宽幅摊铺机螺旋分料器转速对分料质量的影响

姜　婉　朱振东

1.东南大学，南京,211189　　2.徐州工程机械集团有限公司，徐州,221000



宽幅摊铺机螺旋分料器转速对分料质量的影响

姜婉1朱振东2

1.东南大学，南京,2111892.徐州工程机械集团有限公司，徐州,221000

针对目前我国宽幅摊铺机在工作时由于螺旋分料器沿宽度方向上下料量分布不均匀，导致摊铺机不能连续工作，摊铺效率低下的现状,建立了螺旋分料器的仿真模型。提出了通过评价每个螺距横截面质量流量来研究螺旋轴转速对径向下料量影响的方法，同时建立了螺旋轴转速、摊铺机前进速度和刮料板速度模型，实现三者的有效匹配，从而改善分料质量，提高路面摊铺的效率。

螺旋分料器；分料质量；建模仿真；转速

0　引言

沥青混凝土摊铺机在路面的宽度、厚度、平整度、拱度、压实度等方面要求得到保证的情况下，可完成道路的沥青混合料摊铺，并利用熨平装置初步捣实和熨平路面。应用摊铺机可以加快施工进度，提高铺筑路面的质量，因而已经成为沥青混合料摊铺作业的专用机械[1-2]。

随着我国道路建设事业的迅速发展，道路的宽度在逐渐增加，小型摊铺机工作效率低，而且容易在相交处形成纵向离析带，所以现在摊铺机开始向宽幅摊铺机发展。然而，随着摊铺机宽度的增加，螺旋分料器在宽度方向上分料量的均匀性难以保证，导致摊铺机走走停停，不能连续工作，摊铺效率低下。所以研究螺旋分料器的结构和工作参数对分料质量的影响对于改善分料效果，提高路面摊铺效率和质量，减少经济损失有重要意义。

作为摊铺机的主要工作装置，螺旋分料器的功能是以保证沥青混合料的均匀性为前提，将混合料均匀分布到熨平板前要求的摊铺宽度上[3]。对于螺旋分料器，很多国家已经开展了相关的研究工作。1997年，美国沥青路面协会提出了一些方法来减少路面的离析。1999年，加拿大针对沥青路面的离析问题，提出了将构造深度比作为评价离析程度的指标。2000年，美国国家交通研究委员会成立“热拌沥青混合料路面离析”研究项目[4]。2009年，Owen等[5]运用离散元的方法对螺旋分料器中颗粒运动进行了更深层次的研究。岳作强[6]使用计算流体力学仿真了螺旋布料器的输送过程。目前国内外学者对沥青混合料的离析问题研究较多，关于摊铺机摊铺均匀性的研究主要为沥青混合料的混合均匀性研究，而对于沿摊铺宽度的径向离析则少有研究，关于沥青混合料在螺旋分料器内沿螺旋轴方向的径向下料量的均匀性以及螺旋转速、摊铺速度和刮料板速度三者的有效匹配的研究更是鲜有涉及。

本文参照某企业提供的沥青混凝土摊铺机螺旋分料器，研究了宽幅摊铺机螺旋分料器的结构和工作原理，探讨了螺旋分料器的结构和工作参数对分料质量的影响；应用FLUENT软件对螺旋分料器内沥青运动情况进行了模拟仿真，重点分析了螺旋转速对螺旋分料器沿螺旋径向下料量的影响，并探讨了螺旋轴转速、摊铺机行走速度和刮料板速度之间的关系，为改善宽幅摊铺机在径向方向上沥青混合料摊铺的均匀性和稳定性及摊铺施工技术提供了可靠依据。

1　螺旋分料器的结构及工作原理

1.1螺旋分料器的结构

螺旋分料器是沥青混凝土摊铺机的重要部件。沥青混合料从刮料板(图1中分料槽两端的空白区域)流入，经过螺旋分料器对混合料进行输送与分料[7-9]。摊铺机螺旋分料器是一种半开放式结构，一般采用等直径等螺距设计，由装有螺旋叶片的螺旋轴和分料槽组成。螺旋轴通过轴承安装在分料槽两端的轴承座上，一端轴头和驱动装置相连。当螺旋轴较长时，螺旋轴中间一般加装吊杆与吊挂轴承，如图1所示。目前螺旋分料器都采用独立的液压传动，螺旋转速可根据实际工况独立调节，料位高度一般通过料位传感器自动控制。

1.吊杆　2.螺旋叶片　3.分料槽　4.刮料板　5.螺旋轴图1　螺旋分料器结构

1.2工作介质

螺旋分料器的主要工作介质是沥青混合料。沥青混合料是将沥青与矿物质混合料在专用设备中加热拌和而成，是一种复杂的多成分材料。按材料组成及结构可分为连续级配混合料和间断级配混合料。其出厂温度至摊铺温度一般在130～160 ℃，兼具胡克弹性与牛顿黏性流体的双重性质。沥青混合料具有较大的稠度和塑性、足够的温度稳定性和较好的大气稳定性及水稳性[10]。

1.3螺旋分料器的输送机理

与通常的封闭式螺旋输料器将物料全部输送情况不同，在保证沥青混合料均匀性的前提下，螺旋分料器向螺旋轴两端输料的同时，由于重力作用沿径向下料，最后将物料均匀地分布于熨平板前的整个宽度上。螺旋分料器工作时，螺旋轴转动带动螺旋叶片旋转，螺旋叶片对分料槽内沥青混合料有法向推力。在其径向分力和螺旋叶片与物料的摩擦力作用下，混合料会绕轴转动，但由于混合料自身的重力和分料槽与物料的摩擦力的作用，实际混合料并不随螺旋叶片转动。在其轴向分力的作用下，混合料从分料槽中部向两端输送，同时由于重力作用沿螺旋轴下料。螺旋分料器在输送物料的过程中，物料的运动由于受到旋转螺旋的影响，它的运动并不是单纯的沿着轴线做直线运动，而是沿螺旋轴做空间运动[11]。为了保证摊铺均匀性，沿轴向每段下料量应该相等，因此，不同位置的螺旋应有不同的输料能力。

2　螺旋分料器的仿真与分析

2.1螺旋分料器仿真模型

沥青混合料从刮料板进入螺旋分料器后，混合料量就不再发生变化，此时混合料就会在螺旋分料器的作用下不断地在不同的螺距位置上落到地面。从开始进料到混合料全部落到地面的过程中，混合料的料量在不断地减少。

因为螺旋分料器是左右对称机构，所以本文只取其中一半进行分析。螺旋分料器的相关结构和工作参数如表1所示。

表1　螺旋分料器基本结构参数　mm

(1)建立三维模型。考虑到网格质量，将一些小的特征删除，在单个螺旋叶片简化之后，将螺旋叶片和螺旋轴组装起来，建立的三维几何模型如图2所示。

图2　螺旋分料器几何模型

(2)建立CFD网格模型。将在Pro/E中建好的几何模型导入到HyperMesh里，根据流体模型，进行相应的布尔运算，然后进行网格划分，检查网格质量，直到满足要求，之后，再进行边界条件的定义，进出口位置如图3所示。划分好的网格单元数为351万，节点数为60万，网格模型如图4所示。

图3　仿真模型进出口位置示意图

图4　螺旋分料器网格模型

2.2螺旋分料器仿真计算及结果分析

通过以上的网格划分及对边界定义划分后，将模型导入FLUENT软件进行数据分析。对螺旋分料器建立仿真模型，首先确定模型所需条件：①流场是稳定的且处于恒温状态；②壁面采用无滑移边界条件，同时物体处于层流状态；③考虑重力的影响；④流体是均匀的单相体。

工作介质为均匀的沥青混合料，它的物性参数为：密度1900 kg/m3，黏稠度0.44 Pa·s。沥青混合料进入螺旋分料器时的速度为0.4 m/s，物料在最末端的压力为0，螺旋轴的转速分别为10，30，50，70，90 r/min。通过CFD网格模型，将上面定义为入口，侧面定义为出口，入口使用速度入口，出口使用压力出口。计算与螺旋轴垂直的面的质量流量，以该物理量来描述螺旋分料器在摊铺宽度上的均匀性，如图5所示。

图5　螺旋分料器截面质量流量取值点

模型中从距离最左端0.30 m处开始有螺旋，故在0.3 m处开始取值；考虑到在吊杆之前有5.5个螺距，先在第一个取值点后0.5个螺距(0.18 m)处取值，即在0.48 m处取值，之后每隔一个螺距(0.36 m)取值；在2.28～2.49 m这一段处有吊杆，螺旋不连续，在2.28 m和2.49 m处取值；紧挨着吊杆的那段螺旋的螺距为0.22 m，在2.71 m处取值；然后再每隔一个螺距取值。因为模型中刮料板的宽度为0.855 m，入口长度定为0.855 m，故在0～0.855 m有沥青混合料流入，则在0～0.30 m、0.30～0.48 m、0.48～0.84 m、0.84～1.20 m这几段的质量流量等于流过前后两个截面质量流量的差值加上流入这一段的质量流量；从0.855 m之后，每段的质量流量为流过前后两个截面质量流量的差值。

经过计算，可以得到螺旋分料器在每一段上的质量流量，因为每一段的距离不是一个定值，故对其进行单位化，得到的数据如图6所示。

图6　螺旋分料器径向质量流量分布图

螺旋分料器沿轴向的摊铺均匀性指的是螺旋分料器在每段螺旋上下料量是相同的，故为了更好地反映在每段上下料的离散程度，使用方差来描述。经计算，螺旋分料器径向质量流量的方差如表2所示。

表2　螺旋分料器径向下料量在不同转速下的方差值

从以上数据和图表可以看出：

(1)螺旋分料器的转速对螺旋分料器径向下料量有着很大的影响。在前三段(Ⅰ)、中间三段(Ⅱ)和最后两段(Ⅲ)，转速的影响表现得尤为突出，这表明在分料槽下方、中间吊杆位置、摊铺最边缘处受转速的影响最大。

(2)当螺旋转速较小时，螺旋分料器在分料槽处和距离分料槽较近处下料较多，而在摊铺边缘处下料较少，沿轴向呈递减的趋势，这将导致摊铺道路中间下料多，摊铺厚度较大，而摊铺边缘下料少，摊铺厚度较小，影响道路的平整度。

(3)当螺旋转速较大时，螺旋分料器在距离分料槽较近处下料很少，几乎没有下料，中间支承杆位置下料较多，在摊铺边缘处下料很多，即道路中间沥青混合料很少，而大量的沥青混合料堆积在边缘处，必须要摊铺机停止行走，利用人工将边缘的沥青混合料向中间摊铺，这必将导致摊铺机不能连续工作，严重影响工作效率，同时也将造成摊铺道路的不平整，影响摊铺质量。

因此，选择合适的螺旋转速对于径向分料质量有着至关重要的影响。转速较低，道路中间高而两边低；转速较高，大量的沥青混合料堆积在边缘，影响道路的平整度和工作效率。要想保证螺旋分料器在径向分料的均匀性，在本模型中，应该选择螺旋轴转速为30 r/min。

3　螺旋转速、摊铺速度和刮料板速度对分料质量的影响

螺旋转速、摊铺速度和刮料板速度的有效配合能够使得摊铺稳定，而目前我国的摊铺机普遍存在着施工时摊铺机行走速度、螺旋分料器转速、刮料板速度三者不能很好匹配的缺陷，这就导致摊铺机工作时行走速度不稳定，走走停停，严重影响工作效率和摊铺质量。因此施工时摊铺速度、螺旋分料器转速、刮料板速度三者的有效匹配，会有利于沥青混合料运动的平稳性和混合料的均匀性，使得沥青混合料在三者的速度下能够平稳地向两端向下流动，减少粒料的离析，对整个沥青路面的质量起着至关重要的作用。

3.1摊铺速度模型

沥青路面施工中，摊铺机是整个机群的主要机械，它的前进速度决定整个工程在摊铺工艺上的进度，但摊铺速度的选择不能为了快速施工就没有根据地提速，应该跟其他两个速度相互协调，保证道路的质量。

假设如下：①沥青混合料运送及时，混合料流稳定；②沥青混合料料源充足且均匀稳定；③摊铺机正常、稳定工作，前进速度保持不变。

流入摊铺机的沥青混合料的质量流量，即自卸汽车向摊铺机卸的沥青混合料质量流量等于拌和机的有效生产能力：

qm1=QK1

(1)

式中，qm1为自卸汽车向摊铺机卸的沥青混合料质量流量，t/h；Q为拌和机的产量，t/h；K1为机械联合作业系数，依实际情况而定。

流出摊铺机的混合料的质量流量等于已经压实好的沥青混合料的质量流量：

qm0=60BHv1rT

(2)

式中，qm0为摊铺的沥青混合料质量流量，t/h；B为摊铺宽度，m；H为摊铺层压实成形后的平均厚度，m；v1为摊铺机摊铺速度，m/min;rT为压实后沥青混合料铺层的密度，t/m3。

流出摊铺机的混合料的质量流量等于流入摊铺机的沥青混合料的质量流量：

qm1=qm0

(3)

则

(4)

3.2刮料板速度模型

刮料板的传送速度决定了分料槽中单位时间混合料的供给量，该供给量可根据实际情况适当调整，以满足摊铺要求。

假设如下：①摊铺机料斗中的沥青混合料充足且稳定；②摊铺机的刮料板工作正常、稳定，且保持刮料速度不变。

流入刮料板的沥青混合料的质量流量应该等于流出刮料板的沥青混合料的质量流量，即

qm2=60K2Alv2rs

(5)

式中，qm2为流入刮料板的沥青混合料的质量流量，t/h；K2为通过刮料板上通道的截面有效混合料的充盈系数；Al为刮料板上通道有效截面积，m2；v2为刮料板线速度，m/min；rs为未摊铺前松散沥青混合料密度，t/m3。

流入刮料板的沥青混合料的质量流量等于拌和机的有效生产能力：

qm2=qm1

(6)

则

(7)

3.3螺旋轴转速模型

螺旋轴的转速决定了向地面输送混合料的质量和数量。

假设如下：①螺旋分料器的转速保持稳定不变；②混合料的供应充足且稳定；③料槽中的沥青混合料稳定且全埋。

流入分料槽的沥青混合料的质量流量等于螺旋分料器的生产能力：

qm3=120K3AsSnrs

(8)

式中，qm3为分料槽中流动的沥青混合料的质量流量，t/h；K3为通过螺旋分料器布料的有效系数；As为螺旋片有效截面积，m2；S为螺距，m；n为螺旋分料器的转速，r/min。

流出摊铺机的混合料的质量流量等于已经压实好的沥青混凝土的质量流量：

qm3=qm0

(9)

则

(10)

3.4摊铺机行走速度、刮料板速度和螺旋转速的匹配

沥青路面施工时，摊铺机作业过程中摊铺机行走速度、刮料板速度和螺旋转速之间存在密切关系，互相影响制约[12]。摊铺机行走速度、刮料板速度和螺旋转速的有效配合能够使得摊铺作业质量稳定，减少混合料离析，提高摊铺效率。

对于特定的沥青路面摊铺工程而言，摊铺机的前进速度决定整个工程在摊铺工艺上的进度，螺旋轴的转速决定了向地面输送混合料的质量和数量。工程实践表明，由于摊铺机行走速度太快，造成许多质量缺陷，如表面大量裂口、拉沟，预压实度降低，摊铺层混合料疏密不均匀等。实际上，摊铺机行走速度是首先需要考虑确定的，由式(4)可初略估算，根据实际材料供应、运输能力等配套情况确定。

根据螺旋轴转速、摊铺机前进速度和刮料板速度模型可以得到：

(11)

可根据式(11)确定刮料板的速度。

实际施工中，分料槽中单位时间混合料的供给量与刮料板传送速度有关，该供给量可根据实际情况适当调整，以满足摊铺要求。根据实际材料供应、运输能力情况确定摊铺机前进速度后，保持作业速度的稳定，可根据式(10)确定螺旋转速的范围，实际工作中转速确定可依实际摊铺情况及分料器内的沥青运动情况作相应调整。

按照上述方式，理论结合实际，从工程的实际情况出发，将螺旋轴转速和摊铺机前进速度有机结合，首先选取一个较合理的摊铺行走速度，并结合刮料板供给量和螺旋分料器转速，使得混合料能够及时均匀地摊铺到地面。

4　结语

本文针对目前我国宽幅摊铺机螺旋分料器在工作时沿径向下料量分布不均匀，不能连续工作，摊铺效率低下等问题，研究了螺旋分料器的结构、工作原理，建立了螺旋分料器的仿真模型，应用FLUENT软件模拟螺旋分料器内沥青混合料的运动情况，首次提出采用通过截面质量流量的评价指标分析螺旋分料器沿螺旋轴下料量，重点分析螺旋转速对径向下料量的影响，确定了现有模型的最佳转速。同时建立螺旋轴转速、摊铺机前进速度和刮料板速度模型，实现三者的有效匹配，从而改善分料质量，提高路面摊铺的效率。

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(编辑王艳丽)

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

江苏省科技支撑计划资助项目(BE2014133)；江苏省前瞻性联合研究项目(BY2014127-01)

U415.52

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

姜婉，女，1991年生。东南大学机械工程学院硕士研究生。主要研究方向为结构动态优化与设计。朱振东，男，1965年生。徐州工程机械集团有限公司高级工程师。