摊铺机找平技术及施工方法浅析

冯坤鹏

摘 要： 随着国家道路建设的发展，摊铺机的使用也越来越广泛。尤其高速公路需求日益增长，为追求施工的高效性，对施工机械的整体性能要求相应也越来越高，在面层施工时更是如此，能满足这种高效施工的机器设备就显得尤为重要。

关键词：摊铺机 自动找平 摊铺机施工

摊铺机作为公路面层施工的重要设备之一，对路面的平整度有着直接且重要的影响，因此我们有必要对摊铺机找平系统进行深入的分析，这将是正确理解和合理应用摊铺机找平技术进而保证高质量施工以及在设计制造时保证摊铺机品质的基础。

一、找平基本原理

图一

上图是对摊铺机工作原理的简单描述：当找平油缸上下动作行程为H时，熨平板底板相对抬高h，从而改变仰角大小，最终实现摊铺层厚度的变化。这就是摊铺机找平的基本过程，为了便于详细分析整个找平过程，通常我们将其分为两种类型：1，自找平；2，自动找平。由于本身的结构特征，摊铺机本身就具有一定的找平效果，我们可以将其称为平地机找平原理在摊铺机上的再现（见《现代公路施工及施工机械》），我们机器的这种特性称作自找平。但这种找平方式的效果是远远不能满足高等级公路施工要求的。因此出现了后一种找平方式：自动找平。它是在前者的基础上增加了自动找平控制器以及相应的液压控制回路，借助现代液压技术和电子控制技术使得摊铺机的施工质量大大增加，并在高等级公路施工中成为摊铺机不可缺少的配置之一。但无论是自找平还是自动找平，最终还是通过自找平机理来改变摊铺层厚度的，因此，为了对摊铺机找平原理充分了解，下面我们就上面所提到的两种找平方式分别进行详细分析

二、自找平

从整个机理来看，自动找平是在自找平的基础上，增加了对找平油缸的自动调节功能，因此我们有必要对自找平机理做一下详细研究。为了方便分析，我们可将施工过程做以下假设：1、假设摊铺的物料摊鋪前在空间上是均匀分布的的；2、在施工过程中摊铺机保持匀速前进。施工过程中物料由料斗被刮料板及螺旋粉料器不断输送到摊铺机料槽后，熨平板跟随主机向前匀速运动，对物料进行振捣压实及熨平。根据相对运动理论，我们可以认为螺旋分料器及熨平板静止不动，而物料不断流向熨平板底部，由于物料密度是均匀的，且具有一定的流动性，那么我们就可以将物料假设为一种特殊的流体，从而就可以用流体力学的相关理论对其进行简化研究。

图二

图三

图四

为方便分析，我们首先将熨平装置放置在刚性水平面上（见图二），此时大臂及熨平板在找平油缸拉力F0、地面对熨平板的支撑力G的作用下处于平衡状态（地面支撑力在这里等效为作用于D点的集中力G）。图二中直线A-B与水平面平行。

由于此处我们分析的是自找平，因此在施工过程中除非人为调整调平油缸，否则它一直处于锁止状态，而大臂油缸在不停机待料的情况下则始终处于浮动状态。此时由于熨平板支撑面S2刚性远远低于图二中的刚性地面，因此熨平板会绕大臂与找平油缸的铰点A顺时针旋转，于是底板S2将和水平地面形成夹角a1，；我们将大臂和熨平板进行整体分析，并忽略大臂油缸处于浮动位时的液压阻尼，及底板面的滑动摩擦力，则此时熨平板所受外力如下(见图三) ：

F：整个工作装置受到的牵引力，牵引力F沿直线B-A方向，与地面夹角等于底板S2与地面的夹角a1；

F0：找平油缸对工作装置总成的向上拉力

F1：熨平板前端面受到的物料阻力，方向与整机行走方向相反；

F2:：熨平板底板S2受到的物料阻力，方向与整机行走方向相反；

F3：熨平板底板受到的物料支撑力，方向与底板S2垂直。

我们假设此时整个工作装置的自重和外力恰好处于平衡，我们将工作装置所受外力在B点等效（见图四），其中：

G：整个工作装置的重力在底板S2处的重力分配，由于夹角a1非常小（小于1度），因此可认为G=G，其方向相反；

M1：F1在B点的等效力矩；

M2：F2在B点的等效力矩；

M3：F3在B点的等效力矩；

Mg:：G在B点的等效力矩；

注：在平衡位置时我们可认为A点是固定的铰接点，而在B点我们只考虑整个工作装置在熨平板底板上的重力分配，因此可不对F0进行B点等效。

由于此时熨平板处于平衡状态，向上、向左为力的正方向，便可得到以下方程（在这里只做定性分析，固可暂不考虑力矩的影响）：

F''＋F3－G=0 ①

F－F3－（F1＋F2）=0②

F:：牵引力F的垂直分力，F= F·sin

F：牵引力F的水平分力，F= F·cos

F3： F3的垂直分力，

F3 ：F3的水平分力，

我们假设物料是始终均匀的，摊铺速度也保持恒定，则由公式①、②得

F·sin＋F3·cos－G=0 ③

F·cos － F3·sin－(F1＋F2)=0④

由于F﹥F3 ，则在方程③、 ④中，当﹤时，F·sin＋F3·cos－G为增函数，F·cos － F3·sin－(F1＋F2)为减函数。因此当摊铺仰角增大时：

F·sin＋F3·cos－G﹥0⑤

F·cos － F3·sin－(F1＋F2) ﹤0⑥

当摊铺仰角减小时：

F·sin＋F3·cos－G﹤0⑦

F·cos － F3·sin－(F1＋F2) ﹥0⑧

由公式⑤、⑦及图二可得以下结论：

结论1在摊铺机施工过程中，工作装置与工作面之间存在一个平衡仰角a1;在平衡仰角附近工作装置处于平衡状态。

结论2当熨平装置的摊铺仰角大于平衡位置的仰角时，熨平板会绕A点（见图二）逆时针旋转，从而使得摊铺层厚度增加。随着熨平板的旋转，仰角又会逐渐减小，直到达到新的平衡仰角时熨平装置则停止绕A点旋转。

结论3当熨平装置的摊铺仰角小于平衡位置的仰角时，熨平板会绕A点（见图二）顺时针旋转，从而使得摊铺层厚度减小。随着熨平板的旋转，仰角又会 逐渐增大，直到达到新的平衡仰角时熨平装置则停止绕A点旋转。

以上三个结论就是摊铺机具有自找平功能的原因，由这三个结论我们可得出摊铺机自找平的机理：

当摊铺机作业平面较为平坦，物料特性始终一致，从而使得熨平板所受的支撑力及阻力相对稳定并且在摊铺速度比较均匀时，摊铺机靠自找平便可摊铺出具有一定平整度的路面。然而以上条件在实际中是不可能存在的，尤其在摊铺第一层时工况要复杂的多。因此在施工中要达到较高的平整度，就必须使摊铺机工作装置具有自动控制功能。

三、自动找平

由前面所得出的三个结论我们可知：只要我们对摊铺仰角进行随时适当的调整后，工作装置就会靠自找平功能改变摊铺层的厚度，从而保证了摊铺层表面的平整度。常见的自动找平系统按采集信号的方式可分为两类：（1）接触式找平控制系统（2）非接触平控制系统,参加下图：非接触式找平控制系统又可分为激光式找平控制系统和超声波式找平控制系统，其中激光式找平控制系统在公路施工中目前使用的并不多，这里不进行过多叙述。）但不管是接触式的找平控制系统，还是非接触式的找平控制系统，他们的控制原理基本相似，只是采集信号的方式及操作方式有所区别而已，自动找平机理如下：

确定找平基准，并确定控制器零点

找平控制器的检测元件在施工中检测出偏差信号，并将偏差信号发送给找平控制器

找平控制器根据偏差的大小和方向输出控制信号（见图6），驱动相应的找平控制阀

找平油缸开始动作（见图7），摊铺机熨平板将绕C点旋转，使摊铺仰角a1（见图2）发生变化

根据结论2及结论3，熨平板在各种外力的综合作用下绕A点旋转，进行自找平调节，使摊铺厚度发生变化（见图2）

再回到步骤2，依次循环直到偏差处于允许的范围内时控制器将停止输出，但检测仍一直进行

正如前面所讲，自动找平是在自找平的基础上增加了对找平油缸的自动控制功能，当找平控制器采集到偏差信号时，根据盤查信号的大小及方向向找平油缸控制阀输出控制信号，当找平油缸发生动作后熨平装置便进入了自找平调节环节。因此自动找平可用下图表示

= +

其中找平油缸自动调节系统包含相应的液压控制系统及电器控制系统回路，简化原理图见图6及图7。

四、施工技巧

以上章节我们分别从摊铺机的机械结构、电控系统、液压控制系统以及工作装置的力学分析等方面分别进行了详细探讨，从以上分析我们可看出施工过程中为了始终保证较高的平整度，本人有以下几点建议：

1．当摊铺机采用自动找平控制时，控制器零点的设定应在摊铺机开始工作之后进行

在摊铺机摊铺之前我们都首先要确定一个预铺仰角a1，根据结论1及结论2可知，熨平板会在自找平的作用下实现自动调整，等到熨平装置相对稳定后其摊铺厚度也随之稳定，这时我们再设定控制器零点，熨平装置将很快进入稳定状态或在稳定状态附近工作，从而减少了找平油缸的调节时间和次数及找平距离，有效保证了初期摊铺层的平整度。根据前面自找平机理，熨平板进入稳定状态的时间越短，从而为摊铺先期避免波浪形摊铺面打下了良好基础。

2.摊铺速度一定要均匀，振捣、振动频率始终一致、起振与机器起步同步，并尽量避免中途停机。

在现行的沥青路面施工规范中提出：摊铺过程中不得随意变换速度或中途停车。这在以上结论中也不难找到答案。另外振捣、振动频率的变化及与机器起步的同步性势必会影响摊铺层密实度，或者叫摊铺层刚性的变化，压路机碾压过后将会降低路面平整度。另外根据前面的假设，相同体积的物料对熨平板的支撑力F3将发生变化，由公式5可知这也会影响熨平装置的动态平衡，因此摊铺机行走速度以及振捣频率的恒定性都将对摊铺质量有着不可忽视的作用，在施工过程中一定要有所注意。

3、施工过程中尽量避免卡车撞击摊铺机

我们假设在某一刻摊铺机受到了强烈撞击，这时即使摊铺机行走系统具有防撞击自动控制功能（例如全系列摊铺机），摊铺机的行驶速度变化率（）在短期内也会产生巨大波动，牵引力F也会突然增大或减小，由结论1、2可得熨平板将会绕A点旋转，导致摊铺仰角的变小，即摊铺厚度会突然变薄，这就是之所以在卡车撞击摊铺机后我们会发现摊铺面上会留下一道明显的压痕的原因之一。为了避免这种情况的发生，摊铺机厂家在行走控制系统中也进行了大量优化，如 摊铺机，这就使得施工质量有了根本保证。

4、在弯道摊铺或坡度较大路基上，建议不要使用平衡梁

因为平衡梁式找平控制是将机器前、中、后部探测仪采集到的偏差信号过滤并平均后，将均值作为控制器的偏差参考信号。若机器在弯道或陡坡作业时，机器前、中、后在公路设计上是存在标准高差的，而控制器对信号的平均处理方式刚好消除了这种理应存在的标准高差，从而相对加大了控制信号的误差值，使得控制精度大幅下降。

除以上所述几项内容外，熨平板的合理调整如：振捣梁有效行程及间隙的调整、振动频率同摊铺速度的合理匹配、预铺仰角的合理选择等都会影响摊铺机的作业质量，但有的厂家在设计上已经给于保证（如），这里不再讨论。随着摊铺机技术及施工工艺的不断发展，今后新型的摊铺机及施工工艺、路面施工材料将会不断涌现（例如双层摊铺机的出现将会直接影响到施工工艺的变化），影响摊铺机摊铺质量的其他因素也会不断增加，这些在以后将会和大家一起讨论。

参考文献：

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[4]李福晋.公路沥青路面施工技术规范实施手册[M].人民交通出版社