（机械设计及理论专业论文）沥青摊铺机布料槽内集料运动的稳定性研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 i!ijpli l l l jijrllllnllrllllujllllltlipjllllliji,i|l。llllllitltliiigillill y 19 0 2 3 9 4 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，均已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：召拿缘慝 日期：，年多月，多日 重庆交通大学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。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。同时授权中 国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 ， 进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人 保留在其他媒体发表论文的权利。 ，e 学位论文作者签名：留p 暖影 指导教师签名：弓，乞1 1 日期：，j 年月i 弓日日期：刃，年彳月， 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数 据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享 受相关权益。 学位论文作者签名：刀任废阮 日期：f 年6 月f ) 日 指导撕签名孤 日期：乃年歹月- 日 摘要 我国高速公路建设的飞速发展对沥青路面施工质量和使用性能提出了越来越 高的要求，而高速公路的早期破坏现象严重影响了沥青路面的质量，给国家造成 了巨大损失。沥青混合料的离析是造成路面摊铺不均、路面性能降低的主要原 因，对沥青混合料在布料槽的运动状态的研究已经成为粒料均匀性问题的重要研 究方向。 本文根据对当前摊铺机布料槽内沥青混合料的运动状态的理论分析，并且结 合沥青混合料自身具有流动性的流体性质，得出沥青混合料在螺旋布料器作用 下，既有向两端的轴向运动，也有跟随螺旋轴的旋转运动。依据理论分析的成 果，借助三维造型软件s o l i d w o r k s ，建立与实际相结合的几何模型及网格划分策 略，以f l u e n t 为研究工具，结合流体力学相关理论知识，模拟布料槽内气相流场 分布，并以混合模型为基础，对布料槽内沥青混合料进行了运动仿真。 文中主要研究了布料槽内沥青混合料在不同粘度和布料器不同转速情况下的 运动状态，得到转速和粘度的相互关系，利用t e c p l o t 、o r i n g i n 等后处理软件对 仿真模拟结果进行必要的数据处理，使结论更加鲜明。通过借助流体动力学软件 c f d 的分析结果，为布料槽粒料运动状态的研究提供了一种很好的方向和手段， 并以实验数据为基础为螺旋布料器优化设计提供依据，更好的解决布料槽内沥青 混合料的离析问题。 关键词：沥青混合料；离析；均匀性；流体力学；数据处理 t h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n b r i n gu pi n c r e a s i n g l yh i g h d e m a n d so nt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n t ，b u tt h e e a r l yf a i l u r eo ft h eh i g h w a yh a ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h eq u a l i t yo fa s p h a l tp a v e m e n t ，a n d c a u s e dh u g el o s s e st ot h es t a t e a s p h a l tm i x t u r es e g r e g a t i o ni st h em a i nr e a s o nf o r b a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tr o a dc a u s e db yu n e v e nr o a dp a v i n g , a n ds ot h e m o v e m e n to ft h ea g g r e g a t e si nt h ef a b r i co ft h es t a t eh a sb e c o m et h eu n i f o r mo ft h e i m p o r t a n c er e s e a r c h b a s e do nt h ec u r r e n tt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h em o t i o ns t a t ew ec a ng e tt h a ta s p h a l t m i x t u r eh a st h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c ，a n di tw i l lm o v eb o t ht ot h et w oe n d so ft h ea x i a l ， b u ta l s ot of o l l o wt h eh e l i c a la x i sr o t a t i o n f r o mt h er e s u l t so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ， w ec o u l du s et h et h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l i n gs o f t w a r e - - s o l i d w o r k s t om a k et h e g e o m e t r i cm o d e lw h a tw en e e d ，a n dm e s hi t u s i n gt h ek n o w l e d g eo ff l u i dm e c h a n i c s t h e o r i e sa n dt h et o o lo ff l u e n t ，i tg e t st h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h eg a s a c c o r d i n g t ot h a t ，t h ea a i d ea l s od o e sm o t i o nt h em o v e m e n ts i m u l a t i o no ft h ea s p h a l tm i x t u r ei n t h et a n k t h i sp a p e rs t u d i e st h es t a t eo fm o t i o no ft h ea s p h a l tm i x t u r ew i t hd i f f e r e n t v i s c o s i t ya n ds p e e d ，s oa st og e tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es p e e do fd i s t r i b u t o ra n d v i s c o s i t y u s i n gt h ep o s t - p r o c e s s i n gs o f t w a r es u c h 弱t e c p l o t 、o r i g i nd e a lw i t h t h er e s u l t so fd a t an e c e s s a r i l yt om a k et h ec o n c l u s i o n sm o r cc l e a r l y t h ea n a l y s i sr e s u l t s f r o mt h ef l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ep r o v i d e sav e r yg o o dd i r e c t i o na n dm e a n s b yu s i n g t h i sd a t ae n g i n e e r sc a nd e s i g nm o r eo p t i m i z i n gd i s t r i b u t o rs oa st os o l v et h es e g r e g a t i o n o fa s p h a l tm i x t u r e s k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ；s e p a r a t i o n ：u n i f o r m i t y ；f l u i dm e c h a n i c s ： d a t ap r o c e s s i n g 目录 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 高等级公路沥青路面早期病害类型2 1 2 1 沥青路面早期病害类型。2 1 2 2 沥青路面早期病害原因分析。4 1 3 现行施工工艺下沥青混合料的离析5 1 4 国内外对影响沥青混合料粒料运动的研究现状9 1 5 本课题的研究目标及任务1 0 第二章沥青混凝土摊铺机输分料系统理论分析1 1 2 1 螺旋布料器的介绍1 1 2 1 1 螺旋布料器的构造及对沥青混合料输送机理1 2 2 1 2 螺旋布料器对沥青混合料的输送机理1 3 2 2 螺旋布料器作用下对沥青混合料的动力学分析。1 4 2 3 螺旋布料器作用下对沥青混合料的运动学分析1 8 2 3 1 对布料槽沥青混合料轴向速度函数分析2 1 2 3 2 对布料槽沥青混合料圆周速度函数分析。2 1 2 3 3 对布料槽沥青混合料角速度函数分析。2 2 2 3 4 对沥青混合料螺旋布料器径向不同位置的速度分析2 3 2 4 沥青混凝土摊铺机输分料系统性能评估2 5 2 5 本章小结2 6 第三章c f d 理论的引入及应用2 7 3 1c f d 理论基本介绍2 7 3 2c f d 理论应用研究应用的现状2 8 3 3c f d 理论多相流模型介绍及应用2 9 3 3 1 多相流定义及研究方法2 9 3 3 2f l u e n t 中的多相流模型3 0 3 4 本课题引入c f d 理论的基本应用依据4 7 3 5 本章小结4 8 本章符号说明。4 8 第四章利用c f d 理论对输分料结构系统的建模及数值分析5 0 4 1 对研究问题的描述及物理模型的建立5 1 4 1 1 问题的描述及模型假设5 1 4 1 2 对数值模拟中计算模型的选择。5 ， 4 1 3 运算中湍流模型的选择。5 4 4 1 4 运算中颗粒运动的求解5 5 4 2 数值模拟计算及实验分析5 8 4 2 1 对模型中的气相流场进行分析5 8 4 2 2 对气固流场中颗粒相的数值模拟6 2 4 2 3 对液固流场中颗粒相的数值模拟6 6 4 2 4 沥青粘性及螺旋转速对颗粒运动状态影响的分析7 2 4 3 本章小结7 5 第五章主要结论及展望7 6 5 1 主要结论7 6 5 2 对后续研究的展望7 6 致谢。7 7 参考文献7 8 攻读硕士学位期间发表学术论文情况8 0 1 1 引言 第一章绪论 中国的公路事业突飞猛进的发展，是3 0 多年改革开发的重大成果之一。从 国内第一条高速公路沪嘉高速公路建成通车，2 0 1 0 年高速公路已达到6 5 万 公罩，位居世界第二，仅次于美国。达到了发达国家近半个世纪的发展成果，我 国仅用了短短3 0 年。 沥青混凝土路面比水泥混凝土路面行车更舒适，施工技术也比较成熟，并且 沥青混凝土路面具有平整、无接缝、耐磨、振动小、噪音小、施工期短、养护维 修简单、适宜分期修建等优点，因此高等级公路路面以沥青混凝土路面为主。当 前中国正处在全面实现小康社会的关键时期，公路建设是全面建设小康社会目标 的保证，特别是沥青混凝土路面将会越来越多地被应用到城际间、城乡间及农村 公路上，给人民带来更加畅通舒适的交通环境。 沥青混凝土路面给人们带来方便的同时，自身也出现了许多问题。特别是高 等级公路早期破坏现象比较严重，国内外众多研究人员对此进行了大量的研究， 也取得了很多成果，但大都停留在发现问题、探讨问题的程度，无法形成根本上 解决相关问题的方法。沥青混凝土路面早期破坏除了超限超载的外因以外，还与 沥青路面管理、设计、施工、养护等环节的内因有很大关系。究其内因之一，从 施工工艺来讲，高速公路沥青路面的质量跟沥青混合料施工过程中的压实度大小 及摊铺均匀性有很大关系；从机械结构来讲，与摊铺机螺旋布料器的结构尺寸及 摊铺机布料槽与布料器的位置搭配有很大关系；从摊铺过程中的粒料速度来讲， 与摊铺机速度、螺旋布料器旋转速度、刮料板刮料速度有很大关系；从压实过程 来讲，与压实速度、压实遍数、压实强度等有很大关系。因我国早期沥青混凝土 路面压实过程中出现较大程度的离散性，高速公路开通运营后路面局部应力得不 到释放，从而引起沥青路面的早期破坏。 路面压实度不够、不均匀等现象主要是沥青混合料在摊铺过程中出现温度离 析和骨料离析造成的。多年研究发现，沥青混凝土施工中发生的骨料离析和温度 离析，与现行施工工艺和施工机械结构有直接关系，骨料离析在施工中尤为严 重，这与施工机械输分料装置的结构关系最大，因此，要解决高速公路早期破坏 问题，对我国公路施工工艺、摊铺机布料系统结构研究就显示了巨大的现实意 义。通过对施工中沥青混合料离析产生的机理分析，深入研究布料系统的结构， 使得粒料在布料槽内保持充盈、均匀、稳定输送，实现高质量的摊铺，找出解决 离析的可行性措施。本课题运用动力学、运动学及相关流体力学的理论知识进行 分析，借助当前相对比较成熟的运动流分析软件f l u e n t 软件，依据相关的重要 参数建立仿真模型，对沥青混合料在布料槽中的运动流状态进行分析模拟。沥青 混合料在螺旋布料器作用下呈现复杂的运动性和动力性，通过理论及参数仿真研 究分析，可以明显看到沥青混合料在布料槽中运动状态，找出布料器结构的不 足，对布料器的结构进行改进，找出一种新型的变径、变螺距的螺旋布料器，此 布料器对粒料的运送均匀性和布料槽内粒料的充盈稳定性有极大的提高。 1 2 高等级公路沥青路面早期病害类型 沥青混合料的均匀性直接关系到沥青路面的力学性能和使用寿命。许多潜在 引起路面初期破坏的因素中，最严重的是沥青混合料施工过程中引起的不均匀 性。不均匀的沥青混合料中集料的级配和( 或) 沥青含量与最初的现场配合比中 的要求不相符，造成混合料的密度和空隙率变化很大【1 j 。 沥青混合料是由沥青、粗细集料、添加剂和空隙四种成分组成。沥青混合料 的不均匀性是沥青混合料中组成成分不均匀性的综合反映，其中最主要表现在沥 青混合料中集料分布的不均匀性上，从施工现场和取样观察，表现为存在局部粗 集料或细集料集中。一般说来，不均匀的路面，粗集料相对集中的地方空隙率 大，沥青含量少，雨水易于渗透而容易造成剥落或坑洞；反之，细集料相对集中 的地方空隙率小，沥青含量多，易造成局部的永久变形和泛油 2 1 。 因此，提高沥青混合料的均匀性，对提高路面的使用质量，减少甚至基本消 除沥青路面的多种早期破坏现象以及保证路面的使用寿命具有十分重要的意义。 1 2 1 沥青路面早期病害类型 由于环境、气候等多种复杂因素的影响，使得沥青路面的早起破坏情况比较复 杂，主要表现如下几种形式【3 l ： 缝类 裂缝是沥青路面最主要的病害，按其成因不同主要分为一下四种。 1 ) 横向裂缝 沥青路面的裂缝是不可避免的，横向裂缝可能有很多个外因引起，如温度变 化的作用、地基或土路堤纵向不均匀沉降、半刚性基层的裂缝或刚性路面接缝。 2 ) 反射裂缝 反射裂缝，指下承层不连续处作用在热沥青混凝土面层底面的应力超过了材 料的抗拉强度并使面层底面开裂，裂缝逐渐向上延伸，直到穿透面层，反应为表 面的裂缝。 3 ) 块状裂缝 纵向或者横向裂缝交错使沥青路面分裂成多边形大块。主要由于面层材料的 低温收缩和沥青的老化所引起，出现在整个沥青路面宽度范围内。 4 ) 龟裂 相互交错的疲劳裂缝，形成一系列多边形小块组成的网，形如鳄鱼皮状。 松散类 1 ) 松散 沥青路面材料( 集料和沥青) 逐渐从沥青路面脱开并散失成为松散。松散主 要是沥青混凝土中沥青偏少，沥青与集料粘结性差，或者由于沥青老化造成，且 轮迹处较为严重。 2 ) 坑槽 沥青路面中出现的碗状坑洞。坑槽往往是松散龟裂等损坏进一步发展结果。 过量的水分渗入这些损坏处后，一些碎裂的小块面层或基层材料被驶过车轮带走 坑槽不断扩大。 变形类 1 ) 拥包 拥包是指沿交通流方向路面材料出现较大的竖向位移。这类病害大多是由于 路面材料稳定度低、交叉口车辆的频繁起动与制动、水泥混凝土与沥青混凝土路 面接点处产生过大应力所致。此外，面层较薄，以及面层与基层的黏结性较差， 也易产生推挤、拥包。 2 ) 车辙 车辙通常伴随着沥青面层压缩沉陷的同时出现侧向隆起，二者组合起来构成 车辙。当车辙达到一定的深度时，由于辙槽内积水，极易发生汽车飘滑现象导致 交通事故。车辙一般发生在温度较高的季节，沥青面层在车轮的反复碾压作用下 产生永久变形和塑性流动而逐渐形成带状沟槽。车辆的渠化交通作用形成车辙是 公路沥青路面的主要病害之一。 其他类 1 ) 泛油 泛油是指由于黏结料或沥青溢出路面形成局部黑而光亮的斑面。由于混合料 中沥青用量偏多，沥青稠度太低，黏结料过软，或者高温时下层黏结料上溢等都 易引起泛油。 2 ) 滑溜 由于行车作用造成沥青路面表层矿料磨光，发生行车滑溜。沥青面层中多余 的沥青在行车荷载重复作用下泛油，也易形成表面滑溜。 3 ) 水损坏 沥青路面的水损毁现象很普遍，使用一年以上的每一条高速公路都会产生不 同程度的水损毁。差别仅在于有的高速公路水损毁现象严重，有的水损毁较轻。 水损毁来的快，对路面的损坏最为严重。 1 2 2 沥青路面早期病害原因分析 外因：环境、交通量和超载问题 道路开通后，随着服务年限的延长，自然环境的复杂变坏引起路面材料的变 质，影响路面质量。交通量的数量增加，超出人们预想的超限超载。从轴载换算 次数上就可以体现超载车对路面早期破坏的影响。毫无疑问，超限超载车辆是造 成公路早期破坏的主要因素之一。 内因：管理、设计、施工、养护环节的问题 在我国，按照公路沥青路面施工技术规范规定公路建设实施动态质量管 理还不多见。公路的结构和配合比设计也常常没有根据具体的当地具体气候情况 进行设计，这也是引起早期破坏的原因之一。 在实际施工中是不是按照施工组织设计认真施工还是不顾一切地抢工期；材 料是不是合格；路基、基层的质量有没有达到要求；沥青混合料的拌和有没有偷 工减料；矿料级配和油石比控制的好不好；沥青混合料的质量是否能达到规范规 定的要求等诸多因素需要认真考虑考察。 在诸多造成潜在病害的环节中，摊铺机自身的结构及零部件参数的合理配置 对沥青混合料的输送摊铺产生较大影响。相对均匀的沥青混合料进入布料槽后， 在螺旋叶片的作用下，因为受到复杂的动力学作用，呈现复杂的空间运动轨迹， 使得不同粒径的颗粒因受力不同发生不同程度的翻滚，粒料纵向配合结构出现不 同程度的分离，差异粒径相对分离，相近粒径相对集中，给路面质量带来巨大威 胁。 路面后期养护对路面质量发挥重要作用。沥青路面开通相当年限之后的及时 养护对路面质量及其使用的延续性发挥重要作用，针对路面典型病害，设置专门 的检测、检验方案及时科学维护，减轻路面损害。但是在实际中，少有路段能够 做到及时有效的后期养护。 1 3 现行施工工艺下沥青混合料的离析 现行施工工艺流程如图1 1 ： 汽车扫e 队捌二萧啸r i p ! g ! ! ! ! 目自e 目毛 i 产擘# 装料l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ j 图1 1 沥青路面施工工艺流程图 f i g 1 1a s p h a l tp a v e m e n tc o n s t r u c t i o np r o c e s sf l o wc h a n 由上图可以看出，现行的沥青混凝土路面施工工艺主要包括沥青混合料的制 备、沥青混合料的运输、沥青混合料的摊铺、铺层的压实，与它们相对应的机械 设备分别为：沥青混凝土拌和设备、自卸车、沥青混凝土摊铺机、压路机。 做好对沥青混合料的生产准备之后，首先是进行沥青混合料的生产，再由自 卸车把拌和好的沥青混合料运送到摊铺现场，直接卸在沥青混凝土摊铺机的料斗 中，由摊铺机按照事先调好的参数进行摊铺，摊铺好的沥青路面待温度降到合适 的碾压范围之后，由压路机分不同的阶段进行碾压成型，然后检测路面的各项指 标，看它们是否符合规范要求，最后采取相应的解决办法。 整个施工过程，沥青混合料经历了多种输送方式，造成了不同程度的离析， 目前最为严重的离析主要是：沥青混合料的骨料离析、沥青混合料的温度离析。 另外，路面经过摊铺压实成型之后呈现多种形式的离析：( 1 ) 端部离析；( 2 ) 带 状离析；( 3 ) 接缝离析；( 4 ) 块状离析；( 5 ) 随机性离析；( 6 ) 温度离析。 沥青混合料骨料离析 沥青混合料的骨料离析是指集料在堆放、拌合及混合料在装料、运输、卸 料、摊铺过程中发生粗细集料分布不均的现象。 1 ) 沥青混合料的拌合离析 沥青混合料在拌合过程中，由于冷料斗相邻太近或隔离不严而使装爹机给冷 料斗装料时，各种规格的料互相交混，这样使生产出的混合料的级配不稳定而易 产生离析现象；沥青混合料的拌和时间不足，沥青混合料肯定会不均匀，拌和均 匀性欠佳的沥青混合料，铺面将出现块状离析。 2 ) 沥青混合料的装卸和运输离析 沥青混合料拌和楼生产的混合料进入储存罐储存时，由于储存罐的装置有所 不同，有可能产生混合料的粗细集料的离析，粗集料滚向一侧。沥青混合料从拌 合楼直接装车的过程中，规格大的石料和多面体、圆形的石料滚动较快，因此被 堆放在沥青混合料堆的中间。一次装完沥青混合料，易使较大的碎石滚到车辆前 部、后部和两侧，从而造成离析。 那些在拌合楼卸料过程中，因卸料翻滚并且又经过长距离运输而聚集到车厢 四周的粗集料，在倒入摊铺机料斗的过程中，也一并倒入料斗，在料斗内一开始 就出现粗细集料的离析，而摊铺机的输料器无法消除这种离析现象。 3 ) 沥青混合料的收斗离析 当前施工工艺中，摊铺机表现待料工作，等摊铺机料斗内的混合料摊铺即将 没有时才开始卸下一车料，然后接着摊铺。这样摊铺机收斗时把料斗两翼的粗骨 料集中与下一车料卸料初的一部分粗骨料同时摊铺到地面，使摊铺出的路面有规 律地每隔二、三十米就有一段粗料集中段，这就是收斗离析 4 ) 沥青混合料的摊铺离析 沥青混合料进入布料槽后，在螺旋布料器的作用下，被快速向两端布料，在 这个过程中，由于摊铺宽度大，螺旋布料器运送混合料距离过长并且复杂的空间 运动造成粗细集料的离析。 沥青混合料的温度离析 沥青混合料通过充分搅拌后，基本可以保证温度、级配的均匀性，但是经过 一连串的工艺过程，沥青混合料与周围环境发生多次热量交换，等到路面摊铺阶 段和先前出料状态已经存在较大的温差，产生了温度离析。 1 运输过程中的温度离析 混合料在运输及待卸过程中，由于混合料的温度比环境( 如车厢挡板、空气 等) 温度高出许多，因此不可避免地发生热量交换，造成表层温度降低；而内层 混合料热量散失较少，温度变化不大，内外层混合料产生温差，如图1 2 图1 2 卸料初期的温度离析热像图 f i g 1 2d i s c h a r g et e m p e r a t u r eo ft h em e d i u m - t e r mi s o l a t i o nt h e r m o g r a p h y 图1 2 是运料汽车刚刚开始卸料时拍摄的，汽车尾部顶面的料首先整体滑 下，露出混合料在到场后的一个温度横断面( 图中红色部分) ，直观地显示出混 合料在运输、等待卸料时的温度散失情况( 热像图所拍摄的均为由s b s 改性沥青 拌制的沥青混合料) 。 2 卸料过程中的温度离析 图1 3 是在运料汽车卸料过程中拍摄的，这时混合料从车厢后挡板下方缓缓 挤出，此时摊铺出来的都是高温混合料。顶面混合料只有局部滑动，部分低温料 甚至聚集，再次发生温度离析。 图1 3 卸料中期的温度离析热像图 h g 1 3d i s c h a r g et e m p e r a t u r eo ft h em e d i u m - t e r mi s o l a t i o nt h e r m o g r a p h y 町加印m孤m m 吡弧 丌溶隐”忖隰鳖 图1 4 卸料末期的温度离析热像图 f i g 1 4d i s c h a r g ee n go ft h et e m p e r a t u r eo fi s o l a t i o nt h e r m o g r a p h y 图1 4 是在运料汽车卸料末期拍摄的，大部分均为低温混合料，平均温度只 有1 1 0 6 。c ，远远低于规范规定的摊铺温度要求。 当料车卸完料以及受料斗中料堆接近消失时，两侧冷料向内落下，被输送带 送到后面的分料室，并被整平，整平板不可能使较冷的混合料与高温混合料一样 固结，所以很难实现混合料的再均匀输送。如图1 5 所示，使用红外热像仪对摊 铺机熨平板后面的混合料每隔一分钟所测得的数据曲线，也反映了摊铺路面纵向 温度离析呈波浪形变化的这一规律。 触、，罗数、删曼 移7影、遍彰、 图1 5 摊铺纵向温度曲线 f i g 1 5p a v i n gt h ev e r t i c a lt e m p e r a t u r ec u r v e 在传统施工工艺中，纵向温度离析曲线的波长在3 0 m - - 5 0 m 的范围内，这与 料车的大小、摊铺的厚度和宽度有关。 3 摊铺过程中的温度离析 1 ) 同一摊铺机后面的温度离析 伽啪啪御怫m m 协m m 雏 丌诗阿”汁囫鲎 在同一摊铺机后面，由于摊铺机本身和传统施工工艺缺陷、停车等料等原 因，在摊铺过程中会出现多种温度离析形式。 ( 1 ) 条状温度离析 条状温度离析是指摊铺出来的路面温度沿路线方向成条状堆成分布。 ( 2 ) v 状温度离析 v 状温度离析是多在摊铺机收斗之后出现，“v ”字型一般以摊铺机轴线对称 或错位分布。 ( 3 ) 停车等料温度离析 摊铺机在等料之后，新摊铺的混合料与等料前摊铺的混合料一般都会产生温 度差异。 2 ) 并机摊铺方式所产生的摊铺带之间的温度离析 多台摊铺机梯形并机摊铺时，会发生摊铺带之间的温度差异。 1 4 国内外对影响沥青混合料粒料运动的研究现状 鉴于沥青混合料的离析对沥青路面的路用性能的影响较大，一些国家对沥青 路面离析的研究非常重视，已经陆续开展了许多防止和减少离析的相关研究。依 据在施工过程中收集的数据，依托当代科技的飞速发展，形成了比较系统、全面 的研发，新产品更加突出对机电液一体化智能控制系统的优势发挥，特别是针对 摊铺过程中沥青混合料摊铺机的重要作用，取得了更具高科技特点的成品设备， 对于解决沥青混合料的离析发挥了重要作用。 1 9 9 7 年美国沥青路面协会( n a p a ) 对沥青路面离析的原因进行了分析，并 提出了一些减少路面离析的措施。2 0 0 0 年美国国家交通研究委员会( t r b ) 设立 了研究项目“热拌沥青混合料路面离析”( n c h r p 4 4 1 ) 重点探索沥青路面离析的 检测方法。美国佐治亚、华盛顿、康涅狄格、堪萨斯等州也进行了一些研究，一 些州还将离析指标作为路面验收以及工程付款的依据之一。加拿大安大略省对沥 青沥青路面的离析也进行了一些研究，并于1 9 9 9 年将构造深度比作为离析的评 定指标。 近些年，随着我国高速公路建设规模的迅速扩大，路面相关问题及病害的研 究也取得了巨大成就，对于相关施工设备的研发也达到国际先进水平，依托高校 或者大型制造企业的研究所积极响应，投入大量的人力、物力资源对现有问题深 入研究，取得了巨大成就。如徐州工程机械厂生产的摊铺机和压路机、陕西建设 机械厂引进德国技术生产的t i t a n 系列沥青混合料摊铺机、三一重工的l t u 系 列摊铺机和y z 系列压路机、中联重科的压路机。 讨，特别是对沥青混合料在摊铺机输分料系统运行机理的研究更是很少有人涉 足。作者所在团队竭力发挥资源优势，突出摊铺机输分料系统对沥青混合料作用 点为研究方向，通过分析布料器对粒料的作用关系，从结构上改进设计参数，为 解决沥青混合料在摊铺过程中的离析问题，起到重大理论成果。 1 5 本课题的研究目标及任务 本课题依据课题组的研究项目，立足当代摊铺机在路面施工过程中的遇到的 问题，继续对摊铺机输分料系统的研究。 通过对输分料系统结构参数的研究，借助当今计算流体力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 的相关理论及分析软件建立仿真模型，通过流场分析粒料 的运动轨迹及在此过程中布料器的受力情况分析，寻找运动规律，探索实现粒料 更加可靠输送，得到更加合理的结构设计参数，使沥青混合料在布料槽中，经过 螺旋布料器输送过程中减少颗粒离析，提高沥青路面质量。 第二章沥青混凝土摊铺机输分料系统理论分析 沥青混凝土摊铺机是公路施工中不可缺少的机械设备，它承担着将沥青混合 料均匀的摊铺到路面上并使之成型且平整。沥青混凝土摊铺机主要有几部分组 成：机架、料斗、刮料板、螺旋布料器、熨平板。摊铺机整体结构外型如图 2 1 ： s c r e e d s p i r a ld i s t r i b u t o rb o d yh o p p e r 图2 1 摊铺机外观 f i g 2 1p a v e ra p p e a r a n c e 2 1 螺旋布料器的介绍 螺旋布料器转轴上镶有螺旋叶片，摊铺不同性质的混合料可以拆装更换，螺 旋叶片的面型根据输送物料的不同可分为：实体面型、带式面型、叶片面型等型 式。有的螺旋布料器的螺旋轴在物料运动方向的终端有止推轴承以随物料给螺旋 的轴向反力。在螺旋轴较长时，有的螺旋轴中间加吊挂轴承。如图2 2 为螺旋布 料器的一种实体图： 实体螺旋结构的面型叶片是最常见最普及的形状，其螺距l 为叶片直径d 的 0 8 倍，适于输送粉状和粒状混合料。 上飞 一 t 卞幻 、代i | f 一 f 几 l i 、t v uu 图2 3 实体螺旋面型叶片 f i g 2 3e n t i t yh e l i c o i d s s h a p e db l a d e 2 ) 带式螺旋面型 带式螺旋面型适于输送糖浆、沥青、煤焦油等半流动性性质的物体，其螺距 l 与螺旋叶片直径d 相等。 图2 4 带式螺旋叶片 f i g 2 4w i t has c r e wb l a d e 3 ) 叶片式螺旋面型 叶片式螺旋面应用较少，主要用于输送粘度较大和可压缩型的混合料，在输送 过程中同时完成搅拌、混合等工序，其螺距l 约为螺旋叶片直径的1 2 倍。 l 弋 7 ，f7 。、| | 屹 o，门 一 、1 3 ) 扣黜时，咋 2 4 沥青混凝土摊铺机输分料系统性能评估 沥青混合料摊铺机通过输分料系统， 槽熨平板前面，所以整个系统的优劣性， 起到极大的作用。 把沥青混合料均匀、稳定的输送到布料 对于混合料的质量及摊铺机的工作效率 我们对施工效果期望的是摊铺机能够均匀、稳定的把沥青混合料输送到两 端，克服在输送过程中的粒料离析实现稳定，高效的摊铺。就当前的施工情况来 说，沥青混合料摊铺机接受的沥青混合料相对还算均匀，通过布料槽螺旋布料器 的作用，在螺旋升角较大的螺旋轴附近，沥青混合料因为受到较大的圆周速度， 以绕轴旋转形式存在；分布在距离轴向较远位置的混合料，因为不同粒径颗粒受 到圆周速度和轴向速度的差异，湍流现象普遍存在，粒料的翻滚现象也十分严 重，造成混合料的离析i7 。如图2 1 2 图2 1 2 布料器快速旋转时混合料运动特征图 f i g 2 1 2w h e nt h ed i s t r i b u t o rr a p i dr o t a t i o nm i x t u r eo ft h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so ff i g u r e 实现沥青混合料均匀无离析的摊铺是对现代沥青混合料摊铺机的要求，不断 提高摊铺机输分料系统的工作质量和效率，也是当代科研工作者竭力追求的，摊 铺性能的优劣，决定了进入布料槽混合料运动的状态，影响到其中混合料充盈稳 定性的好坏。 在摊铺机布料过程中，因为螺旋转速和稚料槽的充盈性，使得沥青混合料出 现折返、过拌等现象。所以，对摊铺机而言，对卸入料斗均匀性较好的混合料， 能够高效、高