排式振捣三辊轴混凝土摊铺一体机的结构原理及施工应用

王海军

0 引言

目前，在国内水泥混凝土路面施工中，除部分高等级公路采用大型滑模式摊铺机施工外，一般公路、市政道路、机场跑道及各类广场工程等因受建设规模、施工场地以及经济性等各类因素的制约，大都使用三辊轴混凝土摊铺机，配以人工手持振捣棒或小型振捣施工机具进行混凝土路面的摊铺、振捣、振实、整平与提浆作业［1-5］。与大型滑模式摊铺机施工相比，这种施工机械具有结构简单、操作简便、价格低廉、节省人力物力等优点，施工工艺也相对简单易学，具有较好的经济效益，因此深受施工单位的欢迎，在越来越多的水泥混凝土路面施工中得到广泛应用［6-9］。

目前，这种单纯采用三辊轴摊铺机的施工工艺在实际使用中有许多不足之处，施工效率低，尤其混凝土振捣环节是整个三辊轴施工工艺的短板。因此，如何有效提高三辊轴和排式振捣机的施工质量，降低施工成本，提升混凝土的振捣质量和平整度，如何用一种机械高效率地完成摊铺、振捣、振实、整平与提浆工作，一直是三辊轴配套机械化施工作业深入研究和探讨的课题。

笔者所在团队研制出排式振捣三辊轴水泥混凝土摊铺整平一体机(以下简称排式三辊轴一体机)。它与常用摊铺机有着较大的不同:在通用的三辊轴摊铺机的基础上进行大量改装，加装了1个可以自动升降的排式振捣系统，改进施工工艺，提高施工效率，降低施工成本。本文主要通过对摊铺工艺的对比，分析排式三辊轴一体化结构的优势，说明其应用推广价值。

1 现有摊铺施工工艺对比

通用三辊轴摊铺机的摊铺与振实功能由一只辊轴完成，无法兼顾摊铺与振实所需的辊轴转速，导致振动频率过低，因而振实效果差且不能进行深度振捣，须有混凝土的深度振捣工艺相配合。这种组合施工工艺一般有2种:第1种由纯人工持振捣棒振捣配合三辊轴摊铺机作业，该工艺是以普通三辊轴摊铺机进行摊铺和初平作业之后，由人工手持振捣棒插入到混凝土中进行电动振捣，振捣的深度、间距、时间等完全凭工人的经验主观决定;第2种由三辊轴摊铺机和独立振捣机相互配合完成摊铺和振捣作业(图1)，首先由三辊轴摊铺机进行摊铺、初平作业后，再由独立的排式振捣机运行到混凝土起始端，将一排分布均匀的振捣棒同时插入到混凝土中，由操作员控制振捣棒插入的深度和倾斜角度，打开振捣开关进行连续来回振捣作业。独立振捣机大大减少了人工参与施工的时间，提高了施工效率，提升了施工质量，降低了施工成本，但是这2种施工工艺又有其各自的缺点，具体见表1［10-12］。

图1 排式振捣机和三辊轴摊铺机配合作业

针对目前通用的三辊轴施工工艺的缺点，排式振捣三辊轴一体机经改装可以很好地予以解决。

2 排式振捣三辊轴摊铺整平一体机的结构原理

2.1 整机结构设计

整机以通用三辊轴摊铺整平机为基础，加装排式振捣机，使得2种机械合二为一，成为一机多能的自动化全能设备。该一体机外形尺寸为6 000 mm伊1 600 mm伊1 300 mm，是用HZP3500-8000型普通三辊轴摊铺整平机(带槽钢框架)作为主机框架，在主机槽钢框架顶部焊接2根长度均为6.5 m的槽钢作为所有振捣电机的固定架。在固定架上等距离安装8个1.5 kW的振动电机(可按实际需要选装)，电机的电路控制归并入总开关箱中。依次在振捣电机上安装上振动棒，所有振捣棒的固定和升降由一套“电机-滑轮”自动升降机构控制。该机构首先要焊制出固定所有振捣器的排振杆，排振杆选用6.5 m长的加厚脚手架钢管，在钢管的中点及两边焊制3根连接拉杆作为升降活动的运转部件，3根拉杆均铰接到主机框架底部，可绕铰点上下自游活动。在排振杆的中心点焊一个圆环用来固定钢丝绳端头，在主机框架上端面对应位置焊接第一定滑轮，在其正下方主机框架底部再焊接相同的第二定滑轮，这样2个滑轮可与提拉钢丝绳共同组成定滑轮组;第二定滑轮的正前方要固定一钢丝绳绕组，绕组的一端连接小型变速箱的输出转轴，而变速箱动力输入端要通过传动皮带与3 kW的升降电机连接传动。升降电机、减速机、钢丝绕组和第二滑轮均布置在主机框架底部，必要时可加装槽钢或钢板作为固定支撑架。升降电机的电源线并入总开关箱中，排振杆可通过开关箱上的倒顺开关控制钢丝绳的收放从而实现自动升降。各个振捣器固定于排振杆上的方法，是通过1对安装有4根缓冲弹簧的减震固定钢板和2对半圆螺栓抱箍实现相互间的紧密固定，安装时可调整位置，使得所有振捣器处于同一高度和角度，一字排列整齐，保证混凝土振捣的一致性和均匀性。一体机结构如图2、3所示。

表1 两种摊铺振捣工艺的缺点

图2 排式振捣三辊轴摊铺整平一体机俯视结构

图3 排式振捣三辊轴摊铺整平一体机A-A剖面结构

2.2 主机基础结构

主机采用普通三辊轴摊铺整平机的正常构造，其主体部分为1根起振密、摊铺、提浆作用的偏心振动轴和2根起驱动、整平作用的圆心行走辊。振动轴始终向后旋转，而其他轴则可以前后旋转实现前后行走［13-16］。行走电机通过带传动和链传动来带动前后2根行走辊转动，摊铺振动电机通过三角带和链传动来带动摊铺振动辊以较快的速度转动，实现对混凝土的摊铺、表面振实以及提浆功能。这样就轻松实现了三辊轴摊铺整平一体机的摊铺、振实、提浆和整平四大功能，如图4所示。

3 排式振捣三辊轴一体机的施工工艺

使用该机械进行混凝土作业时，先将一体机按照施工要求放置在支好的模板上，接通电源空载，启动每一种运转部件使其运行正常。将堆积的混凝土进行机械布料及初平后，就可以进入振捣环节。

图4 排式振捣三辊轴摊铺整平一体机基础结构

排式振捣器是保证混凝土料充分振捣密实的关键设备。首先启动开关箱的倒顺开关，缓慢降下排振杆，使所有振动棒没入混凝土预定深度，打开所有振捣电机进行深度振捣，振动棒距模板的距离以20～30 cm为宜，不得距模板太近，以免与模板发生共振，产生漏浆现象，使侧面混凝土出现“蜂窝”。排式振捣器的工作过程采取连续行走方式，行走速度必须满足混凝土料振动排气时间要求，在振动有效范围内，振动时间一般在15～30 s。由于采用连续行走，振动力传递均匀，减少了振动器频繁插入和提升对混凝土料的扰动，振动后混凝土料密实均匀性好，且不易出现漏浆或过振现象。振捣过后启动倒顺开关，升降电机将排振杆自动拉起，关闭振捣电机。一体机振捣作业如图5所示。

图5 一体机的排式振捣机构在深度振捣作业

在一体机摊铺和振实工作时，整机通过行走辊与模板之间的附着力实现机械的前进与后退。整机向前运动时，振动轴向后旋转，同时通过偏心振动使混凝土液化，振动轴在自重和动力作用下切入液化的混凝土，并向前挤甩出物料，从而实现摊铺、振密、提浆的功能［17-18］。在后退过程中，前后行走辊对摊平和振实后的混凝土作进一步整平。因此，施工时必须采用前进振动、后退静滚的方式，反复2～3遍后，使混凝土被进一步整平和提浆，平整度和压实度逐步得到提升［19］。

4 三辊轴摊铺整平一体机的优点和先进性

相比于普通三辊轴与人工或独立振动设备的配合，排式振捣三辊轴摊铺整平一体机具有以下明显优点。

(1)排式三辊轴一体机为2种机械合二为一，共用一套自动行走装置，大大降低了施工成本，极大地减轻了工人劳动强度，提高了施工效率。

(2)该设计具有独特的排振杆自动升降系统，振捣深度可自由操作，可对混凝土实施深层振捣，有效提高混凝土的密实度和平整度。

(3)该机是一种功能齐全、造价低廉、经济实用、性能优良、操作简易、广泛适用、生产效率高的全能型混凝土路面机械。其全部功能均可实现自动化操控，能高效率地完成水泥混凝土的摊铺、振捣、振实、整平与提浆作业，切实地提高了施工效率和施工质量。

(4)该机制作简单、体积小、重量轻、轻便灵活、搬运方便，可为施工企业节约大量生产成本，同时带来较大的经济效益，起到事半功倍的效果，具有广阔的市场前景和推广应用价值。

5 结语

排式振捣三辊轴一体机的发明和使用，使得只用一种自动化机械便可稳定、高效、低成本地完成水泥混凝土路面铺筑的所有工作成为可能，是对传统机械和工艺的一大创新和改革。在施工过程中较好地解决了狭小空间混凝土平整度和外观质量的问题。通过兰州中川机场广场等多个工程项目的应用，证明这种设备在特定施工条件下有着优异的施工效率和施工质量，并能节省大量资金，赢得了良好的口碑。未来随着科技的创新和发展，可对这种机械进行更进一步革新，研制模块组装型式，使振捣棒可以随意360毅转动、自由伸缩等，成为自动化、模块化的全新数控型实用性机械。

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