張勝軍，解 浩

(蘭州工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

在瀝青混合料攤鋪過(guò)程中，離析不可避免發(fā)生，它是影響路面質(zhì)量的重要因素。 造成離析的原因很多，混合料設(shè)計(jì)級(jí)配，施工溫度，供料方式，拌合方式以及螺旋布料器在布料過(guò)程中的自身結(jié)構(gòu)問(wèn)題等均可造成離析。 國(guó)內(nèi)一些學(xué)者雖對(duì)瀝青混合料的受力與運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析但未提出結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)措施[1-2]。 另一些通過(guò)在螺旋布料器啟始端加裝翼板與驅(qū)動(dòng)盒、兩端增加隔板等方法減少離析[3]，或從材料與施工方面研究減少離析的措施[4-5]。 筆者對(duì)瀝青混合料中單顆粒與多顆粒料粒進(jìn)行受力與運(yùn)動(dòng)分析，并以圓周方向的動(dòng)力分析為主，通過(guò)對(duì)螺旋布料螺旋面的改進(jìn)與運(yùn)行參數(shù)的改善來(lái)解決離析所造成的危害，為之后的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 單個(gè)料粒的受力與運(yùn)動(dòng)分析

1.1 單個(gè)料粒在螺旋布料器中的受力分析

將一個(gè)料粒作為一個(gè)單元體進(jìn)行研究[6]。 對(duì)其進(jìn)行受力分析，先對(duì)其所受螺旋面的作用力F進(jìn)行分析。 則F可分解為圓周方向的Fr與軸向方向的Fz。 如圖1 所示。

圖1 單個(gè)料粒的受力分解

由于摩擦的作用，致使螺旋面對(duì)料粒的作用力F與螺旋線的法線方向存在一夾角α，其大小由料粒的內(nèi)摩擦角和螺旋面的粗糙程度決定，對(duì)于經(jīng)過(guò)沖壓加工的螺旋面來(lái)說(shuō)，其表面較光滑則可以不考慮螺旋面的粗糙程度對(duì)夾角的影響。 則此時(shí)可認(rèn)為夾角α即為內(nèi)摩擦角，有圓周方向所受分力Fr＝Fsin(α＋β)。

軸向分力:

式中:J為螺距；α為內(nèi)摩擦角；β為螺旋升角。

因螺距一定，則β隨r改變，r越大β越小，即隨著r的增大而減小。 所以Fr隨著r的增大而減小，F(xiàn)z隨著r的增大而增大。 同時(shí)料粒也受自重G以及離心力的作用。 在料粒在靠近螺旋軸處圓周方向的切向力Fr無(wú)法與料粒自重G以及離心力平衡時(shí)，則發(fā)生翻滾，無(wú)法形成圓周方向的圓周運(yùn)動(dòng)。 由于Fz隨r的增大而增大，所以靠近螺旋軸處Fz比較小，則料粒在螺旋軸附近的軸向速度小于在遠(yuǎn)離螺旋軸的速度。所以在螺旋軸附近有料粒翻滾而不沿軸向運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象出現(xiàn)。

1.2 單個(gè)料粒的運(yùn)動(dòng)分析

料粒在圓周方向和軸向方向分力的作用下分別作圓周運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)布料[7-10]。 其速度是復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)，和速度v可分解為圓周方向的vr和軸向方向的速度vz，在軸向方向受力簡(jiǎn)單且運(yùn)動(dòng)也只是沿軸向運(yùn)動(dòng)，則有:

式中:v0為料粒初速度；az為料粒軸向加速度；m為料粒質(zhì)量。

由于Fz隨r的增大而增大，所以vz隨r的增大而增大。 而對(duì)圓周方向的速度vr可進(jìn)行和速度的分解來(lái)分析。 如圖2 所示。

圖2 單個(gè)料粒的運(yùn)動(dòng)分解

其中和速度有:

式中:α可近似為內(nèi)摩擦角；n為螺旋軸轉(zhuǎn)速。

將:tanβ＝，μ＝tanα代入式(1)可得:

式(2)對(duì)r求偏導(dǎo)得:

若根據(jù)攤鋪機(jī)試驗(yàn)取J＝28 cm，μ＝0.6，速度最大處半徑rvmax＝7.87 cm，取螺旋軸轉(zhuǎn)速n＝100 r/min，有最大速度vvmax＝0.43 m/s。 若螺旋半徑取3.5 cm，在螺旋半徑處速度v＝0.34 m/s。 取葉片半徑為21 cm，則在葉片端處的速v＝0.37 m/s。 則在半徑rvmax＝7.87 時(shí)料粒的圓周速度最大，由此可知，料粒的圓周速度隨著r的增加先增大后減小。 其速度的變化如圖3 所示。

圖3 料粒的圓周速度與r 關(guān)系

1.3 角速度

角速度公式為:

由式知圓周角速度對(duì)半徑r的偏導(dǎo)的值小于0。所以料粒角速度隨半徑r的增大而減小。 同樣由式(3)知ωr與螺旋軸的轉(zhuǎn)速ω成正比關(guān)系，而離心力Fω＝mω2r，所以對(duì)單個(gè)料粒，當(dāng)不計(jì)料粒之間的作用力時(shí)，F(xiàn)，G無(wú)法滿足Fω產(chǎn)生的離心力時(shí)將發(fā)生離心拋投。

因此在螺旋軸結(jié)構(gòu)確定時(shí)J確定，同時(shí)μ與r確定時(shí)，若ω過(guò)大將發(fā)生離心，ω過(guò)小時(shí)則料粒聚集且影響布料的效率。 所以選擇適當(dāng)?shù)摩乜蓽p小瀝青混合料因離心拋投造成的離析現(xiàn)象。 若料粒ω＞ωmax時(shí)，料粒發(fā)生離心，當(dāng)ω＜ωmin時(shí)料粒向螺旋軸處聚集且效率較低，故有ωmin＜ω＜ωmax。

2 同一半徑處多料粒的受力及其運(yùn)動(dòng)分析

以同一半徑處的多料粒作為研究對(duì)象，則其單個(gè)料粒在考慮摩擦以及其它料粒的作用時(shí)，所受自重G，布料器中葉片的作用力F，混合料所受的摩擦力f以及料粒之間的相互內(nèi)聚力N，如圖4 所示。

圖4 同一半徑處多料粒的受力及其運(yùn)動(dòng)分析

當(dāng)料粒在螺旋布料器中所受的力F，f，G，N與螺旋布料器的旋轉(zhuǎn)所形成的離心力相平衡的時(shí)候，則在某一半徑r處的料粒將作圓周運(yùn)動(dòng)。 若是F，f，G，N無(wú)法滿足螺旋軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)所需的向心力(F＝mω2r)時(shí)，則料粒將發(fā)生離心拋投現(xiàn)象。 即:

則有:

公式成立時(shí)則瀝青混合料作圓周運(yùn)動(dòng)，在同一半徑處不同粒徑的料粒質(zhì)量m不同，有m1/m2＝k，(m1＞m2，k＞1)，則:

又由于同一半徑處有G1/G2＝k，而:

若在此時(shí)大顆粒發(fā)生離心拋投向外側(cè)滑移或拋投到布料槽底部并最先達(dá)到螺旋布料器下端，小顆粒料粒滿足式(4)做圓周運(yùn)動(dòng)。 而在另一半徑r'(r＞r')處時(shí)，大顆粒的料粒正好滿足式(4)時(shí)，則小顆粒由于F，f，G，N所提供的向心力大于料粒做圓周運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力，則小顆粒的料粒將向螺旋軸處聚集，這樣將造成遠(yuǎn)離螺旋軸處大顆粒料粒的含量多于螺旋軸附近的含量。 且vz是r的增函數(shù)，所以在遠(yuǎn)離螺旋布料器軸處大料粒先到達(dá)螺旋布料器的左右兩端，這樣將造成螺旋布料器左右兩端及其底部大顆粒料粒的含量較高，造成縱向離析及夾層現(xiàn)象，與實(shí)際施工中出現(xiàn)的離析現(xiàn)象有一定的對(duì)應(yīng)性。 因不同半徑處ω2r不同，則料粒所需的向心力不同，為使能夠滿足不同的離心力，則可改變料粒在不同半徑處所受的摩擦力，因此可通過(guò)改變螺旋面不同半徑處的粗糙度來(lái)實(shí)現(xiàn)，即設(shè)置不同粗糙等級(jí)。 同時(shí)合理控制螺旋布料器轉(zhuǎn)速ω也可以減小離析現(xiàn)象，過(guò)大的轉(zhuǎn)速造成大面積顆粒離心拋投，過(guò)小轉(zhuǎn)速則影響布料的效率并出現(xiàn)其它方面的問(wèn)題，所以要合理的控制轉(zhuǎn)速ω。

3 結(jié) 論

文中通過(guò)對(duì)瀝青混合料在攤鋪機(jī)螺旋布料器中的動(dòng)力分析得出以下結(jié)論。

(1) 在攤鋪過(guò)程中瀝青混合料會(huì)因在圓周方向受力不平衡的拋投運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生遠(yuǎn)離軸處聚集大徑料粒、靠近軸處聚集小徑料粒的離析現(xiàn)象。

(2) 在軸向方向遠(yuǎn)離軸處的料粒速度大于軸附近的速度而造成螺旋布料器兩端大徑料粒聚集的離析現(xiàn)象。

(3) 可通過(guò)在螺旋布料器螺旋面不同半徑處設(shè)置不同粗糙程度來(lái)減少以上兩種離析現(xiàn)象。 總之，選擇合理的速度及設(shè)置不同半徑處不同粗糙度可減小攤鋪離析現(xiàn)象，提高路面的質(zhì)量。