瀝青混凝土邊模鋪裝機(jī)的安裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焦會馨，劉躍輝，彭毅

摘要：為了提高路面施工的效率和質(zhì)量，采用邊模安裝技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款瀝青混凝土邊模鋪裝機(jī)，并提出了安裝系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。邊模安裝系統(tǒng)包括邊模出倉裝置、自動掛鉤裝置和射釘裝置。邊模出倉裝置由定位卡、出倉斜坡滑道、推塊和氣缸組成;自動掛鉤裝置主要由彈夾裝置、推動裝置、掛鉤裝置和連桿結(jié)構(gòu)組成;射釘裝置由氣釘槍、定位模塊和三坐標(biāo)工作臺組成。采用UG軟件對邊模安裝系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并虛擬裝配，檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)的合理性。結(jié)果表明，瀝青混凝土邊模鋪裝機(jī)的行走系統(tǒng)可按照施工的方向自動行走，邊模鋪裝系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)邊模的自動鋪設(shè)，提高了鋪設(shè)道路的質(zhì)量; 邊模安裝機(jī)工作方式相比于傳統(tǒng)人工鋪設(shè)方式，具有結(jié)構(gòu)可靠、效率高、操作簡單、安全性能好、污染少等優(yōu)點(diǎn)。研究成果可為未來全智能化鋪設(shè)邊模設(shè)備優(yōu)化提供參考，并能結(jié)合瀝青攤鋪機(jī)應(yīng)用于施工中，進(jìn)一步提高鋪裝質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：路基工程;瀝青混凝土路面;邊模安裝機(jī);邊模安裝系統(tǒng);邊模掛鉤;邊模射釘

中圖分類號：U415.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx05007

Design of? installation system of asphalt concrete side mould

installation machine

JIAO Huixin1，LIU Yuehui2， PENG Yi1

（1.School of Mechanical Engineering， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025， China; 2.School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：In order to improve the efficiency and quality of pavement construction， the asphalt concrete side mould installation machine was designed based on the side mould installation technology， and the overall design scheme of the side mould installation system was proposed. The side mould installation system was composed of a side mould exit device， an automatic hook device and a nail shooting device， among which the side mould ejection device was consisted of a positioning card， an ejection ramp slide， push blocks and air cylinders; the automatic hook device was mainly composed of magazineclip device， pushing device， hoolc device and a connecting rod structure; the nailing device was composed of air nail gun， positioning modules and three-coordinate workbench. The 3D models of the structure of each part of the side mold installation system were built by the UG software to perform virtual assembly and the rationality of the design was verified. The results show that the walking system of asphalt concrete side mould installation machine can work automatically according to the direction of the construction and the designed side mould installation system can realize the intelligentization of side mould paving， which can improve the quality of paved roads. Compared to the traditional manual paving method， the designed asphalt concrete side mould installation machine has the advantages of reliable structure， high efficiency， easy operation， good safety performance and less pollution.The research results can provide a reference for the optimization of fully automated side mould equipment in the future.Combined with asphalt paver，the system can be applied to the construction to improve pavement quality comprehensively.

Keywords：subgrade engineering;asphalt concrete pavement;side mould mounting machine;side mould installation system;side mould hook;side mould nail shooting

隨著路面成型施工技術(shù)的發(fā)展，中國公路的總里程數(shù)已有近457萬km。其中高速公路達(dá)到12.35萬km，瀝青混凝土路面占高級公路里程的80%以上，且在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用，是公路的主要結(jié)構(gòu)類型[1]，如圖1所示。瀝青路面作為一種連續(xù)且沒有縫隙的路面，具有噪音少，成本低，力學(xué)性能好，承載和減振能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且路面便于管理和維修，施工期比較短[2-6]。

目前，鋪設(shè)路面的具體工作流程：1）先攤鋪瀝青砼面層;2）切除多余的路面;3）裝上路緣石。在實(shí)際路面施工過程中應(yīng)提升瀝青混凝土路面的施工技術(shù)，以有效地減少各類公路病害發(fā)生的概率，延長路面使用壽命[7]。

第一代路緣石機(jī)是由美國生產(chǎn)的。路緣石滑模機(jī)技術(shù)真正成熟是在1991年，由美國工程師JOHN LEONE研制的。進(jìn)入21世紀(jì)以來，箭牌機(jī)械公司生產(chǎn)的路緣石機(jī)，無論是整體耐用度還是施工質(zhì)量均受到業(yè)界好評，且在全球知名度很高。目前，具有代表性的設(shè)備是BL-790全自動路緣石攤鋪機(jī)，采用的是錘擊方法。2004年出現(xiàn)了一種多功能路緣石滑模機(jī)，雖然該設(shè)備具有口滑模機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但是此設(shè)備體積大，成本和配套設(shè)備要求高，故不能批量生產(chǎn)使用[8-10]?，F(xiàn)階段的路面鋪裝工作仍存在著諸多問題，比如安裝路緣石時(shí)需要切除多余的瀝青砼面層，會浪費(fèi)大量原材料，增加了施工成本，降低了修建道路的質(zhì)量和效率[11];且目前路面施工邊模的安裝主要采用人工安裝邊模的形式，安裝速度慢，平均1～2 min安裝1條邊模，施工工期較長;同時(shí)工作人員在施工過程中很容易把在低級路面施工中的經(jīng)驗(yàn)和方法照搬到高速公路路面的施工中來，從而造成安裝質(zhì)量差以及工作人員的安全問題[12-15]。

為了解決人為和環(huán)境帶來的影響及問題，筆者設(shè)計(jì)了新型邊模鋪裝機(jī)。此設(shè)備用來對瀝青混凝土路面邊模進(jìn)行自動化安裝，采用邊模安裝系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)邊模安裝過程的缺點(diǎn)，可省去切割邊緣的工作，通過將邊模鋪設(shè)在路基兩側(cè)邊緣的工藝，能夠直接獲得順直度高的路面邊緣結(jié)構(gòu)，為后續(xù)施工提供方便。第5期焦會馨，等：瀝青混凝土邊模鋪裝機(jī)的安裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)河北工業(yè)科技第38卷

1總體結(jié)構(gòu)及工作原理

瀝青混凝土邊模鋪裝機(jī)的行走系統(tǒng)可以自動識別并按照人工提前規(guī)劃好的路線和施工的方向自動行走;邊模安裝系統(tǒng)能自動邊模鋪設(shè)，安裝時(shí)要確保2個(gè)相鄰的邊模掛鉤連接，并用射釘槍將其固定在地面上。

邊模行走系統(tǒng)主要是車體裝置。車體裝置主要包括前車架、后車架、行走電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)。邊模鋪裝機(jī)的安裝系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)部件有邊模出倉、掛鉤和射釘3部分。出倉裝置主要包括定位卡，出倉斜坡滑道裝置，底部架子，推塊，肋邊模塊等;自動掛鉤裝置主要包括彈夾裝置，推動裝置，掛鉤裝置等;射釘裝置主要包括氣釘槍、定位模塊、氣缸、三坐標(biāo)工作臺（即x，y，z方向推動裝置）以及扳機(jī)觸動裝置。利用UG軟件畫的邊模三維圖，如圖2所示。此外，邊模安裝系統(tǒng)也離不開空氣壓縮機(jī)，空氣壓縮機(jī)是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的動力源?？諝鈮嚎s機(jī)根據(jù)推動裝置動力的大小來進(jìn)行型號的選擇，安裝在邊模鋪裝機(jī)上。出倉，掛鉤和射釘3大裝置共同安裝在行走系統(tǒng)的同一側(cè)，一般為左側(cè)。

路面邊模機(jī)的工作流程：首先把邊模安裝系統(tǒng)安裝在行走系統(tǒng)的車架上，行走系統(tǒng)進(jìn)入路面后沿著路面上提前畫好的線行走;然后將邊模依次放下進(jìn)行連接（如圖3所示），完成掛鉤動作;最后由定位模塊確定好釘孔位置后，使用射釘槍進(jìn)行射釘完成固定。重復(fù)上述步驟，直到鋪路工作完成。

利用UG軟件畫的本設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)三維圖如圖4所示。邊模安裝系統(tǒng)的工作原理如下。邊模從上端開口處進(jìn)入到邊模倉結(jié)構(gòu)中，落下的邊模從邊模倉下方開口出倉。當(dāng)邊模出倉后，邊模被氣缸頂起，然后邊模被推動往滑道下方移動，移動至2個(gè)相鄰邊模的掛鉤正好相對齊，然后邊模落下掛鉤就會扣住，從而這2個(gè)相鄰的邊模就連接在一起，完成掛鉤動作。邊模完成掛鉤之后，穩(wěn)定性差，因此需要通過射釘在釘孔處進(jìn)行固定[16]。此邊模安裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)很大程度上降低了施工人員的工作量，也能很好地控制施工時(shí)間及速度，邊模安裝速度可達(dá)每分鐘4條，相比人工安裝邊模速度快了8倍，提高了工作效率和工作質(zhì)量[17]。

2邊模安裝系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1邊模出倉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

邊模倉是由干板焊接形成的，邊模底板放置在邊模倉的外邊，邊模從邊模倉上端進(jìn)口進(jìn)入，從下端開口出倉。由于開口大小和邊模寬度的限制，所以每次只能保證有1個(gè)邊模出倉。側(cè)面推動裝置安裝在邊模擋板的前部分（以車頭為準(zhǔn)），氣缸、固定裝置、滑塊等部分與邊模出彈夾的推動裝置相同，但側(cè)面推動裝置中氣缸的行程比較小，需要動力就小，其主要任務(wù)是完成邊模的側(cè)面運(yùn)動。

當(dāng)邊模準(zhǔn)備出倉時(shí)，氣缸帶動推塊進(jìn)行運(yùn)動，將邊模倉最下方的邊模推到滑道上;當(dāng)氣缸推出邊模并縮回來后，在邊模倉中的邊模就會受到重力的作用而往下移動，為下一次的出倉做好準(zhǔn)備。出倉裝置如圖5所示。

當(dāng)邊模完成掛鉤之后，邊模將會沿著出倉斜坡滑到底面，然后再完成射釘動作，斜坡滑道裝置如圖6所示。斜坡滑道上安裝了4種氣缸。出倉裝置緊緊地連接著邊模擋板，協(xié)助完成邊模掛鉤，同時(shí)它也連接著掛鉤和射釘兩部分。因?yàn)樾逼聝蓚?cè)的寬度會比邊模兩側(cè)寬度稍大，因此斜坡會對邊模產(chǎn)生側(cè)向約束力，同時(shí)斜坡的坡度較緩，有利于邊模的平穩(wěn)滑落。

當(dāng)邊模從滑道落下時(shí)，邊模進(jìn)入肋邊模板中（如圖7所示），但此時(shí)邊模在肋邊模板中的位置發(fā)生了移動，所以需要擺正邊模在肋邊模板上的位置。因此在肋邊模板外板下部裝上2個(gè)氣缸，通過這2個(gè)氣缸給氣體施加壓力，從而產(chǎn)生動力推動邊模向肋邊模板里側(cè)移動，使邊模貼住肋邊模板內(nèi)側(cè)，固定邊模的位置，最后邊模進(jìn)入射釘模塊里，使其固定在地面。

2.2邊模掛鉤部分的設(shè)計(jì)

彈夾裝置的主要組成材料是熱軋鋼板和角鋼，其結(jié)構(gòu)簡單且實(shí)用，采用開放式的結(jié)構(gòu)是為了滿足工作需要的同時(shí)盡量節(jié)約原材料，保證設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。圖8為彈夾裝置示意圖，彈夾高度為410 mm，每次最多可以同時(shí)裝載11個(gè)邊模，可以滿足掛鉤過程和射釘過程。邊模的厚度為45 mm，彈夾的內(nèi)部寬度為50 mm，既可以防止由于彈夾內(nèi)部寬度過大而造成的邊模不穩(wěn)定，也更加利于邊模工作。制造彈夾裝置的材料為角鋼，其截面為兩邊互相垂直成直角形的長條鋼材[18]。

出彈夾的推動裝置主要部分為氣缸，如圖9所示，用于完成前進(jìn)和后退2個(gè)動作，除此之外推動裝置還有氣缸支撐裝置和用于前后行走的導(dǎo)軌，如圖10所示。該推動裝置的寬度是邊模寬度的1/2，可以平穩(wěn)地將邊模推到邊模擋板上。該推動裝置上表面是平整的，這樣有利于推動裝置后退動作的完成，為下次動作做準(zhǔn)備。

為保證邊模按順序排列并能夠穩(wěn)定連接，使用掛鉤裝置將相鄰兩邊模的掛鉤相扣進(jìn)行連接。由于2個(gè)相鄰邊模的掛鉤方向相反，連接時(shí)，需要將其中的1個(gè)邊模抬起來。總體來看，邊模的掛鉤動作主要有正面推出、向上抬起、側(cè)面推出、向下落料4部分，前面的出彈夾裝置和出倉裝置分別完成了正面推出和側(cè)面推出1個(gè)部分，下面主要介紹向上抬起和向下落料2個(gè)動作部分的推動裝置。

進(jìn)行掛鉤動作的推動裝置大體結(jié)構(gòu)和部件與出彈夾的推動裝置基本相同，主要區(qū)別在于這部分推動裝置需將前后運(yùn)動變?yōu)樯舷逻\(yùn)動，所以設(shè)計(jì)增加1個(gè)楔塊和1個(gè)滾動軸承，利用楔塊的斜面和滾動軸承的配合，將推動裝置的前后運(yùn)動變?yōu)樯舷逻\(yùn)動。綜上所述，在上下推動裝置的作用下，將邊模的一端抬起，在側(cè)面推動裝置的作用下，將預(yù)掛鉤的邊模推到上一個(gè)邊模側(cè)面，然后掛鉤裝置完成向下運(yùn)動，邊模落下2個(gè)相鄰邊模的掛鉤相互扣住，便實(shí)現(xiàn)了2個(gè)相鄰邊模的掛鉤過程，掛鉤裝置如圖11所示。

2.3邊模射釘部分的設(shè)計(jì)

采用射釘槍進(jìn)行射釘，將邊模固定在地面上。射釘槍打釘?shù)膭恿κ怯每諝鈮嚎s機(jī)壓縮空氣來提供的，所以必須對空氣壓縮機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格要求和詳細(xì)計(jì)算，空氣壓縮機(jī)工作原理與水泵類似，主要依據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和流量2個(gè)參數(shù)。當(dāng)活塞上邊的氣壓大于下邊的時(shí)候，活塞下降。反之，活塞會保持不動，因此需要壓縮空氣來使活塞進(jìn)行移動。射釘槍的三維圖如圖12所示。

射釘槍是單獨(dú)的裝置，與架子相連。架子的三維圖結(jié)構(gòu)如圖13所示。采用4個(gè)M6的螺釘，讓射釘槍前部固定在架上。

射釘槍僅前部固定并不穩(wěn)定，因?yàn)樵谛凶邥r(shí)射釘槍會產(chǎn)生慣性力和驅(qū)動力，會造成射釘槍發(fā)生晃動，所以必須增加1個(gè)能把射釘槍中間部分與架子連接起來的裝置。射釘槍的中部是人工手握的地方，為圓柱體形狀。因此設(shè)計(jì)1個(gè)夾具將射釘槍固定在架子上，避免射釘槍發(fā)生晃動，如圖14所示，夾具為長方形的形狀。該夾具分為2個(gè)部分，其合起來中間是空的，空的部分正好和射釘槍把手部分套在一起，用螺栓連接夾具的2個(gè)部分，再用螺栓固定夾具和架子。圖15為射釘裝置的結(jié)構(gòu)簡圖，用夾具和射釘槍前部相連射釘槍和架子。

3結(jié)語

瀝青混凝土邊模鋪裝機(jī)是用來鋪設(shè)路面邊模的設(shè)備，筆者對鋪裝機(jī)邊模安裝系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，安裝機(jī)采用自動循跡行走系統(tǒng)，能夠自動識別并沿著所畫好的線行走，可實(shí)現(xiàn)自動邊模鋪設(shè);然后再將邊模依次放下進(jìn)行連接，完成掛鉤動作，最后由定位模塊確定釘孔位置后，使用射釘槍進(jìn)行射釘固定，完成邊模安裝。

邊模安裝系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）提高了生產(chǎn)效率，加快了鋪設(shè)邊模的速度;2）省去了切邊動作，提高了鋪設(shè)道路的質(zhì)量;3）密封邊模的高低可以通過直體塊疊加的方式來改變，適用于各種厚度的路面;4）彈夾容載大，1次可同時(shí)裝載11個(gè)邊模;5）系統(tǒng)確保了安裝的順直度。

本設(shè)計(jì)雖然可以提高鋪設(shè)道路的效率與質(zhì)量，但是考慮到不同公路狀況，設(shè)備暫時(shí)不能實(shí)現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎的邊模固定，今后會將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在研究不同路況的邊模固定上。

參考文獻(xiàn)/References：

[1]張雯雯，馬騰飛.瀝青混凝土路面施工過程智能化控制研究與應(yīng)用[J].四川水泥，2021（5）：39-40.

[2]GAO Ying， HOU Kun，WEI Ziyao， et al. Variability evalua-tion of gradation for asphalt mixture in asphalt pavement construction[J]. Automation in Construction，2021，128：103742.

[3]TAN? Yiqiu，CHEN Fangchen，LIU Hao，et al.New approach for calculating permanent deformation in asphalt pavement[J].Journal of Harbin Institute of Technology（New Series），2010，17（5）：711-715.

[4]SHI? Chunxiang， GUO Zhongyin. Mechanical properties of asphalt pavement structure in highway tunnel[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University（Science），2008，13（2）：206-210.

[5]許振華.市政公路瀝青混凝土路面施工技術(shù)淺析[J].江西建材，2020（12）：249-250.

XU Zhenhua. Analysis on construction technology of asphalt concrete pavement of municipal highway[J]. Jiangxi Building Materials， 2020（12）：249-250.

[6]游杏娟.道路工程中瀝青路面施工技術(shù)應(yīng)用[J].綠色環(huán)保建材，2021（5）：65-66.

[7]陳夏娟.公路施工中的瀝青路面施工技術(shù)[J].中國科技信息，2021（10）：58-59.

[8]劉遙臻.瀝青混凝土路面邊模鋪裝機(jī)的研究[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2014.

LIU Yaozhen.The Research of Asphalt Concrete Pavement Side Mode Paving Machine[D]. Shijiazhuang：Hebei University of Science and Technology，2014.

[9]吳宇. KB20型四驅(qū)自走式路緣石滑模機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及仿真[D].秦皇島：河北科技師范學(xué)院，2020.

WU Yu.Design and Simulation of Key Components of KB20 Four-Wheel Drive Self-Propelled Kerb Sliding Machine[D]. Qinhuangdao：Hebei Normal University of Science & Technology，2020.

[10]劉志斌.淺談路緣石滑模機(jī)施工工法在非洲市場的應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2019，38（23）：173-175.

LIU Zhibin.Application of construction method of curb stone sliding machine in African market[J].Value Engineering，2019，38（23）：173-175.

[11]沈平.公路工程瀝青路面施工技術(shù)與質(zhì)量控制探析[J].智能城市，2021，7（8）：80-81.

[12]單根立，張栩俊，蔣立坤，等.瀝青混凝土路面邊模鋪裝機(jī)的設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（3）：258-263.

SHAN Genli， ZHANG Xujun， JIANG Likun， et al. Design of side mode paving machine for asphalt concrete pavement[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology，2013，34（3）：258-263.

[13]胡建軍.瀝青混凝土路面機(jī)械攤鋪技術(shù)淺析[J].技術(shù)與市場，2021，28（4）：170.

[14]全凱，王超，程浩，等.新型道路復(fù)合瀝青材料改性劑的選擇與配比優(yōu)化[J].河北工業(yè)科技，2020，37（6）：441-446.

QUAN Kai， WANG Chao，CHENG Hao，et al. Selection and proportioning optimization of modifiers for new road composite asphalt materials[J].Hebei Journal of Industrial Science & Technology，2020，37（6）：441-446.

[15]郭慶林，鄂豐銘，劉強(qiáng)，等.一種基于電學(xué)特性的瀝青混凝土吸水狀況推測方法[J].河北工業(yè)科技，2020，37（1）：1-4.

GUO Qinglin， E Fengming，LIU Qiang，et al.An estimation method for the absorbed moisture of asphalt concrete based on electrical resistance[J]. Hebei Journal of Industrial Science & Technology，2020，37（1）：1-4.

[16]張栩俊.瀝青混凝土路面邊模鋪裝機(jī)的研究[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2013.

ZHANG Xujun.The Research of Asphalt Concrete Pavement Side Mode Paving Machine[D]. Shijiazhuang：Hebei University of Science and Technology，2013.

[17]王田.瀝青攤鋪機(jī)攤鋪路面成波浪型路面的故障原因分析[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2010，23（2）：118.

WANG Tian. Diagnosis of failures′ causes of wave road made by asphalt paver[J].Construction Machinery Technology & Management，2010， 23（2）：118.

[18]沈嬋，路波，惠偉安.氣動技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新[J].流體傳動與控制，2011（4）：7-10.

SHEN Chan，LU Bo，HUI Weian.The development and innovation for pneumatic technology[J].Fluid Power Transmission and Control，2011（4）：7-10.