沥青混合料在摊铺机布料器中的动力分析与其离析*

张胜军，解 浩

(兰州工业学院 机电工程学院，甘肃 兰州 730000)

0 引 言

在沥青混合料摊铺过程中，离析不可避免发生，它是影响路面质量的重要因素。 造成离析的原因很多，混合料设计级配，施工温度，供料方式，拌合方式以及螺旋布料器在布料过程中的自身结构问题等均可造成离析。 国内一些学者虽对沥青混合料的受力与运动进行了分析但未提出结构方面的改进措施[1-2]。 另一些通过在螺旋布料器启始端加装翼板与驱动盒、两端增加隔板等方法减少离析[3]，或从材料与施工方面研究减少离析的措施[4-5]。 笔者对沥青混合料中单颗粒与多颗粒料粒进行受力与运动分析，并以圆周方向的动力分析为主，通过对螺旋布料螺旋面的改进与运行参数的改善来解决离析所造成的危害，为之后的设计提供理论依据。

1 单个料粒的受力与运动分析

1.1 单个料粒在螺旋布料器中的受力分析

将一个料粒作为一个单元体进行研究[6]。 对其进行受力分析，先对其所受螺旋面的作用力F进行分析。 则F可分解为圆周方向的Fr与轴向方向的Fz。 如图1 所示。

图1 单个料粒的受力分解

由于摩擦的作用，致使螺旋面对料粒的作用力F与螺旋线的法线方向存在一夹角α，其大小由料粒的内摩擦角和螺旋面的粗糙程度决定，对于经过冲压加工的螺旋面来说，其表面较光滑则可以不考虑螺旋面的粗糙程度对夹角的影响。 则此时可认为夹角α即为内摩擦角，有圆周方向所受分力Fr＝Fsin(α＋β)。

轴向分力:

式中:J为螺距；α为内摩擦角；β为螺旋升角。

因螺距一定，则β随r改变，r越大β越小，即随着r的增大而减小。 所以Fr随着r的增大而减小，Fz随着r的增大而增大。 同时料粒也受自重G以及离心力的作用。 在料粒在靠近螺旋轴处圆周方向的切向力Fr无法与料粒自重G以及离心力平衡时，则发生翻滚，无法形成圆周方向的圆周运动。 由于Fz随r的增大而增大，所以靠近螺旋轴处Fz比较小，则料粒在螺旋轴附近的轴向速度小于在远离螺旋轴的速度。所以在螺旋轴附近有料粒翻滚而不沿轴向运动的现象出现。

1.2 单个料粒的运动分析

料粒在圆周方向和轴向方向分力的作用下分别作圆周运动和轴向运动，从而实现布料[7-10]。 其速度是复杂的空间运动，和速度v可分解为圆周方向的vr和轴向方向的速度vz，在轴向方向受力简单且运动也只是沿轴向运动，则有:

式中:v0为料粒初速度；az为料粒轴向加速度；m为料粒质量。

由于Fz随r的增大而增大，所以vz随r的增大而增大。 而对圆周方向的速度vr可进行和速度的分解来分析。 如图2 所示。

图2 单个料粒的运动分解

其中和速度有:

式中:α可近似为内摩擦角；n为螺旋轴转速。

将:tanβ＝，μ＝tanα代入式(1)可得:

式(2)对r求偏导得:

若根据摊铺机试验取J＝28 cm，μ＝0.6，速度最大处半径rvmax＝7.87 cm，取螺旋轴转速n＝100 r/min，有最大速度vvmax＝0.43 m/s。 若螺旋半径取3.5 cm，在螺旋半径处速度v＝0.34 m/s。 取叶片半径为21 cm，则在叶片端处的速v＝0.37 m/s。 则在半径rvmax＝7.87 时料粒的圆周速度最大，由此可知，料粒的圆周速度随着r的增加先增大后减小。 其速度的变化如图3 所示。

图3 料粒的圆周速度与r 关系

1.3 角速度

角速度公式为:

由式知圆周角速度对半径r的偏导的值小于0。所以料粒角速度随半径r的增大而减小。 同样由式(3)知ωr与螺旋轴的转速ω成正比关系，而离心力Fω＝mω2r，所以对单个料粒，当不计料粒之间的作用力时，F，G无法满足Fω产生的离心力时将发生离心抛投。

因此在螺旋轴结构确定时J确定，同时μ与r确定时，若ω过大将发生离心，ω过小时则料粒聚集且影响布料的效率。 所以选择适当的ω可减小沥青混合料因离心抛投造成的离析现象。 若料粒ω＞ωmax时，料粒发生离心，当ω＜ωmin时料粒向螺旋轴处聚集且效率较低，故有ωmin＜ω＜ωmax。

2 同一半径处多料粒的受力及其运动分析

以同一半径处的多料粒作为研究对象，则其单个料粒在考虑摩擦以及其它料粒的作用时，所受自重G，布料器中叶片的作用力F，混合料所受的摩擦力f以及料粒之间的相互内聚力N，如图4 所示。

图4 同一半径处多料粒的受力及其运动分析

当料粒在螺旋布料器中所受的力F，f，G，N与螺旋布料器的旋转所形成的离心力相平衡的时候，则在某一半径r处的料粒将作圆周运动。 若是F，f，G，N无法满足螺旋轴以角速度ω旋转时所需的向心力(F＝mω2r)时，则料粒将发生离心抛投现象。 即:

则有:

公式成立时则沥青混合料作圆周运动，在同一半径处不同粒径的料粒质量m不同，有m1/m2＝k，(m1＞m2，k＞1)，则:

又由于同一半径处有G1/G2＝k，而:

若在此时大颗粒发生离心抛投向外侧滑移或抛投到布料槽底部并最先达到螺旋布料器下端，小颗粒料粒满足式(4)做圆周运动。 而在另一半径r'(r＞r')处时，大颗粒的料粒正好满足式(4)时，则小颗粒由于F，f，G，N所提供的向心力大于料粒做圆周运动所产生的离心力，则小颗粒的料粒将向螺旋轴处聚集，这样将造成远离螺旋轴处大颗粒料粒的含量多于螺旋轴附近的含量。 且vz是r的增函数，所以在远离螺旋布料器轴处大料粒先到达螺旋布料器的左右两端，这样将造成螺旋布料器左右两端及其底部大颗粒料粒的含量较高，造成纵向离析及夹层现象，与实际施工中出现的离析现象有一定的对应性。 因不同半径处ω2r不同，则料粒所需的向心力不同，为使能够满足不同的离心力，则可改变料粒在不同半径处所受的摩擦力，因此可通过改变螺旋面不同半径处的粗糙度来实现，即设置不同粗糙等级。 同时合理控制螺旋布料器转速ω也可以减小离析现象，过大的转速造成大面积颗粒离心抛投，过小转速则影响布料的效率并出现其它方面的问题，所以要合理的控制转速ω。

3 结 论

文中通过对沥青混合料在摊铺机螺旋布料器中的动力分析得出以下结论。

(1) 在摊铺过程中沥青混合料会因在圆周方向受力不平衡的抛投运动而产生远离轴处聚集大径料粒、靠近轴处聚集小径料粒的离析现象。

(2) 在轴向方向远离轴处的料粒速度大于轴附近的速度而造成螺旋布料器两端大径料粒聚集的离析现象。

(3) 可通过在螺旋布料器螺旋面不同半径处设置不同粗糙程度来减少以上两种离析现象。 总之，选择合理的速度及设置不同半径处不同粗糙度可减小摊铺离析现象，提高路面的质量。