瀝青混凝土邊模鋪裝機的安裝系統設計

焦會馨，劉躍輝，彭毅

摘要：為了提高路面施工的效率和質量，采用邊模安裝技術，設計了一款瀝青混凝土邊模鋪裝機，并提出了安裝系統的總體設計方案。邊模安裝系統包括邊模出倉裝置、自動掛鉤裝置和射釘裝置。邊模出倉裝置由定位卡、出倉斜坡滑道、推塊和氣缸組成;自動掛鉤裝置主要由彈夾裝置、推動裝置、掛鉤裝置和連桿結構組成;射釘裝置由氣釘槍、定位模塊和三坐標工作臺組成。采用UG軟件對邊模安裝系統各部分結構進行三維建模，并虛擬裝配，檢驗了設計的合理性。結果表明，瀝青混凝土邊模鋪裝機的行走系統可按照施工的方向自動行走，邊模鋪裝系統可以實現邊模的自動鋪設，提高了鋪設道路的質量; 邊模安裝機工作方式相比于傳統人工鋪設方式，具有結構可靠、效率高、操作簡單、安全性能好、污染少等優點。研究成果可為未來全智能化鋪設邊模設備優化提供參考，并能結合瀝青攤鋪機應用于施工中，進一步提高鋪裝質量。

關鍵詞：路基工程;瀝青混凝土路面;邊模安裝機;邊模安裝系統;邊模掛鉤;邊模射釘

中圖分類號：U415.6文獻標識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx05007

Design of? installation system of asphalt concrete side mould

installation machine

JIAO Huixin1，LIU Yuehui2， PENG Yi1

（1.School of Mechanical Engineering， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025， China; 2.School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：In order to improve the efficiency and quality of pavement construction， the asphalt concrete side mould installation machine was designed based on the side mould installation technology， and the overall design scheme of the side mould installation system was proposed. The side mould installation system was composed of a side mould exit device， an automatic hook device and a nail shooting device， among which the side mould ejection device was consisted of a positioning card， an ejection ramp slide， push blocks and air cylinders; the automatic hook device was mainly composed of magazineclip device， pushing device， hoolc device and a connecting rod structure; the nailing device was composed of air nail gun， positioning modules and three-coordinate workbench. The 3D models of the structure of each part of the side mold installation system were built by the UG software to perform virtual assembly and the rationality of the design was verified. The results show that the walking system of asphalt concrete side mould installation machine can work automatically according to the direction of the construction and the designed side mould installation system can realize the intelligentization of side mould paving， which can improve the quality of paved roads. Compared to the traditional manual paving method， the designed asphalt concrete side mould installation machine has the advantages of reliable structure， high efficiency， easy operation， good safety performance and less pollution.The research results can provide a reference for the optimization of fully automated side mould equipment in the future.Combined with asphalt paver，the system can be applied to the construction to improve pavement quality comprehensively.

Keywords：subgrade engineering;asphalt concrete pavement;side mould mounting machine;side mould installation system;side mould hook;side mould nail shooting

隨著路面成型施工技術的發展，中國公路的總里程數已有近457萬km。其中高速公路達到12.35萬km，瀝青混凝土路面占高級公路里程的80%以上，且在國內外被廣泛應用，是公路的主要結構類型[1]，如圖1所示。瀝青路面作為一種連續且沒有縫隙的路面，具有噪音少，成本低，力學性能好，承載和減振能力強等優點，且路面便于管理和維修，施工期比較短[2-6]。

目前，鋪設路面的具體工作流程：1）先攤鋪瀝青砼面層;2）切除多余的路面;3）裝上路緣石。在實際路面施工過程中應提升瀝青混凝土路面的施工技術，以有效地減少各類公路病害發生的概率，延長路面使用壽命[7]。

第一代路緣石機是由美國生產的。路緣石滑模機技術真正成熟是在1991年，由美國工程師JOHN LEONE研制的。進入21世紀以來，箭牌機械公司生產的路緣石機，無論是整體耐用度還是施工質量均受到業界好評，且在全球知名度很高。目前，具有代表性的設備是BL-790全自動路緣石攤鋪機，采用的是錘擊方法。2004年出現了一種多功能路緣石滑模機，雖然該設備具有口滑模機的優點，但是此設備體積大，成本和配套設備要求高，故不能批量生產使用[8-10]。現階段的路面鋪裝工作仍存在著諸多問題，比如安裝路緣石時需要切除多余的瀝青砼面層，會浪費大量原材料，增加了施工成本，降低了修建道路的質量和效率[11];且目前路面施工邊模的安裝主要采用人工安裝邊模的形式，安裝速度慢，平均1～2 min安裝1條邊模，施工工期較長;同時工作人員在施工過程中很容易把在低級路面施工中的經驗和方法照搬到高速公路路面的施工中來，從而造成安裝質量差以及工作人員的安全問題[12-15]。

為了解決人為和環境帶來的影響及問題，筆者設計了新型邊模鋪裝機。此設備用來對瀝青混凝土路面邊模進行自動化安裝，采用邊模安裝系統改善了傳統邊模安裝過程的缺點，可省去切割邊緣的工作，通過將邊模鋪設在路基兩側邊緣的工藝，能夠直接獲得順直度高的路面邊緣結構，為后續施工提供方便。第5期焦會馨，等：瀝青混凝土邊模鋪裝機的安裝系統設計河北工業科技第38卷

1總體結構及工作原理

瀝青混凝土邊模鋪裝機的行走系統可以自動識別并按照人工提前規劃好的路線和施工的方向自動行走;邊模安裝系統能自動邊模鋪設，安裝時要確保2個相鄰的邊模掛鉤連接，并用射釘槍將其固定在地面上。

邊模行走系統主要是車體裝置。車體裝置主要包括前車架、后車架、行走電機和轉向電機。邊模鋪裝機的安裝系統主要設計部件有邊模出倉、掛鉤和射釘3部分。出倉裝置主要包括定位卡，出倉斜坡滑道裝置，底部架子，推塊，肋邊模塊等;自動掛鉤裝置主要包括彈夾裝置，推動裝置，掛鉤裝置等;射釘裝置主要包括氣釘槍、定位模塊、氣缸、三坐標工作臺（即x，y，z方向推動裝置）以及扳機觸動裝置。利用UG軟件畫的邊模三維圖，如圖2所示。此外，邊模安裝系統也離不開空氣壓縮機，空氣壓縮機是本設計系統的動力源。空氣壓縮機根據推動裝置動力的大小來進行型號的選擇，安裝在邊模鋪裝機上。出倉，掛鉤和射釘3大裝置共同安裝在行走系統的同一側，一般為左側。

路面邊模機的工作流程：首先把邊模安裝系統安裝在行走系統的車架上，行走系統進入路面后沿著路面上提前畫好的線行走;然后將邊模依次放下進行連接（如圖3所示），完成掛鉤動作;最后由定位模塊確定好釘孔位置后，使用射釘槍進行射釘完成固定。重復上述步驟，直到鋪路工作完成。

利用UG軟件畫的本設計總體結構三維圖如圖4所示。邊模安裝系統的工作原理如下。邊模從上端開口處進入到邊模倉結構中，落下的邊模從邊模倉下方開口出倉。當邊模出倉后，邊模被氣缸頂起，然后邊模被推動往滑道下方移動，移動至2個相鄰邊模的掛鉤正好相對齊，然后邊模落下掛鉤就會扣住，從而這2個相鄰的邊模就連接在一起，完成掛鉤動作。邊模完成掛鉤之后，穩定性差，因此需要通過射釘在釘孔處進行固定[16]。此邊模安裝系統的結構很大程度上降低了施工人員的工作量，也能很好地控制施工時間及速度，邊模安裝速度可達每分鐘4條，相比人工安裝邊模速度快了8倍，提高了工作效率和工作質量[17]。

2邊模安裝系統的詳細設計

2.1邊模出倉結構的設計

邊模倉是由干板焊接形成的，邊模底板放置在邊模倉的外邊，邊模從邊模倉上端進口進入，從下端開口出倉。由于開口大小和邊模寬度的限制，所以每次只能保證有1個邊模出倉。側面推動裝置安裝在邊模擋板的前部分（以車頭為準），氣缸、固定裝置、滑塊等部分與邊模出彈夾的推動裝置相同，但側面推動裝置中氣缸的行程比較小，需要動力就小，其主要任務是完成邊模的側面運動。

當邊模準備出倉時，氣缸帶動推塊進行運動，將邊模倉最下方的邊模推到滑道上;當氣缸推出邊模并縮回來后，在邊模倉中的邊模就會受到重力的作用而往下移動，為下一次的出倉做好準備。出倉裝置如圖5所示。

當邊模完成掛鉤之后，邊模將會沿著出倉斜坡滑到底面，然后再完成射釘動作，斜坡滑道裝置如圖6所示。斜坡滑道上安裝了4種氣缸。出倉裝置緊緊地連接著邊模擋板，協助完成邊模掛鉤，同時它也連接著掛鉤和射釘兩部分。因為斜坡兩側的寬度會比邊模兩側寬度稍大，因此斜坡會對邊模產生側向約束力，同時斜坡的坡度較緩，有利于邊模的平穩滑落。

當邊模從滑道落下時，邊模進入肋邊模板中（如圖7所示），但此時邊模在肋邊模板中的位置發生了移動，所以需要擺正邊模在肋邊模板上的位置。因此在肋邊模板外板下部裝上2個氣缸，通過這2個氣缸給氣體施加壓力，從而產生動力推動邊模向肋邊模板里側移動，使邊模貼住肋邊模板內側，固定邊模的位置，最后邊模進入射釘模塊里，使其固定在地面。

2.2邊模掛鉤部分的設計

彈夾裝置的主要組成材料是熱軋鋼板和角鋼，其結構簡單且實用，采用開放式的結構是為了滿足工作需要的同時盡量節約原材料，保證設計的經濟性。圖8為彈夾裝置示意圖，彈夾高度為410 mm，每次最多可以同時裝載11個邊模，可以滿足掛鉤過程和射釘過程。邊模的厚度為45 mm，彈夾的內部寬度為50 mm，既可以防止由于彈夾內部寬度過大而造成的邊模不穩定，也更加利于邊模工作。制造彈夾裝置的材料為角鋼，其截面為兩邊互相垂直成直角形的長條鋼材[18]。

出彈夾的推動裝置主要部分為氣缸，如圖9所示，用于完成前進和后退2個動作，除此之外推動裝置還有氣缸支撐裝置和用于前后行走的導軌，如圖10所示。該推動裝置的寬度是邊模寬度的1/2，可以平穩地將邊模推到邊模擋板上。該推動裝置上表面是平整的，這樣有利于推動裝置后退動作的完成，為下次動作做準備。

為保證邊模按順序排列并能夠穩定連接，使用掛鉤裝置將相鄰兩邊模的掛鉤相扣進行連接。由于2個相鄰邊模的掛鉤方向相反，連接時，需要將其中的1個邊模抬起來。總體來看，邊模的掛鉤動作主要有正面推出、向上抬起、側面推出、向下落料4部分，前面的出彈夾裝置和出倉裝置分別完成了正面推出和側面推出1個部分，下面主要介紹向上抬起和向下落料2個動作部分的推動裝置。

進行掛鉤動作的推動裝置大體結構和部件與出彈夾的推動裝置基本相同，主要區別在于這部分推動裝置需將前后運動變為上下運動，所以設計增加1個楔塊和1個滾動軸承，利用楔塊的斜面和滾動軸承的配合，將推動裝置的前后運動變為上下運動。綜上所述，在上下推動裝置的作用下，將邊模的一端抬起，在側面推動裝置的作用下，將預掛鉤的邊模推到上一個邊模側面，然后掛鉤裝置完成向下運動，邊模落下2個相鄰邊模的掛鉤相互扣住，便實現了2個相鄰邊模的掛鉤過程，掛鉤裝置如圖11所示。

2.3邊模射釘部分的設計

采用射釘槍進行射釘，將邊模固定在地面上。射釘槍打釘的動力是用空氣壓縮機壓縮空氣來提供的，所以必須對空氣壓縮機進行嚴格要求和詳細計算，空氣壓縮機工作原理與水泵類似，主要依據系統的工作壓力和流量2個參數。當活塞上邊的氣壓大于下邊的時候，活塞下降。反之，活塞會保持不動，因此需要壓縮空氣來使活塞進行移動。射釘槍的三維圖如圖12所示。

射釘槍是單獨的裝置，與架子相連。架子的三維圖結構如圖13所示。采用4個M6的螺釘，讓射釘槍前部固定在架上。

射釘槍僅前部固定并不穩定，因為在行走時射釘槍會產生慣性力和驅動力，會造成射釘槍發生晃動，所以必須增加1個能把射釘槍中間部分與架子連接起來的裝置。射釘槍的中部是人工手握的地方，為圓柱體形狀。因此設計1個夾具將射釘槍固定在架子上，避免射釘槍發生晃動，如圖14所示，夾具為長方形的形狀。該夾具分為2個部分，其合起來中間是空的，空的部分正好和射釘槍把手部分套在一起，用螺栓連接夾具的2個部分，再用螺栓固定夾具和架子。圖15為射釘裝置的結構簡圖，用夾具和射釘槍前部相連射釘槍和架子。

3結語

瀝青混凝土邊模鋪裝機是用來鋪設路面邊模的設備，筆者對鋪裝機邊模安裝系統的各個部件進行了設計，安裝機采用自動循跡行走系統，能夠自動識別并沿著所畫好的線行走，可實現自動邊模鋪設;然后再將邊模依次放下進行連接，完成掛鉤動作，最后由定位模塊確定釘孔位置后，使用射釘槍進行射釘固定，完成邊模安裝。

邊模安裝系統具有以下優點：1）提高了生產效率，加快了鋪設邊模的速度;2）省去了切邊動作，提高了鋪設道路的質量;3）密封邊模的高低可以通過直體塊疊加的方式來改變，適用于各種厚度的路面;4）彈夾容載大，1次可同時裝載11個邊模;5）系統確保了安裝的順直度。

本設計雖然可以提高鋪設道路的效率與質量，但是考慮到不同公路狀況，設備暫時不能實現急轉彎的邊模固定，今后會將設計重點放在研究不同路況的邊模固定上。

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