新型混凝土沟渠滑模摊铺机的设计*

蔡 峰

(江苏四明工程机械有限公司，江苏 扬州 225800)

0 引 言

中国近年来大力发展高速铁路建设，有效提升了铁路客运、货运能力，综合运输服务能力得到进一步强化。在高速铁路路基的建设工程中，铁路路基排水沟施工通常采用支模法施工工艺，在开挖的水沟基底中，混凝士分两次浇筑，先浇筑底板再浇筑侧墙，整体性较差，而且振捣时容易漏振形成蜂窝麻面或烂根，造成二次返工。路基排水沟如果能使用滑模摊铺施工工艺，机械化一次性成型，就能解决传统路基排水沟支模法施工工效指标低、工序繁琐、质量难控制、资源投入大等诸多问题。滑模摊铺机在公路路缘石施工中使用广泛，形成了一套成熟的施工工艺，以多年滑模摊铺机设计和制造经验为基础，开发一种新型的混凝土沟渠专用滑模摊铺机，对促进铁路路基排水沟施工机械化、改进施工工艺、改善施工质量具有重要作用。

1 沟渠滑模摊铺机的主要组成

沟渠滑模摊铺机主要组成部件有：机架总成、电控系统、动力系统、液压系统、升降立柱总成、行走装置、模具总成、高压冲洗装置、自动找平系统、自动转向系统，如图1所示。动力采用潍柴四缸水冷柴油发动机，发动机连接一分二分动箱，驱动两组液压泵组，液压泵组驱动全车工作机构。

图1 沟渠滑模摊铺机总图

2 行走装置的设计

沟渠滑模摊铺机行走装置分前行走履带和后从动轮机构，前行走履带是驱动机构，安装有液压行走马达和大扭矩行走减速机。减速机上集成有常闭式制动器，行驶状态下液压油回路打开制动器，停止时制动器恢复制动状态。

2.1 转向机构

转向机构位置在前行走履带，如图2所示，液压转向油缸驱动行走履带相对立柱做圆周转动实现滑模机的转向。左右行走履带两个转向油缸的缸筒尾部连接有转向连接杆，连接杆连接位置安装关节轴承。连接杆的两个铰接点与两个履带的旋转中心形成一个转向梯形结构，转向时左侧履带和右侧履带的转角是不一样的，通过对转向梯形几何结构的研究计算，找出最容易实现并且最接近理论值的转向梯形结构。连接杆作用不仅是协调两个履带的转向角度，并且在转向的过程中，连接杆强制保持两个转向油缸动作同步。

图2 转向机构

2.2 从动轮机构

在公路路面或者路缘石工程施工时，滑模机行走的是已经摊铺好的路面或者是水稳层路基，有一定的密实度和平整度。在混凝土水沟工程中，水沟两侧供滑模机行走的路基没有公路施工那么理想，平整度差而且密实度不好。因此，从动轮机构设计成前后两个轮连接，两个从动轮的安装架和立柱是铰接式连接，如图3所示。当路基有起伏时，前后从动轮受路基的影响效果不会完全作用到立柱上，从而减少了车身上下的波动，能有效保证良好的摊铺平整度。

图3 从动轮机构

2.3 单履带行走模式

沟渠滑模摊铺机施工时的行走路基条件比较差，在工程条件比较恶劣，水沟基底两侧没有行走条件，可以改变行走模式，把两履带驱动行走改成单履带。这种模式下，前面的单立柱安装到车架的前段中部，履带行走在开挖的水沟基底的底部，前提是水沟基底在开挖好后，沟底必须平整后再压实。

3 模具总成

模具总成主要包括集料斗、前挡板、液压振动棒和成型模板，如图4所示。集料斗安装在车架的前侧，呈上口大下口小的喇叭口形状，前挡板位于集料斗下方前部位置，作用是不让混凝土料向前流动。前挡板与成型模板之间的空腔称为振动仓，振动仓内安装有液压振动棒，振动频率可达10 200次/min，振动棒之间安装距离应在40 cm左右,距离边部15 cm左右。成型模板是整个滑模机的最关键的工作部分，成型模板后端称为出模口，工作时成型模板前高后低，带有仰角即进料角，出模口是最低的位置。振动仓中的混凝土料在振动棒的作用下振捣密实，排除气泡，经过成型模板进一步挤压，从出模口出来就成为成型的混凝土构筑物。如图5是常见的梯形排水沟的截面示意图，沟渠还有其他的形状，不同工程设计的排水沟尺寸也不定相同，所以一般根据具体施工工程原理图制作模具，振动棒的数量也根据实际施工模具的具体尺寸来定。

图4 模具总成仰视图

图5 梯形排水沟截面示意图

4 自动找平系统与自动转向系统

4.1 自动找平系统

滑模机四个立柱上各安装有找平传感器安装架，安装架可以上下调节，也可以左右调节，滑模机就位时通过上下左右调节可以调整自动找平传感器与基准线的距离达到理想的状态。传感器调节杆竖向安装在找平传感器安装架上，端头安装自动找平传感器，调节杆是丝杆机构，可以通过上端的旋转手柄对摊铺厚度进行精准调整。自动找平传感器上安装有滑杆，滑杆横向架在基准线上。

滑模机前面两个立柱自动找平系统，控制的是机身的仰角，即控制模具的进料角。后面两个立柱安装的找平传感器位置与出模口对齐，控制摊铺的厚度。滑模机四个找平传感器上的滑杆与基准线安装初始值大约45°角，施工过程中，由于路基与基准线的高程的变化导致角度发生变化，传感器发送信号给控制器，控制器控制液压系统，相对应的立柱升降油缸工作，立柱上升或者下降从而调整滑杆与基准线的角度恢复到初始值。

4.2 自动转向系统

自动转向传感器的安装与自动找平传感器类似，转向传感器上的滑杆是竖向靠在基准线上，呈竖直状态。滑杆角度发生变化，转向传感器发送信号给控制器，控制器控制液压系统，转向油缸伸缩工作控制滑模机转向，转向角度根据滑杆的变化角度逐步调整直至恢复到初始值。

5 高压冲洗装置

在施工作业时，滑模机模具、集料斗以及车身其它位置会沾有混凝土料，作业完成后需及时清洗，否则混凝土凝结后，会影响下一次的施工作业。新型沟渠滑模机设计装备高压冲洗装置，包含液压驱动马达、水泵、储水箱和高压水枪。液压驱动马达驱动水泵，水泵的出水压力可调节，最大压力达到7 MPa，高压水枪通过高压胶管与水泵连接，出水方式可多档调节。储水箱位置位于车架后下方，考虑滑模机一般是在野外作业，干净水源不好找，加水困难，所以设计装备大容量水箱，加满一箱水够进行多次清洗。

6 排水沟滑模施工工艺

沟渠滑模摊铺机施工现场如图6所示，工艺流程为：排水沟基底开挖、场地准备、基准线设置、滑模机就位、混凝土料准备、混凝土浇筑、后期切缝养护。

图6 沟渠滑模摊铺机施工示意图

6.1 场地准备

根据水沟开挖基底的基础标高，对水沟基底两侧滑模机行走范围内的场地进行清理平整压实。

6.2 基准线设置

场地平整完毕后，测量人员按照排水沟设计位置进行基准线设置，一般使用直径5 mm钢丝绳作为基准线。在水沟基底两侧布置线桩，直线位置线桩间隔10 m，弯道部位间隔5 m。测量人员测量确定每一个线桩的架线杆高度，挂上钢丝绳，两侧紧线器拉紧。

6.3 滑模机就位

滑模机调整位置把模具摆放至起始位置，模具与滑模机前进方向平行，滑模机机身与基准线平行，调整安装转向和找平传感器达到合适施工状态，调整模具达到指定的摊铺厚度，调节合适的进料仰角，施工前对滑模机进行全面的性能检查。

6.4 混凝土料准备

混凝土采用拌合站集中拌制，混凝土拌合时严格控制混合料的坍落度，混合料坍落度过大，滑出的混凝土变形量大，外观尺寸与形状达不到设计要求;坍落度过小，混合料内摩阻力增大，集料间粘结力小，滑出的混凝土不宜成型且表面蜂窝麻面严重，同时对模板的磨损较大。

6.5 排水沟混凝土浇筑

混凝土料到现场后，挖掘机在滑模机的侧面把混凝土料运送至集料斗中。滑模机操作打开振动棒开关，开启自动转向系统和自动找平系统，手柄推前，摊铺状态往前行进，振动仓中混凝土料在振动棒作用下完成提浆密实，然后经过成型模板挤压成型。根据集料斗中料位高低控制供料的速度，保证模具中的料位能保持稳定地匹配滑模机的行进速度。周围的工作人员注意不能碰触滑模机两侧的基准线，根据施工情况可以摇动传感器安装架上的旋转手柄对摊铺高程或者摊铺线行进行细微调节。

7 沟渠滑模摊铺机样机应用试验

新型沟渠滑模摊铺机为全电子控制，全液压驱动，履带行走，多根液压振动棒振捣密实，自带模具挤压成型，摊铺高程与摊铺方向按照预先设定的基准线自动调整，布料、摊铺、振捣、整平等多道工序一次性完成，实现连续施工作业。样机试制完成后，在工厂内进行了应用试验，施工速度能达到2 m/mim，成型后的排水沟试验段表面色泽均匀一致、线行美观、强度高，满足工程施工要求。

8 结 语

铁路路基极易受水的软化、冲蚀，如果路基排水措施不得当会严重威胁铁路的安全，这就对路基排水系统施工质量提出了更高的要求。设置在铁路路堤坡脚护道外侧的排水沟施工引进新型沟渠滑模摊铺机可以大大提高施工效率，节省人工成本，提高施工质量。新型沟渠滑模摊铺机是机电液一体化技术发展的成果，具有高自动化、操作简便、高可靠性等特点，在设计过程中，借鉴了公路路面施工滑模机的关键技术，并且针对排水沟渠类施工工程的具体施工条件做出相对应的改进措施。新型沟渠滑模摊铺机还可以在农业农田水利工程建设中使用，农业灌溉水渠机械化建设这一领域迫切需要现代化的施工机械，产业化发展前景十分广阔。