f ( s i n 一f c