基于沥青摊铺机脉冲梁系统的研究与测试

2013-06-20王世旺邹明山

交通运输研究 2013年10期

王世旺，邹明山，肖春

（三一重工股份有限公司，湖南长沙 410100）

0 引言

熨平板是摊铺机的工作单元，熨平板的功能主要是将摊铺宽度范围内的摊铺材料均匀压实，摊铺出致密平整的道路。熨平板压实系统通过对摊铺料的预压实，使摊铺层达到尽可能理想的压实效果，从而将后续压路机对摊铺层压实的影响减少至最低[1]。

摊铺机熨平板脉冲梁（一种比摊铺机振捣器捣实频率大很多的装置，其功能是产生一个高频率的垂直方向上的上下往复运动）就是一种特殊的压实系统，主要对经过振捣器初步捣实和熨平板底板熨平后的路面起二次捣实和路面修光的作用，由于此装置对提高摊铺后路面的光洁度和密实度有非常大的作用，通常在国外某些高端的沥青摊铺机上都装有此类装置。

1 脉冲梁使用特点

近年来，随着高速公路建设里程的飞速增长，各种新的施工工艺和方法层出不穷，其中超宽度摊铺和大厚度摊铺就是其中比较常见的范例，尤其是大厚度摊铺，这种施工工艺的趋势在客户端越来越明显，对摊铺机的预压实能力和随后双钢轮压路机的压实能力提出了较大的挑战，就目前双钢轮压路机的市场发展趋势，12t压路机已不再是市场的宠儿，越来越多的客户偏爱于13t和14t级别的钢轮压路机，这不仅仅表现在作业效率的提高上，最重要的是表现在压实能力的提高，可以在确保压实质量的基础上，减少压实遍数，进一步提高作业效率和经济效益，而摊铺机预压实能力的好坏，直接关系到后面的压路机的压实质量，熨平板脉冲梁的出现恰恰满足了这一需求[2]。

在国内，脉冲梁也被称为熨平板“压实梁”，一般设置于熨平板的后方，并有“单压实梁”和“双压实梁”两种结构（见图1）。双压实梁熨平板，即便在厚度摊铺工作中，仍然能实现良好的预压实效果，适用于粒径过大（粗级配料）或粘稠度很大的难于压实的摊铺料，适用于大半径区域范围内的施工，大大降低了对双钢轮压路机压实能力的要求。

图1 脉冲梁结构示意图

单压实梁熨平板，其预压实效果不如双压实梁熨平板，通常用于拼装式熨平板，实现长距离，大宽度且摊铺宽度不变的摊铺作业，适用于大半径区域范围内的施工，可降低对压路机压实的要求。

就目前国际国内摊铺机行业常用的熨平板结构，一般分两种：a）由单振捣＋双压实梁组成的熨平板系统；b）由双振捣＋偏心振动组成的熨平板系统。此外也有双振捣＋双压实梁熨平板的相关文献报道，但这种结构目前使用非常少，这种组合的压实系统使得熨平板的重量增大，用在沥青摊铺机上的可能非常少，而一般双振捣的熨平板多见于稳定土摊铺机。

2 脉冲梁的结构形式

在已经见报的文献中，笔者搜索了期刊网数据库，中国专利和外国专利检索数据，发现最常见到的，也是目前使用最为广泛的一种脉冲梁结构—高速脉冲油缸形式的脉冲梁系统（见图2）。

图2 液压式脉冲梁结构示意图

这种液压结构的脉冲梁系统由脉冲油源、脉冲油缸、复位弹簧、刀片、刀片限位装置和熨平板底板等组成，这种结构的优点是利用摊铺机本身的液压油源，利用控制系统产生一个频率在60～70Hz左右，最大压力130bar左右的液压脉冲油源，驱动与刀片相连的脉冲油缸，刀片在熨平板底板和限位装置的限制作用下，产生一个高速的上下往复压实运动。这种结构实现的前提是具备脉冲油缸的精密制造技术及相关配套设施，而脉冲油缸体积小，且要求承受1秒钟60多次的液压冲击，对脉冲油缸的制造精度和密封要求是一个极大的挑战，同时这种液压加控制的方案极大的提高了使用成本。

在已经申请专利的文献中，有两种机械式结构的脉冲梁系统（见图3和图4），在现有制造技术和材料技术条件下，完全有可能替代液压方案，实现大范围使用和推广。

图3 凸轮式脉冲梁示意图

图4 曲柄滑块式脉冲梁示意图

相比较液压式脉冲梁，机械式脉冲梁结构非常简单，不存在复杂的液压和控制系统，如图3所示，凸轮式脉冲梁的压实往复运动是由多面凸轮驱动与刀片相连的驱动杆，而由复位弹簧、振动板、连接杆、刀片和安装板组成的弹性复位系统，紧密的配好了凸轮机构的运动，其结构简单可靠，多面凸轮具有良好的频率加速作用，降低了对动力源的要求。

而图4所示的曲柄滑块式脉冲梁，将进一步简化机械结构，由偏心轴、连杆座、铰接、刀片连接座以及刀片组成曲柄滑块结构，由于偏心轴的高速转动，根据曲柄滑块机构的运动原理，其在刀片端将产生一个垂直方向上的往复运动，这种曲柄滑块式脉冲梁系统取消了常见的弹簧复位系统，运动更加可靠，噪声更小，整体更加平稳。

气动式脉冲梁（见图5）的工作原理是通过活塞在汽缸内的往复运动使活塞与下活塞之间形成气垫，由于气垫作用而迫使下活塞产生冲击运动，进而带动刀片产生一个脉冲冲击运动，偏心轮由液压马达驱动，进而带动连杆，驱动活塞向下运动，活塞正行程（即工作行程）时压缩其与下活塞之间的密封空间内的空气，使之形成气垫，随着活塞向前推进，气垫压力迅速增加，推动下活塞向下运动，当下活塞向下越过正行程孔后，气垫压力消失，下活塞在弹簧的复位力下，往回运动，而此时活塞也完成做功行程往回运动，从空行程孔进行空气补偿，由于活塞在汽缸内往复压缩空气，汽缸内空气压力周期变化带动汽缸中的下活塞及刀片产生一个“锤击”的脉冲运动，整体结构简单，技术比较成熟，在电动工具中有比较广泛的运用，是比较理想的代替方案。

图5 气动式脉冲梁示意图

从以上几种可查文献的脉冲梁结构可以看出，只要满足两个要求：垂直方向上的往复运动，运动频率保持在一个较高的水平（一般不低于60Hz），都可以看作是脉冲梁系统，从目前已经广泛使用的液压式脉冲梁的应用情况来看，基本应用于进口产品上，其使用门槛相对较高，对液压和控制有一定的要求，因此开发可以替代的技术方案是目前一个亟待解决的问题。

3 工地测试和施工效果评价

为了对摊铺机熨平板脉冲梁系统有一个更加理性的分析，对其在施工中的实际效果进行更加直接的评估，笔者对在高速公路施工中的某品牌沥青摊铺机熨平板系统进行振动测试，并对其摊铺后的沥青路面进行密实度对比测试。

3.1 熨平板振动测试

熨平板振动测试结果见图6～9，熨平板振动加速度统计表见表1。

图6 熨平板各测点加速度实际波形图（振捣开100%）

图7 熨平板各测点加速度有效值波形图（振捣开）

图8 熨平板各测点加速度实际波形图（脉冲梁开）

图9 熨平板各测点加速度有效值波形图（脉冲梁开）

表1 熨平板振动加速度统计表

为了准确地评价脉冲梁系统对熨平板的影响，选择了熨平板最远端-边控盒的安装支架，沿熨平板板架到边控盒控制面板的振动传递路径，对熨平板板架，边控盒减振块前，边控盒减振块后，边控盒面板等4处位置，分别在振捣开（脉冲梁关），脉冲梁开（振捣关）等两种工况下，进行振动测试，以分辨熨平板的两个主要压实系统即振捣梁和脉冲梁对熨平板的影响。

从振动加速度的实际波形可以看出，当脉冲梁打开时，熨平板板架的最大加速度峰峰值为11g左右，而振捣转速达到最大，熨平板板架的峰值为5g左右，加速度峰值相差了2倍还多，由此可以判定，脉冲梁所产生的激振力比振捣所产生的激振力要大2倍多，同时由于其频率比振捣的频率大2.5倍左右，由此脉冲梁产生的预压实效果应该比振捣系统要好很多；从实际的有效值也可以看出，由脉冲梁引起的熨平板加速度有效值比振捣开时大许多；从能量释放的角度，其对熨平板的影响也更大，现场振动测试的直观感受——噪声和抖动，也恰恰应证了这一点。

3.2 路面密实度测试

为验证脉冲梁的预压实能力，在某高速公路施工现场，对某摊铺机熨平板系统开脉冲梁和开振捣的工况分别进行施工密实度测试，试验采用进口密实度测试仪器PQI301无核沥青路面密实度仪，测试前，利用多点钻心取样的实际密实度数据和仪器现场测试数据对仪器的核心参数进行校正，然后采用多点平行分组端面式对50m长的沥青路面（摊铺底层，无压路机压实）进行密实度测试。按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）附录E的规定：以每天实测的最大理论密度作为标准密度。故根据拌合厂在取样进行马歇尔试验的同时以真空法实测最大理论密度为2 537g/cm3，测试结果如表2所示。

表2 沥青路面底层密实度统计表（未压实）

在沥青路面底层摊铺后无压路机振动压实的情况下，对预压实能力进行测试，根据试验测试的结果，发现脉冲梁的预压实密实度比振捣梁的普遍高2%～4%不等，这也从数据方面印证了之前振动测试的结果，脉冲梁的预压实能力的确比振捣梁要强。

3.3 施工效果观测

在测试现场，笔者观察到开动脉冲梁的熨平板除在离析等方面稍有优势外，更重要的是由于脉冲梁的高频率压实，其摊铺的路面看上去有一种比较油光的色泽，同一种沥青料采用不同方法摊铺出来的路面，主观感觉使用脉冲梁摊铺的路面其油石比要高一些，这在后面的渗水系数测试以及路表构造深度测试中也得到了体现，其表面的渗水能力较弱，局部的粗糙度也要小一些，实际施工效果见图10、图11。