寬幅攤鋪機螺旋分料器轉速對分料質量的影響

姜　婉　朱振東

1.東南大學，南京,211189　　2.徐州工程機械集團有限公司，徐州,221000

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寬幅攤鋪機螺旋分料器轉速對分料質量的影響

姜婉1朱振東2

1.東南大學，南京,2111892.徐州工程機械集團有限公司，徐州,221000

針對目前我國寬幅攤鋪機在工作時由于螺旋分料器沿寬度方向上下料量分布不均勻，導致攤鋪機不能連續工作，攤鋪效率低下的現狀,建立了螺旋分料器的仿真模型。提出了通過評價每個螺距橫截面質量流量來研究螺旋軸轉速對徑向下料量影響的方法，同時建立了螺旋軸轉速、攤鋪機前進速度和刮料板速度模型，實現三者的有效匹配，從而改善分料質量，提高路面攤鋪的效率。

螺旋分料器；分料質量；建模仿真；轉速

0　引言

瀝青混凝土攤鋪機在路面的寬度、厚度、平整度、拱度、壓實度等方面要求得到保證的情況下，可完成道路的瀝青混合料攤鋪，并利用熨平裝置初步搗實和熨平路面。應用攤鋪機可以加快施工進度，提高鋪筑路面的質量，因而已經成為瀝青混合料攤鋪作業的專用機械[1-2]。

隨著我國道路建設事業的迅速發展，道路的寬度在逐漸增加，小型攤鋪機工作效率低，而且容易在相交處形成縱向離析帶，所以現在攤鋪機開始向寬幅攤鋪機發展。然而，隨著攤鋪機寬度的增加，螺旋分料器在寬度方向上分料量的均勻性難以保證，導致攤鋪機走走停停，不能連續工作，攤鋪效率低下。所以研究螺旋分料器的結構和工作參數對分料質量的影響對于改善分料效果，提高路面攤鋪效率和質量，減少經濟損失有重要意義。

作為攤鋪機的主要工作裝置，螺旋分料器的功能是以保證瀝青混合料的均勻性為前提，將混合料均勻分布到熨平板前要求的攤鋪寬度上[3]。對于螺旋分料器，很多國家已經開展了相關的研究工作。1997年，美國瀝青路面協會提出了一些方法來減少路面的離析。1999年，加拿大針對瀝青路面的離析問題，提出了將構造深度比作為評價離析程度的指標。2000年，美國國家交通研究委員會成立“熱拌瀝青混合料路面離析”研究項目[4]。2009年，Owen等[5]運用離散元的方法對螺旋分料器中顆粒運動進行了更深層次的研究。岳作強[6]使用計算流體力學仿真了螺旋布料器的輸送過程。目前國內外學者對瀝青混合料的離析問題研究較多，關于攤鋪機攤鋪均勻性的研究主要為瀝青混合料的混合均勻性研究，而對于沿攤鋪寬度的徑向離析則少有研究，關于瀝青混合料在螺旋分料器內沿螺旋軸方向的徑向下料量的均勻性以及螺旋轉速、攤鋪速度和刮料板速度三者的有效匹配的研究更是鮮有涉及。

本文參照某企業提供的瀝青混凝土攤鋪機螺旋分料器，研究了寬幅攤鋪機螺旋分料器的結構和工作原理，探討了螺旋分料器的結構和工作參數對分料質量的影響；應用FLUENT軟件對螺旋分料器內瀝青運動情況進行了模擬仿真，重點分析了螺旋轉速對螺旋分料器沿螺旋徑向下料量的影響，并探討了螺旋軸轉速、攤鋪機行走速度和刮料板速度之間的關系，為改善寬幅攤鋪機在徑向方向上瀝青混合料攤鋪的均勻性和穩定性及攤鋪施工技術提供了可靠依據。

1　螺旋分料器的結構及工作原理

1.1螺旋分料器的結構

螺旋分料器是瀝青混凝土攤鋪機的重要部件。瀝青混合料從刮料板(圖1中分料槽兩端的空白區域)流入，經過螺旋分料器對混合料進行輸送與分料[7-9]。攤鋪機螺旋分料器是一種半開放式結構，一般采用等直徑等螺距設計，由裝有螺旋葉片的螺旋軸和分料槽組成。螺旋軸通過軸承安裝在分料槽兩端的軸承座上，一端軸頭和驅動裝置相連。當螺旋軸較長時，螺旋軸中間一般加裝吊桿與吊掛軸承，如圖1所示。目前螺旋分料器都采用獨立的液壓傳動，螺旋轉速可根據實際工況獨立調節，料位高度一般通過料位傳感器自動控制。

1.吊桿　2.螺旋葉片　3.分料槽　4.刮料板　5.螺旋軸圖1　螺旋分料器結構

1.2工作介質

螺旋分料器的主要工作介質是瀝青混合料。瀝青混合料是將瀝青與礦物質混合料在專用設備中加熱拌和而成，是一種復雜的多成分材料。按材料組成及結構可分為連續級配混合料和間斷級配混合料。其出廠溫度至攤鋪溫度一般在130～160 ℃，兼具胡克彈性與牛頓黏性流體的雙重性質。瀝青混合料具有較大的稠度和塑性、足夠的溫度穩定性和較好的大氣穩定性及水穩性[10]。

1.3螺旋分料器的輸送機理

與通常的封閉式螺旋輸料器將物料全部輸送情況不同，在保證瀝青混合料均勻性的前提下，螺旋分料器向螺旋軸兩端輸料的同時，由于重力作用沿徑向下料，最后將物料均勻地分布于熨平板前的整個寬度上。螺旋分料器工作時，螺旋軸轉動帶動螺旋葉片旋轉，螺旋葉片對分料槽內瀝青混合料有法向推力。在其徑向分力和螺旋葉片與物料的摩擦力作用下，混合料會繞軸轉動，但由于混合料自身的重力和分料槽與物料的摩擦力的作用，實際混合料并不隨螺旋葉片轉動。在其軸向分力的作用下，混合料從分料槽中部向兩端輸送，同時由于重力作用沿螺旋軸下料。螺旋分料器在輸送物料的過程中，物料的運動由于受到旋轉螺旋的影響，它的運動并不是單純的沿著軸線做直線運動，而是沿螺旋軸做空間運動[11]。為了保證攤鋪均勻性，沿軸向每段下料量應該相等，因此，不同位置的螺旋應有不同的輸料能力。

2　螺旋分料器的仿真與分析

2.1螺旋分料器仿真模型

瀝青混合料從刮料板進入螺旋分料器后，混合料量就不再發生變化，此時混合料就會在螺旋分料器的作用下不斷地在不同的螺距位置上落到地面。從開始進料到混合料全部落到地面的過程中，混合料的料量在不斷地減少。

因為螺旋分料器是左右對稱機構，所以本文只取其中一半進行分析。螺旋分料器的相關結構和工作參數如表1所示。

表1　螺旋分料器基本結構參數　mm

(1)建立三維模型。考慮到網格質量，將一些小的特征刪除，在單個螺旋葉片簡化之后，將螺旋葉片和螺旋軸組裝起來，建立的三維幾何模型如圖2所示。

圖2　螺旋分料器幾何模型

(2)建立CFD網格模型。將在Pro/E中建好的幾何模型導入到HyperMesh里，根據流體模型，進行相應的布爾運算，然后進行網格劃分，檢查網格質量，直到滿足要求，之后，再進行邊界條件的定義，進出口位置如圖3所示。劃分好的網格單元數為351萬，節點數為60萬，網格模型如圖4所示。

圖3　仿真模型進出口位置示意圖

圖4　螺旋分料器網格模型

2.2螺旋分料器仿真計算及結果分析

通過以上的網格劃分及對邊界定義劃分后，將模型導入FLUENT軟件進行數據分析。對螺旋分料器建立仿真模型，首先確定模型所需條件：①流場是穩定的且處于恒溫狀態；②壁面采用無滑移邊界條件，同時物體處于層流狀態；③考慮重力的影響；④流體是均勻的單相體。

工作介質為均勻的瀝青混合料，它的物性參數為：密度1900 kg/m3，黏稠度0.44 Pa·s。瀝青混合料進入螺旋分料器時的速度為0.4 m/s，物料在最末端的壓力為0，螺旋軸的轉速分別為10，30，50，70，90 r/min。通過CFD網格模型，將上面定義為入口，側面定義為出口，入口使用速度入口，出口使用壓力出口。計算與螺旋軸垂直的面的質量流量，以該物理量來描述螺旋分料器在攤鋪寬度上的均勻性，如圖5所示。

圖5　螺旋分料器截面質量流量取值點

模型中從距離最左端0.30 m處開始有螺旋，故在0.3 m處開始取值；考慮到在吊桿之前有5.5個螺距，先在第一個取值點后0.5個螺距(0.18 m)處取值，即在0.48 m處取值，之后每隔一個螺距(0.36 m)取值；在2.28～2.49 m這一段處有吊桿，螺旋不連續，在2.28 m和2.49 m處取值；緊挨著吊桿的那段螺旋的螺距為0.22 m，在2.71 m處取值；然后再每隔一個螺距取值。因為模型中刮料板的寬度為0.855 m，入口長度定為0.855 m，故在0～0.855 m有瀝青混合料流入，則在0～0.30 m、0.30～0.48 m、0.48～0.84 m、0.84～1.20 m這幾段的質量流量等于流過前后兩個截面質量流量的差值加上流入這一段的質量流量；從0.855 m之后，每段的質量流量為流過前后兩個截面質量流量的差值。

經過計算，可以得到螺旋分料器在每一段上的質量流量，因為每一段的距離不是一個定值，故對其進行單位化，得到的數據如圖6所示。

圖6　螺旋分料器徑向質量流量分布圖

螺旋分料器沿軸向的攤鋪均勻性指的是螺旋分料器在每段螺旋上下料量是相同的，故為了更好地反映在每段上下料的離散程度，使用方差來描述。經計算，螺旋分料器徑向質量流量的方差如表2所示。

表2　螺旋分料器徑向下料量在不同轉速下的方差值

從以上數據和圖表可以看出：

(1)螺旋分料器的轉速對螺旋分料器徑向下料量有著很大的影響。在前三段(Ⅰ)、中間三段(Ⅱ)和最后兩段(Ⅲ)，轉速的影響表現得尤為突出，這表明在分料槽下方、中間吊桿位置、攤鋪最邊緣處受轉速的影響最大。

(2)當螺旋轉速較小時，螺旋分料器在分料槽處和距離分料槽較近處下料較多，而在攤鋪邊緣處下料較少，沿軸向呈遞減的趨勢，這將導致攤鋪道路中間下料多，攤鋪厚度較大，而攤鋪邊緣下料少，攤鋪厚度較小，影響道路的平整度。

(3)當螺旋轉速較大時，螺旋分料器在距離分料槽較近處下料很少，幾乎沒有下料，中間支承桿位置下料較多，在攤鋪邊緣處下料很多，即道路中間瀝青混合料很少，而大量的瀝青混合料堆積在邊緣處，必須要攤鋪機停止行走，利用人工將邊緣的瀝青混合料向中間攤鋪，這必將導致攤鋪機不能連續工作，嚴重影響工作效率，同時也將造成攤鋪道路的不平整，影響攤鋪質量。

因此，選擇合適的螺旋轉速對于徑向分料質量有著至關重要的影響。轉速較低，道路中間高而兩邊低；轉速較高，大量的瀝青混合料堆積在邊緣，影響道路的平整度和工作效率。要想保證螺旋分料器在徑向分料的均勻性，在本模型中，應該選擇螺旋軸轉速為30 r/min。

3　螺旋轉速、攤鋪速度和刮料板速度對分料質量的影響

螺旋轉速、攤鋪速度和刮料板速度的有效配合能夠使得攤鋪穩定，而目前我國的攤鋪機普遍存在著施工時攤鋪機行走速度、螺旋分料器轉速、刮料板速度三者不能很好匹配的缺陷，這就導致攤鋪機工作時行走速度不穩定，走走停停，嚴重影響工作效率和攤鋪質量。因此施工時攤鋪速度、螺旋分料器轉速、刮料板速度三者的有效匹配，會有利于瀝青混合料運動的平穩性和混合料的均勻性，使得瀝青混合料在三者的速度下能夠平穩地向兩端向下流動，減少粒料的離析，對整個瀝青路面的質量起著至關重要的作用。

3.1攤鋪速度模型

瀝青路面施工中，攤鋪機是整個機群的主要機械，它的前進速度決定整個工程在攤鋪工藝上的進度，但攤鋪速度的選擇不能為了快速施工就沒有根據地提速，應該跟其他兩個速度相互協調，保證道路的質量。

假設如下：①瀝青混合料運送及時，混合料流穩定；②瀝青混合料料源充足且均勻穩定；③攤鋪機正常、穩定工作，前進速度保持不變。

流入攤鋪機的瀝青混合料的質量流量，即自卸汽車向攤鋪機卸的瀝青混合料質量流量等于拌和機的有效生產能力：

qm1=QK1

(1)

式中，qm1為自卸汽車向攤鋪機卸的瀝青混合料質量流量，t/h；Q為拌和機的產量，t/h；K1為機械聯合作業系數，依實際情況而定。

流出攤鋪機的混合料的質量流量等于已經壓實好的瀝青混合料的質量流量：

qm0=60BHv1rT

(2)

式中，qm0為攤鋪的瀝青混合料質量流量，t/h；B為攤鋪寬度，m；H為攤鋪層壓實成形后的平均厚度，m；v1為攤鋪機攤鋪速度，m/min;rT為壓實后瀝青混合料鋪層的密度，t/m3。

流出攤鋪機的混合料的質量流量等于流入攤鋪機的瀝青混合料的質量流量：

qm1=qm0

(3)

則

(4)

3.2刮料板速度模型

刮料板的傳送速度決定了分料槽中單位時間混合料的供給量，該供給量可根據實際情況適當調整，以滿足攤鋪要求。

假設如下：①攤鋪機料斗中的瀝青混合料充足且穩定；②攤鋪機的刮料板工作正常、穩定，且保持刮料速度不變。

流入刮料板的瀝青混合料的質量流量應該等于流出刮料板的瀝青混合料的質量流量，即

qm2=60K2Alv2rs

(5)

式中，qm2為流入刮料板的瀝青混合料的質量流量，t/h；K2為通過刮料板上通道的截面有效混合料的充盈系數；Al為刮料板上通道有效截面積，m2；v2為刮料板線速度，m/min；rs為未攤鋪前松散瀝青混合料密度，t/m3。

流入刮料板的瀝青混合料的質量流量等于拌和機的有效生產能力：

qm2=qm1

(6)

則

(7)

3.3螺旋軸轉速模型

螺旋軸的轉速決定了向地面輸送混合料的質量和數量。

假設如下：①螺旋分料器的轉速保持穩定不變；②混合料的供應充足且穩定；③料槽中的瀝青混合料穩定且全埋。

流入分料槽的瀝青混合料的質量流量等于螺旋分料器的生產能力：

qm3=120K3AsSnrs

(8)

式中，qm3為分料槽中流動的瀝青混合料的質量流量，t/h；K3為通過螺旋分料器布料的有效系數；As為螺旋片有效截面積，m2；S為螺距，m；n為螺旋分料器的轉速，r/min。

流出攤鋪機的混合料的質量流量等于已經壓實好的瀝青混凝土的質量流量：

qm3=qm0

(9)

則

(10)

3.4攤鋪機行走速度、刮料板速度和螺旋轉速的匹配

瀝青路面施工時，攤鋪機作業過程中攤鋪機行走速度、刮料板速度和螺旋轉速之間存在密切關系，互相影響制約[12]。攤鋪機行走速度、刮料板速度和螺旋轉速的有效配合能夠使得攤鋪作業質量穩定，減少混合料離析，提高攤鋪效率。

對于特定的瀝青路面攤鋪工程而言，攤鋪機的前進速度決定整個工程在攤鋪工藝上的進度，螺旋軸的轉速決定了向地面輸送混合料的質量和數量。工程實踐表明，由于攤鋪機行走速度太快，造成許多質量缺陷，如表面大量裂口、拉溝，預壓實度降低，攤鋪層混合料疏密不均勻等。實際上，攤鋪機行走速度是首先需要考慮確定的，由式(4)可初略估算，根據實際材料供應、運輸能力等配套情況確定。

根據螺旋軸轉速、攤鋪機前進速度和刮料板速度模型可以得到：

(11)

可根據式(11)確定刮料板的速度。

實際施工中，分料槽中單位時間混合料的供給量與刮料板傳送速度有關，該供給量可根據實際情況適當調整，以滿足攤鋪要求。根據實際材料供應、運輸能力情況確定攤鋪機前進速度后，保持作業速度的穩定，可根據式(10)確定螺旋轉速的范圍，實際工作中轉速確定可依實際攤鋪情況及分料器內的瀝青運動情況作相應調整。

按照上述方式，理論結合實際，從工程的實際情況出發，將螺旋軸轉速和攤鋪機前進速度有機結合，首先選取一個較合理的攤鋪行走速度，并結合刮料板供給量和螺旋分料器轉速，使得混合料能夠及時均勻地攤鋪到地面。

4　結語

本文針對目前我國寬幅攤鋪機螺旋分料器在工作時沿徑向下料量分布不均勻，不能連續工作，攤鋪效率低下等問題，研究了螺旋分料器的結構、工作原理，建立了螺旋分料器的仿真模型，應用FLUENT軟件模擬螺旋分料器內瀝青混合料的運動情況，首次提出采用通過截面質量流量的評價指標分析螺旋分料器沿螺旋軸下料量，重點分析螺旋轉速對徑向下料量的影響，確定了現有模型的最佳轉速。同時建立螺旋軸轉速、攤鋪機前進速度和刮料板速度模型，實現三者的有效匹配，從而改善分料質量，提高路面攤鋪的效率。

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(編輯王艷麗)

Impacts Wide Paver Screed Conveyor of Speed on Dosing Quality

Jiang Wan1Zhu Zhendong2

1.Southeast University,Nanjing，211189 2.XCMG Construction Machinery Co.,Ltd.,Xuzhou，Jiangsu，221000

At present, due to the uneven distribution of feeding amount across the width from spiral distributor, the Chinese wide paver could not work continuously and resulted in paving with low efficiency. Considering the unevenness of distribution in the required width, this paper established the modeling and simulation, and proposed an approach which might reflect the influences of the screw shaft rotational speed on the feeding amount across the width by evaluating the mass flow of the cross sections. Meanwhile, the paper established the models of the paver’s advancing speed, the scraper plate speed and the screw speed, and achieved the effective matching, so as to improve the dosing quality and the efficiency of paving.

screed conveyor; dosing quality; modeling and simulation; rotating speed

2015-11-25

江蘇省科技支撐計劃資助項目(BE2014133)；江蘇省前瞻性聯合研究項目(BY2014127-01)

U415.52

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.19.008

姜婉，女，1991年生。東南大學機械工程學院碩士研究生。主要研究方向為結構動態優化與設計。朱振東，男，1965年生。徐州工程機械集團有限公司高級工程師。