摊铺机变径变螺距螺旋分料器抗离析研究

2020-12-11徐小龙

工程技术研究 2020年20期

徐小龙

（湖北省路桥集团有限公司设备管理分公司，湖北武汉430300）

公路工程网络的建设是促进区域经济发展、物资流动的基础，也是评估国家综合国力的重要指标，能够侧面反映一个地区的发展程度。随着公路工程运行时间的推移，各种公路工程病害相继出现，严重影响了公路工程地使用寿命，如沥青路面开裂等是常见的病害。沥青路面在铺设过程中如果压实度不够或均匀性较差时极易使沥青混合料在铺设过程中出现骨料离析或温度离析，其中前者主要与摊铺机螺旋分料器关系密切。

鉴于此，研究摊铺机变径变螺距螺旋分料器的抗离析性能对提升公路工程沥青路面铺设质量有积极的意义。

1 沥青路面离析现象概况

沥青路面在压实度和均匀性较差的情况下容易出现骨料离析和温度离析现象，其中，骨料离析与摊铺机螺旋分料器关系密切。沥青混合料是沥青、骨料等按照一定比例配置而成的，可将其看作是黏滞阻力较大的一种特殊流体，因此在摊铺机螺旋分料器中的流动方式通常有以下两种形式。

（1）沥青混合料沿着布料的方向流动，若沥青混合料的流动速度小于临界值时（临界值一般指的是沥青混合料之间的最大静摩擦力），沥青混合料以层流的方式流动，即沥青混合料中的骨料以相对静止的方式沿着布料方向呈层状流动，对原有混合料无明显破坏，即不存在骨料离析现象。

（2）当沥青混合料的流动速度超过临界值时，由于沥青混合料的流动速度大于骨料之间的最大静摩擦力，此时骨料颗粒就沿着布料槽以紊流的形式运动，不同骨料颗粒之间也产生相对的运动，从而使骨料向各个方向做翻滚无规则运动，最终引起骨料离析。

虽说理论上骨料的运动方式可分为上述两种形式，但是在实际布料过程中两种运动方式是同时存在的，因此在使用螺旋分料器布料过程中如何降低紊流运动方式，提高层流运动方式是研究的重点内容。

此外，螺旋分料器应用具有良好的搅拌功能，即在布料过程中通过搅拌功能降低骨料离析，使沥青混合料铺设均匀（见图1）。大量的研究资料显示，螺旋分料器中的螺距与螺径对沥青混合料布料的均匀性影响较大，因此，研究摊铺机变径变螺距螺旋分料器抗离析具有重要的现实意义。

2 螺旋分料器的基本原理

2.1 沥青混合料与螺旋叶片作用力

螺旋分料器在布料时，沥青混合料与螺旋叶片之间的作用力是分析螺距与螺径性能的基础，也是研究变径螺距螺旋分料器的前提。

分离器中的螺旋面旋转时会对骨料施加一种应力，由于以螺旋母线为直线的螺旋面上的各个点的螺距是一致的，因此骨料距离螺旋轴的距离越小，螺旋的升角相越大，此时轴向力对骨料的作用力也就越大，而切向力对骨料的作用力相对减小。

骨料与螺旋轴之间的距离逐渐减小，骨料受到的切向力则逐渐增加，当切向力超过骨料之间的静摩擦力时，骨料就随着螺旋轴进行翻滚运动；若骨料与螺旋轴之间的距离逐渐增加，骨料受到的切向力也就逐渐减小，此时由于切向力小于骨料之间的静摩擦力，骨料在轴向力的作用下沿着布料方向运动。

因此，一般靠近螺旋轴区域的骨料由于受到更大的切向力而做紊流运动，远离螺旋轴区域的骨料因切向力较小而做层流运动。同时，随着半径的增加螺距也增大（见图2），但螺旋升角与半径变化不明显，若减少半径，沥青混合料所受的切向力变化也不明显，骨料以层流运动为主，骨料布料较均匀。

图2 不同螺距示意图

2.2 沥青混合料在螺旋分料器中的加速度变化

摊铺机在实际运行过程中不可避免地会出现速度变化，当摊铺机速度变化时就会使分料器中的骨料产生一定的加速度。因此，为确保沥青混合料布料的均匀程度，必须通过调整螺旋分料器的转速实现调整布料槽中骨料的高度和速度的目的。

试验表明，沥青混合料中骨料颗粒质量增加，骨料所具有的惯性力也会增大，当惯性力较大时就会使细骨料与粗骨料之间产生相对运动，对原始的沥青混合料级配影响较大，极易引起沥青混合料的骨料离析现象。

此外，在摊铺机开始启动与关闭过程中，若速度改变过快，极易造成沥青混合料中不同颗粒大小骨料产生不同的加速度，进而加剧不同颗粒大小骨料之间的相对运动速度，不仅引起骨料离析问题，而且可能加剧骨料的横向或竖向离析，严重影响沥青混合料布料的均匀程度，进而降低公路工程的使用寿命。

因此，在使用摊铺机布料时确保设备匀速运行至关重要。若需要对设备仪器调速处理，可采用缓慢降速的方式降低骨料加速度对布料质量的影响。

2.3 沥青混合料摩擦阻力

沥青混合料在布料过程中具有摩擦力，主要由两部分组成：（1）内摩擦力，即沥青混合料内部相对运动而产生的摩擦阻力。（2）外摩擦力，即沥青混合料与螺旋叶片之间的摩擦阻力。

在相同的布料条件下，颗粒较大的骨料产生的内摩擦力要大于颗粒小的骨料产生的内摩擦力。同时，颗粒大的骨料一般具有较大的质量，所承受的重力也相对较大。因此，在螺旋轴旋转时颗粒大的骨料所受到的轴向力相对较小，颗粒小的骨料受到的轴向力相对较大。

在螺旋轴转速提高的条件下，由于沥青混合料本身不均匀，因此颗粒较大的骨料相对于颗粒小的骨料更容易向两端运动，导致横向离析现象加重。此外，若螺旋轴的转速过快，就容易使颗粒较大的骨料集中在外层，颗粒小的骨料集中在内层，进而引起骨料的竖向离析。

综上所述，适当地加快螺旋叶片的半径和降低螺旋轴旋转速度，能够有效提高混合料布料的均匀性。

3 变径变螺距螺旋分料器的抗离析分析

由于沥青混合料是由沥青、多种骨料和矿粉等按照一定的比例均匀配置而成的，因此在采用螺旋分料器布料时一般一边卸料一边输料，使沥青混合料均匀地铺设在公路基础上。此时分料器的中部输送工作量要远大于两端，这与实际布料过程中中部料堆高于两端料堆的基本现象是吻合的，这主要与分料器中部区域受到的阻力大于两端的阻力导致输料不均匀有关。

同时，由于分料器与叶片直径、螺距相等，容易引起沥青混合料中粗细骨料的分离，最终引起铺设不均匀或骨料离析问题，进而在压平处理后导致路面的平整度降低。因此，只有在分离器中不同位置具有不同的螺距和叶片直径，才能确保混合料在布料槽中稳定流动。

由上文可知，螺旋叶片的半径对布料均匀性影响较大，即沥青混合料的流动与分料器的几何尺寸存在较大的变化，同时螺旋分料器的长度、螺旋轴的半径是已知大小的，因此可根据螺旋叶片与螺距之间的变化关系分析变径变螺距螺旋分料器的抗离析特征。

根据试验关系可得出，螺旋叶片的最小半径应大于螺旋轴的半径，并且最小叶片应分布在分料器的两端。若螺旋叶片的最小半径为R，螺旋轴半径为r，S为单位长度每转下料体积，则最小半径如下：