沥青摊铺机熨平板运动学模型分析.doc

沥青摊铺机熨平板运动学模型分析摘要:影响路面平整度的因素主要来源于2 个方面,即:路基的平整度和影响摊铺作业的因素。通过对熨平板的运动分析,了解影响摊铺的主要因素,提出了摊铺作业中消除平整度影响因素的方法。关键词:路面平整度;熨平板路面平整度是评价路面使用性能的一个重要指标,它对行驶车辆的寿命、驾驶舒适性、行车速度等都至关重要。我国JTJ 032 - 94公路沥青路面施工技术规范中规定:高等级道路的纵向平整度标准差不大于1. 8 mm ,横坡度误差不超过0. 3 %。影响路面平整度的因素主要来源于2 个方面,即:路基的平整度和影响摊铺作业的因素。1 路基的平整度是主要因素路基修筑的平整度在相当程度上影响最终路面的平整度。成型路面的走势大体再现路基的走势。施工过程中,如果从下基层开始路基的平整度能逐层得到良好的保证,那么积累到路面的平整度误差将很小;反之,如果从基层开始不重视其平整度,而在摊铺面层时只单纯地依靠摊铺机及其调平系统来实现所期望的平整度,这种施工效果必将很差。所以在施工工艺上应该充分重视基层的摊铺作业,尽量采用摊铺机施工同时辅以自动调平系统保证路基有较好的平整度,最终减小平整度的积累误差,达到良好的路面平整度。良好的路基给修筑高质量的路面提供了必要的基础保障。但是无论何种路基其不平整始终是无法避免的,如图1 所示。摊铺机熨平板运动在这个粗基准面上,将热料均匀地摊铺在路基上而形成新的路面。在这个过程中,对于误差波长L1、L2 .小于熨平板宽度L0时,这些误差将被热料“填平”而消失。如果L1、L2.大于L0 时,这些误差将无法消除,虽然沥青摊铺机自身杠杆作用对路基的这一误差有一定的“滤波”作用,但大于熨平板宽度的误差还将再现于路面上。所以详细分析摊铺机作业过程中的各种影响因素显得十分必要。2 影响摊铺作业的因素摊铺机运动在粗基准面,作业过程中受到的影响因素是多方面的。熨平板工作过程中受力情况是比较复杂而且是不定的。因而从动力学的角度很难得出比较精确的数学模型。为此,从运动学角度建立其与热料间的运动模型如图2 所示。V1 为单位体积热料流入熨平板底面的速度,V2为流出的速度,这是从相对运动的角度得出来的。在沥青摊铺机处于稳定摊铺状态时,实际上V1 、V2相加等于沥青摊铺机前进速度V0 ,熨平板实际所完成的工作就是将流入的热料,改变流向后铺设在地首先分析在稳定摊铺状态下熨平板的运动情况。如图3 所示,从矢量运算原理可知,在热料的这个运动过程中,速度变化量为:v = 2v0sin2其方向与垂直方向的夹角为/ 2 。在熨平板处于平衡状态时,速度V1 、V2 的大小和方向是不变的,因而v 的大小和方向是不变的。由于在这个速度的变化中,任意时刻加速度的方向与v 相同,即与垂直方向的夹角为/ 2 ,大小与v 成正比,即:1 = k1v(k1 为系数,量纲为1/ s)这时单位质量热料的加速度1 沿垂直方向的分量为:y1这个垂直方向的加速度实际上是料流动时熨平板底面对料的作用力沿垂直方向的分力Fy1产生的,因而y1正比于这个作用力Fy1 。如果料对熨平板的作用力沿垂直方向的分力为Fy2 ,根据作用力与反作用力的原理Fy2 = Fy1 ,因而Fy2也正比于y1 。设这个比例系数为k2 (k2 与熨平板的质量m及工作状况有关) ,这时有:我们再从另一角度看熨平板的受力情况,设熨平板的自重G、料的阻挡力在垂直方向的合力为P ,方向向下,料的作用力Fy2方向向上,于是有熨平板在垂直方向的合力:Fy = Fy2 - P = kv0sin- P令熨平板在垂直方向上的加速度为y ,可以得出:y = Fy/ m = (kv0sin- P) / m在认为摊铺机行进非常平稳,水平方向只做匀速运动,垂直方向维持固定厚度不变时, Fy = 0 ,则y = 0 ,可以得出:P 这个力与熨平板的自重G、料的摩擦力、料的阻挡力等有关,是一个永不为0 的量。所以,要使熨平板维持一个固定的摊铺厚度,必须要有一个仰角,这个仰角只与机器本身和热料本身有关,亦即与P有关。实际摊铺过程中, Fy 受诸多因素的影响随机变化,并不为0 ,所以熨平板在垂直方向上始终有速度vy (t) 和位移h (t) ,而当熨平板的平衡状态被破坏时,水平方向的速度由v0 变成v(t) ,垂直方向的初速度由vy0 = 0 变成vy (t) ,位移变化量由h = 0 变成h (t) ,对上式积分得出:而h (t) 就是摊铺厚度的瞬时变化量。可以看出,这个变化量由3 个部分构成:路基的不平整引起牵引点的上下运动,导致仰角的变化;摊铺机行进速度v(t) 的变化;料的情况变化引起P 的变化。这几个参量中任1 个变化都将产生1 个h (t) ,即产生路面平整度变化。例如,当外界其它因素不变时,由于路基出现了1 个低区,牵引点下降使倾角减小,即0 ,于是h (t) 减小,即摊铺层有减薄的趋势,反之有变厚的趋势。再如,其它情况都不变,摊铺机突然加速,v(t) 增大,于是h(t) 增大,摊铺层有变厚的趋势。3 实现路面平整度的摊铺技术从熨平板的运动分析中我们知道,摊铺厚度的变化主要和3 个因素的变化有关,即:(1) 混合料的变化情况;(2) 摊铺作业速度变化情况;(3) 熨平板仰角的大小。在摊铺作业过程中,混合料的变化主要表现为料的温度、粒度、供料速度、料槽中料的高度等参数的变化。如果供料始终比较均匀,不出现较大的波动,同时熨平板振动、震捣、频率、振幅都保持不变,这时候就保持了0 与k 的恒定性,若摊铺作业速度v(t) 不变,则h (t) = 0 ,即厚度不变。所以针对前2个影响因素,首先充分利用摊铺机的恒速摊铺技术、料位的自动控制技术;其次要保证料的质量,其中包括料的配比、料的摊铺温度等等;再者,操作人员尽可能地熟练掌握设备的使用,通过正确操作沥青摊铺机、保持刮板输送器和螺旋输送器工作稳定等等来保持摊铺机的稳定作业。最后,采取良好的摊铺工艺也是保证路面平整度的关键。例如在运输卡车和摊铺机间设置中间转接供料设备间接给摊铺机供料,以避免卡车对摊铺机的冲击,影响摊铺机的稳定作业;在设置自动调平基准时,严格按照基层采用分段搭钢丝技术,而只有在基层有了良好的平整度时才采用多点均衡梁技术;混合料的供应要保证连续,避免摊铺机间断作业等等。对于第3 个影响因素,应尽量使熨平板的倾角保持恒定,在其余参量不变时就有h (t) = 0 ,厚度保持不变。但是由于的变化原因有2 个:其一由于地基不平因素引起的,我们只能通过对不平整误差进行检测,然后加以有效的控制;其二由于料的不均匀和行驶速度的不恒定,引起摊铺厚度变化,熨平板位置改变而产生了的变化。所以可以通过沥青摊铺机自动调平系统对熨平板的仰角加以控制,间接地控制路面平整度。公路施工的理论认为,路面不平整分解成2 个方面:沿车辆行进方向的凹凸不平的高度误差和垂直于车辆行进方向的坡度误差。自动调平系统修正这2 个误差的基本方法是:在沿车辆前进方向设置1 套高度误差检测控制部件,称为纵向误差控制装置;在垂直于行车方向设置1 套坡度误差检测控制部件,称为横向误差控制装置。正如上所述,该装置在检测到路面标高或横坡度不足的地方,增大熨平板相应一边的仰角,使摊铺厚度增加;路面标高或横坡度过大的地方,减小熨平板相应一边的仰角,使摊铺厚度减薄。所以无论是纵向误差控制还是横向误差控制,都是通过调整熨平板的仰角来实现的。基于以上分析,在我公司承建