侯 蕓，張艷紅，董元帥

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100097； 2.公路建設與養(yǎng)護技術、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，北京 100097； 3.中國交建公路路面養(yǎng)護技術研發(fā)中心，北京 100097)

0 引 言

作為一種新型的冷拌冷鋪類預防性養(yǎng)護技術，同步纖維磨耗層技術因其優(yōu)良的路用性能、廣泛的適用性、可快速開放交通等優(yōu)點而在多個省份推廣應用。2015年，為配合同步纖維磨耗層技術的推廣應用，彌補國內(nèi)專用設備的空白，自主設計、研發(fā)的國產(chǎn)同步纖維冷拌冷鋪專用攤鋪設備問世。該設備在傳統(tǒng)稀漿封層車的基礎上，結合同步纖維磨耗層的工藝及材料特點，開發(fā)了纖維切割裝置，改良了攪拌鍋及攤鋪箱?，F(xiàn)今，絕大多數(shù)稀漿封層車都采用液壓系統(tǒng)控制各個工作部分[1-3]；液壓系統(tǒng)作為整個設備的靈魂，其設計要盡可能滿足各種工況的需要。攪拌鍋、攤鋪箱是本設備的關鍵核心部件，直接決定混合料的拌合質(zhì)量及攤鋪效果，從而影響磨耗層的使用性能。本文從結構組成、攪拌參數(shù)、液壓系統(tǒng)等方面對同步纖維專用攤鋪設備進行理論分析及系統(tǒng)設計，為同類設備提供借鑒與參考。

1 設備總體要求

1.1 技術要求

同步纖維磨耗層專用攤鋪設備應滿足以下拌合及攤鋪技術要求。

(1)同步完成黏層噴灑、纖維切割、混合料拌合及攤鋪。

(2)根據(jù)需要切割不同尺寸的纖維。

(3)加入纖維后的稀漿混合料拌合均勻，裹覆厚度合適，混合料級配合理，外觀色澤一致，拌合時間可調(diào)控。

(4)纖維磨耗層攤鋪厚度一致、速度均勻，攤鋪后表面平整密實、無松散、無混合料流淌[4]。

1.2 設備總體設計

設備由汽車底盤、乳化瀝青系統(tǒng)、骨料倉、添加系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、黏層油噴灑裝置、氣路系統(tǒng)等12個部分組成，設備外觀如圖1所示。

圖1 同步纖維磨耗封層車

2 攪拌鍋設計

2.1 結構特點

攪拌鍋是生產(chǎn)稀漿混合料的重要裝置，其結構組成及設計的合理性關乎混合料的拌合質(zhì)量。攪拌鍋的主要結構組成如表1、圖2～4所示。

表1 攪拌鍋結構組成

圖2 攪拌機結構

圖3 攪拌裝置結構

圖4 拌缸結構

2.2 液壓系統(tǒng)設計

2.2.1 回路設計

為改善混合料的路用性能，在同步纖維磨耗層稀漿混合料中添加了纖維。因此，在混合料攪拌鍋設計中，應重點解決混合料纖維分散均勻性問題。

攪拌回路液壓系統(tǒng)的功能是控制攪拌馬達的旋轉，使攪拌箱里的稀漿混合料被充分拌合均勻，保證混合料的質(zhì)量[5-8]。

液壓原理如圖5所示，由液壓泵供油，通過手動控制閥控制液壓馬達方向，從而實現(xiàn)攪拌箱的正、反方向旋轉。

圖5 液壓原理

圖6 攤鋪箱結構及物料流動

2.2.2 液壓元件計算與選擇

根據(jù)攪拌鍋攪拌時的扭矩和所需功率，采用MAT250擺線馬達。排量q=250.4 mL·r-1，轉速n=240～300 r·min-1，取最大轉速300 r·min-1。根據(jù)馬達需要，計算得到所需的泵流量為Qm=qn=75 120 mL=75.12 L。

3 攤鋪箱設計

3.1 螺旋布料器設計

3.1.1 結構組成

專用攤鋪車的螺旋布料器采用4根雙螺旋結構，如圖6所示，每2根為一組，分布于左、右兩側。為保證物料在攤鋪過程中有充分的拌合時間，兩側的螺旋設計為同一轉向，保證纖維均勻分散。

3.1.2 螺旋葉片尺寸計算

螺旋葉片展開圖共計28件，采用一次拉伸成型、激光下料的方式。螺旋葉片的尺寸計算包括展開圖法、計算法[9-10]，本文采用計算法確定螺旋節(jié)展開圖內(nèi)、外圓半徑及展開圖切角等關鍵參數(shù)，其計算步驟如下。

(1)計算螺旋內(nèi)圓直徑。

d=D-2c

(1)

式中：d為螺旋內(nèi)圓直徑(mm)；D為螺旋外圓直徑(mm)；c為螺旋節(jié)寬度(mm)。

已知成型后螺旋外圓直徑D=250 mm，c=40 mm，則d=D-2c=250-2×40=170 mm。

(2)計算螺旋外緣展開長度。

(2)

式中：a為螺旋外緣展開長度(mm)；H為螺旋導程(mm)。

(3)計算螺旋內(nèi)緣展開長度。

(3)

(4)計算螺旋節(jié)展開圖內(nèi)圓半徑。

(4)

(5)計算螺旋節(jié)展開圖外圓半徑。

R=r+c

(5)

式中：R為螺旋節(jié)展開圖外圓半徑(mm)。則R=107+40=147 mm。

(6)計算展開圖切角。

(6)

通過實際試制和拉伸制作后，需要在上述螺旋節(jié)展開圖理論計算值上做尺寸調(diào)整，可保證螺距等最初的設計參數(shù)無誤。本專用攤鋪車經(jīng)過試制、拉伸制作、螺旋節(jié)展開圖理論尺寸校核，確定螺旋葉片的主要參數(shù)為：r=106 mm，R=146 mm，α=30°。

3.1.3 螺旋布料器轉速計算

由式(7)計算螺旋布料器每根螺旋的轉速。

(7)

式中：D1為螺旋布料器葉片直徑(m)，一般取值范圍為0.25～0.50；t為螺距(m)；ρ1為混合料的密度(t·m-3)，一般取1.3～1.4；k1為截面填充系數(shù)，一般取0.60～0.75；QL為螺旋布料器生產(chǎn)率(t·h-1)。

已知QL=75 t·h-1，D1=0.25 m，t=0.30 m，取ρ1=1.3 t·m-3，k1=0.60，則nmax=108.8 r·min-1；取ρ1=1.4 t·m-3，k1=0.75，則nmin=80.8 r·min-1。因此，螺旋布料器的轉速范圍為80.8～108.8 r·min-1。

3.2 液壓系統(tǒng)設計

3.2.1 攤鋪箱回路設計

攤鋪箱工作回路是攤鋪箱液壓控制系統(tǒng)設計的關鍵，其主要作業(yè)包括攤鋪箱加寬油缸的伸縮運動、雙螺旋結構的旋轉攤鋪運動。

雙螺旋的旋轉由1個液壓馬達驅動鏈輪，傳動至2個輔助鏈輪實現(xiàn)。此旋轉攤鋪運動使物料在攪拌箱內(nèi)呈環(huán)形流動狀態(tài)。

圖7 攤鋪箱回路示意

攤鋪箱加寬油缸的伸縮運動由左、右2個液壓油缸驅動，其工作回路如圖7所示。其中，液壓泵供油通過分流閥進行50∶50分流，形成2個并聯(lián)的開式液壓回路，每個回路有2個快換接頭和工作裝置接通。當接通2個馬達回路，V2、V3電磁控制閥控制攤鋪螺旋的旋轉方向及旋轉速度；當接通2個油缸回路，控制V2、V3就可以控制油缸的伸縮，使攤鋪箱實現(xiàn)攤鋪寬度調(diào)整。

3.2.2 液壓元件計算與選擇

液壓缸流量：

(8)

式中：γ為液壓缸的容積效率，取0.98；Vy為液壓缸的運動速度(m·s-1)；Dy為液壓缸的直徑(m)。

(2)左、右攤鋪箱布料器馬達的選擇。攤鋪箱布料器馬達的選擇主要取決于攤鋪機螺旋的驅動功率。參考《機械設計手冊》，攤鋪機螺旋驅動功率的計算公式為

N=Nl·L

(9)

式中：N為攤鋪機螺旋驅動功率(kW)；Nl為螺旋驅動比功率(kW)；L為螺旋輸料長度(m)。

由大量工程經(jīng)驗得知，作業(yè)直徑為200～420 mm的螺旋攤鋪機，其螺旋驅動比功率的合理取值范圍為2～4 kW。作為一種冷拌冷鋪料，稀漿混合料的物料阻力比普通的熱拌瀝青混凝土小得多，因此Nl取下限值2 kW，N=Nl·L=2×1.9=3.8 kW。

綜上計算可知，螺旋攤鋪箱的馬達參數(shù)要求如下：最低轉速100 r·min-1，排量不小于100 mL·min-1，功率不小于3.8 kW。

4 結 語

本文以同步纖維專用攤鋪設備的攪拌與攤鋪裝置為研究對象，從結構組成、攪拌參數(shù)、液壓系統(tǒng)等方面對攪拌鍋、攤鋪箱進行理論分析及系統(tǒng)設計，得出以下結論。

(1)針對同步纖維磨耗層混合料添加纖維的特點，設計攪拌鍋回路液壓系統(tǒng)時，通過控制攪拌馬達的旋轉，實現(xiàn)稀漿混合料的充分攪拌及纖維均勻性。根據(jù)攪拌鍋攪拌時的扭矩和功率需要，驗算齒輪泵功率高于最大馬達功率，滿足回路要求。

(2)經(jīng)過實際試制、拉伸制作、螺旋節(jié)展開圖理論尺寸計算，確定攤鋪箱的螺旋節(jié)展開圖內(nèi)圓半徑為106 mm，螺旋節(jié)展開圖外圓半徑為146 mm，展開圖切角為30°。在確定螺旋葉片尺寸的基礎上，結合螺旋布料器生產(chǎn)率、混合料密度等參數(shù)，計算得到螺旋布料器每根螺旋的轉速范圍為80.8～108.8 r·min-1。

(3)液壓控制系統(tǒng)是控制攤鋪箱工作回路的關鍵，包括油缸伸縮作業(yè)及螺旋攤鋪運動。其中，雙螺旋的攤鋪箱由1個液壓馬達驅動鏈輪，傳動至2個輔助鏈輪，左、右2個液壓油缸實現(xiàn)攤鋪箱加寬油缸的伸縮運動。

(4)攤鋪箱布料器馬達的選擇主要取決于攤鋪機螺旋的驅動功率。以攤鋪箱液壓缸運動流量為主要控制指標，考慮冷拌物料阻力的適當折減，驗算攤鋪箱布料器馬達的最低轉速為100 r·min-1，排量不小于100 mL·min-1，功率不小于3.8 kW。