同步碎石封层设备沥青洒布装置优化设计

李曙芳，刘传慧，胡杰，王堃

(西南科技大学制造学院，四川绵阳601010)

同步碎石封层车是道路施工中不可或缺的一种机械，特别是在高等级公路的施工中，越来越多地使用沥青碎石同步封层车等现代化施工设备来完成路面封层作业。这些设备的使用使得路面质量有了极大的保障。同时，人们也注意到，目前封层车的沥青洒布效果并不如意，都存在横向洒布不均匀的现象。许多文献都对洒布不均匀现象作了深入的剖析，找出了影响洒布均匀性的各种因素，为设计制造和施工作业提出了许多良好的建议。由于所有对这一问题的研究都基于“喷洒重叠”理论，文中也试图根据这一公认理论来分析是否可以消除不均匀现象。

1 三层搭接

所谓三层搭接是指洒布车在工作过程中，在路面上同时均匀地喷洒三次液态沥青，目前绝大多数的沥青洒布均采用调节喷嘴距离地面高度的方式来实现三重叠的洒布作业，其中提出了一个用于实现多重叠洒布作业的喷嘴距地面高度计算公式:

H=Ln/［2cosβtan(α/2)］

式中:H 为喷嘴距地高度(洒布高度);

L 为相邻喷嘴间距;

n 为重叠层数，1 为无重叠，2 为两重叠，3 为三重叠;

β 为喷嘴安装倾角;

α 为喷洒角。

而在设备的运行过程中，因喷嘴的喷洒角α、安装角β、喷嘴安装间距L 在设备的选型安装过程中就确定了，为了保证沥青喷洒均匀度，一般设计人员在设计喷洒管时按照设备空载时设计喷洒管距地面的高度H 来保证沥青喷洒时能实现三重叠，如图1所示。

可事实上是，设备在封层过程中刚开始骨料仓是满载的，满载总质量达到三十多吨，经计算得到这时底盘会下沉大约30 ～50 mm，甚至更多，而根据H =Ln/［2cosβtan(α/2)］，若取β=15°，α=60°，L=100 mm 时，得到高度H 约90n(mm)，所以在满载时原来设计的高度根本不可能满足最初设计的三重叠洒布，只能达到2.5 重叠，这就很大程度影响了沥青喷洒的均匀度。

随着铺设路面越来越远，骨料仓里的碎石越来越少，在这个运行过程中，喷洒管由于设备载重的不同而随着底盘渐渐升高，这样之前设计人员保证的H值就不能稳定地满足最初想要喷洒的三重叠效果，而这个高度的变化直接影响了沥青的洒布均匀度，因此，作者设计了一套液压电控装置来实现在车载重变化时沥青洒布管随着载重的变化而变化，使其一直保持在一个稳定的高度，这样即使设备在铺设路面的过程中，载重不断变化，沥青喷洒管也能随着载重的变化而不断升高或降低来满足设计人员最初设计的沥青洒布三重叠的效果。

图1 沥青洒布三重叠示意图

2 调节装置设计

文中设计在同步碎石封层设备沥青洒布装置上垂直地面安装1 个超声波测距传感器(超声波传感器是利用压电陶瓷作为声波的发射器及接收器的装置，换能器发送声波脉冲并把回声脉冲转化成电压，其内置的控制器根据声速及接收到回声的时间计算出距离)，利用超声波传感器测量喷嘴离地面的高度，当测得距地高度是设计所达到三重叠的高度H 时，可实现沥青的均匀洒布，当超声波传感器测试的离地高度小于或大于H 的H1时，传感器发送信号给电控室，经控制室处理运算接收到得传感器信号，确定油缸运动方向和位移，调节沥青喷洒管的高度，使其的高度调节至距地面H，这样，沥青的洒布依然能满足设计者所设计的三重叠均匀洒布。该装置系统原理图如图2。

图2 优化设计装置系统原理图

所设计的高度调节装置主要由电气和液压两部分组成，由电气和液压两部分相互协调，相互控制来调节沥青洒布管的高度，使其在底盘载重不断变化时，保持在固定的高度，以实现沥青洒布的三重叠效果。

电控是装置的控制部分，其原理流程图如图3。

图3 电控装置原理流程图

在车辆空载时，按照设计者所依据的H = Ln/［2cosβtan(α/2)］安装沥青洒布管装置，将喷嘴安装合适的角度、距离，确定沥青洒布管装置安装的高度能实现喷洒三重叠，这时测量喷嘴与地面的高度，给人机界面一个设定值H，此时的H 能满足沥青的的三重叠洒布，超声波传感器将所设定的H 值作为一个参考量，将此固定值H 设定为喷嘴离地面的高度，当车辆在施工过程中，同步碎石封层设备载重由满载30 多吨，此时整个底盘因为重力的作用下沉，这时沥青喷洒管上喷嘴距地面的高度将不能满足设计最初设计的满足三重叠洒布的高度，超声波传感器发出的电压信号发生变化，与设定油缸拉伸长度的直线位移传感器之间产生一个相对值，经PID 运算处理后，向料门升/降电磁阀发出开关信号，在料门油缸升/降的过程中，直线位移传感与超声波传感器产生的相对值与最初设定参数的相对值相等时，控制器停止对料门升降电磁阀发出信号，由此而形成一个闭环系统。在同步封层设备工作运行过程中，车载重逐渐减少，底盘也因为上装重力减小的作用慢慢升高时，喷嘴对于地面的相对位移增加/减少的时候，电控系统循环执行上述的闭环系统，使这个过程中喷嘴离地的距离始终保持最初设定的固定值H，这样就能满足不论整车载重多少，沥青的洒布始终能满足三重叠的洒布效果。

液压系统是调节沥青喷洒管高度的执行部分，其工作原理图如图4。

此调节装置的液压系统采用恒压变量系统。各部分组成如图4，其中液压泵6 为恒压变量泵，能保证洒布杆提升油缸14 动作时没有溢流损失，是节能系统。溢流阀9 是防止液压泵6 集成阀失效时的安全阀，采用叠加式安装方式，通径为6。节流阀10 是螺纹插装阀，在调试洒布杆提升油缸时，调节节流阀螺纹，在油缸移动速度满足要求后不再调节。电磁换向阀11 为三位四通电磁阀，采用叠加式安装方式，中位机能为O 型，通径为6，电参数是24 V 直流，油缸的往复运动靠其调节。液压锁12 为叠加式安装方式，其作用是在洒布杆提升油缸下降到一定高度后保证要求高度不再变化。集分流阀13 是五五集分流阀，目的是保证左右洒布杆油缸能同步动作。洒布杆提升油缸14 总共2 根，均为双作用油缸，左右洒布杆通过机械和液压同步保证动作同步性。

图4 液压系统工作原理图

具体动作过程:发动机取力器带动液压泵转到正常工作转数，在同步碎石封层车准备洒布工作时，电磁阀11 的Y1 电磁铁得电，液压油从洒布杆提升油缸14 的无杆腔进油，洒布杆提升油缸做下降动作，当运动到所需高度时，电磁阀失电，液压锁锁住油缸，保证高度位置不变化;在同步碎石封层车准备运输行驶时，电磁阀11 的Y2 得电，液压油从洒布杆提升油缸14 的有杆腔进油，洒布杆提升油缸做上升动作，上升到所需高度时，电磁阀失电，液压锁锁住油缸，保证高度位置不变化。

3 结论

通过对同步碎石封层设备的深入研究，提出了沥青洒布装置的在洒布过程中的不足之处并加以优化设计，提高沥青洒布的均匀度，从而提高了路面的使用性能。优化设计的装置包含电控部分和液压部分，电控部分实现对液压和洒布管的控制，通过在洒布管上安装超声波传感器发射距离信号，经主控室接收处理，将信号发送给电磁阀，驱动液压缸上下运动，从而调节沥青洒布管距地面的高度来保持沥青洒布管距地面稳定的高度，最终目的是实现沥青洒布三重叠的稳定效果，经过优化的装置，使原来沥青洒布与设备载重变化而引起的横向不均匀得到大大的提升，增强了沥青洒布效果，从而提高了路面性能。

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