李曙芳，劉傳慧，胡杰，王堃

(西南科技大學(xué)制造學(xué)院，四川綿陽601010)

同步碎石封層車是道路施工中不可或缺的一種機(jī)械，特別是在高等級(jí)公路的施工中，越來越多地使用瀝青碎石同步封層車等現(xiàn)代化施工設(shè)備來完成路面封層作業(yè)。這些設(shè)備的使用使得路面質(zhì)量有了極大的保障。同時(shí)，人們也注意到，目前封層車的瀝青灑布效果并不如意，都存在橫向?yàn)⒉疾痪鶆虻默F(xiàn)象。許多文獻(xiàn)都對(duì)灑布不均勻現(xiàn)象作了深入的剖析，找出了影響灑布均勻性的各種因素，為設(shè)計(jì)制造和施工作業(yè)提出了許多良好的建議。由于所有對(duì)這一問題的研究都基于“噴灑重疊”理論，文中也試圖根據(jù)這一公認(rèn)理論來分析是否可以消除不均勻現(xiàn)象。

1 三層搭接

所謂三層搭接是指灑布車在工作過程中，在路面上同時(shí)均勻地噴灑三次液態(tài)瀝青，目前絕大多數(shù)的瀝青灑布均采用調(diào)節(jié)噴嘴距離地面高度的方式來實(shí)現(xiàn)三重疊的灑布作業(yè)，其中提出了一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)多重疊灑布作業(yè)的噴嘴距地面高度計(jì)算公式:

H=Ln/［2cosβtan(α/2)］

式中:H 為噴嘴距地高度(灑布高度);

L 為相鄰噴嘴間距;

n 為重疊層數(shù)，1 為無重疊，2 為兩重疊，3 為三重疊;

β 為噴嘴安裝傾角;

α 為噴灑角。

而在設(shè)備的運(yùn)行過程中，因噴嘴的噴灑角α、安裝角β、噴嘴安裝間距L 在設(shè)備的選型安裝過程中就確定了，為了保證瀝青噴灑均勻度，一般設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)噴灑管時(shí)按照設(shè)備空載時(shí)設(shè)計(jì)噴灑管距地面的高度H 來保證瀝青噴灑時(shí)能實(shí)現(xiàn)三重疊，如圖1所示。

可事實(shí)上是，設(shè)備在封層過程中剛開始骨料倉是滿載的，滿載總質(zhì)量達(dá)到三十多噸，經(jīng)計(jì)算得到這時(shí)底盤會(huì)下沉大約30 ～50 mm，甚至更多，而根據(jù)H =Ln/［2cosβtan(α/2)］，若取β=15°，α=60°，L=100 mm 時(shí)，得到高度H 約90n(mm)，所以在滿載時(shí)原來設(shè)計(jì)的高度根本不可能滿足最初設(shè)計(jì)的三重疊灑布，只能達(dá)到2.5 重疊，這就很大程度影響了瀝青噴灑的均勻度。

隨著鋪設(shè)路面越來越遠(yuǎn)，骨料倉里的碎石越來越少，在這個(gè)運(yùn)行過程中，噴灑管由于設(shè)備載重的不同而隨著底盤漸漸升高，這樣之前設(shè)計(jì)人員保證的H值就不能穩(wěn)定地滿足最初想要噴灑的三重疊效果，而這個(gè)高度的變化直接影響了瀝青的灑布均勻度，因此，作者設(shè)計(jì)了一套液壓電控裝置來實(shí)現(xiàn)在車載重變化時(shí)瀝青灑布管隨著載重的變化而變化，使其一直保持在一個(gè)穩(wěn)定的高度，這樣即使設(shè)備在鋪設(shè)路面的過程中，載重不斷變化，瀝青噴灑管也能隨著載重的變化而不斷升高或降低來滿足設(shè)計(jì)人員最初設(shè)計(jì)的瀝青灑布三重疊的效果。

圖1 瀝青灑布三重疊示意圖

2 調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)在同步碎石封層設(shè)備瀝青灑布裝置上垂直地面安裝1 個(gè)超聲波測距傳感器(超聲波傳感器是利用壓電陶瓷作為聲波的發(fā)射器及接收器的裝置，換能器發(fā)送聲波脈沖并把回聲脈沖轉(zhuǎn)化成電壓，其內(nèi)置的控制器根據(jù)聲速及接收到回聲的時(shí)間計(jì)算出距離)，利用超聲波傳感器測量噴嘴離地面的高度，當(dāng)測得距地高度是設(shè)計(jì)所達(dá)到三重疊的高度H 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)瀝青的均勻?yàn)⒉?，?dāng)超聲波傳感器測試的離地高度小于或大于H 的H1時(shí)，傳感器發(fā)送信號(hào)給電控室，經(jīng)控制室處理運(yùn)算接收到得傳感器信號(hào)，確定油缸運(yùn)動(dòng)方向和位移，調(diào)節(jié)瀝青噴灑管的高度，使其的高度調(diào)節(jié)至距地面H，這樣，瀝青的灑布依然能滿足設(shè)計(jì)者所設(shè)計(jì)的三重疊均勻?yàn)⒉肌Ｔ撗b置系統(tǒng)原理圖如圖2。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)裝置系統(tǒng)原理圖

所設(shè)計(jì)的高度調(diào)節(jié)裝置主要由電氣和液壓兩部分組成，由電氣和液壓兩部分相互協(xié)調(diào)，相互控制來調(diào)節(jié)瀝青灑布管的高度，使其在底盤載重不斷變化時(shí)，保持在固定的高度，以實(shí)現(xiàn)瀝青灑布的三重疊效果。

電控是裝置的控制部分，其原理流程圖如圖3。

圖3 電控裝置原理流程圖

在車輛空載時(shí)，按照設(shè)計(jì)者所依據(jù)的H = Ln/［2cosβtan(α/2)］安裝瀝青灑布管裝置，將噴嘴安裝合適的角度、距離，確定瀝青灑布管裝置安裝的高度能實(shí)現(xiàn)噴灑三重疊，這時(shí)測量噴嘴與地面的高度，給人機(jī)界面一個(gè)設(shè)定值H，此時(shí)的H 能滿足瀝青的的三重疊灑布，超聲波傳感器將所設(shè)定的H 值作為一個(gè)參考量，將此固定值H 設(shè)定為噴嘴離地面的高度，當(dāng)車輛在施工過程中，同步碎石封層設(shè)備載重由滿載30 多噸，此時(shí)整個(gè)底盤因?yàn)橹亓Φ淖饔孟鲁?，這時(shí)瀝青噴灑管上噴嘴距地面的高度將不能滿足設(shè)計(jì)最初設(shè)計(jì)的滿足三重疊灑布的高度，超聲波傳感器發(fā)出的電壓信號(hào)發(fā)生變化，與設(shè)定油缸拉伸長度的直線位移傳感器之間產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)值，經(jīng)PID 運(yùn)算處理后，向料門升/降電磁閥發(fā)出開關(guān)信號(hào)，在料門油缸升/降的過程中，直線位移傳感與超聲波傳感器產(chǎn)生的相對(duì)值與最初設(shè)定參數(shù)的相對(duì)值相等時(shí)，控制器停止對(duì)料門升降電磁閥發(fā)出信號(hào)，由此而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。在同步封層設(shè)備工作運(yùn)行過程中，車載重逐漸減少，底盤也因?yàn)樯涎b重力減小的作用慢慢升高時(shí)，噴嘴對(duì)于地面的相對(duì)位移增加/減少的時(shí)候，電控系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行上述的閉環(huán)系統(tǒng)，使這個(gè)過程中噴嘴離地的距離始終保持最初設(shè)定的固定值H，這樣就能滿足不論整車載重多少，瀝青的灑布始終能滿足三重疊的灑布效果。

液壓系統(tǒng)是調(diào)節(jié)瀝青噴灑管高度的執(zhí)行部分，其工作原理圖如圖4。

此調(diào)節(jié)裝置的液壓系統(tǒng)采用恒壓變量系統(tǒng)。各部分組成如圖4，其中液壓泵6 為恒壓變量泵，能保證灑布桿提升油缸14 動(dòng)作時(shí)沒有溢流損失，是節(jié)能系統(tǒng)。溢流閥9 是防止液壓泵6 集成閥失效時(shí)的安全閥，采用疊加式安裝方式，通徑為6。節(jié)流閥10 是螺紋插裝閥，在調(diào)試灑布桿提升油缸時(shí)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥螺紋，在油缸移動(dòng)速度滿足要求后不再調(diào)節(jié)。電磁換向閥11 為三位四通電磁閥，采用疊加式安裝方式，中位機(jī)能為O 型，通徑為6，電參數(shù)是24 V 直流，油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)靠其調(diào)節(jié)。液壓鎖12 為疊加式安裝方式，其作用是在灑布桿提升油缸下降到一定高度后保證要求高度不再變化。集分流閥13 是五五集分流閥，目的是保證左右灑布桿油缸能同步動(dòng)作。灑布桿提升油缸14 總共2 根，均為雙作用油缸，左右灑布桿通過機(jī)械和液壓同步保證動(dòng)作同步性。

圖4 液壓系統(tǒng)工作原理圖

具體動(dòng)作過程:發(fā)動(dòng)機(jī)取力器帶動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)到正常工作轉(zhuǎn)數(shù)，在同步碎石封層車準(zhǔn)備灑布工作時(shí)，電磁閥11 的Y1 電磁鐵得電，液壓油從灑布桿提升油缸14 的無桿腔進(jìn)油，灑布桿提升油缸做下降動(dòng)作，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到所需高度時(shí)，電磁閥失電，液壓鎖鎖住油缸，保證高度位置不變化;在同步碎石封層車準(zhǔn)備運(yùn)輸行駛時(shí)，電磁閥11 的Y2 得電，液壓油從灑布桿提升油缸14 的有桿腔進(jìn)油，灑布桿提升油缸做上升動(dòng)作，上升到所需高度時(shí)，電磁閥失電，液壓鎖鎖住油缸，保證高度位置不變化。

3 結(jié)論

通過對(duì)同步碎石封層設(shè)備的深入研究，提出了瀝青灑布裝置的在灑布過程中的不足之處并加以優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高瀝青灑布的均勻度，從而提高了路面的使用性能。優(yōu)化設(shè)計(jì)的裝置包含電控部分和液壓部分，電控部分實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓和灑布管的控制，通過在灑布管上安裝超聲波傳感器發(fā)射距離信號(hào)，經(jīng)主控室接收處理，將信號(hào)發(fā)送給電磁閥，驅(qū)動(dòng)液壓缸上下運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)瀝青灑布管距地面的高度來保持瀝青灑布管距地面穩(wěn)定的高度，最終目的是實(shí)現(xiàn)瀝青灑布三重疊的穩(wěn)定效果，經(jīng)過優(yōu)化的裝置，使原來瀝青灑布與設(shè)備載重變化而引起的橫向不均勻得到大大的提升，增強(qiáng)了瀝青灑布效果，從而提高了路面性能。

【1】焦生杰，劉志敏，胡丕鑾.智能型瀝青灑布車灑布質(zhì)量控制方案的確定［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2005(2):29－31.

【2】張新榮，焦生杰.同步碎石封層技術(shù)及設(shè)備［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2004，21(11):1－4.

【3】傅小威.三層搭接多級(jí)定量瀝青灑布車設(shè)計(jì)要點(diǎn)［J］.工程機(jī)械，1993(2):7－9.

【4】李國柱.瀝青灑布車作業(yè)的起步距離分析［J］.工程機(jī)械與維修，2007(9):98－100.

【5】劉士杰，李俊武.同步碎石封層設(shè)備典型液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能分析［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2007(7):4－6.

【6】張海堂.基于DSP 的同步碎石封層設(shè)備瀝青灑布控制系統(tǒng)研究［D］.西安:長安大學(xué)，2007.

【7】陳啟松.液壓傳動(dòng)與控制手冊(cè)［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2006:79－169.