道路施工宽幅碎石布料器关键结构参数设计方法

[摘 要] 运用力学分析和试验的方法,研究了曲面分隔型碎石布料器导料槽与水平面之间的夹角、导料槽的宽度、布料端的弧度等结构参数,分析了车速对布料器撒布均匀性的影响。设计了宽幅碎石布料器样机,并进行了现场试验。测试结果表明:采用曲面分隔型碎石布料器的试验样机碎石撒布精度为±1.2%,高于采用平面分隔型碎石布料器样机的碎石撒布精度。

[关键词] 机械工程 道路施工 宽幅碎石布料器 结构参数

引言

同步碎石封层技术提高了传统碎石封层的施工质量,具有成本低、施工速度快和环保等优点,能够快速有效地修复道路损伤,延长道路使用寿命。同步碎石封层的主要特点是,利用一台设备,同时进行沥青洒布和碎石撒布作业,两者的作业时差不超过1 s[1],这就要求同步碎石封层设备的碎石撒布和沥青洒布具有相同的作业宽度。国外研究表明,采用碎石封层进行路面养护时,车道范围内轮胎碾压较多的区域需要的沥青量较少,防止泛油;而车道分界线和车道中央部分等车轮碾压较少的区域需要的沥青量较多,以抵挡冬天除冰、除雪过程中雪犁的破坏,防止碎石脱落。通常的做法是,将碎石封层中沥青洒布量较多的接缝设置在车道分界线或车道中央的位置[2-3]。中国道路建设中,主干道和高等级公路的小型车车道宽度一般为3.5 m,大型车车道或混合行驶车道宽度为3.75 m,部分高速公路机动车道宽度为4 m,而车辆的宽度一般不超过2.5 m[4-9]。如果要将同步碎石封层的接缝设置在车道分界线或车道中央的位置,存在采用2.5 m宽度料箱、撒布3.75 m以上宽度碎石的变宽幅撒布的技术难题。目前,中国大多数厂家的碎石布料器撒布宽度约为3 m。为了提高道路养护质量,本文对撒布宽度为4 m的宽幅碎石布料器的结构参数进行了研究,设计了新的样机,并对样机的碎石撒布均匀性进行了试验,取得了较满意的结果。

1.宽幅碎石布料器的结构形式

碎石布料器的施工工艺要求较高,不仅要将碎石撒布均匀,还要能够有效地控制碎石的撒布飞溅。除稳定车速外,碎石撒布的均匀度主要依靠碎石布料器的结构来保证。碎石布料器的常见形式有:①平面分隔型布料器;②曲面分隔型布料器;③平面光滑型布料器;④曲面光滑型布料器。笔者在同步碎石封层设备开发过程中,对上述4种形式的碎石布料器都进行了试验:平面光滑型布料器结构最简单,布料宽度与料箱宽度相同,不能够进行大宽度布料;曲面光滑型布料器结构简单,但碎石布料的均匀性差,要提高布料均匀性,必须严格控制布料器的曲面形状参数,其制造成本会加大,而且很难达到要求的布料宽度;平面分隔型布料器是目前中国使用最多的碎石布料器形式,由于有导料槽,能够增加布料宽度,但受结构尺寸的限制,能够实现的布料宽度有限;曲面分隔型布料器是在增大布料宽度情况下,仍能实现碎石均匀撒布的唯一结构形式。

2.曲面分隔型碎石布料器

曲面分隔型碎石布料器控制碎石撒布均匀性的关键参数为:导料槽与水平面的夹角、导料槽的宽度和布料端弧度。

2.1导料槽与水平面的夹角

撒布施工经验表明,只有当碎石下落角度大于动安息角δ时,布料才能够流畅,通常道路用碎石的动安息角为37°。碎石的下落角度由两部分组成:①布料器自身的倾斜角度α;②变宽度引起的倾斜角度β,如图1

所示。图中:γ为导料槽与水平面的夹角(°),γ=arcsin(cos(α)cos(β));s为导料槽垂直高度(m);b为导料槽底部拱高(m)。在布料过程中,为了防止碎石下滑速度太快,产生飞溅,还需对碎石的下滑速度进行控制。碎石下滑的加速度a为a = g[sin(γ)-fcos(γ)] (1)

碎石由导料槽顶部下滑至下沿时的速度v1为v1= v20+2gs[1-fcot(γ)] (2)

式中:v0为碎石沿导料槽下落的初始速度(m/s);f为综合考虑碎石之间以及碎石与导料槽间的等效摩擦系数;g为重力加速度。分析认为:v1值随γ的增加而增加。要防止碎石飞溅,就要降低碎石下落的速度,在导料槽长度不变的情况下,可减小导料槽与水平面夹角γ。

由式(2)可知,为保持碎石落料速度的一致,即同一水平面内各处碎石下滑速度一致,每个导料槽的γ必须相等,即γ=γ0(γ0为布料器上β=0处的γ值)。所以

cos(α) = [cos(α0)cos(β0)]/cos(β) (3)

式中:α0为布料器在β=0处的倾斜角(°);β0为布料器中央导料槽的变宽度引起的倾斜角(°),β0=0。对图1碎石布料器导料槽结构进行分析可得β=arcsin(bscos(α0)) (4)

各导料槽与水平面的夹角γ相等时,由于布料器最外侧导料槽的b值较大,要使β有意义,s会变得很大,导致布料端弧高度增大,布料器的结构尺寸变大。为了实现宽幅布料,同时减小结构尺寸,只能增大靠近中间的导料槽γ角,减小两侧导料槽的γ角。通过多次试验,最后选取中央导料槽与水平面的夹角γ0为45°,两侧导料槽与水平面的夹角不小于40°,在安装现场进行调整。

2.2导料槽的宽度

碎石布料器导料槽的宽度直接影响碎石撒布的

质量。宽度太小,易引起碎石的卡堵,碎石撒布不均匀;宽度太大,碎石成束后束与束的间隔增大,也会影响撒布的均匀性。对于一定规格的碎石,每个导料槽的最小宽度必须满足

w≥3d (5)

式中:w为导料槽宽度(mm);d为碎石的最大等效

直径(mm),一般取25 mm。

为了尽可能提高碎石撒布的均匀性,可以在满足式(5)的前提下,尽量减小每个导料槽的宽度,增加导料槽的数量。推荐导料槽的最小宽度为75 mm。布料器两侧的导料槽布料宽度稍宽,为了保证横向布料的均匀性,可以增加两侧导料槽接料宽度或对应的放料门开度,增加导料槽的接料量。β角的存在,特别是两侧的导料槽,使碎石在下滑过程中容易形成料束。为了消除料束对布料均匀性的影响,可以在布料器下沿焊接圆钢,将束状料疏散。

2.3布料端的弧度

图2为曲面分隔型碎石布料器的结构图。

图中:L为顶端宽度(料箱宽度2.5 m);L1为单边增加宽度(0.75 m);s0为中间布料槽顶端到末端的垂直距离(m);s1为端部布料槽顶端到末端的垂直距离(m);α1为端面布料槽的倾斜角(°);h为布料器斜面上距离顶端距离为c处的弧高(m)。在保证碎石顺畅下落的情况下,布料器底端弧高h0必须满足

h0= (s0-s1)/sin(α) (6)

该处布料器底端的圆弧半径R0为

R0=L22+4h208h0(7)

式中:L2为布料器底端宽度(m),L2= L+2L1。

当s0= s1时,布料器为平面分隔型;当s0≠s1

时,布料器为曲面分隔型。

曲面分隔型布料器中,布料斜面任一处(距顶端距离为c)的圆弧高度h及圆弧半径R分别为

3.宽幅碎石布料器样机试验

根据上述研究,设计了撒布宽度为4 m的碎石布料器样机,试验样机采用正向布料方式,中间导料槽与水平面的夹角选用45°,导料槽最小宽度为75mm,共33个,两端的导料槽稍宽。对试验样机的碎石撒布均匀性进行了测试。在试验场地,同步碎石封层车前进方向横向铺设800mm×400 mm的油毛毡10块;同步碎石封层车匀速撒布碎石,经过铺设油毛毡的区域;将每块油毛毡上的碎石收集在塑料袋中;称量每块油毛毡上碎石的质量。同步碎石封层车以5 km/h速度向前匀速行驶,进行撒布量为8.7 kg/m2、粒径为4~6 mm的碎石撒布作业。

试验结果表明:采用曲面分隔型碎石布料器的试验样机碎石撒布的(横向)精度为±1.2%。与平面分隔型碎石布料器相比,曲面分隔型碎石布料器的撒布均匀度更高,在布料器两端尤为明显。

4.结语

(1)为了保证碎石的顺利下滑,碎石布料器导料槽与水平面的夹角应尽量大;为了防止碎石飞溅,导料槽与水平面的夹角值应尽量小。综合考虑,碎石布料器导料槽与水平面的夹角可选用45°。

(2)为了保证从碎石布料器顶端接收到的碎石能够同时到达布料器底端,且同一个水平面的碎石落料速度一致,提高碎石撒布精度,布料器上所有导料槽与水平面的夹角要相等,布料器只能采用曲面分隔形式。

(3)导料槽与水平面的夹角相等时,碎石布料器的结构尺寸偏大。可以适当减小两侧导料槽与水平面的夹角,减小碎石布料器结构尺寸。

(4)碎石布料器导料槽的最小宽度要大于碎石直径的3倍,可以选用75 mm规格;表面应无焊缝、凸台和凹槽等,所有拼接处及折弯处应处理光滑,底部焊接圆钢用以打散束状碎石。导料槽还应具备一定的强度和耐磨性。

(5)碎石布料器设计为正向布料方式时,导料槽与水平面的夹角应适当增大;设计为反向布料方式时,导料槽与水平面的夹角应适当减小,施工车速应符合布料器的设计速度要求,保持车速稳定。

参考文献:

[1]焦生杰,顾海荣,张新荣.同步碎石封层设备国内外研究现状[J].筑路机械与施工机械化,2007,24(7):1-3.

[2] GB 50220-95,城市道路交通规划设计规范[S].

[3]刘洪海,张春燕,冯忠绪.土工布上行驶的履带摊铺机附着性能[J].长安大学学报:自然科学版,2006,26.