基于瀝青攤鋪機脈沖梁系統(tǒng)的研究與測試

王世旺，鄒明山，肖 春

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

熨平板是攤鋪機的工作單元，熨平板的功能主要是將攤鋪寬度范圍內(nèi)的攤鋪材料均勻壓實，攤鋪出致密平整的道路。熨平板壓實系統(tǒng)通過對攤鋪料的預(yù)壓實，使攤鋪層達到盡可能理想的壓實效果，從而將后續(xù)壓路機對攤鋪層壓實的影響減少至最低[1]。

攤鋪機熨平板脈沖梁（一種比攤鋪機振搗器搗實頻率大很多的裝置，其功能是產(chǎn)生一個高頻率的垂直方向上的上下往復(fù)運動）就是一種特殊的壓實系統(tǒng)，主要對經(jīng)過振搗器初步搗實和熨平板底板熨平后的路面起二次搗實和路面修光的作用，由于此裝置對提高攤鋪后路面的光潔度和密實度有非常大的作用，通常在國外某些高端的瀝青攤鋪機上都裝有此類裝置。

1 脈沖梁使用特點

近年來，隨著高速公路建設(shè)里程的飛速增長，各種新的施工工藝和方法層出不窮，其中超寬度攤鋪和大厚度攤鋪就是其中比較常見的范例，尤其是大厚度攤鋪，這種施工工藝的趨勢在客戶端越來越明顯，對攤鋪機的預(yù)壓實能力和隨后雙鋼輪壓路機的壓實能力提出了較大的挑戰(zhàn)，就目前雙鋼輪壓路機的市場發(fā)展趨勢，12t壓路機已不再是市場的寵兒，越來越多的客戶偏愛于13t和14t級別的鋼輪壓路機，這不僅僅表現(xiàn)在作業(yè)效率的提高上，最重要的是表現(xiàn)在壓實能力的提高，可以在確保壓實質(zhì)量的基礎(chǔ)上，減少壓實遍數(shù)，進一步提高作業(yè)效率和經(jīng)濟效益，而攤鋪機預(yù)壓實能力的好壞，直接關(guān)系到后面的壓路機的壓實質(zhì)量，熨平板脈沖梁的出現(xiàn)恰恰滿足了這一需求[2]。

在國內(nèi)，脈沖梁也被稱為熨平板“壓實梁”，一般設(shè)置于熨平板的后方，并有“單壓實梁”和“雙壓實梁”兩種結(jié)構(gòu)（見圖1）。雙壓實梁熨平板，即便在厚度攤鋪工作中，仍然能實現(xiàn)良好的預(yù)壓實效果，適用于粒徑過大（粗級配料）或粘稠度很大的難于壓實的攤鋪料，適用于大半徑區(qū)域范圍內(nèi)的施工，大大降低了對雙鋼輪壓路機壓實能力的要求。

圖1 脈沖梁結(jié)構(gòu)示意圖

單壓實梁熨平板，其預(yù)壓實效果不如雙壓實梁熨平板，通常用于拼裝式熨平板，實現(xiàn)長距離，大寬度且攤鋪寬度不變的攤鋪作業(yè)，適用于大半徑區(qū)域范圍內(nèi)的施工，可降低對壓路機壓實的要求。

就目前國際國內(nèi)攤鋪機行業(yè)常用的熨平板結(jié)構(gòu)，一般分兩種：a）由單振搗＋雙壓實梁組成的熨平板系統(tǒng)；b）由雙振搗＋偏心振動組成的熨平板系統(tǒng)。此外也有雙振搗＋雙壓實梁熨平板的相關(guān)文獻報道，但這種結(jié)構(gòu)目前使用非常少，這種組合的壓實系統(tǒng)使得熨平板的重量增大，用在瀝青攤鋪機上的可能非常少，而一般雙振搗的熨平板多見于穩(wěn)定土攤鋪機。

2 脈沖梁的結(jié)構(gòu)形式

在已經(jīng)見報的文獻中，筆者搜索了期刊網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，中國專利和外國專利檢索數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)最常見到的，也是目前使用最為廣泛的一種脈沖梁結(jié)構(gòu)—高速脈沖油缸形式的脈沖梁系統(tǒng)（見圖2）。

圖2 液壓式脈沖梁結(jié)構(gòu)示意圖

這種液壓結(jié)構(gòu)的脈沖梁系統(tǒng)由脈沖油源、脈沖油缸、復(fù)位彈簧、刀片、刀片限位裝置和熨平板底板等組成，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是利用攤鋪機本身的液壓油源，利用控制系統(tǒng)產(chǎn)生一個頻率在60～70Hz左右，最大壓力130bar左右的液壓脈沖油源，驅(qū)動與刀片相連的脈沖油缸，刀片在熨平板底板和限位裝置的限制作用下，產(chǎn)生一個高速的上下往復(fù)壓實運動。這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的前提是具備脈沖油缸的精密制造技術(shù)及相關(guān)配套設(shè)施，而脈沖油缸體積小，且要求承受1秒鐘60多次的液壓沖擊，對脈沖油缸的制造精度和密封要求是一個極大的挑戰(zhàn)，同時這種液壓加控制的方案極大的提高了使用成本。

在已經(jīng)申請專利的文獻中，有兩種機械式結(jié)構(gòu)的脈沖梁系統(tǒng)（見圖3和圖4），在現(xiàn)有制造技術(shù)和材料技術(shù)條件下，完全有可能替代液壓方案，實現(xiàn)大范圍使用和推廣。

圖3 凸輪式脈沖梁示意圖

圖4 曲柄滑塊式脈沖梁示意圖

相比較液壓式脈沖梁，機械式脈沖梁結(jié)構(gòu)非常簡單，不存在復(fù)雜的液壓和控制系統(tǒng)，如圖3所示，凸輪式脈沖梁的壓實往復(fù)運動是由多面凸輪驅(qū)動與刀片相連的驅(qū)動桿，而由復(fù)位彈簧、振動板、連接桿、刀片和安裝板組成的彈性復(fù)位系統(tǒng)，緊密的配好了凸輪機構(gòu)的運動，其結(jié)構(gòu)簡單可靠，多面凸輪具有良好的頻率加速作用，降低了對動力源的要求。

而圖4所示的曲柄滑塊式脈沖梁，將進一步簡化機械結(jié)構(gòu)，由偏心軸、連桿座、鉸接、刀片連接座以及刀片組成曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，由于偏心軸的高速轉(zhuǎn)動，根據(jù)曲柄滑塊機構(gòu)的運動原理，其在刀片端將產(chǎn)生一個垂直方向上的往復(fù)運動，這種曲柄滑塊式脈沖梁系統(tǒng)取消了常見的彈簧復(fù)位系統(tǒng)，運動更加可靠，噪聲更小，整體更加平穩(wěn)。

氣動式脈沖梁（見圖5）的工作原理是通過活塞在汽缸內(nèi)的往復(fù)運動使活塞與下活塞之間形成氣墊，由于氣墊作用而迫使下活塞產(chǎn)生沖擊運動，進而帶動刀片產(chǎn)生一個脈沖沖擊運動，偏心輪由液壓馬達驅(qū)動，進而帶動連桿，驅(qū)動活塞向下運動，活塞正行程（即工作行程）時壓縮其與下活塞之間的密封空間內(nèi)的空氣，使之形成氣墊，隨著活塞向前推進，氣墊壓力迅速增加，推動下活塞向下運動，當(dāng)下活塞向下越過正行程孔后，氣墊壓力消失，下活塞在彈簧的復(fù)位力下，往回運動，而此時活塞也完成做功行程往回運動，從空行程孔進行空氣補償，由于活塞在汽缸內(nèi)往復(fù)壓縮空氣，汽缸內(nèi)空氣壓力周期變化帶動汽缸中的下活塞及刀片產(chǎn)生一個“錘擊”的脈沖運動，整體結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)比較成熟，在電動工具中有比較廣泛的運用，是比較理想的代替方案。

圖5 氣動式脈沖梁示意圖

從以上幾種可查文獻的脈沖梁結(jié)構(gòu)可以看出，只要滿足兩個要求：垂直方向上的往復(fù)運動，運動頻率保持在一個較高的水平（一般不低于60Hz），都可以看作是脈沖梁系統(tǒng)，從目前已經(jīng)廣泛使用的液壓式脈沖梁的應(yīng)用情況來看，基本應(yīng)用于進口產(chǎn)品上，其使用門檻相對較高，對液壓和控制有一定的要求，因此開發(fā)可以替代的技術(shù)方案是目前一個亟待解決的問題。

3 工地測試和施工效果評價

為了對攤鋪機熨平板脈沖梁系統(tǒng)有一個更加理性的分析，對其在施工中的實際效果進行更加直接的評估，筆者對在高速公路施工中的某品牌瀝青攤鋪機熨平板系統(tǒng)進行振動測試，并對其攤鋪后的瀝青路面進行密實度對比測試。

3.1 熨平板振動測試

熨平板振動測試結(jié)果見圖6～9，熨平板振動加速度統(tǒng)計表見表1。

圖6 熨平板各測點加速度實際波形圖（振搗開100%）

圖7 熨平板各測點加速度有效值波形圖（振搗開）

圖8 熨平板各測點加速度實際波形圖（脈沖梁開）

圖9 熨平板各測點加速度有效值波形圖（脈沖梁開）

表1 熨平板振動加速度統(tǒng)計表

為了準(zhǔn)確地評價脈沖梁系統(tǒng)對熨平板的影響，選擇了熨平板最遠端-邊控盒的安裝支架，沿熨平板板架到邊控盒控制面板的振動傳遞路徑，對熨平板板架，邊控盒減振塊前，邊控盒減振塊后，邊控盒面板等4處位置，分別在振搗開（脈沖梁關(guān)），脈沖梁開（振搗關(guān)）等兩種工況下，進行振動測試，以分辨熨平板的兩個主要壓實系統(tǒng)即振搗梁和脈沖梁對熨平板的影響。

從振動加速度的實際波形可以看出，當(dāng)脈沖梁打開時，熨平板板架的最大加速度峰峰值為11g左右，而振搗轉(zhuǎn)速達到最大，熨平板板架的峰值為5g左右，加速度峰值相差了2倍還多，由此可以判定，脈沖梁所產(chǎn)生的激振力比振搗所產(chǎn)生的激振力要大2倍多，同時由于其頻率比振搗的頻率大2.5倍左右，由此脈沖梁產(chǎn)生的預(yù)壓實效果應(yīng)該比振搗系統(tǒng)要好很多；從實際的有效值也可以看出，由脈沖梁引起的熨平板加速度有效值比振搗開時大許多；從能量釋放的角度，其對熨平板的影響也更大，現(xiàn)場振動測試的直觀感受——噪聲和抖動，也恰恰應(yīng)證了這一點。

3.2 路面密實度測試

為驗證脈沖梁的預(yù)壓實能力，在某高速公路施工現(xiàn)場，對某攤鋪機熨平板系統(tǒng)開脈沖梁和開振搗的工況分別進行施工密實度測試，試驗采用進口密實度測試儀器PQI301無核瀝青路面密實度儀，測試前，利用多點鉆心取樣的實際密實度數(shù)據(jù)和儀器現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對儀器的核心參數(shù)進行校正，然后采用多點平行分組端面式對50m長的瀝青路面（攤鋪底層，無壓路機壓實）進行密實度測試。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）附錄E的規(guī)定：以每天實測的最大理論密度作為標(biāo)準(zhǔn)密度。故根據(jù)拌合廠在取樣進行馬歇爾試驗的同時以真空法實測最大理論密度為2 537g/cm3，測試結(jié)果如表2所示。

表2 瀝青路面底層密實度統(tǒng)計表（未壓實）

在瀝青路面底層攤鋪后無壓路機振動壓實的情況下，對預(yù)壓實能力進行測試，根據(jù)試驗測試的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)脈沖梁的預(yù)壓實密實度比振搗梁的普遍高2%～4%不等，這也從數(shù)據(jù)方面印證了之前振動測試的結(jié)果，脈沖梁的預(yù)壓實能力的確比振搗梁要強。

3.3 施工效果觀測

在測試現(xiàn)場，筆者觀察到開動脈沖梁的熨平板除在離析等方面稍有優(yōu)勢外，更重要的是由于脈沖梁的高頻率壓實，其攤鋪的路面看上去有一種比較油光的色澤，同一種瀝青料采用不同方法攤鋪出來的路面，主觀感覺使用脈沖梁攤鋪的路面其油石比要高一些，這在后面的滲水系數(shù)測試以及路表構(gòu)造深度測試中也得到了體現(xiàn)，其表面的滲水能力較弱，局部的粗糙度也要小一些，實際施工效果見圖10、 圖11。

圖10 攤鋪底層粗料效果圖（脈沖梁開）

圖11 攤鋪底層粗料效果圖（脈沖梁關(guān)）

4 結(jié)論

通過以上的理論分析和試驗測試，可以看出，攤鋪機脈沖梁預(yù)壓實系統(tǒng)確實是一項比較實實在在的技術(shù)，其在當(dāng)前高速公路施工工藝條件下，在特定場合，其作用是不可替代的，結(jié)合脈沖梁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和熨平板的使用要求，對高性能熨平板的設(shè)計和改進有以下建議：

a）從振動控制的角度出發(fā)，熨平板增加了脈沖梁系統(tǒng)后，其振動更加劇烈，這勢必對熨平板找平支架以及邊控盒支架提出更加嚴格的減振控制要求，否則相同的減振系統(tǒng)無法承受如此劇烈的振動，容易造成找平系統(tǒng)及邊控盒電氣系統(tǒng)故障；

b）脈沖梁的結(jié)構(gòu)種類目前不多，真正廣泛應(yīng)用的液壓式脈沖梁，由于其關(guān)鍵部件——高速脈沖油缸開發(fā)等方面的難題，以及使用成本上的考慮，很難在其他中低端攤鋪機上應(yīng)用推廣，開發(fā)技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單的其他結(jié)構(gòu)形式的脈沖梁是當(dāng)前必須面對的問題；

c）與振搗或振動系統(tǒng)配對組合使用，脈沖梁系統(tǒng)可裝配在不同類型的熨平板上，以滿足高速公路或城市鄉(xiāng)村道路等不同的施工需求；

d）在當(dāng)前電子控制技術(shù)以及電動機電技術(shù)不斷進步的今天，用更加節(jié)能的電動技術(shù)方案來替代當(dāng)前的主流技術(shù)的可能性將越來越大；

e）從高速公路實際施工的效果來看，脈沖梁對粗級配的瀝青料，其施工效果的確不錯，路面顏色均勻，基本無離析現(xiàn)象，但對于高油石比的改性瀝青路面面層，存在局部泛油的現(xiàn)象，這勢必降低路面在高溫條件下的承載性能。

[1]肖梅鳳.公路瀝青路面施工技術(shù)[J].江西建材，2011，（4）：257.

[2]何昌軒.級配和壓實次數(shù)對瀝青混合料性能的影響分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報， 2011，（11）：49.