路肩培土边坡修整机结构设计研究

周合宽，史鹏飞，李明杰，聂卫林，吴俊江

(1.河南省第二公路工程有限公司，河南 郑州 450005； 2.中铁(河南)新川高速公路有限公司，河南 郑州 450052； 3.河南省交通基本建设质量检测监督站，河南 郑州 450005)

0 引 言

高速公路路基施工往往超填，也就是路基填土的宽度大于设计宽度。同时，为了美观，也需要修整边坡。因此，在路基施工结束后要采用人工或机械对边坡进行修整，但是目前的边坡修整机械只是对边坡进行整平和压实[1]。

高速公路土路肩施工在路基施工结束后与水泥稳定碎石基层施工同步进行，或在水泥稳定碎石基层施工结束后进行，这时候已是工程的后期，土方工程早已结束，再寻找土源非常困难。当前高速公路土路肩培土采用外购土，自卸车将土卸到路基上，再用人工培土，不但施工速度慢、质量差，而且给水泥稳定碎石基层施工带来严重的污染[2]。

为解决上述问题，本设计在常规的边坡修整机的基础上增加土路肩自动培土功能，在修整边坡时将多余的土用于土路肩培土，使土路肩培土施工实现自动化、机械化，既节约了购土费用，又避免了土路肩施工对水泥稳定碎石基层或沥青面层施工的污染。故开发土路肩培土边坡修整机械具有巨大的经济效益、社会效益和环保效益。

1 整机总体结构

1.1 结构组成

路肩培土边坡修整机由动力系统、行走系统、边坡修整系统、输土系统、路肩培土系统、平衡系统和控制系统组成，见图1。

1.2 总体设计思路

(1)为了保证整机的工作可靠性，行走系统、边坡修整系统、输土系统、路肩培土系统、平衡系统采用全液压驱动。

(2)路肩培土边坡修整机结构复杂，体积、质量大，整个作业需要同步完成铲土、压实、输土、挤压等工作，要求牵引力大、通过性强、重心低、附着系数大、抗倾翻能力强的要求，所以采用履带式行走装置。

图1 路肩培土边坡修整机结构示意

(3)为解决土源问题，本机在修整边坡时将多余的土用于土路肩培土，为此增加了输土系统。输土系统采用螺旋输料器输土，将铲土子系统的土输送到路肩培土系统。

(4)本机的边坡修整系统工作时在远离机械的侧部，造成了倾翻的潜在风险，故设置了平衡系统。平衡系统由平衡臂、平衡梁、平衡块、液压缸组成。平衡臂可在水平方向和竖直方向旋转。平衡梁连接平衡臂，平衡块安装在平衡梁上，并可沿平衡梁滑动；可通过增减平衡块的数量来调整平衡能力。旋转平衡臂，使平衡梁与车身垂直，旋转平衡梁，使梁端头触地，通过液压缸伸缩调整平衡块在平衡梁上的位置，使整机平衡。整机停止工作时，旋转平衡臂，使平衡梁与车身一致，旋转平衡梁，使梁端头放在机架上，调整平衡块位于梁端头。

(5)常规的边坡修整机只设置了刮平板和浮动压实轮[3]，本机的边坡修整系统采用铲斗铲土，以便于向螺旋输料器输土；为增加边坡的密实度，本机采用振动轮压和板压2种碾压方式。为提高整机的安全性，增设了自动锁止装置。道路等级不同，土路肩的宽度也不同[4]；在不同的时间节点施工，土路肩的高度不同，所以在设计上通过调整模板实现土路肩的宽度、高度调节。为了增加土路肩土的密实度，通过挤压成型实现该要求。

(6)通过控制系统控制整机前进速度、边坡修整的坡角、铲土架或压实架与边坡之间的距离、铲土速度、压实速度、路肩培土速度等。

1.3 工作原理

整机的工作原理是液压泵驱动铰轴和铰筒，将钢丝绳缠绕到铰筒上，钢丝绳拉住铲土轴及铲土斗沿滑槽向斜上方运动，完成铲土，同时对边坡进行整平和压实。铲土斗里的土在导土板作用下进入螺旋输料器进土口，输送到路肩培土系统。调整培土臂上下、左右移动，通过滑动挤压框，使动板和定板对土实施挤压，随整机前行，完成培土工作。在进行边坡修整时，将多余的土经输土系统输送到路肩培土系统，形成土路肩。

1.4 机械特点

路肩培土边坡修整机具有一机多用的特点，既可以同时完成路肩培土和边坡修整，也可以分开进行。还可以调整边坡修整坡角及路肩培土断面尺寸。

2 边坡修整系统的构造、功能及工作原理

2.1 结构组成

边坡修整系统位于整机的侧部，由工作台、工作臂、圆齿轮、圆齿轮架、圆齿轮轴、圆齿轮轴承、平齿轮、平齿轮套、主轴、主轴轴承、铲土子系统、压实子系统、调整子系统组成。

工作台安装在机架上，可升降和旋转；圆齿轮在液压泵的驱动下带动平齿轮在水平方向滑动，使工作臂在水平方向前后移动，完成一定段落的边坡修整工作。随着整机前行，完成边坡修整工作。

2.2 铲土子系统

2.2.1 结构

铲土子系统由铲土架、铲土轴承、主轴、铲土斗、导土板、滑槽、铲土轴、钢丝绳、铰筒、铰筒轴、铰筒轴承、铰筒轴承架和锁止装置组成，见图2。

图2 铲土子系统结构示意

2.2.2 设计思路

常规的边坡修整机只有刮平系统[5]，本机的铲土子系统兼具铲土和整平功能。铲土架通过铲土轴承安装在主轴上，可以沿主轴转动，由此调整边坡修整的角度。铲土斗由底板、背板、左侧板、右侧板、盖板组成，呈簸箕形。铲土斗背板上装着导土板，通过调整导土板与左侧板的夹角来调整输土量。铲土斗左侧板连接铲土轴，铲土架上有滑槽，铲土轴可在滑槽中滑动。钢丝绳一端连接铲土轴，另一端连接铰筒。铰筒轴承架安装在工作臂上，铰筒轴承固定在铰筒轴承架上，铰筒轴连接铰筒轴承，铰筒通过花键安装在铰筒轴上。

2.2.3 工作原理

液压泵驱动铰轴和铰筒，将钢丝绳缠绕到铰筒上，钢丝绳拉住铲土轴及铲土斗沿滑槽向斜上方运动，完成铲土。铲土子系统将多余的边坡土铲去，使路基宽度和边坡坡角略大于设计值。

2.2.4 锁止装置

本机采用全液压驱动和电子控制，有很高的安全性。但是为了防止液压和电子故障，增加了机械式自动锁止装置。锁止装置由铰筒锁止分装置和铲土斗锁止分装置组成。

锁止装置的作用是：当铲土中发生液压和电子故障时，铰筒锁止分装置自动作用，防止铰筒倒转；铲土斗锁止分装置除了保证正常作业中铲斗沿滑槽只上升、不下降之外，还在发生液压和电子故障时，让铲土斗停止在原位。

(1)铰筒锁止分装置由铰筒控制盘、铰筒盘牙、铰筒控制销、铰筒控制销弹簧、铰筒套筒和铰筒开关组成，见图3。

图3 铰筒锁止分装置结构示意

(2)铲土斗锁止分装置由竖槽、齿板、齿板弹簧、齿牙、齿板头盘牙、齿板头孔、齿板尾孔、铲土斗控制销、铲土斗控制销弹簧、铲土斗套筒和铲土斗拉线开关组成，见图4。

图4 铲土斗锁止分装置结构示意

(3)铲土作业起步时，铲土轴位于齿板的尾部，尾孔拉紧铲土斗拉线开关，使齿板头盘牙与铲土斗控制销分离，齿板头部上升到最高位，此时铰筒拉线开关处于松开状态，使控制销与控制盘铰筒盘牙嵌合，控制盘和铰筒只能正转、不能倒转。启动铲土工作按钮，使控制盘和铰筒正转，铲土斗沿滑槽向斜上方运动，齿板尾部上升，铲土斗拉线开关松开，使齿板头盘牙与铲土斗控制销嵌合，齿板头部在最高位置，只能下降。此时铰筒拉线开关处于松开状态，控制销与控制盘铰筒盘牙嵌合，使控制盘和铰筒只能正转、不能倒转。铲土斗只能上升、不能下降。

2.3 压实子系统

压实子系统对边坡进行压实，使路基宽度和边坡坡角达到设计值。

压实子系统由压实架、压实轴承、主轴、十字槽(平槽、上竖槽、下竖槽)、压实圆齿轮、压实平齿轮、压实平齿轮弹簧、浮动板、浮动板弹簧、压实轮、压实轮轴、偏心块、压实板和转向开关组成，见图5。

图5 压实子系统结构示意

压实架通过压实轴承安装在主轴上，可沿主轴转动，调整坡角。压实平齿轮弹簧位于下竖槽内，浮动板弹簧位于上竖槽内，压实圆齿轮、压实平齿轮、浮动板位于平槽内。压实轮轴两端连接压实圆齿轮。偏心块位于压实轮内的压实轮轴上。压实板一端连接平齿轮，另一端悬空。转向开关位于十字槽两端。

液压泵驱动压实轮旋转，采用振动轮压和板压2种碾压方式对边坡振动压实。通过转向开关完成液压泵驱动方向转换，控制压实轮上下运动。

2.4 调整子系统

调整子系统的一个功能是调整铲土架、压实架与水平方向的夹角，也就是调整边坡修整的坡角。另一个功能是调整铲土架、压实架与边坡之间的距离。

调整子系统由立臂、调整铰筒、调整铰筒轴、调整铰筒轴承、调整铰筒轴承架、钢丝绳、挂钩和调整锁止装置组成。立臂连接在工作臂上，钢丝绳一端连接调整铰筒，另一端连接挂钩。挂钩固定在铲土架和压架的外端部。调整锁止装置与铰筒锁止分装置相同。

液压泵可驱动调整铰筒轴和调整铰筒正向或反向转动，钢丝绳使铲土架和压实架沿主轴转动，调整边坡修整的坡角。通过调整工作台的高度来调整铲土架、压实架与边坡之间的距离。

3 路肩培土系统的构造、功能及工作原理

3.1 结构组成

路肩培土系统位于整机的边部，由培土臂、培土架、液压缸、定模板、动模板和挤压装置组成。

3.2 设计思路

通过下面的设计，实现将铲土子系统的土培到路肩上、再挤压成型的功能。

图6 培土架结构示意

(1)路肩培土系统采用悬挂结构，培土臂固定在机架上，由多节分臂组成。培土架由横梁、竖梁、立梁、液压缸和顶推板组成，见图6。2根后边立梁、1根后中立梁的下端连接1个液压缸，每个液压缸前端固定1块顶推板。

(2)为了保证土路肩成型及宽度、高度可调，设置了定模板和动模板[6]。定模板由顶板和2块立板组成(图7)，顶板连接后中立梁的顶推板，立板连接后边立梁的顶推板。通过后边立梁液压缸伸缩，调整培土的宽度；通过后中立梁液压缸伸缩，调整培土的高度。动模板由动顶板和2块动立板组成，动顶板与顶板铰接可形成夹角。动立板与立板铰接。

图7 定模板、动模板结构示意

(3)为了保证土路肩挤压成型，设置挤压装置，通过凸轮旋转使挤压框平移，对动模板施力，产生挤压作用。挤压装置由挤压框、限位块、3个凸轮及3根凸轮轴组成。

3.3 工作原理

当凸轮大半径部分转向挤压框时，挤压框沿动模板向前滑动，使动模板的张口逐渐缩小，从上、两边3个方向对土实施挤压；当凸轮大半径部分抵达挤压框时，此时挤压框滑动到达前限位块，动模板与定模板开口重合，完成对土的挤压。凸轮大半径部分转离挤压框，随着整机前行，螺旋输料器向动模板内继续输土，在土阻力的作用下，定模板逐渐开口，使挤压框沿动模板向后滑动；当挤压框滑动到达后限位块时，凸轮小半径部分抵达挤压框。如此循环，随着整机前行，完成路肩培土。

4 结 语

(1)路肩培土边坡修整机解决了边坡路肩人工培土速度慢、质量差、给水泥稳定碎石基层施工带来严重污染的问题。

(2)整机采用全液压控制，质量稳定、施工进度快、成本低。

(3)在进行边坡修整时，将多余的土经输土系统输送到路肩培土系统，形成土路肩，这种方法既节约了购土费用，又避免了土路肩施工对水泥稳定碎石基层或沥青面层的污染，使土路肩培土施工实现自动化、机械化。

(4)路肩培土和边坡修整既可一次成型，也可以单独进行。还可以调整边坡修整坡角及路肩培土断面尺寸。

(5)为防止机器在工作时倾翻，设置了平衡系统。为了防止液压和电子故障，增加了机械式自动锁止装置，可有效避免铲斗因机械故障高速下落造成的事故。

(6)为增加边坡的密实度，本机采用振动轮压和板压2种碾压方式。通过设置挤压装置，保证土路肩挤压成型。