宽幅摊铺机螺旋输送机理与抗离析试验研究

徐中新，罗清云，胡永彪，郑铁民



宽幅摊铺机螺旋输送机理与抗离析试验研究

徐中新1，罗清云1，胡永彪1，郑铁民2

(1. 长安大学 工程机械学院，陕西 西安 710064；2. 陕西中大机械集团有限责任公司，陕西 西安 710119)

为准确掌握沥青混合料在宽幅摊铺机螺旋布料器内的离析原因和分布规律，基于物料在螺旋处的运动学特性，结合某一型号宽幅摊铺机，对螺旋作用下物料颗粒的轴向速度、圆周速度与螺旋叶片直径、螺距之间的关系进行分析，同时分析螺旋布料器吊臂处的离析机理以及物料填充系数对混合料均匀性的影响，并在实体工程上进行足尺试验。理论分析表明：螺旋布料器的结构参数和运行参数会对沥青混合料在螺旋内的物料均匀性造成影响；随着物料到螺旋轴距离的增大，轴向速度逐渐增加，圆周速度先增大后减小；随着螺距的增大，圆周速度和轴向速度均增大，但改变螺距对混合料速度的影响程度小于改变螺旋半径；物料填充系数越大，混合料的摊铺均匀性越好，并可以改善宽幅摊铺路面两侧的离析现象；通过优化吊臂形状以及增加过度叶片可以改善混合料通过吊臂的均匀性。现场试验结果与理论分析结果一致。

路面工程；宽幅摊铺机；螺旋布料器；离析机理；现场试验

沥青混合料在摊铺过程中的离析主要集中在摊铺机料斗、刮板输料器和螺旋布料器处，其中螺旋布料器处对离析的影响最显著。宽幅路面施工的横向摊铺距离较大，很容易出现横向离析，且难以控制[1]。离析容易使路面出现一系列病害，细集料集中的地方，缺少粗集料的骨架支撑作用，常会出现车辙、塌陷和拥包等现象；粗集料聚集的地方，缺少细料的填充，常会出现渗水现象，在重荷载的作用下，容易形成水动力，使面层剥离而损坏，这将缩短沥青路面的使用寿命[2−4]。螺旋布料器安装于沥青混合料摊铺机熨平板前方、牵引车后壁，由2根旋转方向相反的大螺距螺杆组成。其结构参数及使用参数选择是否合理直接影响螺旋布料器的生产能力和路面的施工均匀性[5−6]。为了保证混合料分布均匀和施工稳定，避免粒料输送过程中产生离析现象，一些科研人员和生产厂家对螺旋布料器的结构和使用参数进行了研究，认为采用变螺径变螺距结构，可以保证均匀布料[7]，则认为改变螺距是保证输送混合料均匀性的关键[8]。CHEN等[9]运用理论力学和流体力学知识，对混合料粒料在螺旋布料器料槽中的动力学和运动学进行了分析；谢立扬等[10]通过理论推导，给出了螺旋布料器设计时螺距的合理取值范围及确定螺距的约束条件；宽幅摊铺路面平整度好，可以避免中间搭接处的离析现象，并且可以节省施工成本和工期[11−13]，但横向离析难以控制制约着宽幅路面施工的大面积推广。国内外学者对沥青混合料在螺旋布料器内的运动进行了分析，但在分析时，假定螺旋布料器的螺径、螺距的变化范围从0~∞，对常用摊铺机，其螺径、螺距取值在一个合理范围内，故其分析结果与实际情况存在一定差异。本文在以往研究的基础上，从螺旋输料过程中材料和螺旋两者之间的相互作用关系出发，建立理论模型，为螺旋结构改进及参数优化提供理论依据；结合某一型号宽幅摊铺机，将摊铺机的结构参数进行限定来分析混合料在布料器内的运动规律及离析原因，并进行足尺试验研究，为解决路面摊铺离析以及宽幅摊铺的推广提供理论指导和试验依据。

1 螺旋布料器输送混合料机理分析

螺旋布料器结构示意图，见图1所示。螺旋的主要参数包括轴径、螺径、螺距和螺旋升角等。

1—输料器；2—螺旋叶片；3—前挡板；4—吊臂；5—螺旋轴；6—熨平板；7—后挡板；8—分料箱

图2 混合料速度分解图

进入螺旋布料器中的混合料在螺旋叶片的作用下，向摊铺机两侧输料，在自重作用下，混合料会不断地落到熨平板前方，满足路面横向、纵向布料要求。对于螺旋面上距轴线为处的点，设螺旋的转速为，其圆周切向速度1由式(1)表示。由于在输料过程中混合料与螺旋叶片之间存在滑移，产生了与叶片表面平行的滑动速度3，物料在1和3的作用下，其合成速度如图2所示。

1在法线方向的投影2由式(2)表示，其合成速度可由式(3)表示。

可以分解为周向速度V和轴向速度V，见式(4)~(5)。

由于tan=/2π∙，将以上各式代入式(4)~(5)，可得圆周切向速度和轴向速度，见式(6)。

式中：为螺距；为转速；为物料到螺旋轴线的距离；为颗粒外摩擦因数，=tan。

由式(6)可知，，及的变化均可导致混合料速度不断发生变化，使骨料形成不同速度的空间螺旋运动，混合料颗粒间产生相对运动，混合料在螺旋叶片的不断挤压作用下，会强制翻滚、抛掷，使粗细颗粒产生分离进而导致混合料骨料离析。

试验用摊铺机参数为：螺旋叶片直径420 mm，螺旋轴半径0=50 mm，螺距为280 mm，=80 r/min，=0.25，由式(6)以及上述参数可绘制出颗粒的轴向速度、圆周速度随和的变化规律曲线，据此可分析颗粒的运动规律，见图3~4。

由图3~4可知：

2) 当>1时，随着的增大，轴向速度增加，圆周速度减小，但其增加幅度和减小幅度逐渐变小。此时，轴向速度大于圆周速度，值越大，轴向速度与圆周速度的差值越大，此处的混合料布料效率较高。

图3 vr和vz随r的变化规律

图4 vr和vz随J的变化规律

3) 随着的增加，圆周速度增大，轴向速度先增加后减小。对常用摊铺机来说，螺距一般小于0.4 m，在这个范围内物料的圆周速度与轴向速度均随着的增大而增大，且轴向速度大于圆周速度，但两者差值较小，螺距的大小对混合料速度的影响程度小于螺旋半径对其的影响程度。

2 螺旋布料器结构参数和运行参数对混合料摊铺均匀性影响

混合料在螺旋处的离析主要是由物料在螺旋内的运动特性决定的，而这种运动受到螺旋的结构参数和运行参数的影响。因此，有必要对螺旋分料器的结构参数和使用参数对混合料的摊铺均匀性影响进行研究分析。

2.1 螺旋半径的合理选择

由式(6)对V求极限，可得式(7)：

当轴向速度不低于极限值得90%时，可认为此时的布料效率以及输料均匀性都较好。当=280 mm时，代入式(7)可得：3=0.9V=330 mm/s，将轴向速度3代入式(7)可求得此时混合料距离螺旋轴线的距离2=180 mm。因此，要保证良好的输料均匀性及布料效率，当螺距值为280 mm时，摊铺机螺旋叶片的直径应不低于360 mm。

2.2 螺旋分料器中的合理填充系数

混合料在螺旋布料器中的填充系数对摊铺均匀性有重要影响，这已是一种共识。但是对填充系数的大小却有着不同的认识，传统的螺旋输送机械设计方法认为填充系数不宜超过1/2[13]，对于摊铺机螺旋布料器来说，一种观点认为混合料的填充系数为2/3较为合理[14]，另一种观点则认为混合料的填充系数为1较好[15]。为了从理论上说明这一问题，可进行如下分析：

由上文分析可知，随着的增大，圆周速度先增大后减小。由于螺旋轴的存在，圆周速度取值不会为0。由图2可知，当>1时，轴向速度大于圆周速度，且越大，两者的差值越大，定义/为物料填充系数。为物料在螺旋中的高度，为螺旋叶直径。由于目前常用的螺旋布料器叶片直径最大不超过0.6 m，在此螺径范围内，取值越大越好(取值越大，越大，轴向速度占主导地位，此时，螺旋布料器的布料效率高)。取值最大为，故物料填充系数为1是其最佳的工作料位高度。

摊铺宽度越大时，所需的功率越大。由于常用的摊铺机的功率达不到满埋输料的要求，当在物料填充系数较小时工作，只有提高螺旋转速来提高向两端输料能力，由式(6)可知，圆周速度和轴向速度随着螺旋转速的增大线性增大，圆周速度较大时，容易使混合料抛掷而发生离析。故在摊铺机功率满足输料能力时，应降低螺旋的转速，并使螺旋满埋输料。

2.3 螺旋吊臂对混合料运动的影响

螺旋吊臂的作用是用来支撑螺旋轴，使螺旋布料器稳定工作。在摊铺现场，常常可以在吊臂位置的两侧看到明显的纵向离析带。离析的原因包括吊臂对混合料流动性的阻碍和螺距的变化。

2.3.1 螺旋吊臂对混合料流动性的阻碍

图5 螺旋吊臂形状

图5中，(1)~(4)的横截面面积相同，(1)为矩形吊臂，其对物料的阻碍作用最大；(2)为倒圆角矩形吊臂，相对于(1)来说，能够改善混合料的流动性；进一步将圆弧状增大，变成椭圆形吊臂(3)，在(2)的基础上，使过度面更加光滑，物料流动性更好；减小过度圆弧的大小可使(3)变为圆形吊臂(4)，相同横截面面积时，若圆形吊臂半径与椭圆形吊臂短轴相同，则其强度达不到支撑作用，需增大圆形吊臂横截面的面积，如图5(5)。相同横截面时，采用椭圆形吊臂对物料的阻碍作用最小。

2.3.2 螺距的变化

为避免螺旋与螺旋支撑干涉，螺旋支撑部位不能安装螺旋叶片，其结果相当于此处螺距增大，而在实际施工过程中，由于此处没有螺旋叶片驱动混合料，混合料受力状况更差，为便于分析，假设此处存在螺距增大的螺旋叶片，如图6所示。

图6 吊臂处螺旋螺距示意图

图6中，为螺距，1为吊臂处螺距最大值，2为吊臂处螺距最小值，以试验用摊铺机为例，为0.28 m，1为0.51 m，2为0.31 m。为便于研究，取1和2的中间值为等效螺距，见式(8)：

式中：J为螺旋支撑处等效螺距，计算可得值为0.41 m。

在吊臂处，等效螺径为0.41 m，在此处z＜r，粒料将造成沿合成速度方向的附加紊流，使混合料产生离析。考虑到吊臂距离下一处螺旋间的距离无法安装一整个叶片，可在吊臂后一定距离安装过度叶片，其宽度和螺径均小于正常叶片，这样能够减小等效螺径，且不会与吊臂产生干涉。

（1）林业技术推广符合我国林业建设的科学发展观。随着我国林业建设进程的加快，林业建设已经从过去的单纯植树造林防护森林变为现在的以生态平衡和生态环境安全为主要出发点，同时兼顾到经济生产效益的可持续性生态林业建设。想要实现经济和环境生态两者之间的协调发展，一定要依靠现在发展起来的科技手段和技术，所以，林业技术推广就是新型林业技术和农户之间的一座无形的桥梁，为新时期的生态林业建设提供支撑。

3 试验研究

3.1 试验概况

在广西某高速公路进行现场试验，沥青混合料为AC-25，其生产级配见图7，路面横断面宽11.75 m，螺旋轴转速80 r/min，试验样机功率为269 kW。料槽宽度680 mm，料槽高度600 mm，螺旋轴中心距前挡板距离275 mm，距离地面高度350 mm，螺旋轴直径100 mm，螺旋轴长度5 875 mm。

图7 AC-25生产级配

3.2 检测方法

数据采集时，沿摊铺方向，在所检测的路段上以1 m×1 m的方格网作为检测单元，纵向检测长度为40 m，横断面检测宽度11 m。考虑到试验路段摊铺机左右螺旋参数不同，会影响中间分界位置的材料状态，在检测结果中除去最中间1 m处的数据，得到400个检测值。利用无核密度仪检测路面密实度，为了减小测量误差，每个点测量5次，取平均值。

采用检测路段无离析区域的平均密度与离析处密度差的绝对值作为沥青面层集料离析的判定指标。经测定无离析区域的平均密度为2 318 kg/m3，参照离析判定标准(见表1)[16]，判定检测点的离析程度，并进行统计分析，得出不同离析程度的点数及所占的比例。

表1 离析评定指标

3.3 支撑吊臂形状对沥青混合料均匀性的影响

在路面整个横断面上，螺旋支撑从左向右依次为椭圆形吊臂(图8中点3)，矩形吊臂(图8中点6)，倒角矩形吊臂(图8中点10)，圆形吊臂2(图8中点13)。沿路面纵断面上测5处，测量结果如图8所示。

图8 路面横断面密实度变化

由图8可以看出，由于吊臂的存在，使得其左右处的路面密实度值发生了不同程度的变化。其中矩形吊臂对密实度的影响最大，其次为倒角矩形吊臂，物料通过圆形吊臂和椭圆形吊臂时的密实度变化均较小，对物料均匀性影响最小的为椭圆形吊臂。因此，可通过优化吊臂的形状，减小其对混合料的阻碍作用，使通过吊臂的物料均匀性较好。

3.4 填充系数对沥青混合料均匀性的影响

螺旋叶片螺径480 mm，螺距280 mm，分别改变物料填充系数，可得沥青路面离析统计情况见图9，离析程度灰度图见图10。

图9 不同填充系数沥青路面离析统计

(a) 填充系数1/2；(b) 填充系数2/3；(c) 填充系数1

由图9可知，填充系数为1时，路面无离析所占比例为92%，高出1/2填充系数7%，重度离析0.5%，其密实度均匀性最好，填充系数为2/3时次之，填充系数1/2最差。试验结果与上述理论分析结果相符。由图10可知，增大物料填充系数可以改善宽幅摊铺时两端的离析现象，但在路面两侧仍存在不同程度的离析现象。

3.5 螺径、螺距对沥青混合料均匀性的影响

螺旋叶片螺距280 mm，物料填充系数为1，分别改变螺径的大小，得到沥青路面的离析情况，见图11；保持螺旋叶片螺径一定，改变螺距值，得到沥青路面的离析情况，见图12。

图11 改变螺径，沥青路面离析统计

图12 改变螺距，沥青路面离析统计

由图11和图12可知：

1) 螺距一定时，增大螺旋叶片的直径能改善路面的摊铺均匀性，与上述理论分析一致。

2) 螺径一定时，增大螺距可以改善路面的离析情况，但对离析的改善程度小于上文中改变螺径。这与上述理论分析一致。

4 结论

1)V随着增加，单调增大，并存在极限值，在轴向速度高于极限值的90%时，可认为布料效率及输料均匀性已达到较好的状态，对于实体工程中应用较多的螺距为280 mm的螺旋而言，此时螺旋叶片的直径应不小于360 mm。

2) 对成熟的摊铺机来说，改变螺径、螺距均会对混合料的速度产生影响，进而影响混合料的摊铺均匀性，但改变螺距对混合料摊铺均匀性的影响程度小于改变螺径。

3) 通过优化吊臂的形状和增加过度叶片可以调整混合料在螺旋吊臂处的运动状态，改善混合料通过吊臂时的均匀性。

4) 增大混合料在料槽中的填充系数可以改善混合料在螺旋布料器内的运行状态，物料填充系数越大，路面的摊铺均匀性越好。物料低速满埋输料可以改善宽幅摊铺路面两侧的离析现象。但路面两侧仍出现不同程度的离析现象，其原因仍需进一步研究。

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Study on the mechanism of screw distributor and anti-segregation test of wider paver

XU Zhongxin1, LUO Qingyun1, HU Yongbiao1, ZHENG Tiemin2

(1. School of Mechanical Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. Shanxi Zhongda Machinery Group Co., Ltd, Xi’an 710119, China)

In order to accurately find out segregation reasons and segregation distribution regularities of asphalt mixture in screw conveyor of width paver, based on the kinetic characteristics of mixture, the relationship between the particles’ axial velocity, circumferential velocity and the diameter, pitch under the action of screw conveyor was analyzed combined with a wide paver. Meanwhile, the segregation mechanism of the screw arm and the effect of material filling coefficient on the mixture uniformity were analyzed, and the full scale test was carried out on the solid engineering. The theoretical analysis shows that the structural parameters and operating parameters of the screw conveyor will affect the uniformity of the asphalt mixture. As the distance from the material to the screw axis increases, the axial velocity increases and the peripheral velocity increases first and then decreases. And the peripheral speed and axial velocity increase with the increase of the pitch, but the effect of changing the pitch on the speed of the mixture is less than that of changing the spiral radius. The bigger the material filling factor, the better the paving uniformity of the mixture, and it can also improve the segregation phenomenon on both sides of the width pavement. The uniformity of the mixture through the boom can be improved by optimizing the screw arm shape and increasing the excess blade. Field test results are consistent with theoretical analysis.

pavement engineering; width paver; screw distributor; segregation mechanism; field test

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.11.029

U416.02

A

1672 − 7029(2018)11 − 2964 − 08

2017−10−18

陕西省交通运输厅科研项目(17-04K)；中央高校基本科研业务费资助项目(300102258401)

胡永彪(1964−)，男，山东滕州人，教授，博士，从事工程机械作业质量控制理论和技术研究；E−mail：hybchd@126.com

(编辑 阳丽霞)