馮坤鵬

摘 要： 隨著國家道路建設(shè)的發(fā)展，攤鋪機(jī)的使用也越來越廣泛。尤其高速公路需求日益增長，為追求施工的高效性，對施工機(jī)械的整體性能要求相應(yīng)也越來越高，在面層施工時(shí)更是如此，能滿足這種高效施工的機(jī)器設(shè)備就顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：攤鋪機(jī) 自動找平 攤鋪機(jī)施工

攤鋪機(jī)作為公路面層施工的重要設(shè)備之一，對路面的平整度有著直接且重要的影響，因此我們有必要對攤鋪機(jī)找平系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析，這將是正確理解和合理應(yīng)用攤鋪機(jī)找平技術(shù)進(jìn)而保證高質(zhì)量施工以及在設(shè)計(jì)制造時(shí)保證攤鋪機(jī)品質(zhì)的基礎(chǔ)。

一、找平基本原理

圖一

上圖是對攤鋪機(jī)工作原理的簡單描述：當(dāng)找平油缸上下動作行程為H時(shí)，熨平板底板相對抬高h(yuǎn)，從而改變仰角大小，最終實(shí)現(xiàn)攤鋪層厚度的變化。這就是攤鋪機(jī)找平的基本過程，為了便于詳細(xì)分析整個(gè)找平過程，通常我們將其分為兩種類型：1，自找平；2，自動找平。由于本身的結(jié)構(gòu)特征，攤鋪機(jī)本身就具有一定的找平效果，我們可以將其稱為平地機(jī)找平原理在攤鋪機(jī)上的再現(xiàn)（見《現(xiàn)代公路施工及施工機(jī)械》），我們機(jī)器的這種特性稱作自找平。但這種找平方式的效果是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高等級公路施工要求的。因此出現(xiàn)了后一種找平方式：自動找平。它是在前者的基礎(chǔ)上增加了自動找平控制器以及相應(yīng)的液壓控制回路，借助現(xiàn)代液壓技術(shù)和電子控制技術(shù)使得攤鋪機(jī)的施工質(zhì)量大大增加，并在高等級公路施工中成為攤鋪機(jī)不可缺少的配置之一。但無論是自找平還是自動找平，最終還是通過自找平機(jī)理來改變攤鋪層厚度的，因此，為了對攤鋪機(jī)找平原理充分了解，下面我們就上面所提到的兩種找平方式分別進(jìn)行詳細(xì)分析

二、自找平

從整個(gè)機(jī)理來看，自動找平是在自找平的基礎(chǔ)上，增加了對找平油缸的自動調(diào)節(jié)功能，因此我們有必要對自找平機(jī)理做一下詳細(xì)研究。為了方便分析，我們可將施工過程做以下假設(shè)：1、假設(shè)攤鋪的物料攤鋪前在空間上是均勻分布的的；2、在施工過程中攤鋪機(jī)保持勻速前進(jìn)。施工過程中物料由料斗被刮料板及螺旋粉料器不斷輸送到攤鋪機(jī)料槽后，熨平板跟隨主機(jī)向前勻速運(yùn)動，對物料進(jìn)行振搗壓實(shí)及熨平。根據(jù)相對運(yùn)動理論，我們可以認(rèn)為螺旋分料器及熨平板靜止不動，而物料不斷流向熨平板底部，由于物料密度是均勻的，且具有一定的流動性，那么我們就可以將物料假設(shè)為一種特殊的流體，從而就可以用流體力學(xué)的相關(guān)理論對其進(jìn)行簡化研究。

圖二

圖三

圖四

為方便分析，我們首先將熨平裝置放置在剛性水平面上（見圖二），此時(shí)大臂及熨平板在找平油缸拉力F0、地面對熨平板的支撐力G的作用下處于平衡狀態(tài)（地面支撐力在這里等效為作用于D點(diǎn)的集中力G）。圖二中直線A-B與水平面平行。

由于此處我們分析的是自找平，因此在施工過程中除非人為調(diào)整調(diào)平油缸，否則它一直處于鎖止?fàn)顟B(tài)，而大臂油缸在不停機(jī)待料的情況下則始終處于浮動狀態(tài)。此時(shí)由于熨平板支撐面S2剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于圖二中的剛性地面，因此熨平板會繞大臂與找平油缸的鉸點(diǎn)A順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，于是底板S2將和水平地面形成夾角a1，；我們將大臂和熨平板進(jìn)行整體分析，并忽略大臂油缸處于浮動位時(shí)的液壓阻尼，及底板面的滑動摩擦力，則此時(shí)熨平板所受外力如下(見圖三) ：

F：整個(gè)工作裝置受到的牽引力，牽引力F沿直線B-A方向，與地面夾角等于底板S2與地面的夾角a1；

F0：找平油缸對工作裝置總成的向上拉力

F1：熨平板前端面受到的物料阻力，方向與整機(jī)行走方向相反；

F2:：熨平板底板S2受到的物料阻力，方向與整機(jī)行走方向相反；

F3：熨平板底板受到的物料支撐力，方向與底板S2垂直。

我們假設(shè)此時(shí)整個(gè)工作裝置的自重和外力恰好處于平衡，我們將工作裝置所受外力在B點(diǎn)等效（見圖四），其中：

G：整個(gè)工作裝置的重力在底板S2處的重力分配，由于夾角a1非常小（小于1度），因此可認(rèn)為G=G，其方向相反；

M1：F1在B點(diǎn)的等效力矩；

M2：F2在B點(diǎn)的等效力矩；

M3：F3在B點(diǎn)的等效力矩；

Mg:：G在B點(diǎn)的等效力矩；

注：在平衡位置時(shí)我們可認(rèn)為A點(diǎn)是固定的鉸接點(diǎn)，而在B點(diǎn)我們只考慮整個(gè)工作裝置在熨平板底板上的重力分配，因此可不對F0進(jìn)行B點(diǎn)等效。

由于此時(shí)熨平板處于平衡狀態(tài)，向上、向左為力的正方向，便可得到以下方程（在這里只做定性分析，固可暫不考慮力矩的影響）：

F''＋F3－G=0 ①

F－F3－（F1＋F2）=0②

F:：牽引力F的垂直分力，F(xiàn)= F·sin

F：牽引力F的水平分力，F(xiàn)= F·cos

F3： F3的垂直分力，

F3 ：F3的水平分力，

我們假設(shè)物料是始終均勻的，攤鋪速度也保持恒定，則由公式①、②得

F·sin＋F3·cos－G=0 ③

F·cos － F3·sin－(F1＋F2)=0④

由于F﹥F3 ，則在方程③、 ④中，當(dāng)﹤時(shí)，F(xiàn)·sin＋F3·cos－G為增函數(shù)，F(xiàn)·cos － F3·sin－(F1＋F2)為減函數(shù)。因此當(dāng)攤鋪仰角增大時(shí)：

F·sin＋F3·cos－G﹥0⑤

F·cos － F3·sin－(F1＋F2) ﹤0⑥

當(dāng)攤鋪仰角減小時(shí)：

F·sin＋F3·cos－G﹤0⑦

F·cos － F3·sin－(F1＋F2) ﹥0⑧

由公式⑤、⑦及圖二可得以下結(jié)論：

結(jié)論1在攤鋪機(jī)施工過程中，工作裝置與工作面之間存在一個(gè)平衡仰角a1;在平衡仰角附近工作裝置處于平衡狀態(tài)。

結(jié)論2當(dāng)熨平裝置的攤鋪仰角大于平衡位置的仰角時(shí)，熨平板會繞A點(diǎn)（見圖二）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而使得攤鋪層厚度增加。隨著熨平板的旋轉(zhuǎn)，仰角又會逐漸減小，直到達(dá)到新的平衡仰角時(shí)熨平裝置則停止繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。

結(jié)論3當(dāng)熨平裝置的攤鋪仰角小于平衡位置的仰角時(shí)，熨平板會繞A點(diǎn)（見圖二）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而使得攤鋪層厚度減小。隨著熨平板的旋轉(zhuǎn)，仰角又會 逐漸增大，直到達(dá)到新的平衡仰角時(shí)熨平裝置則停止繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。

以上三個(gè)結(jié)論就是攤鋪機(jī)具有自找平功能的原因，由這三個(gè)結(jié)論我們可得出攤鋪機(jī)自找平的機(jī)理：

當(dāng)攤鋪機(jī)作業(yè)平面較為平坦，物料特性始終一致，從而使得熨平板所受的支撐力及阻力相對穩(wěn)定并且在攤鋪速度比較均勻時(shí)，攤鋪機(jī)靠自找平便可攤鋪出具有一定平整度的路面。然而以上條件在實(shí)際中是不可能存在的，尤其在攤鋪第一層時(shí)工況要復(fù)雜的多。因此在施工中要達(dá)到較高的平整度，就必須使攤鋪機(jī)工作裝置具有自動控制功能。

三、自動找平

由前面所得出的三個(gè)結(jié)論我們可知：只要我們對攤鋪仰角進(jìn)行隨時(shí)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整后，工作裝置就會靠自找平功能改變攤鋪層的厚度，從而保證了攤鋪層表面的平整度。常見的自動找平系統(tǒng)按采集信號的方式可分為兩類：（1）接觸式找平控制系統(tǒng)（2）非接觸平控制系統(tǒng),參加下圖：非接觸式找平控制系統(tǒng)又可分為激光式找平控制系統(tǒng)和超聲波式找平控制系統(tǒng)，其中激光式找平控制系統(tǒng)在公路施工中目前使用的并不多，這里不進(jìn)行過多敘述。）但不管是接觸式的找平控制系統(tǒng)，還是非接觸式的找平控制系統(tǒng)，他們的控制原理基本相似，只是采集信號的方式及操作方式有所區(qū)別而已，自動找平機(jī)理如下：

確定找平基準(zhǔn)，并確定控制器零點(diǎn)

找平控制器的檢測元件在施工中檢測出偏差信號，并將偏差信號發(fā)送給找平控制器

找平控制器根據(jù)偏差的大小和方向輸出控制信號（見圖6），驅(qū)動相應(yīng)的找平控制閥

找平油缸開始動作（見圖7），攤鋪機(jī)熨平板將繞C點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，使攤鋪仰角a1（見圖2）發(fā)生變化

根據(jù)結(jié)論2及結(jié)論3，熨平板在各種外力的綜合作用下繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行自找平調(diào)節(jié)，使攤鋪厚度發(fā)生變化（見圖2）

再回到步驟2，依次循環(huán)直到偏差處于允許的范圍內(nèi)時(shí)控制器將停止輸出，但檢測仍一直進(jìn)行

正如前面所講，自動找平是在自找平的基礎(chǔ)上增加了對找平油缸的自動控制功能，當(dāng)找平控制器采集到偏差信號時(shí)，根據(jù)盤查信號的大小及方向向找平油缸控制閥輸出控制信號，當(dāng)找平油缸發(fā)生動作后熨平裝置便進(jìn)入了自找平調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。因此自動找平可用下圖表示

= +

其中找平油缸自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含相應(yīng)的液壓控制系統(tǒng)及電器控制系統(tǒng)回路，簡化原理圖見圖6及圖7。

四、施工技巧

以上章節(jié)我們分別從攤鋪機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電控系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)以及工作裝置的力學(xué)分析等方面分別進(jìn)行了詳細(xì)探討，從以上分析我們可看出施工過程中為了始終保證較高的平整度，本人有以下幾點(diǎn)建議：

1．當(dāng)攤鋪機(jī)采用自動找平控制時(shí)，控制器零點(diǎn)的設(shè)定應(yīng)在攤鋪機(jī)開始工作之后進(jìn)行

在攤鋪機(jī)攤鋪之前我們都首先要確定一個(gè)預(yù)鋪仰角a1，根據(jù)結(jié)論1及結(jié)論2可知，熨平板會在自找平的作用下實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整，等到熨平裝置相對穩(wěn)定后其攤鋪厚度也隨之穩(wěn)定，這時(shí)我們再設(shè)定控制器零點(diǎn)，熨平裝置將很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)或在穩(wěn)定狀態(tài)附近工作，從而減少了找平油缸的調(diào)節(jié)時(shí)間和次數(shù)及找平距離，有效保證了初期攤鋪層的平整度。根據(jù)前面自找平機(jī)理，熨平板進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間越短，從而為攤鋪先期避免波浪形攤鋪面打下了良好基礎(chǔ)。

2.攤鋪速度一定要均勻，振搗、振動頻率始終一致、起振與機(jī)器起步同步，并盡量避免中途停機(jī)。

在現(xiàn)行的瀝青路面施工規(guī)范中提出：攤鋪過程中不得隨意變換速度或中途停車。這在以上結(jié)論中也不難找到答案。另外振搗、振動頻率的變化及與機(jī)器起步的同步性勢必會影響攤鋪層密實(shí)度，或者叫攤鋪層剛性的變化，壓路機(jī)碾壓過后將會降低路面平整度。另外根據(jù)前面的假設(shè)，相同體積的物料對熨平板的支撐力F3將發(fā)生變化，由公式5可知這也會影響熨平裝置的動態(tài)平衡，因此攤鋪機(jī)行走速度以及振搗頻率的恒定性都將對攤鋪質(zhì)量有著不可忽視的作用，在施工過程中一定要有所注意。

3、施工過程中盡量避免卡車撞擊攤鋪機(jī)

我們假設(shè)在某一刻攤鋪機(jī)受到了強(qiáng)烈撞擊，這時(shí)即使攤鋪機(jī)行走系統(tǒng)具有防撞擊自動控制功能（例如全系列攤鋪機(jī)），攤鋪機(jī)的行駛速度變化率（）在短期內(nèi)也會產(chǎn)生巨大波動，牽引力F也會突然增大或減小，由結(jié)論1、2可得熨平板將會繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致攤鋪仰角的變小，即攤鋪厚度會突然變薄，這就是之所以在卡車撞擊攤鋪機(jī)后我們會發(fā)現(xiàn)攤鋪面上會留下一道明顯的壓痕的原因之一。為了避免這種情況的發(fā)生，攤鋪機(jī)廠家在行走控制系統(tǒng)中也進(jìn)行了大量優(yōu)化，如 攤鋪機(jī)，這就使得施工質(zhì)量有了根本保證。

4、在彎道攤鋪或坡度較大路基上，建議不要使用平衡梁

因?yàn)槠胶饬菏秸移娇刂剖菍C(jī)器前、中、后部探測儀采集到的偏差信號過濾并平均后，將均值作為控制器的偏差參考信號。若機(jī)器在彎道或陡坡作業(yè)時(shí)，機(jī)器前、中、后在公路設(shè)計(jì)上是存在標(biāo)準(zhǔn)高差的，而控制器對信號的平均處理方式剛好消除了這種理應(yīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)高差，從而相對加大了控制信號的誤差值，使得控制精度大幅下降。

除以上所述幾項(xiàng)內(nèi)容外，熨平板的合理調(diào)整如：振搗梁有效行程及間隙的調(diào)整、振動頻率同攤鋪速度的合理匹配、預(yù)鋪仰角的合理選擇等都會影響攤鋪機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，但有的廠家在設(shè)計(jì)上已經(jīng)給于保證（如），這里不再討論。隨著攤鋪機(jī)技術(shù)及施工工藝的不斷發(fā)展，今后新型的攤鋪機(jī)及施工工藝、路面施工材料將會不斷涌現(xiàn)（例如雙層攤鋪機(jī)的出現(xiàn)將會直接影響到施工工藝的變化），影響攤鋪機(jī)攤鋪質(zhì)量的其他因素也會不斷增加，這些在以后將會和大家一起討論。

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