同步碎石封層設備瀝青灑布裝置優化設計

李曙芳，劉傳慧，胡杰，王堃

(西南科技大學制造學院，四川綿陽601010)

同步碎石封層車是道路施工中不可或缺的一種機械，特別是在高等級公路的施工中，越來越多地使用瀝青碎石同步封層車等現代化施工設備來完成路面封層作業。這些設備的使用使得路面質量有了極大的保障。同時，人們也注意到，目前封層車的瀝青灑布效果并不如意，都存在橫向灑布不均勻的現象。許多文獻都對灑布不均勻現象作了深入的剖析，找出了影響灑布均勻性的各種因素，為設計制造和施工作業提出了許多良好的建議。由于所有對這一問題的研究都基于“噴灑重疊”理論，文中也試圖根據這一公認理論來分析是否可以消除不均勻現象。

1 三層搭接

所謂三層搭接是指灑布車在工作過程中，在路面上同時均勻地噴灑三次液態瀝青，目前絕大多數的瀝青灑布均采用調節噴嘴距離地面高度的方式來實現三重疊的灑布作業，其中提出了一個用于實現多重疊灑布作業的噴嘴距地面高度計算公式:

H=Ln/［2cosβtan(α/2)］

式中:H 為噴嘴距地高度(灑布高度);

L 為相鄰噴嘴間距;

n 為重疊層數，1 為無重疊，2 為兩重疊，3 為三重疊;

β 為噴嘴安裝傾角;

α 為噴灑角。

而在設備的運行過程中，因噴嘴的噴灑角α、安裝角β、噴嘴安裝間距L 在設備的選型安裝過程中就確定了，為了保證瀝青噴灑均勻度，一般設計人員在設計噴灑管時按照設備空載時設計噴灑管距地面的高度H 來保證瀝青噴灑時能實現三重疊，如圖1所示。

可事實上是，設備在封層過程中剛開始骨料倉是滿載的，滿載總質量達到三十多噸，經計算得到這時底盤會下沉大約30 ～50 mm，甚至更多，而根據H =Ln/［2cosβtan(α/2)］，若取β=15°，α=60°，L=100 mm 時，得到高度H 約90n(mm)，所以在滿載時原來設計的高度根本不可能滿足最初設計的三重疊灑布，只能達到2.5 重疊，這就很大程度影響了瀝青噴灑的均勻度。

隨著鋪設路面越來越遠，骨料倉里的碎石越來越少，在這個運行過程中，噴灑管由于設備載重的不同而隨著底盤漸漸升高，這樣之前設計人員保證的H值就不能穩定地滿足最初想要噴灑的三重疊效果，而這個高度的變化直接影響了瀝青的灑布均勻度，因此，作者設計了一套液壓電控裝置來實現在車載重變化時瀝青灑布管隨著載重的變化而變化，使其一直保持在一個穩定的高度，這樣即使設備在鋪設路面的過程中，載重不斷變化，瀝青噴灑管也能隨著載重的變化而不斷升高或降低來滿足設計人員最初設計的瀝青灑布三重疊的效果。

圖1 瀝青灑布三重疊示意圖

2 調節裝置設計

文中設計在同步碎石封層設備瀝青灑布裝置上垂直地面安裝1 個超聲波測距傳感器(超聲波傳感器是利用壓電陶瓷作為聲波的發射器及接收器的裝置，換能器發送聲波脈沖并把回聲脈沖轉化成電壓，其內置的控制器根據聲速及接收到回聲的時間計算出距離)，利用超聲波傳感器測量噴嘴離地面的高度，當測得距地高度是設計所達到三重疊的高度H 時，可實現瀝青的均勻灑布，當超聲波傳感器測試的離地高度小于或大于H 的H1時，傳感器發送信號給電控室，經控制室處理運算接收到得傳感器信號，確定油缸運動方向和位移，調節瀝青噴灑管的高度，使其的高度調節至距地面H，這樣，瀝青的灑布依然能滿足設計者所設計的三重疊均勻灑布。該裝置系統原理圖如圖2。

圖2 優化設計裝置系統原理圖

所設計的高度調節裝置主要由電氣和液壓兩部分組成，由電氣和液壓兩部分相互協調，相互控制來調節瀝青灑布管的高度，使其在底盤載重不斷變化時，保持在固定的高度，以實現瀝青灑布的三重疊效果。

電控是裝置的控制部分，其原理流程圖如圖3。

圖3 電控裝置原理流程圖

在車輛空載時，按照設計者所依據的H = Ln/［2cosβtan(α/2)］安裝瀝青灑布管裝置，將噴嘴安裝合適的角度、距離，確定瀝青灑布管裝置安裝的高度能實現噴灑三重疊，這時測量噴嘴與地面的高度，給人機界面一個設定值H，此時的H 能滿足瀝青的的三重疊灑布，超聲波傳感器將所設定的H 值作為一個參考量，將此固定值H 設定為噴嘴離地面的高度，當車輛在施工過程中，同步碎石封層設備載重由滿載30 多噸，此時整個底盤因為重力的作用下沉，這時瀝青噴灑管上噴嘴距地面的高度將不能滿足設計最初設計的滿足三重疊灑布的高度，超聲波傳感器發出的電壓信號發生變化，與設定油缸拉伸長度的直線位移傳感器之間產生一個相對值，經PID 運算處理后，向料門升/降電磁閥發出開關信號，在料門油缸升/降的過程中，直線位移傳感與超聲波傳感器產生的相對值與最初設定參數的相對值相等時，控制器停止對料門升降電磁閥發出信號，由此而形成一個閉環系統。在同步封層設備工作運行過程中，車載重逐漸減少，底盤也因為上裝重力減小的作用慢慢升高時，噴嘴對于地面的相對位移增加/減少的時候，電控系統循環執行上述的閉環系統，使這個過程中噴嘴離地的距離始終保持最初設定的固定值H，這樣就能滿足不論整車載重多少，瀝青的灑布始終能滿足三重疊的灑布效果。

液壓系統是調節瀝青噴灑管高度的執行部分，其工作原理圖如圖4。

此調節裝置的液壓系統采用恒壓變量系統。各部分組成如圖4，其中液壓泵6 為恒壓變量泵，能保證灑布桿提升油缸14 動作時沒有溢流損失，是節能系統。溢流閥9 是防止液壓泵6 集成閥失效時的安全閥，采用疊加式安裝方式，通徑為6。節流閥10 是螺紋插裝閥，在調試灑布桿提升油缸時，調節節流閥螺紋，在油缸移動速度滿足要求后不再調節。電磁換向閥11 為三位四通電磁閥，采用疊加式安裝方式，中位機能為O 型，通徑為6，電參數是24 V 直流，油缸的往復運動靠其調節。液壓鎖12 為疊加式安裝方式，其作用是在灑布桿提升油缸下降到一定高度后保證要求高度不再變化。集分流閥13 是五五集分流閥，目的是保證左右灑布桿油缸能同步動作。灑布桿提升油缸14 總共2 根，均為雙作用油缸，左右灑布桿通過機械和液壓同步保證動作同步性。

圖4 液壓系統工作原理圖

具體動作過程:發動機取力器帶動液壓泵轉到正常工作轉數，在同步碎石封層車準備灑布工作時，電磁閥11 的Y1 電磁鐵得電，液壓油從灑布桿提升油缸14 的無桿腔進油，灑布桿提升油缸做下降動作，當運動到所需高度時，電磁閥失電，液壓鎖鎖住油缸，保證高度位置不變化;在同步碎石封層車準備運輸行駛時，電磁閥11 的Y2 得電，液壓油從灑布桿提升油缸14 的有桿腔進油，灑布桿提升油缸做上升動作，上升到所需高度時，電磁閥失電，液壓鎖鎖住油缸，保證高度位置不變化。

3 結論

通過對同步碎石封層設備的深入研究，提出了瀝青灑布裝置的在灑布過程中的不足之處并加以優化設計，提高瀝青灑布的均勻度，從而提高了路面的使用性能。優化設計的裝置包含電控部分和液壓部分，電控部分實現對液壓和灑布管的控制，通過在灑布管上安裝超聲波傳感器發射距離信號，經主控室接收處理，將信號發送給電磁閥，驅動液壓缸上下運動，從而調節瀝青灑布管距地面的高度來保持瀝青灑布管距地面穩定的高度，最終目的是實現瀝青灑布三重疊的穩定效果，經過優化的裝置，使原來瀝青灑布與設備載重變化而引起的橫向不均勻得到大大的提升，增強了瀝青灑布效果，從而提高了路面性能。

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