摊铺熨平板的动力学研究及计算机模拟仿真

摊铺熨平板的动力学研究及计算机模拟仿真第85页共85页1概述1.1引言近年来，随着我国经济的迅速发展，国家对公路建设的投资越来越大，特别是高速公路建设的投资，每年投资上千亿元，高速公路发展非常迅速。2004年中国高速公路里程新增4400公里，高速公路通车里程超过3.4万公里，居世界各国高速公路通车里程第二位；2005年底，我国高速公路里程达到4.1万公里。根据交通部最新公布的《国家高速公路网规划》，从2005年起到2030年，国家将斥资2万亿元，新建5.1万公里的高速公路，使我国高速公路的里程达到8.5万公里，高速公路的发展驶入快车道。对于高速公路如此大的投入,如此此快的发展速度，保证工程质量、提高施工效率，减少因过早破坏而导致的浪费，就显得尤为重要。与水泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、噪声小、养护简便等优点，因而得到广泛应用。据初步统计，在我国已建成的高等级公路中，沥青混凝土路面已经占到了75%以上。随着我国高速公路的发展，我国的公路施工技术已经路面质量已经有了较大提高，但是由于我国高速公路建设起步较晚，施工经验较少、施工法规不够科学合理、施工水平参差不齐，加上我国人口众多，交通量迅猛增长以及重型车比例增加（尤其是违法超重车辆现象存在严重），沥青路面在设计寿命（一般指建成通车到第一次大修的年限）内甚至是营运初期就开始出现一些早期破坏，如裂缝、车辙、松散、剥落等。沥青路面病害发生的原因是多方面的，其中包括路面设计不合理、施工质量水平不高、施工机械技术落后、养护管理不到位、交通量大、重车多，超载现象严重、水对路面结构的破坏、气候影响等因素。而其中一个最重要的原因就是施工质量存在问题。影响施工质量的因素也比较多，但最关键的因素就是沥青混合料的离析问题和压实度问题。由于我国幅员辽阔，高等级公路的规划里程和在建里程数量庞大，而建设资金并不是很充足，因此我国的公路施工企业对于在满足公路施工技术规范和质量要求的前提下，对于提高施工效率和降低施工成本有着更高的需求，这是我国公路建设与国外发达国家所面对问题的不同之处，是我国的国情所决定的。这也就决定了我国筑路机械行业和公路建设行业的专家学者的研究方向和研究热点。目前，解决提高施工效率、降低施工成本这一问题的重要途径之一就是采用大厚度、大宽幅抗离析摊铺技术，此孕育而生了大厚度、大宽幅抗离析摊铺机。本课题就是在这样的背景下提出的。1.2国内外摊铺机的发展及趋势1.（1）国内摊铺机技术的发展我国的摊铺机工业起步较晚,20世纪60年代才有了自己的生产厂家。这些制造厂在引进国外技术的基础上进行生产,很大程度上受到国外技术发展的制约。1989年,徐州工程机械集团路面机械公司从德国VOGELE公司引进具有世界领先水平的沥青砼摊铺机生产制造技术,经过10多年的消化吸收、改进和技术创新,2000年形成了我国第一条年生产能力为500台的摊铺机装配流水线,并推出具有国际先进水平并代表我国摊铺机制造水平的RP8000型沥青砼摊铺机,该机采用当今世界先进的数字式、微电脑控制技术,整机技术性能接近当今世界先进水平。2001年,该公司与德国ABG公司合作。由于吸收了ABG和VOGELE两公司产品的优点,该公司现在推出的LTU125摊铺机质量较好。目前该公司是国内最具实力、品种最齐全的摊铺机生产制造厂家。陕西建设机械集团有限责任公司与德国ABG公司联合生产摊铺机已近10年,1992年该公司通过技贸合作,与德国ABG公司联合生产摊铺机,先后组装生产了ABG-TITAN411、TITAN423、TI2、TAN323、TITAN325、LTL60等多种型号摊铺机。该公司生产的ABG423已成为我国修筑高等级公路的首选品牌。西安筑路机械有限公司在20世纪70年代与交通部公路科学研究所研制了我国第一台LT6型轮式摊铺机,之后相继开发了LT1200、GTLY750、LT700、LT600、LTU4型履带式和LTY8、LT5等型号的轮胎式摊铺机,生产的摊铺机型号较齐全。此外,天津鼎盛工程机械公司、镇江华晨华通路面机械有限公司、成都新津筑路机械股份有限公司、南阳陆德筑路机械制造有限公司、陕西中大机械集团有限公司、西安燎原路面机械有限公司、中联重科、三一重工等企业都能生产沥青混合料摊铺机。（2）国外摊铺机技术的发展20世纪30年代,VOGELE公司生产出世界上第一台沥青混合料摊铺机,主要靠轨道作为基准来保证路面的平整度。BARBER-GREENE公司在1937年推出拖式摊铺机,它由拖拉装置和浮动熨平装置组成,结构简单,尺寸较小。但其供料装置功能简单,不能根据需料量控制进料量的大小；在找平性能方面,仅采用了浮动熨平板的自动找平特性,找平效果较差。50～70年代,随着液压技术的成熟及自动控制理论的发展,摊铺机在功能上有了较大进步,除了摊铺宽度和厚度有所增加外,在找平装置、供料系统等方面与从前产品相比有着本质的改善。当今世界有8大摊铺机制造厂商:ABG、VOGELE、BLOW-KNOX、DYNAPAC、DEGAG、MARINI、BTELLT和CATERPILLAR。这些公司的技术代表了当今世界摊铺机的发展方向。ABG公司的产品目前是国际摊铺机市场首选品牌,其大型摊铺机在中国市场上的占有率已达70%以上。INGERSOLL-RAND瞄准中国路面机械市场,相继兼并了德国ABG公司和美国BLOW-KNOX公司,从而形成Ingersoll-Rand、Wirtgen(VOGELE)与Metso(DEMAG与DYNAPAC)三足鼎立的态势。1.2.2（1）行走装置轮胎摊铺机具有良好的机动性,在国外公路施工中使用较多,但在路基较差的情况下容易打滑。针对这种情况,国内外许多厂家都开发了前轮带驱动的轮胎摊铺机,通过加装独立的液压驱动机构(具有同步与差速控制功能),可在摊铺作业时提高40%驱动能力,有效防止后轮打滑。在高速行驶时,还可实现前轮不驱动,有效解决了轮胎摊铺机附着性能不好的问题。美国BLOW-KNOX公司生产的摊铺机使用了小节距(102mm)无销轴履带行走装置,它消除了长履带节的起拱现象,使牵引性能和浮动性能得到提高,比压均匀,可在高速摊铺时获得平整路面。德国DEMAG公司生产的摊铺机履带行走装置采用了高架链轮技术。由于摊铺机摊铺时行走速度很低,同时要求作业平稳,所以多数摊铺机采用刚性悬架,即将履带台车架用螺栓固定在摊铺机机架上,这种结构十分简单又结实可靠。因而许多摊铺机都采用半刚性悬架结构(即三点悬挂的履带行走机构),如戴纳派克F182CS、TEREX的CR561、ABG525。相对于刚性悬架,由于半刚性悬架左右履带可绕后绞轴上下摆动,能自动适应地面的崎岖不平,所以它具有良好的附着性能,对于牵引性能要求较高的摊铺机,该结构确有可取之处。（2）螺旋布料器的发展戴纳派克公司将螺旋布料器的驱动装置外置,避免骨料在螺旋布料器中离析。美国BLOW-KNOX公司在BK系列某型号摊铺机的基础上,研制出在摊铺中随熨平板一起液压伸缩的螺旋布料器,尽管其结构较复杂,但它使自动伸缩熨平板结构更先进、完善、合理,应用更方便。（3）熨平板加热方式的发展传统的熨平板加热方式都采用丙烷液化气燃烧加热,存在喷嘴易损坏、火焰易被风吹灭等缺点,而且液化气瓶的更换很麻烦,因此熨平板加热方式有以电加热为主的趋势。如ABG公司新设计的TI2TAN326摊铺机即采用了电加热系统。随着电气元件质量的提高,电加热方式的应用将越来越普遍。（4）刮板输送器的发展美国TEREX公司生产的CR561摊铺机采用了可防温度离析的新技术,将传统的刮板输送器改为螺旋输送器,通过物料在输送中的二次搅拌,大大减少温度离析。为了消除沥青混合料的温度离析和材料离析，在自卸车和摊铺机中加入转运车,从自卸车上卸下的沥青混合料经过转运车二次搅拌后再进入摊铺机的料斗内。为此,ROADTEC公司设计了一种没有刮板输送器的摊铺机,直接将转运车卸下的混合料卸到螺旋布料器处,这样可节省发动机动力,从另一个角度上讲,可适当减小摊铺机的发动机功率。（5）调平系统的发展eq\o\ac(○,1)手动调平系统20世纪50年代末,美国KANSAS州高速公路委员会的一名工程师发明了第一套自动找平装置。它结构简单,靠手动操作完成纵坡和横坡的调节,纵坡由基准线和指示器标明,横坡由安装在横梁上的传感器和指示器标明。纵坡调节工作原理:基准线挂在摊铺机一侧,指示器装在牵引梁枢铰点附近并作为参考点搭在基准线上。当摊铺机行走在高低不平的基层上时,指示器上下移动,操作人员通过旋转手动厚度调节螺钉即可保证摊铺出较平整的面层。横坡调节工作原理:横梁跨装在摊铺机两侧,并连接在两侧参考点上。带有指示尺的传感器装在横梁的中间,指示点可沿相应的指示器移动。拱形确定后,相应的指示点被初定在某一参考点处。指示保证摊铺出符合设计要求的路面。eq\o\ac(○,2)自动调平系统手动厚度调节机构存在路面平整度分辨率较低、对操作人员的素质要求较高且劳动强度较大等不足。在手动厚度调节机构工作原理的基础上,通过应用闭环自动控制系统,于20世纪70年代初开发出自动熨平板控制装置。它靠移动牵引梁铰点来改变熨平板的倾斜位置。由于这段时期摊铺机的工作宽度较小,所以都采用纵坡和横坡控制器来进行找平作业。早期是半自动调平系统,横坡采用自动调节,纵坡采用手调装置控制;后期手动横坡调节机构也被自动装置取代,出现了全自动熨平控制系统,该系统工作特性相对较完善,且找平效果好。自动找平仪器也由角度传感器发展为超声波传感器、RSS激光找平传感器。如图1.1所示,RSS激光图1.1RSS自动找平系统原理找平系统使用大范围的多点扫描测量,当测量长度超过12m时,可等效于机械式平衡梁的30m测量长度,消除了油缸的误动作。1.2.3(1)向大型化和小型化发展很多情况下需要摊铺机一次性摊铺整个宽幅的路面,为此,开发了宽度大于12m的沥青混合料摊铺机,如VOGELE公司的S2500型摊铺机的最大摊铺宽度达到了16m,最大摊铺厚度为40cm。为了适应高速公路的修补作业和乡村道路的铺筑,沥青混合料摊铺机也向小型化发展,例如BTELLT公司推出了功率仅为13马力、摊铺宽度为0.9～1(2)向多功能化发展摊铺机不仅需要摊铺沥青混合料,有时需要摊铺厚度为25cm以上的稳定土,要求摊铺机具有一机多能。为此,采用了相应的技术措施,主要有加大发动机功率、选用载重型液压系统、增强散热能力等。如中联重科的LTU90型摊铺机,选用力士乐的A4VG系列油泵、双层液压油散热器；ABG公司的TITAN326型摊铺机,其发动机功率加大到160kW,明显增强了摊铺机在多种工况下的适应能力。(3)向技术含量高方向发展CAN(控制器局域网络)是工程机械中最常用的现场总线,它是有效支持分布式控制或实时控制的一种串行通信网络。通信介质可选用双绞线、铜轴电缆和光纤。现在的摊铺机都是基于CAN总线控制系统。电子监控与故障诊断技术主要是指对摊铺机进行在线的智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护,实现摊铺机的监控与故障诊断智能化。无人驾驶技术也是摊铺机的一个发展方向。在特定的施工作业中,如易塌方区、辐射或有害健康的作业区等,需采用专用、带有遥控装置、高智能、无人驾驶的摊铺机。随着自动控制、机器人及网络技术在摊铺机领域的不断渗透,采用定向导航和位置诱导原理,依靠无线/有线通信、自身机械操作和自身监控信息反馈处理系统,通过计算机,无人驾驶技术在摊铺机上逐步得到应用。2001年,清华大学和徐州工程机械厂科技路面机械分公司联合开发了国内第一台无人驾驶的摊铺机,具有弯道的定径摊铺、机械的智能故障诊断等优点。(4)向减轻工作强度方向发展摊铺机的现场安装一直是较费力的工作,需要大量的人力,且劳动强度较大。ABG公司生产的326型摊铺机取消了加长熨平板端面的螺栓连接,改用液压油缸拉紧,连接时对齐两端面、调好上下高度、启动油缸拉紧即可,夯锤和振荡机构连轴器也由过去的梅花形改为齿形,这样不必将联轴器取下来,使熨平板的加长工作十分简单。326型摊铺机的拱度调节也由传统的机械调节改为液压调节,使拱图1.2高度自动调节的布料器度调节通过控制按钮就能实现,非常方便。螺旋叶片的高度调节也很费力,不少公司采用整体升降的方案,如美国REREX公司的CR561摊铺机,螺旋机构固定在摊铺机机架上,机架与台车架通过偏心轮连接,偏心轮转动时,机架即相对于台车架升降,从而实现螺旋叶片的高度调节,减轻了摊铺机现场安装和调整强度(见图1.2)。1.4本章小结国外沥青混合料摊铺机经过近70年的发展,现已基本完善。我国的沥青混合料摊铺机技术还处在一种仿制国外产品的阶段,真正拥有自己知识产权的还不是很多,需要国内同行不断努力。2大型摊铺机抗离析控制技术和熨平板工作原理2.1大型摊铺机抗离析控制技术2.1.1离析的产生和分类温度离析、配比离析、储料离析、装料离析、运输离析、卸料离析等在物料倒入摊铺机料斗之前所产生的各种离析，都与摊铺宽度没有因果关系。摊铺机在摊铺过程中，无论铺宽铺窄，抗离析研究的重点应为大粒料是如何分离出来的，原来均匀的物料为什么在摊铺后会呈现离析。物料从料斗到熨平板前沿有三个运输环节：一是刮板向螺旋纵向送料，二是螺旋向熨平板前沿横向分料，三是料斗中剩余的物料经料斗收合向刮板上集料。摊铺机摊铺路面时物料离析有四种情况：一是横向离析，二是竖向离析，三是纵向带状离析，四是窝状离析。横向离析最容易产生，危害程度最大。（1）横向离析摊铺机螺旋输料的工作原理是：带有螺旋叶片的传动轴在料槽内旋转，使进入料槽的物料沿料槽向输送方向运移，并不停地向螺旋下面落料，同时向熨平板前沿塞料，整个工作过程是在摊铺机的行进中进行的。与摊铺机螺旋输料不同而又相似的是螺旋输送机，螺旋输送机的叶片随轴一起旋转，物料是在一封闭的料槽内向输送点输送，其充满系数影响着输送过程和能量的消耗，一般取充满系数小于0.5。对于螺旋输送机，学者们研究得比较多。有学者从动力学分析认为，在充满系数较大时，被输送的物料在料槽中的分布可近似地认为沿料槽的圆弧呈扇形分布。越靠近螺旋轴的物料颗粒，螺旋升角越大，圆周力越大。当圆周力大到一定程度，使物料摩擦力及自重无法平衡时，就开始随螺旋轴翻滚。该研究结论指出，水平螺旋输送机的充满系数是最主要的技术参数，对物料的输送效果影响最大。当充满系数超过0.4时，物料容易引起翻滚。有学者从运动学分析认为，靠近螺旋轴的物料圆周速度要比外层的大，但该处的轴向输送速度却显著降低。所以使内层的物料较快地绕轴进行转动，较早地到达表面，这就产生了一个附加的物料流。当充满系数较小时，物料颗粒在垂直于输送方向的附加物料流不严重；反之，在圆周方向的运动将比输送方向的运动强。螺旋在达到一定的转速前，对物料颗粒运动的影响不显著；但是，当超过一定的转速时，物料颗粒便开始产生在垂直于输送方向内沿径向方向跳跃。在研究了螺旋输送机的机理以后，再对摊铺机螺旋输料进行分析。摊铺机螺旋输料，当充满系数小于1，即物料未满埋螺旋叶片输料时，与螺旋输送机有相似之处。如果不考虑由物料围成的料槽与被输送的物料之间的内摩擦阻力对螺旋叶片直径处物料颗粒的影响，也不考虑在输料过程中部分物料改变输送方向向下面落料，仅从两者相似之处考虑，用螺旋输送机的研究成果对摊铺机螺旋输料的过程进行分析，将有助于分析产生离析的原因。从动力学分析可知，充满系数超过0.4小于1时，物料容易引起翻滚。从运动学分析可知，充满系数较大时，物料在圆周方向的运动要比输送方向的运动强，容易产生垂直于输送方向上的附加物料流。两者都认为，在靠近螺旋轴的物料比外层的物料容易跳跃翻滚，较早地到达物料表面。这就是摊铺机作业时产生横向离析的根本原因。如果充满系数小于0.4，螺旋输送的生产率将很低，需要成倍提高螺旋转速，这样既不适应摊铺机的作业要求，又不现实。已往使用摊铺机时一般充满系数都超过了0.4而小于1，国外某摊铺机公司还刻意要求物料埋螺旋直径的2/3（即充满系数0.7）输料。这样在输料过程中必然会将物料大颗粒分离出来，输向路边，造成横向离析，严重影响路面质量。按螺旋输送机计算螺旋的最大许用转速，对于摊铺机来说仍然偏小。所以，当充满系数小于1时，横向离析现象是客观存在的；当物料将螺旋分料器全部掩埋，即保证充满系数等于1时，不会出现横向离析现象。（2）竖向离析用钻芯法从路面上取样芯，如果样芯的最下部是一层大粒料，说明此处路面出现竖向离析。用挖剖路面的方法观察剖面，也能发现竖向离析。经过观察分析，竖向离析产生的原因是由于螺旋前面导料板高度不合适造成的。导料板下沿离地应有一个间隙，以适应通过性能的要求。从通过性能考虑一般离地间隙在180mm以上，但是这个被通常认可的离地间隙，从螺旋输料效果考虑，显得过大。螺旋在输料时，物料从这个间隙挤出，大粒料极易滚落，铺散在基层上，形成一层大粒料，这就是摊铺机作业时产生竖向离析的主要原因。此外，如果螺旋离地过高，物料得不到充分搅拌，也会造成摊铺层表面细料过多，产生竖向离析。（3）纵向带状离析纵向带状离析产生在熨平板的中缝和每个螺旋支撑处。究其原因，这是由于向螺旋链轮箱（中置驱动链轮箱）下方填料不足及螺旋支撑阻滞料流，大粒料易析出产生。（4）窝状离析摊铺机在摊铺作业时，如果料斗中剩余的料不足以刮板满载输料，就需要收合料斗向刮板上集料。在料斗收合的过程中，大粒料顷刻间向刮板上滚落，集成堆，经刮板输往螺旋，由螺旋横向分料，再经过熨平板熨平后，摊铺层上就形成了一窝大料。这就是摊铺机作业时由摊铺机自身产生的窝状离析的原因，但产生窝状离析的主要原因是料车卸料时产生的。2.1.目前的摊铺机原理，对物料的输送和分布由通过刮板输送和螺旋分料器两个环节组成。刮板是一种平移式分层输料装置，对物料不会产生新的搅拌混合作用，因而对前几道工序产生的物料物理和温度离析不能改善。为此，近几年来兴起在摊铺机前加置物料转运车的工艺进行尝试，通过其保温、加热、搅拌等作用使混合料温度和物理离析得到有效改善。对摊铺机自身而言，改善离析和提高摊铺平整度的作用，主要通过螺旋分料器的结构以及运动学参数设计来实现。级配混合料（包括基础和面层）中的内摩擦力作用以及物料与输料螺旋之间的外摩擦力作用影响着螺旋的输料和二次搅拌（拌和机为一次搅拌）的效果，合理的摊铺机螺旋分料器应具有良好的搅拌物料的能力，使前期工序产生的物料离析得到有效改善，同时满足摊铺宽度上不同部位所需物料量，使平整度得到保证的综合功能。这就是螺旋分料器设计的最终要求，也是摊铺机提高性能的合理途径。目前，多数小功率摊铺机的实际情况是，物料的内、外摩擦力作用造成大粒料容易被送往螺旋分料器两侧，摊铺宽度增大则离析加重。主要原因在于，其螺旋分料器工作参数设定存在缺陷，强调物料输料高度位于螺旋分料器中心上方叶片直径2/3处为宜，由于螺旋分料器内料位较低，需要较高的工作转速才能满足输料量（高达100r/min左右，甚至更高）要求，在调整抛撒、快速推移运动中，不同粒径物料再次离析。这种思想的实质是沿用了传统的螺旋设计理论，即螺旋分料器的主要功能是均匀输料和布料，而未能赋予螺旋分料器二次搅拌功能以改善前期工序产生的物理和温度离析。2.1.3针对产生离析的原因，抗离析应采取以下措施:(1)采用螺旋叶片全埋输料方法，大小粒料能被均匀输送，使摊铺层宽度方向上粒料均匀，以避免横向离析.(2)螺旋前面导料板的离地间隙应可调整，能减少粒料向基层表面滚落，使摊铺层厚度方向上粒料均匀，以避免竖向离析。(3)螺旋高度应多级调整，可对摊铺层表层的粒料起到再次连续搅拌作用，使摊铺层厚度方向上粒料均匀，以避免竖向离析。(4)合理设计反向叶片、料槽宽度、螺旋支撑，改善输料阻滞现象，以避免纵向带状离析。(5)合理设计刮板宽度和料斗形状，减少料斗收合时的集料量，减少大粒料滚落成堆，以避免窝状离析。大功率摊铺机（功率160kW以上，最大摊铺宽度16m，最大摊铺厚度500mm）的设计理论就是，通过具有二次搅拌以改善离析与均匀输料和布料综合功能的抗离析、大生产率螺旋装置设计，辅以整机与螺旋驱动大功率配置，实现单机大宽幅、大厚度、抗离析一次成型摊铺作业，改善离析，改善双机并幅摊铺接缝离析。其主要特点为：增大螺旋输料能力，降低螺旋驱动转速，增加螺旋二次搅拌功能，减小螺旋起动工作的冲击和加速度使之平稳缓慢起动。下面我们对抗离析摊铺机的控制技术做详细的分析：（1）物料满埋螺旋工作这是增大输料能力，降低螺旋转速，增加二次搅拌作用，避免横向离析的关键，也是一种新理念。提高刮板和螺旋料位传感器料位控制点，是实现这一理念的外部形式，其内在实质是：加大螺旋的驱动转矩，并改变驱动器方案。改变常规摊铺机采用高速轴向柱塞马达加减速机的传动方案，直接采用低速径向柱塞大扭矩马达驱动，并且将常规摊铺机700ml/r左右的马达等效排量增加到1300ml/r，转矩和功率与ABG-423相比增加了一倍。物料满埋螺旋将转速降低到80～90r/min或以下，有效防止大颗粒物料随输送距离增大而运动加剧的横向离析，同时由于螺旋埋于物料底部而增加二次搅拌效果，改善前期工序产生的温度与物理离析。低速大扭矩马达除可满足物料满埋螺旋需要更大驱动转矩的要求外，还由于这种马达具有起动效率高，带载起动能力强，起动平稳的优点，可以避免高速马达加减速机由于起动效率低，在频繁间断工况下产生的冲击起动现象，减小了物料的冲击推扬离析。物料满埋螺旋，增大输料量并增加螺旋驱动能力还为大厚度一次成型摊铺基础材料提供了可能性。（2）采用变径螺旋设计摊铺机的螺旋分料器是一种半开放式的结构，与通常的封闭式螺旋输料器将物料全部输送情况不同的是，它在分输料过程中一边卸料一边输料，最终将物料均匀地布送于熨平板的整个幅宽上。因此，不同位置的螺旋应有不同的输料能力，这要求螺旋分料器应有适应这一性能要求的不同升角或直径。变升角设计有制造困难、互换性差、且搅拌不均的缺陷，DT1400采用变径螺旋设计，螺旋自内向外直径逐渐减小，整体断面包络线呈梯形，考虑到制造的方便，可以近似为几种间断的直径结构。这样在分料工作中，可以达到全部螺旋满埋物料工作且搅拌强度一致的效果，除了有效防止横向离析外，还可保证不同宽度位置上摊铺物料的密实度一致、平整度一致。（3）增加整机功率匹配摊铺机在摊铺作业中，主要的功率消耗于螺旋驱动，特别当物料满埋螺旋，大宽度摊铺基础材料时，物料摩擦阻力矩增加，驱动螺旋会消耗整机功率的50%～60%，加之刮板、熨平板由于增加宽度而相应增加了功率消耗。发动机功率裕量配置，避免发动机因各种超载产生掉速现象，这种超载频繁地发生于螺旋起动、刮板发卡、料车倒撞等工况下，是摊铺机的特有工况。发动机掉速会影响摊铺机的正常工作，是产生离析、影响平整度的不良因素，也是普通摊铺机的通病。电喷柴油机符合严格的污染排放和噪声标准，也具有良好的动力性能和控制特性，易于实现整机自动化。（4）防止竖向离析竖向离析指摊铺横向断面上，下部大粒料多而上部大粒料少的上下离析现象。竖向离析的原因是螺旋料槽上部大粒料沿开口处向下滚落，这一现象发生在螺旋前挡板离地间隙调节偏大且料槽中缺料的工况下，以及螺旋外端料槽前方的卸荷口处，由于大粒料沿着螺旋前挡板的间隙和卸荷口处向下滚落，结果造成大粒料沉落于摊铺下层。大功率摊铺机采用物料满埋螺旋设计，避免了料槽因缺料在螺旋与前挡板之间产生的粒料滚落斜坡；在前挡板下方加装了上下高度可调的前导板，根据摊铺厚度和材料不同适当调节离地间隙，同时前导板下部采用弹性橡胶板结构，可以将离地间隙调为最小且利用弹性板的外张效果减小螺旋的输料阻力；对螺旋外端处的卸荷口，同样采用弹性橡胶板的悬臂式结构，既防止大粒料向下滚落，又起到防止螺旋卡死而卸荷的作用，也避免了因螺旋卸料不畅顶起熨平板影响平整度的现象。（5）防止纵向离析纵向离析指摊铺层上出现的沿行车方向的条形离析带，主要产生于左右螺旋的中缝处，各自螺旋的过渡支撑处和双机并幅摊铺的接缝处。采用单机大宽幅摊铺，不存在双机并机摊铺时产生的300～600mm的接缝。由于螺旋驱动链轮箱的空间干涉，使左右螺旋在中缝处断开一定距离，这一断裂处的物料得不到螺旋强制挤压和搅拌，而仅依靠物料的自然流动来充填，摊铺后密实度很低且级配不匀，形成一条明显的条形离析带。改进型摊铺机在该断开处的左右螺旋上各加装一组角度可调的反向螺旋叶片，根据摊铺厚度和材料的变化来调节叶片数量和角度，使中缝处物料充填密实且均匀。螺旋支撑处的离板带，主要由于支撑处螺旋输料不畅，破坏了物料沿螺旋在宽度方向上输送的均匀连续性，影响了该处的密实度和级配。改进型摊铺机采用加大螺旋料槽前后方向的宽度，减小支撑处的结构尺寸，并使支撑结构呈圆弧过渡面，在支撑处的螺旋上加装圆周角100°以上的过渡叶片等措施，有效解决了物料在支撑处的阻滞状况。加大料槽前后尺寸，增加了料槽中物料的搅拌体积和空间，也是提高二次搅拌作用，改善温度和横向离析的措施。物料满埋螺旋工作也相对减小了支撑处的阻滞影响。2.2大型摊铺机熨平板的工作原理2.2.1熨平装置的结构构造熨平装置布置在振捣装置之后，它的主要作用是将前面螺旋布料器送来的松散、堆积的混合料，按照一定的宽度、厚度和拱度，均匀的摊铺在路基上，同时，熨平装置对混合料铺层具有预压实的作用。熨平装置的构造如图2.1所示。它主要有熨平板、拱度调节机构、加热装置等构成，图2.1熨平装置侧视图1、3-销子，2-连接块，4-牵引臂，5-固定架，6-护板，7-振捣器，8-熨平板，9-厚度调节装置，10-油缸，11-液压执行机构它通过两侧大臂前端的连接销与机架铰接。熨平板的升降，由机架后端板上的两个油缸控制。沥青混合料摊铺机的熨平板有机械有级加长型，即摊铺机有多个不同长度的熨平板。工作时需要根据路基的宽度，选择不同的熨平板进行组装。该大型沥青混合料摊铺机有一节主机熨平板，宽度为3m，其他附加熨平板均分左右，宽度和数量分别为0.5m左右各两块、1.5m左右各三块。由这些熨平板组装3m~14m之间摊铺宽度可调的熨平板沥青摊铺机熨平板还有液压无级调整加长型。但无论是那种熨平板加长调整，左右必须对称。否则，由于牵引负荷的不平衡，影响摊铺机的直线行驶（特别在有横坡时），将会加剧行走机构的磨损和不必要的转向负荷，而且由于频繁转向，会导致摊铺层平整度降低。在不得已的情况下，可以不允许对称，宽度不大于摊铺机的一个最小接件宽度尺寸。2.2.2熨平板的浮动原理熨平装置仅在前端以侧臂通过侧臂控制油缸与机架铰接，熨平装置后部在重力作用下支承在铺层上。机械进行时，熨平装置可以随铺层的作用绕侧臂铰点上下摆动。这就是浮动熨平装置。沥青混合料摊铺机工作时，熨平板在自身重力及震动器振动力的作用下，给予混合料一接触压力以初步压实混合料，同时熨平板在混合料表面浮动并向前滑行，熨平板底面与运行方向构成仰角α，α角的存在是熨平板能够压实混合料和正常工作的前提，而熨平板底平面所受法向合外力的大小与混合料的最大粒径、级配、粘度、摊铺室混合料的数量都有关系。熨平板前混合料的多少影响摊铺层的厚度及密实度。该数量又与刮板输料机的送料速度、螺旋布料器的布料速度、摊铺层的作业速度及基层表面质量有关。由于供料速度、作业速度之间存在不协调性，基层表面的凹凸起伏，摊铺室内混合料的数量变化等，使摊铺层的厚度、密实度和路表质量也发生了变化。例如，摊铺机内的混合料数量增加时，摊铺层的厚度、密实度增加，熨平板被抬起；反之，摊铺层变薄，密实度下降，熨平板下沉。在摊铺过程应尽量保证摊铺室内混合料的数量，及时调整刮板输料机的送料速度、左右螺旋布料器的布料速度及均匀性。摊铺机的作业速度应使摊铺室内混合料的高度始终略高于螺旋布料器的轴线，大概为混合料覆盖整个螺旋布料器叶片的2/3左右为宜，以保证摊铺机的均匀摊铺。假设摊铺机的工作条件稳定，α角增大时，熨平板下混合料的进给量增加，导致熨平板下混合料的垂直变形量增加，这将引起最大接触压力的增加，从而导致混合料对熨平板的法向合外力增加，而法向合外力的增加打破了熨平板原有的力学平衡，使熨平板抬高，摊铺层厚度随之增加，直到α角减小到力学平衡时为图2.2熨平板自找平的射线原理止。所以摊铺层厚度会随熨平板仰角的增大而增大，随熨平板仰角的减小而减小。但是，摊铺层厚度随熨平板仰角变化有一较大的滞后。一般要在机械驶过三倍侧臂长的距离后，才能够稳定的工作在新的铺层厚度上。在工作过程中，如果摊铺机运行的路基表面是平整的，并且在熨平板上的外力不发生变化，熨平板将以不变的工作倾角向前移动，此时摊铺的路面是平整的。反之，如果路基表面起伏不平，两大臂牵引铰点在摊铺过程中也会上下波动，使熨平板上下偏移；或者作用在熨平板上的外力发生变化，则都将引起熨平板与路基基准之间工作仰角的变化，从而造成铺层表面不平整。但这种铺层厚度的变化，不是简单的再现路基的不平。当原有路基起伏变化的波长较短时，由于铺层厚度随熨平板工作仰角的改变还没有达到最终的稳定值时，熨平板工作仰角已开始逆向变化，在这种情况下，铺层的变化是按射线原理改变的。如图2.2所示，当摊铺机越过起伏变化的路基时，如果熨平板两侧臂铰点随机架上升了H距离，整个摊铺装置以后边缘为支点转动一个角度。熨平板前缘抬起高度h为：当摊铺第二层时，熨平板前缘抬起为：当摊铺第三层时，熨平板前缘抬起为：当大臂长度远大于熨平板长度b（b/a一般为1/5.5左右），铺层厚度变化比原路基高低不平的变化衰减了好多。第二次摊铺时，这种不平整度进一步衰减，对原有路基不平整度起到一定的滤波作用。这就是浮动熨平板的自找平特性。2.2.3熨平板初始仰角的调整熨平板的仰角影响摊铺层的厚度和质量，若要增加摊铺层的厚度，则需要不断调整熨平板的仰角。仰角不能一次性调整太大，否则熨平板前面会形成混合料的堆积，若此时熨平板的温度偏低，部分沥青混合料不仅难以进入摊铺层，而且还会粘结、撕裂摊铺层、使摊铺质量下降。在其结构参数、运动参数及材料规范不变的情况下，改变工作仰角可以调整摊铺厚度；反之，也可以用改变工作仰角的方法来调整其他因素变化对摊铺厚度的影响。所以在每次摊铺作业前，应根据其他摊铺参数和材料来调整角的初始值。在调整前，要彻底解除整机件对熨平板的约束，将熨平板自由的放在水平基面上，然后将熨平板左右两端的调整螺母松开，旋转调整螺杆调整初始工作角的大小，最后锁紧螺母。调整是否正确，只有通过实际摊铺厚度来检验。每调整一次，必须在5m范围内做多点厚度检验，取其平均值。根据是否满足要求，决定是否需要继续调整。摊铺开始时，需要用手动调节给定仰角油缸的初始位置，而且由于浮动熨平板的质量惯性必须经历一段“反应时间”才能起作用。在摊铺开始阶段，摊铺层的厚度平整度都比较差。液压无级伸缩的熨平板，由于中央基本熨平板与左右伸长熨平板不在同一纵向位置上，当初始工作角改变以后，二者后缘距地面的高度会变得不一致。所以在调整工作角之后，要使用同步调整机构，调整左右伸长熨平板的高度，使其后缘与中央熨平板的后缘处于相同的位置高度。如发现伸长熨平板的工作仰角与中央熨平板的不一致，应拆除同步调整机械中同步元件，按需要加以调整。2.2.4熨平板拱度的调整路拱的形状与大小在道路设计时都已经确定，在摊铺前应将拱度调整到设定值。拱度调整机构如图2.3所示。熨平板自整机纵对称面分成结构相同、对称布置的两部分，上边以双向螺纹杆连接。转动调节螺杆可以使两侧熨平板框架上端分开或靠拢，使熨平板底板抬高或下降，改变底板拱度。拱度调节机构配合左右两端的厚度调节机构的上下不同移位，使底板呈水平、单斜坡、双斜坡三种截面形状，以适应不同路面拱度的要求,如图2.4。图2.3熨平板拱度调节1-锁紧螺母，2-调节螺杆，3-舢板，4-振捣梁调整好的路拱，应该在首次摊铺过程中，用水准仪来检测。如果不符合标准应重新调整，直到符合为止。a)水平横截面b)双斜坡拱形横截面c)单斜坡横截面图2.4路面拱度调整示意图（1）机械式拱度调节机构和机理目前，摊铺机上的拱度调节机构多采用机械调节式——通过转动带有左、右旋螺纹的螺杆改变两固定点之间的距离而形成熨平板拱度的调节设置。

机械式拱度调节机构通过销轴将其安装在摊铺机的熨平板的左支承和右支承上，当用加力杆转动后螺杆时，通过链条带动前螺杆一起转动而改变左、右支承的相对距离。左支承焊接固定于左段熨平板上，右支承焊接固定于右段熨平板上，左、右支承相对位置的改变导致与其固连的左、右段熨平板相对铰接轴发生相对转动。这样，左、右熨平板的底面形成一夹角而形成熨平板的拱度。在调节熨平板的拱度时，由于熨平板的重量及熨平板相对摊铺混合料的运动阻力对于熨平板的合力作用，造成前、后螺杆的左右旋螺上承受着较大的压力，所以要转动前、后螺杆就需要很大的扭矩。在摊铺机的摊铺过程中，熨平板的前板以推动摊铺混合材料向前运动，其对熨平板的前板施加了更大的反作用力，所以在摊铺过程中进行熨平板拱度调整是不可能实现的。这主要有两方面原因：一方面是人力手动调整不可靠，其拱度调整时大时小，造成施工路面的平整度满足不了施工要求。另一方面人力根本无法转动前、后螺杆。因此机械式拱度调节装置只有在摊铺机停机时才能进行拱度调整。当施工路段不能分两幅摊铺时，为了保证直线段到曲线段路面平滑过渡，必须多次停机，以很小的调整量，如每次使熨平板的拱度减少１％，经重复调整多次，才能将拱度最终调整为零，只有这样施工才能保证路面平滑过渡。因为停机施工是筑路施工的大忌——这样要影响路面的平整度，所以采用此工艺铺筑的路面只能是与理想路面相近似。由于山区公路具有曲线路段多直线路段少的特点，这样的多次停机来进行熨平板拱度调整，既提高了施工成本又降低了施工质量。所以机械式拱度机构不适用于摊铺幅度小弯道多的公路，特别是对山区公路铺筑工作。（2）液压智能拱度调节原理智能控制液压拱度调节器其工作机构采用双缸筒油缸，控制方式采用电气闭环控制，可以实现在线全程拱度调整，图2.5。双缸筒油缸取代机械式拱度调节器中的左右旋螺杆实现液压传动，取消人工操作以实现自动化，降低操作难度。当需要调整熨平板拱度时，转动伺服电位器的旋转钮来设定摊铺机熨平板的拱度。旋转钮的转动改变了电路中电位器的阻值，而使传入比例放大器的输入端Ａ的电流发生改变。此时拱度传感器采取熨平板的拱度信号，并将转变为电流输入比例放大器输入端Ｂ。比例放大器将输入端Ａ、Ｂ的电流进行比较，当输入端Ａ的电流大于输入端Ｂ的电流时，输出端阀使图2.5单侧原理图Ｃ输出正电流，控制电磁换向油缸的左腔进油，油缸伸长而导致熨平板拱度增大，拱度传感器的阻值随拱度值的变大而变小，输入端Ｂ的电流变大直至与输入端Ａ的电流相同，实现熨平板拱度增大的调整。反之输入端Ａ的电流小于输入端Ｂ的电流时，输出端Ｃ输出负电流，控制电磁换向阀，使油缸的右腔进油，油缸缩短而导致熨平板拱度变小，拱度传感器的阻值随拱度值的变小而变大，输入端Ｂ的电流变小直至与输入端Ａ的电流相同，实现熨平板拱度减小的调整。在高档智能摊铺机中，接入路面控制信号就可实现熨平板拱度智能调整。在铺筑路面过程中，不停机在线进行熨平板的拱度调整，从而保证了施工工艺上摊铺路面的平滑过度及路面施工质量，特别适用于弯道多的路面施工。2.3自动调平装置的工作原理与结构浮动熨平板是一个惯性元件，虽具有自调平功能，但这种功能是不完善的，并具有一定的局限性。其原因主要有以下两点：（1）牵引长度是个结构参数，是个定值，它决定了自调平过程反应时间的长短，即牵引长度越长，自调平过程的反应时间相对变短。但是，牵引长度受到结构因素的限制，不可能过长，因此，浮动熨平板的自调平功能则受到限制。（2）因为摊铺速度、物料数量、路基波变化等外界干扰因素缺少规律性。这些外界干扰因素，使摊铺机牵引臂牵引点不断产生位移，工作角度不断变化，混合料对熨平板底面的垂直反力不断变化，铺层平整度受到破坏而不可避免。尤其路基波波长大于五个牵引长度时，浮动熨平板的自调平功能趋于消失。为消除以上这些外界干扰因素对铺层平整度的不良影响，必须对摊铺机熨平装置设置必要的调节机构。用人工手动调节机构调整熨平板的工作角来跟踪熨平板牵引点的高度位置变化，往往因操作者经验不足，反应滞后等原因，不仅不能有效地改善铺层平整度，反而有可能使铺层平整度变坏。自动调平装置的设置为浮动熨平板自调平功能做了理想的补偿。自动调平装置是根据参照基准，使摊铺机浮动熨平板在排除外界干扰条件下进行自动调平的一种控制装置。一般由纵向调平装置、横向调平装置和纵向参照基准组成。纵向和横向调平装置各包括讯号传感、指令控制、终端执行机构三个部分，控制系统的信息传递路线如图2.6所示。通过纵横向控制系统的作用，使铺出的路面保持在设定的纵横坡基准上，检测点的实际高程H=K1H1+K2H2其中K1=（L—C）/L，K2=C/L图2.6自动控制系统信息传递路线图式中：C——纵向控制器安装位置距牵引点的距离，L——侧臂长。K1和K2取决于检测点位置的选择，据有关资料介绍，取K1=1/3~1/9。自动调平装置按其工作原理分为以下3种形式：（1）开关调节式。系统只有“开”（恒速调节）和“关”两种状态。其优点是结构简单，制造成本低，故障率低，缺点是调节精度低，死区较大。一般最小纵向分辨率为±2mm，最小横向分辨率为±0.10%。（2）比例调节式。系统调节作用的强弱随传感偏差信号的大小成比例变化。因而，系统有较高的静态精度，但其结构复杂，制造成本较高。（3）比例脉冲式。其调节过程分为死区、脉冲调节区和恒速调节区3个范围。当外界干扰较大（例如基面不平度大于5mm目前，按比例脉冲式原理工作的自动调平装置较多。其最小纵向高度分辨率不大于±0.3mm，最小横向坡变分辨率不大于±0.02%。自动调平装置的参照基准（指纵向参照基准）主要包括张紧绳、平均梁、滑靴和具备基准条件的构筑物等。张紧绳（张紧钢丝或尼龙绳）是人为架设的以地面为参照系统的绝对基准。平均梁或滑靴是随摊铺机同步移动的相对基准。其作用是将路基波均化、分解或部分消除。平均梁长度等于或大于路基波长时，可将路基波拉大，达到均化的目的，但不能消除波幅高度。但为了消除波幅高度，采用多点支承（支承轮等）的结构形式，可达到均化，分解和部分消除的目的。采用结构物作为参照基准，必须即具备基准、又具备使用跟踪件这两个条件。以数字控制系统技术为基础研制出的数字式控制器为摊铺机的找平装置实现自动化起到了重要的作用。数字式控制器多采用单片机为核心实现数字控制，也可采用可编程控制器（PLC）、工业控制机和数字信号处理器（DSP）来实现数字控制。由于摊铺机在工作中的基准线一般为固定设置，牵引点的位置跟随其上下移动，从而调整熨平板仰角从而改变熨平板的垂直位移，所以，此系统的主要性能在于牵引点受到垂直干扰时，系统对此干扰的抗干扰能力的大小，对于熨平板处所受的干扰也可以同理考虑。2.4本章小结（1）采用大功率宽幅摊铺机一次性完成单幅路面摊铺，可以达到很高的抗离析水平，较传统摊铺方法有明显改进，大功率摊铺机采取的一系列离析防治措施是有效的，结构是简单可靠的，为现代摊铺机设计提供了一种方法和思路。（2）由于大功率摊铺机自重大、行驶平稳，单机宽幅摊铺面层可以提高路面整体平整度。（3）减少双机并机接缝离析和螺旋支撑处离析，提高生产效率，大大降低施工成本，直接成本减少约40%。（4）规则离析大多是由于摊铺机的性能所决定的，必须通过改进施工机具性能来解决。竖向离析过去未受重视或无解决方案，本试验对摊铺机的挡板进行了改进，增加弹性挡板后，表面的细集料明显减少，构造深度变大，检测得到的摩擦系数变大，较好地解决了竖向离析。（5）摊铺机局部片状离析是由摊铺机前道工序的混合料供给不匀等多种原因造成的，不是摊铺机本身能够控制的，相关配套工艺的控制水平也是至关重要的。（6）无核密度仪、激光构造纹理仪检测方法，操作简单快捷，为离析控制水平提供了量化指标，为评价路面的施工质量建立了数字概念，具备可操作性。3熨平装置的运动学和动力学分析3.1熨平板的运动学分析路面平整度是评价路面使用性能的一个重要指标，我国JTJ032-94《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1.8mm,横坡度误差不超过±0.3%。路基的平整度和路面摊铺作业是3.1.1路基的平整度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3.1所示。图3.1路基不平整性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。3.1.2熨平板的运动分析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3.2所示。图3.2熨平板与热料的运动模型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、相加等于沥青摊铺机前进速度,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面上。图3.3熨平板运动速度矢量分解首先分析在稳定摊铺状态下熨平板的运动情况。如图3.3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:其方向与垂直方向的夹角为α/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ΔV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ΔV相同,即与垂直方向的夹角为α/2,大小与ΔV成正比,即:(为系数,量纲为1/s)这时单位质量热料的加速度沿垂直方向的分量为: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产生的,因而正比于这个作用力。如果料对熨平板的作用力沿垂直方向的分力为,根据作用力与反作用力的原理=,因而也正比于。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,料的作用力方向向上,于是有熨平板在垂直方向的合力:令熨平板在垂直方向上的加速度为,可以得出: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,ΣFy=0,则,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,ΣFy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和位移Δh(t),而当熨平板的平衡状态被破坏时,水平方向的速度由变成v(t),垂直方向的初速度由变成,位移变化量由Δh=0变成Δh(t),对上式积分得出:而Δh(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α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Δh(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α<α0,于是Δh(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Δh(t)增大,摊铺层有变厚的趋势。3.1.3影响路面平整度的熨平板运动学参数分析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α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,这时候就保持了与k的恒定性,若摊铺作业速度v(t)不变,则Δh(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α保持恒定,在其余参量不变时就有Δh(t)=0,厚度保持不变。但是由于α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α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α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α,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α,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α来实现的。3.2沥青摊铺机熨平装置的动力学分析为了解决上一节中沥青混凝土摊铺机熨平装置运动学模型存在的问题,在本节分析了摊铺机的摊铺过程以及混合料与熨平板之间的作用关系。经过分析,认为摊铺过程中熨平板与混合料的作用面积并不一定是熨平板的全部面积,而是有可能部分接触,其面积大小为一个动态的变化过程,在此基础上,导出了熨平装置的动力学模型。长期以来,我们在分析摊铺机的浮动找平原理时都是从其运动学的角度考虑,在此基础上建立了运动学模型。在正常摊铺过程中,由于自动找平系统的应用,利用运动学模型分析摊铺中的一些现象是合理的,也是实用的,但在一些需要人为调整摊铺厚度的场合,比如弯道摊铺等情况下,利用运动学模型分析结果与实际摊铺结果有很大的出入,运动学模型已不能指导实际生产,需要我们从动力学的角度来考虑。3.2.1沥青混凝土摊铺机的摊铺过程（1）稳定摊铺过程如图3.4所示,沥青混合料摊铺机在稳定摊铺过程中,熨平板的工作仰角A和牵引角C始终保持不变,系统处于一种动态平衡状态。在这种状态下,熨平板下的热沥青混合料受到熨平板的挤压变形,形成最后的摊铺层厚度,由于摊铺机一般处于恒速摊铺,不断有新的混合料进入熨平板下,在不受外界其它力干扰的情况下,这种动态平衡状态将一直保持下去。（2）牵引点受到干扰时的摊铺过程在实际摊铺过程中,稳定摊铺过程总是会受到各种因素的干扰,从而破坏整个平衡系统。这些干扰因素主要有:由于路基不平引起牵引点的上下波动;熨平板前混合料数量图3.4摊铺机在平稳摊铺过程中的动态平衡状态的变化引起的受力变化;摊铺速度的不稳定;混合料温度的变化;混合料级配不均匀等因素,在这些因素中,影响最大的是牵引点的上下波动。假若牵引点处有一向上的阶跃干扰位移,在这一瞬间,牵引臂向上抬起,牵引角增加,熨平板与混合料的接触面积瞬间变小,使承载压力重新分布。熨平板后沿的压力将增加,而前沿处由于混合料未跟上,支承压力会突然下降,从而将引起熨平板后沿有一向下的沉陷位移。随着摊铺机向前行走,不断有混合料进入熨平板下,熨平板下的压力分布又会逐渐趋于平衡状态,这个过程实际上是压力重新分布过程,但由于熨平板绕牵引点有很大的惯性作用,这个过程可能会过渡调整,从而引起系统产生动力振荡。综上所述,摊铺机在牵引点处有干扰时的摊铺过程可分为3个阶段:eq\o\ac(○,1)牵引点处有阶跃干扰位移的瞬间,熨平板后沿下沉的过程,这个过程一般在很短的时间内就可以完成;eq\o\ac(○,2)第二个过程为熨平板停止下沉起到熨平板下重新充满混合料为止;eq\o\ac(○,3)第三个过程为熨平板下完全充满混合料开始到熨平装置恢复原始牵引角和仰角、重新进入平稳摊铺状态为止。3.2.2动力学分析中的几个假设条件在动力学分析中,我们有几个重要假设,所有结论均是建立在这几个假设的基础上的。（1）熨平板下面混合料的压力分布为线性分布。（2）混合料料堆的推移阻力绕牵引点的力臂为0。（3）熨平板后沿到牵引点的水平距离L为常量。（4）熨平板沿摊铺方向宽度b的水平投影长度B为常量。（5）熨平板的沉陷量与其法向压力成正比关系。3.2.3摊铺机摊铺过程的受力分析稳定摊铺的力学平衡条件如图3.4所示为摊铺机摊铺过程中的受力分析图,以熨平板为研究对象,牵引力P分为水平力Px和垂直力Py,Px的作用是牵引熨平装置向前走,Py托起牵引点。重力W实际为分布力,这里假定其重心位置为A,与牵引点的水平距离Lw,长度可以认为是常量(由于牵引点的上下波动范围一般很小,相比牵引臂长来说,在摊铺过程中Lw的变化也很小,可以认为它是一个定值);同理,N为混合料对熨平板的支承反力的合力,作用点为C,与牵引点的水平距离为Ln,也认为它是一个定值;T为熨平板前混合料对熨平装置的推力和其它水平力的合力,由于设计与使用的要求,其作用线通过牵引点O或接近它的位置,可以认为此合力对牵引点的力臂为0;摩擦力F沿熨平板宽度方向,其大小与N值有关。对于其它一些外力,这里忽略不计。以上这些力可以组成一平衡力系,对牵引点取矩,令系统平衡时的牵引角为C0、仰角为A0,其关系为式中:Q为熨平板与沥青混合料之间的摩擦角(rad),此值一般取为tgQ=0.14—0.16;为牵引点与混合料对熨平板支承合力作用线间的水平距离(m);Lw为牵引点与熨平装置重心的水平距离(m);L为牵引点到熨平板后沿的水平距离(m)。熨平板与热沥青混合料相互作用的受力分布(1)熨平板处于稳定摊铺时的受力分布eq\o\ac(○,1)支承反力的分布在摊铺机稳定摊铺过程中,熨平板下的混合料是不断被挤压成型的,混合料对熨平板的支承反力N的分布也不是均匀分布的,而且作用在靠近熨平板后沿的力比前沿的力大。假设将熨平板下的热沥青混合料沿摊铺方向分隔为宽度是dx的单元体,沿垂直方向分为宽度为dy的单元体。混合料的厚度为线性变化。混合料对熨平板的垂直支承反力与其所受挤压变形有关,其关系可由承载实验得到。如图3.5所示,图中dRy为单元体垂直方向支承反力,dRx为单元体水平方向支承反力,F为摩擦力,其它力图中未标出。假设Rx,Ry的分布为线性分布,并忽略熨平板挤压混合料的初始压力,则其合力作用线在距熨平板后沿1.3熨平板宽度处。eq\o\ac(○,2)摩擦力F的分布熨平板与混合料摩擦力的分布与支承反力的分布有密切关系,根据摩擦力与正压力成正比的关系,可预计摩擦力F在熨平板上的分布与支承反力N的分布类似。图3.5稳定摊铺时混合料对熨平板的支承反力和摩擦力分布示意图(2)熨平板在牵引点有向上阶跃干扰时的受力分布在摊铺机稳定摊铺过程中,在牵引点处有一向上的阶跃型干扰位移信号时,则牵引角和仰角将有一个突然增大量,熨平板与混合料的相互作用力的分布会变化,如图3.6所示,由于熨平板后部对混合料压力的增高,熨平板后沿将下沉。图3.6牵引点有向上的阶跃干扰时混合料对熨平板的作用力随着摊铺过程的进行,熨平板前部将有新的混合料进入,在整个熨平宽度上逐渐将有混合料的支承,重新建立支承反力的分布,这个过程是调整的第二个阶段。当进入第三个调整阶段后,熨平板整个宽度上存在有混合料的作用。在仰角未恢复平稳摊铺时的状态下,熨平板将持续抬起,直到恢复稳定时的仰角大小,各力都恢复为平衡状态时的大小,系统进入稳定摊铺阶段。如图3.7所示,E为熨平板后沿,M为熨平板前沿,当牵引点有向上的干扰位移时,牵引点处于一个新位置,熨平装置绕牵引点旋转,使熨平板慢慢抬起。由此可知,熨平板后沿向上的垂直速度比前沿要大,而水平速度不变,均为摊铺机行驶速度v,则熨平板上每一点的合速度是不同的。例如,当熨平板后沿E的合速度方向为熨平板方向时,前沿M的合速度为熨平板的前下方,也就是说E点不挤压混合料,M点有挤压混合料的运行方向,而EM之间各点挤压量是不断变化的。图3.7熨平板垂直方向运动速度的变化示意图根据分析和实验,热沥青混合料的弹性是很小的,熨平板与混合料是不能脱开的,即M点的合速度方向不可能为熨平板的上方。另一方面,E点的速度有可能处于熨平板上方,此时,E点附近不压缩混合料,于是在EM之间有一临界位置,在这个位置之前,熨平板不断压缩来自前方的混合料,而在这个位置之后不压缩混合料,下面我们来求这个临界点。图3.8临界点位置的求取如图3.8,为熨平板第一位置,为摊铺机运行Sx后熨平板的第二位置,假设熨平板上点的速度方向为熨平板方向,当熨平板向前行走Sx=v$t,则点向上运动,即:,于是可以求出：（5-1）式5-1即为绝对速度沿熨平板方向的点的位置求法,式中$y为熨平板后沿垂直位移增量,其值为:。在熨平板上这点之后的部分并不压缩混合料,在其前部混合料的作用下,熨平板抬起,在这个过程中,Ln的值在不断变化,当ln值为负值时,说明熨平板都在挤压混合料,在计算中应取Ln=0。如图3.9所示,dQ为混合料单元体对熨平板的支承力dN与摩擦力dF的合力,它可以分解为dRx和dRy,而单元混合料对熨平板的垂直力dRy与混合料被压缩量有关,在摊铺机向前行走时,垂直挤压变形的大小在一定范围内与熨平板仰角A大小有关,A大,混合料从熨平板前沿到后沿的过程中其变形大,A小,其变形小。图3.9熨平板受力分析图如图3.10所示,在熨平板的E点,混合料的压缩量最大,M点压缩量近似为0,由于熨平板为平整面板,可以认为沥青混合料的挤压变形为线性变化。为计算应变值,同时考虑图3.10熨平板与混合料的受力分析图在不失准确性的前提下简化模型,统一取混合料松散厚度ht为不变值。对于熨平板下的混合料柱体dx,根据图3.10有:（5-2）式中:k为比例系数,根据承压实验确定(Pa/E);A为熨平板与混合料的接触面积();B为熨平板摊铺方向宽度(m);l为熨平板横向宽度(m);ht为混合料松散厚度(m)。根据图3.9和图3.10,可以得出（5-3）根据熨平板挤压混合料部分的长度,对式5-2、5-3进行积分运算就可以得出垂直支承合力和水平支承合力。3.2.4动力学模型的建立图3.11为浮动熨平装置动力学分析图,假设从阶跃干扰给出的瞬间为起始位置t=0,摊铺机以恒速v行走。(1)第一个阶段的方程整个系统的运动过程通过仰角A的变化就可以描述,所以我们暂以仰角A为研究参数。在这个过程中,根据前面的分析,我们可以建立方程如下。式中:为平稳摊铺时的仰角(rad);Am为牵引点向上抬起后的最大仰角(rad)。(2)第二个阶段的方程这个过程的受力情况比较复杂,影响因素很多,而且不易确定。我们假设混合料充满熨平板下之前,也就是第二阶段结束之前,熨平板仰角始终为Am。图3.11熨平板动力学分析图（5-5）(3)第三阶段的方程由于前2个阶段的经历时间很短,我们主要研究第三个阶段的动力学模型。结合图5.1、图5.8和上面的分析,可求取下沉力矩Mx和上浮力矩Ms（5-6）（5-7）因为综上所述,结合图5.8可得浮动熨平板绕牵引点O的方程：，因为,所以（5-8）式中:J为熨平装置对牵引点的转动惯量(；c为粘性回转系数。3.3本章小结(1)运动学模型的推导是假设熨平板后沿的速度始终沿熨平板方向,而在动力学分析中,熨平板后沿的速度经常处于熨平板的上方,也就是说根据动力学模型,在牵引点有阶跃干扰信号时,熨平板后沿垂直位移的响应要比运动学模型快,在摊铺台上的实验中和实际摊铺作业中都证实了这一结果。(2)从动力学分析中,熨平板响应有一定的超调和振荡产生,这都是动力学的影响,如果实际摊铺中的干扰很大,比如弯道摊铺,加上较大的熨平板装置惯性,可能会产生较大的摊铺误差。4熨平板与热沥青的相互作用及动力学实验研究4.1沥青摊铺机熨平板与热沥青混合料相互作用本节在介绍了沥青混凝土摊铺机熨平板与热沥青混合料相互作用的特点后,叙述了热沥青混合料的流变特性,并给出了流变模型,就此得出了熨平板与沥青混合料相互作用的三种动力学模型。沥青混凝土摊铺机在高等级公路的铺筑中起着关键性的作用。在我国的高等级公路中,由于柔性路面具有平整度高、易维护等优点而得到推广使用。为保证路面良好的平整度和密实度,摊铺机的选择与使用至关重要。而研究熨平板与热沥青混合料相互作用的动力学模型对于改进摊铺机的性能具有很重要的理论与实际意义。4.1.1熨平板与热沥青混合料的作用特点在对熨平板的运动学研究中,我们做了两个重要的假设:一是假设熨平装置没有质量,即不存在惯性;二是假设熨平装置所受来自混合料的各种阻力保持不变。在这两个假设的前提下,得到了许多结论,这些结论在一定程度上对研究自动找平系统起到了积极作用,但这两个假设与实际的作业过程是不相符合的,熨平装置不可能没有质量,且各种阻力也不是一成不变的,有必要更深入探讨熨平板与热沥青混合料的相互作用。熨平板与热沥青混合料相互作用有以下几个特点:(1)熨平板的承压面积很大,对热沥青混合料的比压相对较小,大约0.01MPa左右。(2)熨平板对材料的挤压并不像压缩试验那样始终是同一块材料,而是不断有新的材料补充加入,一段时间内加入新材料的量与摊铺速度有关。(3)熨平板在挤压材料时,前方是松散材料,后方是密实材料,侧面的情况则取决于有无已铺好的路面。所以说,边界条件及熨平板尺寸因素也会对混合料的流变特性产生影响。(4)熨平板在法向力作用下产生的沉浮,不仅取决于其自身的质量。而且与前方摊铺物料多少有关。(5)熨平板的前进速度通常很低(0.03～0.1m/s),并且要求尽量做到恒速作业,因而速度对切向力的影响可以不予考虑。由于熨平板下面的介质在受外力作用时,既发生塑性变形,又发生弹性变形,介质在外力作用下,变形过程不像弹性材料那样瞬间达到平稳,而与受力时间有一定关系；另外,还应考虑熨平板下材料的粘性作用。由于混合料材料的变形与反力的关系,大部分弹性力学很难解决所有问题,必须同时考虑到弹性、塑性和粘性,这就要用流变力学的知识来研究。4.1.2热沥青混合料的流变特性流变学是根据应力、应变和时间来研究物质流动和变形的构成与发展。由于沥青材料是一种具有流变特性的典型材料,所以在近代沥青材料性能的研究中，经常采用流变学的方法来描述沥青材料的工程性质。（1）沥青混合料的结构与性质沥青混合料是一种复杂的多种成分的材料,其结构主要取决于矿物骨架结构、沥青的结构、矿物的材料与沥青相互作用的特点、沥青混合料的密实度及其毛细孔隙结构的特点。沥青混合料兼具虎克弹性与牛顿粘性的双重性质,其力学性质均可用温度与时间的函数表示。沥青混合料的性质作为“某一条件的响应”是比较合理的,应将其描述为仅在某一条件下才具有的性质。所以,在较宽的温度及时间区域中考察混合料的力学性质,则其变化是极有规律的,这种规律性可以用粘弹性理论加以表达,作为温度与时间的函数加以分析。（2）热沥青混合料的流变特性eq\o\ac(○,1)热沥青混合料会表现出一定的弹性,特别是对密级配的混合料。对于混合料中的矿物骨架,其弹性很小,所以混合料的弹性在很大程度上取决于沥青的性质。eq\o\ac(○,2)由于沥青混合料是一种集料型材料,所以预计它会表现出集合料受力后所表现出的刚塑性。由刚体组成的集合料在外力作用下,由于颗粒的重新排列,可以出现类似塑性变形的不可逆变形,也就是刚塑性。eq\o\ac(○,3)沥青本身是一种粘性材料,因而混合料也会表现出较大的粘滞性,这种粘滞性对沥青混合料的强度形成有很重要的影响,也是我们采用流变学来研究热沥青混合料特性的主要原因。eq\o\ac(○,4)热沥青混合料在受到压缩时,它的应变响应与其所受压力的条件有关。在无侧限压缩、有侧限压缩及有围压等不同条件下,会有不同的应变响应,研究热沥青混合料的流变性时应考虑其实际状况。eq\o\ac(○,5)由于热沥青混合料中沥青的含量很少(5%左右),大部分是刚性很大的骨料,不会产生塑性流动,这点与塑性混凝土不同。4.1.3热沥青混合料的流变模型材料在不同的外部和内部条件下,例如不同的温度、不同的外力作用方式、不同的作用时间、不同的加载和卸载方式下,其所表现出的响应常常会有很大的差异,因此,即便是同一种材料,也不可能用一个统一的本构模型来表示。在建立模型之前,最主要的是仔细地观察和研究特定条件下的研究对象所作出的特定响应,从宏观和微观角度研究这种响应的物理本质。自从人们利用沥青混凝土材料作为铺路材料开始,就对它的性能与应用进行了深入研究,特别是流变力学在沥青材料上的应用,为研究其性能提供了有力的工具。经过大量的实验研究,得到了许多实用的流变模型,但大部分只局限于对常温或较高温度下沥青混合料的研究,主要目的在于研究沥青路面抗车辙能力、低温开裂、高温稳定等特性,而对于热沥青混合料(摊铺温度)缺乏深入的研究或没有得到实用的模型。бKEбG从上面的讨论中可以看出,沥青混合料在摊铺温度下具有弹性、粘性和刚塑性,随着沥青含量不同、矿物粒度大小不同、级配不同会表现出不同的流变性。由于熨平板与混合料的作用形式主要为压缩,并且不断有新料进入,其相互作用时间相对来说不是很长,所以可以不考虑混合料的松驰过程及其蠕变特性。于是бKEбG（1）第一种模型如图4.1所示,该模型由粘性元件与刚塑性元件并联后再与弹性元件串联组成。弹性元件的作用主要考虑到热沥青混合料的弹性较明显。图4.1第一种流变模型这种模型适合于对密级配沥青混合料的分析,此模型还考虑了这种混合料也有一定的刚塑性和弹性后效现象。设弹性元件的应力、应变分别为σ1、є1，粘性元件的应力、应变分别为σ2、є2，刚塑性的盈利应变与粘性元件的相同，则有：整理可得此模型的流变方程为：（6-1）式中：σ——应力；є——应变；K——与粘性有关的常量；E—与弹性有关的常量；

G—与刚塑性有关的常量。（2）第二种模型ббGEK如图4.2所示,该模型由弹性元件与刚塑性元件串联后再与粘性元件并联组成。此模型没有瞬时弹性,这点主要考虑了碎石骨架式沥青混合料的特性。这种混合料主要依靠碎石粗骨粒形成的嵌挤作用来抵抗负荷的作用,骨粒之间的沥青结合料不多ббGEK设弹性元件的应力、应变分别为σ1、ε1,刚塑性元件的应力、应变分别为σ2、ε2,粘性元件的应力、图4.2第2种流变模型应变分别为σ3、ε3,于是有整理可得此模型的流变方程为：(6-2)（3）第三种模型бKGббKGбE设弹性元件的应力、应变为σ1、ε1，粘性元件的应力、应变分别为σ2、ε2，刚塑性元件的应力、应变分别为σ3、ε3，则: