寬幅攤鋪機螺旋輸送機理與抗離析試驗研究

徐中新，羅清云，胡永彪，鄭鐵民

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寬幅攤鋪機螺旋輸送機理與抗離析試驗研究

徐中新1，羅清云1，胡永彪1，鄭鐵民2

(1. 長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064；2. 陜西中大機械集團有限責任公司，陜西 西安 710119)

為準確掌握瀝青混合料在寬幅攤鋪機螺旋布料器內的離析原因和分布規(guī)律，基于物料在螺旋處的運動學特性，結合某一型號寬幅攤鋪機，對螺旋作用下物料顆粒的軸向速度、圓周速度與螺旋葉片直徑、螺距之間的關系進行分析，同時分析螺旋布料器吊臂處的離析機理以及物料填充系數對混合料均勻性的影響，并在實體工程上進行足尺試驗。理論分析表明：螺旋布料器的結構參數和運行參數會對瀝青混合料在螺旋內的物料均勻性造成影響；隨著物料到螺旋軸距離的增大，軸向速度逐漸增加，圓周速度先增大后減小；隨著螺距的增大，圓周速度和軸向速度均增大，但改變螺距對混合料速度的影響程度小于改變螺旋半徑；物料填充系數越大，混合料的攤鋪均勻性越好，并可以改善寬幅攤鋪路面兩側的離析現象；通過優(yōu)化吊臂形狀以及增加過度葉片可以改善混合料通過吊臂的均勻性?，F場試驗結果與理論分析結果一致。

路面工程；寬幅攤鋪機；螺旋布料器；離析機理；現場試驗

瀝青混合料在攤鋪過程中的離析主要集中在攤鋪機料斗、刮板輸料器和螺旋布料器處，其中螺旋布料器處對離析的影響最顯著。寬幅路面施工的橫向攤鋪距離較大，很容易出現橫向離析，且難以控制[1]。離析容易使路面出現一系列病害，細集料集中的地方，缺少粗集料的骨架支撐作用，常會出現車轍、塌陷和擁包等現象；粗集料聚集的地方，缺少細料的填充，常會出現滲水現象，在重荷載的作用下，容易形成水動力，使面層剝離而損壞，這將縮短瀝青路面的使用壽命[2?4]。螺旋布料器安裝于瀝青混合料攤鋪機熨平板前方、牽引車后壁，由2根旋轉方向相反的大螺距螺桿組成。其結構參數及使用參數選擇是否合理直接影響螺旋布料器的生產能力和路面的施工均勻性[5?6]。為了保證混合料分布均勻和施工穩(wěn)定，避免粒料輸送過程中產生離析現象，一些科研人員和生產廠家對螺旋布料器的結構和使用參數進行了研究，認為采用變螺徑變螺距結構，可以保證均勻布料[7]，則認為改變螺距是保證輸送混合料均勻性的關鍵[8]。CHEN等[9]運用理論力學和流體力學知識，對混合料粒料在螺旋布料器料槽中的動力學和運動學進行了分析；謝立揚等[10]通過理論推導，給出了螺旋布料器設計時螺距的合理取值范圍及確定螺距的約束條件；寬幅攤鋪路面平整度好，可以避免中間搭接處的離析現象，并且可以節(jié)省施工成本和工期[11?13]，但橫向離析難以控制制約著寬幅路面施工的大面積推廣。國內外學者對瀝青混合料在螺旋布料器內的運動進行了分析，但在分析時，假定螺旋布料器的螺徑、螺距的變化范圍從0~∞，對常用攤鋪機，其螺徑、螺距取值在一個合理范圍內，故其分析結果與實際情況存在一定差異。本文在以往研究的基礎上，從螺旋輸料過程中材料和螺旋兩者之間的相互作用關系出發(fā)，建立理論模型，為螺旋結構改進及參數優(yōu)化提供理論依據；結合某一型號寬幅攤鋪機，將攤鋪機的結構參數進行限定來分析混合料在布料器內的運動規(guī)律及離析原因，并進行足尺試驗研究，為解決路面攤鋪離析以及寬幅攤鋪的推廣提供理論指導和試驗依據。

1 螺旋布料器輸送混合料機理分析

螺旋布料器結構示意圖，見圖1所示。螺旋的主要參數包括軸徑、螺徑、螺距和螺旋升角等。

1—輸料器；2—螺旋葉片；3—前擋板；4—吊臂；5—螺旋軸；6—熨平板；7—后擋板；8—分料箱

圖2 混合料速度分解圖

進入螺旋布料器中的混合料在螺旋葉片的作用下，向攤鋪機兩側輸料，在自重作用下，混合料會不斷地落到熨平板前方，滿足路面橫向、縱向布料要求。對于螺旋面上距軸線為處的點，設螺旋的轉速為，其圓周切向速度1由式(1)表示。由于在輸料過程中混合料與螺旋葉片之間存在滑移，產生了與葉片表面平行的滑動速度3，物料在1和3的作用下，其合成速度如圖2所示。

1在法線方向的投影2由式(2)表示，其合成速度可由式(3)表示。

可以分解為周向速度V和軸向速度V，見式(4)~(5)。

由于tan=/2π?，將以上各式代入式(4)~(5)，可得圓周切向速度和軸向速度，見式(6)。

式中：為螺距；為轉速；為物料到螺旋軸線的距離；為顆粒外摩擦因數，=tan。

由式(6)可知，，及的變化均可導致混合料速度不斷發(fā)生變化，使骨料形成不同速度的空間螺旋運動，混合料顆粒間產生相對運動，混合料在螺旋葉片的不斷擠壓作用下，會強制翻滾、拋擲，使粗細顆粒產生分離進而導致混合料骨料離析。

試驗用攤鋪機參數為：螺旋葉片直徑420 mm，螺旋軸半徑0=50 mm，螺距為280 mm，=80 r/min，=0.25，由式(6)以及上述參數可繪制出顆粒的軸向速度、圓周速度隨和的變化規(guī)律曲線，據此可分析顆粒的運動規(guī)律，見圖3~4。

由圖3~4可知：

2) 當>1時，隨著的增大，軸向速度增加，圓周速度減小，但其增加幅度和減小幅度逐漸變小。此時，軸向速度大于圓周速度，值越大，軸向速度與圓周速度的差值越大，此處的混合料布料效率較高。

圖3 vr和vz隨r的變化規(guī)律

圖4 vr和vz隨J的變化規(guī)律

3) 隨著的增加，圓周速度增大，軸向速度先增加后減小。對常用攤鋪機來說，螺距一般小于0.4 m，在這個范圍內物料的圓周速度與軸向速度均隨著的增大而增大，且軸向速度大于圓周速度，但兩者差值較小，螺距的大小對混合料速度的影響程度小于螺旋半徑對其的影響程度。

2 螺旋布料器結構參數和運行參數對混合料攤鋪均勻性影響

混合料在螺旋處的離析主要是由物料在螺旋內的運動特性決定的，而這種運動受到螺旋的結構參數和運行參數的影響。因此，有必要對螺旋分料器的結構參數和使用參數對混合料的攤鋪均勻性影響進行研究分析。

2.1 螺旋半徑的合理選擇

由式(6)對V求極限，可得式(7)：

當軸向速度不低于極限值得90%時，可認為此時的布料效率以及輸料均勻性都較好。當=280 mm時，代入式(7)可得：3=0.9V=330 mm/s，將軸向速度3代入式(7)可求得此時混合料距離螺旋軸線的距離2=180 mm。因此，要保證良好的輸料均勻性及布料效率，當螺距值為280 mm時，攤鋪機螺旋葉片的直徑應不低于360 mm。

2.2 螺旋分料器中的合理填充系數

混合料在螺旋布料器中的填充系數對攤鋪均勻性有重要影響，這已是一種共識。但是對填充系數的大小卻有著不同的認識，傳統(tǒng)的螺旋輸送機械設計方法認為填充系數不宜超過1/2[13]，對于攤鋪機螺旋布料器來說，一種觀點認為混合料的填充系數為2/3較為合理[14]，另一種觀點則認為混合料的填充系數為1較好[15]。為了從理論上說明這一問題，可進行如下分析：

由上文分析可知，隨著的增大，圓周速度先增大后減小。由于螺旋軸的存在，圓周速度取值不會為0。由圖2可知，當>1時，軸向速度大于圓周速度，且越大，兩者的差值越大，定義/為物料填充系數。為物料在螺旋中的高度，為螺旋葉直徑。由于目前常用的螺旋布料器葉片直徑最大不超過0.6 m，在此螺徑范圍內，取值越大越好(取值越大，越大，軸向速度占主導地位，此時，螺旋布料器的布料效率高)。取值最大為，故物料填充系數為1是其最佳的工作料位高度。

攤鋪寬度越大時，所需的功率越大。由于常用的攤鋪機的功率達不到滿埋輸料的要求，當在物料填充系數較小時工作，只有提高螺旋轉速來提高向兩端輸料能力，由式(6)可知，圓周速度和軸向速度隨著螺旋轉速的增大線性增大，圓周速度較大時，容易使混合料拋擲而發(fā)生離析。故在攤鋪機功率滿足輸料能力時，應降低螺旋的轉速，并使螺旋滿埋輸料。

2.3 螺旋吊臂對混合料運動的影響

螺旋吊臂的作用是用來支撐螺旋軸，使螺旋布料器穩(wěn)定工作。在攤鋪現場，常?？梢栽诘醣畚恢玫膬蓚瓤吹矫黠@的縱向離析帶。離析的原因包括吊臂對混合料流動性的阻礙和螺距的變化。

2.3.1 螺旋吊臂對混合料流動性的阻礙

圖5 螺旋吊臂形狀

圖5中，(1)~(4)的橫截面面積相同，(1)為矩形吊臂，其對物料的阻礙作用最大；(2)為倒圓角矩形吊臂，相對于(1)來說，能夠改善混合料的流動性；進一步將圓弧狀增大，變成橢圓形吊臂(3)，在(2)的基礎上，使過度面更加光滑，物料流動性更好；減小過度圓弧的大小可使(3)變?yōu)閳A形吊臂(4)，相同橫截面面積時，若圓形吊臂半徑與橢圓形吊臂短軸相同，則其強度達不到支撐作用，需增大圓形吊臂橫截面的面積，如圖5(5)。相同橫截面時，采用橢圓形吊臂對物料的阻礙作用最小。

2.3.2 螺距的變化

為避免螺旋與螺旋支撐干涉，螺旋支撐部位不能安裝螺旋葉片，其結果相當于此處螺距增大，而在實際施工過程中，由于此處沒有螺旋葉片驅動混合料，混合料受力狀況更差，為便于分析，假設此處存在螺距增大的螺旋葉片，如圖6所示。

圖6 吊臂處螺旋螺距示意圖

圖6中，為螺距，1為吊臂處螺距最大值，2為吊臂處螺距最小值，以試驗用攤鋪機為例，為0.28 m，1為0.51 m，2為0.31 m。為便于研究，取1和2的中間值為等效螺距，見式(8)：

式中：J為螺旋支撐處等效螺距，計算可得值為0.41 m。

在吊臂處，等效螺徑為0.41 m，在此處z＜r，粒料將造成沿合成速度方向的附加紊流，使混合料產生離析?？紤]到吊臂距離下一處螺旋間的距離無法安裝一整個葉片，可在吊臂后一定距離安裝過度葉片，其寬度和螺徑均小于正常葉片，這樣能夠減小等效螺徑，且不會與吊臂產生干涉。

（1）林業(yè)技術推廣符合我國林業(yè)建設的科學發(fā)展觀。隨著我國林業(yè)建設進程的加快，林業(yè)建設已經從過去的單純植樹造林防護森林變?yōu)楝F在的以生態(tài)平衡和生態(tài)環(huán)境安全為主要出發(fā)點，同時兼顧到經濟生產效益的可持續(xù)性生態(tài)林業(yè)建設。想要實現經濟和環(huán)境生態(tài)兩者之間的協(xié)調發(fā)展，一定要依靠現在發(fā)展起來的科技手段和技術，所以，林業(yè)技術推廣就是新型林業(yè)技術和農戶之間的一座無形的橋梁，為新時期的生態(tài)林業(yè)建設提供支撐。

3 試驗研究

3.1 試驗概況

在廣西某高速公路進行現場試驗，瀝青混合料為AC-25，其生產級配見圖7，路面橫斷面寬11.75 m，螺旋軸轉速80 r/min，試驗樣機功率為269 kW。料槽寬度680 mm，料槽高度600 mm，螺旋軸中心距前擋板距離275 mm，距離地面高度350 mm，螺旋軸直徑100 mm，螺旋軸長度5 875 mm。

圖7 AC-25生產級配

3.2 檢測方法

數據采集時，沿攤鋪方向，在所檢測的路段上以1 m×1 m的方格網作為檢測單元，縱向檢測長度為40 m，橫斷面檢測寬度11 m?？紤]到試驗路段攤鋪機左右螺旋參數不同，會影響中間分界位置的材料狀態(tài)，在檢測結果中除去最中間1 m處的數據，得到400個檢測值。利用無核密度儀檢測路面密實度，為了減小測量誤差，每個點測量5次，取平均值。

采用檢測路段無離析區(qū)域的平均密度與離析處密度差的絕對值作為瀝青面層集料離析的判定指標。經測定無離析區(qū)域的平均密度為2 318 kg/m3，參照離析判定標準(見表1)[16]，判定檢測點的離析程度，并進行統(tǒng)計分析，得出不同離析程度的點數及所占的比例。

表1 離析評定指標

3.3 支撐吊臂形狀對瀝青混合料均勻性的影響

在路面整個橫斷面上，螺旋支撐從左向右依次為橢圓形吊臂(圖8中點3)，矩形吊臂(圖8中點6)，倒角矩形吊臂(圖8中點10)，圓形吊臂2(圖8中點13)。沿路面縱斷面上測5處，測量結果如圖8所示。

圖8 路面橫斷面密實度變化

由圖8可以看出，由于吊臂的存在，使得其左右處的路面密實度值發(fā)生了不同程度的變化。其中矩形吊臂對密實度的影響最大，其次為倒角矩形吊臂，物料通過圓形吊臂和橢圓形吊臂時的密實度變化均較小，對物料均勻性影響最小的為橢圓形吊臂。因此，可通過優(yōu)化吊臂的形狀，減小其對混合料的阻礙作用，使通過吊臂的物料均勻性較好。

3.4 填充系數對瀝青混合料均勻性的影響

螺旋葉片螺徑480 mm，螺距280 mm，分別改變物料填充系數，可得瀝青路面離析統(tǒng)計情況見圖9，離析程度灰度圖見圖10。

圖9 不同填充系數瀝青路面離析統(tǒng)計

(a) 填充系數1/2；(b) 填充系數2/3；(c) 填充系數1

由圖9可知，填充系數為1時，路面無離析所占比例為92%，高出1/2填充系數7%，重度離析0.5%，其密實度均勻性最好，填充系數為2/3時次之，填充系數1/2最差。試驗結果與上述理論分析結果相符。由圖10可知，增大物料填充系數可以改善寬幅攤鋪時兩端的離析現象，但在路面兩側仍存在不同程度的離析現象。

3.5 螺徑、螺距對瀝青混合料均勻性的影響

螺旋葉片螺距280 mm，物料填充系數為1，分別改變螺徑的大小，得到瀝青路面的離析情況，見圖11；保持螺旋葉片螺徑一定，改變螺距值，得到瀝青路面的離析情況，見圖12。

圖11 改變螺徑，瀝青路面離析統(tǒng)計

圖12 改變螺距，瀝青路面離析統(tǒng)計

由圖11和圖12可知：

1) 螺距一定時，增大螺旋葉片的直徑能改善路面的攤鋪均勻性，與上述理論分析一致。

2) 螺徑一定時，增大螺距可以改善路面的離析情況，但對離析的改善程度小于上文中改變螺徑。這與上述理論分析一致。

4 結論

1)V隨著增加，單調增大，并存在極限值，在軸向速度高于極限值的90%時，可認為布料效率及輸料均勻性已達到較好的狀態(tài)，對于實體工程中應用較多的螺距為280 mm的螺旋而言，此時螺旋葉片的直徑應不小于360 mm。

2) 對成熟的攤鋪機來說，改變螺徑、螺距均會對混合料的速度產生影響，進而影響混合料的攤鋪均勻性，但改變螺距對混合料攤鋪均勻性的影響程度小于改變螺徑。

3) 通過優(yōu)化吊臂的形狀和增加過度葉片可以調整混合料在螺旋吊臂處的運動狀態(tài)，改善混合料通過吊臂時的均勻性。

4) 增大混合料在料槽中的填充系數可以改善混合料在螺旋布料器內的運行狀態(tài)，物料填充系數越大，路面的攤鋪均勻性越好。物料低速滿埋輸料可以改善寬幅攤鋪路面兩側的離析現象。但路面兩側仍出現不同程度的離析現象，其原因仍需進一步研究。

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Study on the mechanism of screw distributor and anti-segregation test of wider paver

XU Zhongxin1, LUO Qingyun1, HU Yongbiao1, ZHENG Tiemin2

(1. School of Mechanical Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. Shanxi Zhongda Machinery Group Co., Ltd, Xi’an 710119, China)

In order to accurately find out segregation reasons and segregation distribution regularities of asphalt mixture in screw conveyor of width paver, based on the kinetic characteristics of mixture, the relationship between the particles’ axial velocity, circumferential velocity and the diameter, pitch under the action of screw conveyor was analyzed combined with a wide paver. Meanwhile, the segregation mechanism of the screw arm and the effect of material filling coefficient on the mixture uniformity were analyzed, and the full scale test was carried out on the solid engineering. The theoretical analysis shows that the structural parameters and operating parameters of the screw conveyor will affect the uniformity of the asphalt mixture. As the distance from the material to the screw axis increases, the axial velocity increases and the peripheral velocity increases first and then decreases. And the peripheral speed and axial velocity increase with the increase of the pitch, but the effect of changing the pitch on the speed of the mixture is less than that of changing the spiral radius. The bigger the material filling factor, the better the paving uniformity of the mixture, and it can also improve the segregation phenomenon on both sides of the width pavement. The uniformity of the mixture through the boom can be improved by optimizing the screw arm shape and increasing the excess blade. Field test results are consistent with theoretical analysis.

pavement engineering; width paver; screw distributor; segregation mechanism; field test

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.11.029

U416.02

A

1672 ? 7029(2018)11 ? 2964 ? 08

2017?10?18

陜西省交通運輸廳科研項目(17-04K)；中央高校基本科研業(yè)務費資助項目(300102258401)

胡永彪(1964?)，男，山東滕州人，教授，博士，從事工程機械作業(yè)質量控制理論和技術研究；E?mail：hybchd@126.com

(編輯 陽麗霞)