1 国外沥青混凝土摊铺机
国外有很多摊铺机生产公司,种类繁多,功能齐全。很多公司从早期单一产品发展到今天,已有成套的生产技术,满足各种道路的建设。依据自动调平系统在摊铺机中的应用性能以及液压技术对机械传动的取代,我们可以从三个历史阶段了解摊铺机的发展。
1.1 20世纪30~50年代摊铺机
这类是第一种型号的沥青混合料摊铺机,美国BLAW-KNOX、BARBER-GREENE是这个时期生产摊铺机的代表,前者在20世纪30年代初期生产了轨道式摊铺机,靠轨道作为基准来保证路面的平整度;后者在1937年推出了拖式摊铺机,它由拖拉装置和浮动熨平装置组成,结构简单,尺寸较小。该拖式摊铺机供料装置功能简单,不能根据需料量实现控制进料量的大小;在找平性能方面,仅采用了浮动熨平板的自动找平特性,其找平效果较差。
1.2 20世纪50~70年代摊铺机
20世纪50~70年代,随着液压技术的成熟以及自动控制理论的发展,摊铺机在功能上有了较大的进步,除了摊铺宽度和厚度有所增加外,在找平装置、供料系统等方面与前类相比有着本质的改善。
1.2.1 熨平机构
(1)手动调平系统 20世纪50年代末期,美国KANSAS州高速公路委员会的一名工程师发明了第一套自动找平装置。它结构简单,靠手动操作完成纵坡和横坡的调节。纵坡是靠基准线和一个指示器来标志;横坡是靠安装在横梁上的较重传感器和一个指示器来指明。
纵坡调节工作原理:基准线挂在摊铺机一侧,指示器装在牵引梁枢铰点附近并作为参考点搭在基准线上。当摊铺机行走在高低不平的基层上时,指示器随着上下移动,此时,操作人员通过旋转手动厚度调节螺钉即可保证摊铺出较平整的面层。
横坡调节工作原理:一个横梁跨装在摊铺机两侧,并连接在两侧参考点上。带有指示尺的传感器被装在横梁的中间,指示点可沿相应的指示器移动。当拱形确定之后,相应的指示点就被初定在某一参考点位置处。当指示点随着路面形状上下移动时,此时另一边的操作人员通过调节手调螺杆来阻止指示点的移动,从而保证摊铺出合乎设计要求的路面。
(2)自动调平系统 上述厚度调节机构其工作性能有些不足,如路面平整度分辨率较低,对操作人员的素质要求较高,且劳动强度较大等。在此工作原理的基础上,通过应用闭环自动控制系统,很多摊铺机生产厂家于20世纪70年代初期已开发出自动熨平板控制装置。它是靠移动牵引梁铰点来改变熨平板的倾斜位置的。由于这段时期摊铺机的工作宽度较小,所以都采用纵坡和横坡控制器来进行找平作业。早期是半自动调平系统,该系统横坡采用自动调节,纵坡采用原来的手调装置来控制;后期手动横坡调节机构也被自动装置取代,出现了全自动熨平控制系统,该系统工作特性相对较完善,且找平效果好。
工作原理:该自动熨平板控制系统由传感器、控制箱、操作面板、执行机构(液压马达或液压缸)等部件组成。在摊铺之前,首先设定所需要的摊铺厚度,工作时,控制面板、纵坡和横坡传感器产生电脉冲信号并传给控制箱,控制箱发出电信号使马达或油缸作出相应的动作来改变熨平板的倾斜位置,这样即达到了自动补偿道路基层的不平整度。
传感器:这段时期自动调平系统所采用的调节方式分两个阶段:初期多数摊铺机采用开关控制方式,其传感器多为液压随动器(即转阀),以开、关和死区三种工作方式响应基层不平整度信号;中后期,随着电子传感技术的发展和广泛应用,逐渐出现了电位器式、应变片式、霍耳元件等类型的传感器,同时配合相应的脉冲调节方式实现了比例一脉冲控制方式。如VO¨GELE的脉频调制式,ABG的脉宽调制方式,提高了调平精度。
基准选择:自动调平传感器的工作基础是建立一个参考基准。在这段时期所采用的基准有两种形式:挂线式和滑靴式。如BARBER-GREENE多采用挂线方式,而BLAW-KNOX和IOWA常选用滑靴式。挂线式找平效果较好,但容易受外界影响(如本身挠度及重力影响等),多在摊铺基层时使用;滑靴找平基准多用在基层平整度较好的上面层的摊铺。
(3)熨平板 第一阶段摊铺机熨平板是一种固定式结构,这类摊铺机的摊铺宽度无法自行改变。为摆脱这种局限性,这段时期出现了可伸缩式熨平板,并且采用了两块基础板以便拱度调节。其伸缩有两种实现方式:机械连接伸缩式和液压驱动伸缩式。其中VO¨GELE是采用后者的代表,在作用过程中可自行伸缩来改变摊铺宽度。机械连接式以BLAW-KNOX、ABG为代表,而且又经历了螺栓和螺母连接方式(初期)和楔形锁快速连接方式(后期且直到现在)。
1.2.2 供料系统
即使采用良好的自动调平装置,在找平效果上仍存在一定的平整度误差。其中供料装置性能的好坏是影响摊铺机质量的又一个因素。如果摊铺过程中能保证较均匀的供料速度,将有利于发挥自动找平装置的找平性能。
20世纪60年代以前,液压技术在摊铺机上的应用较少。其供料和牵引驱动系统都采用机械传动方式,并且牵引驱动系统与输料系统是一个整体,这样大大地限制了供料的灵活性,即不能解决大量供料与牵引速度之间的正确匹配问题。而且早期刮板输送器和螺旋摊铺器不能相互独立运动,无法满足两侧分别供料功能,严重影响着摊铺机的性能。
随着20世纪60年代初液压技术在工业领域的广泛推广,BLAW-KNOX公司生产了PF180型摊铺机,它第一次将牵引驱动系统与输料驱动系统分离。随后该公司又推出了PF180H型摊铺机,真正采用了液压驱动和液压供料系统。液压供料系统的出现使得刮板输料器和螺旋摊铺器在驱动环节上相互独立。这样就保证了平稳驱动、供料稳定等良好的摊铺性能。
20世纪60年代以前的摊铺机仅依靠操作料斗后方的供料闸门开启大小来改变供料速度。随着改变输送器和螺旋摊铺器的独立驱动,借助于传感器两者分别实现了闭环自动控制供料功能。前者多采用开关式控制;后者则利用精度较高的比例控制方式,这种优越的供料系统出现在20世纪70年代。
1.2.3 驱动系统和行走装置
(1)驱动系统
20世纪60年代前,摊铺机采用机械传动系统,从发动机到驱动链轮之间都是机械机构进行传动,驱动不够平稳,并且零件磨损较严重。20世纪60年代以后,液压传动技术在摊铺机中得到了推广,液压驱动逐渐取代机械驱动方式,使得机器在施工中更加平稳,改善了摊铺质量。
(2)行走装置
摊铺机在发展的历史过程中,行走装置进行了多次革新。第一类摊铺机采用了拖式装置进行行走;20世纪30~50年代的第二代摊铺机骑在两条钢轨上前进;20世纪50年代初期BLAW-KNOX公司生产了PF90型四轮驱动的自行式轮胎摊铺机;20世纪60年代,多数公司又生产了履带式摊铺机,以解决在较复杂基层上铺铺机的行走问题。
1.3 20世纪70年代~至今的摊铺机
近年来,随着电子技术、计算机控制技术等的发展,摊铺机性能上得到了进一步的完善,具体涉及到自动调平系统、供料系统、行走驱动系统等内容的改进。
(1)自动调平系统
找平基准:在原有挂线、拖靴找平基准的基础上,20世纪70年代中期出现了找平效果更好的平均梁找平基准,目前它们完全可以满足各种铺路情况。
找平传感器:20世纪90年代的自动找平装置中,非接触式超声波传感器得到了应用,增加了抗干扰能力,找平效果更趋良好,如CEDARAPIDS公司较早地采用了超声波传感器。激光传感器出现在20世纪70年代,由于其本身的复杂性以及受外界影响较大,没有得到发展。20世纪90年代,美国一些公司正致力于激光传感器的研究,有望成为将来使用的重点。
控制器:20世纪70年代,脉冲调制式的比例脉冲控制方式取代了前期的开关控制方式,在控制精度上得到很大的改善,但较机液、电液伺服控制方式来看,仍存在不足。20世纪90年代,随着计算机控制技术和液压技术的发展,出现了数字控制器自动调平装置,它是计算机与高速响应阀相结合的产物,如
BLAW-KNOX公司最近生产的“BLAW-KNOX”自动调平系统,此系统采用微处理器来自动控制纵坡和横坡,同时提供了一个自身故障诊断系统。
(2)供料系统
刮板输送器和螺旋摊铺器于20世纪70年代实现自动控制的初期,由于传感技术的制约,所采用的传感器为料拍转角式料位传感器,它直接与高温粘性的沥青混合料接触,其寿命和精度较差。近期,多数公司采用了超声波传感器解决了上类传感器的性能不足问题,使供料量更加稳定。其中BLAW-
KNOX是采用这类传感器进行供料控制的先驱。近期的螺旋摊铺器通过液压系统操纵实现了自动升降,调节方便、可靠。
(3)行走驱动系统
轮胎式摊铺机和履带式摊铺机由于各自独立的特点,目前都有应用,但大型摊铺机多为履带式结构。德国与美国相比,液压技术发展较慢,摊铺机中引用液压驱动方式较晚。20世纪80年代ABG公司生产的TITAN411型摊铺机其行走驱动装置采用的是液压机械联合方式,它实现转向需借助于左右侧的离合器和制动器,转向轨迹呈锯齿形,弯道摊铺质量较差。
20世纪90年代该公司推出了TITAN422、423型全液压独立行走驱动系统,借助于速度传感器、转向传感器和单片机控制器等环节组成的闭式系统实现了较圆滑的转向性能,同时也确保了直道摊铺时的直线行驶。
(4)熨平装置
熨平板:目前采用液压伸缩式熨平装置的摊铺机型较多,而且其发展趋势是伸缩范围增大并可以方便地实现无级变化摊铺宽度。BLAW-KNOX公司近年来研制出一种装置确保了螺旋摊铺器随熨平板一起伸缩。本结构虽复杂,但使用起来更加方便。
振捣—熨平装置:目前国外摊铺机其振捣—熨平装置可以分为两类:高密实度型和标准型,前者多被德国生产厂家所使用;而美国生产的摊铺机多采用标准型振捣—熨平装置,这种思想与美国成套的筑路机械相适应,便于高效地铺筑路面。
2 国内沥青混凝土摊铺机
我国的摊铺机工业起步较晚,20世纪60年代才有了自己的生产厂家。这些制造厂是在引进国外技术的基础上生产,很大程度上受到国外技术发展的制约。在此我们分别以引进瑞典DANAPAC技术和德国ABG技术的西安筑路机械厂和陕西建设机械厂为例来展述国内摊铺机的发展情况。
2.1 LT型摊铺机
(1) LT6型摊铺机
20世纪70年代末期西安筑路机械厂推出了LT6型轮胎式摊铺机,是国内较早自行研制开发的产品。
调平装置:本机采用手动和自动两套调平装置。前者是通过摊铺机后面左右两套手动厚度调节手把实现的,它类似于国外20世纪50年代摊铺机的调平方法。这种装置只能对路基或底层的粗大不平整进行校正,为了摊铺出较为平坦的路面,必须随时对路基的不平整信号作出响应,这就需要自动调平装
置。LT6型摊铺机采用了电传感器控制的电动操纵机构,力矩电机接收电传感器信号。
供料系统:采用左右独立驱动的两套刮板输送器,驱动方式为机械链轮式,且由摩擦离合器进行操纵。两套刮板输送器的后方分别安装两个供料控制闸门,通过手动调节闸门的开启大小来控制供料速度。
(2) LT5型摊铺机
20世纪90年代初期,西安筑路机械厂推出了新型LT5型摊铺机,较LT6型有着如下几个方面的改进。
调平装置:由于液压传动技术在该机上进一步的应用,电传感器控制的液压执行机构代替了原机型的电传感器控制的电动执行机构,并且采用了脉宽调制式控制方式,与普通开关式控制相比有着本质的进步。
供料系统:刮板输送器的供料量采用手动操作闸门开启量进行控制,配合电磁气阀的使用,可开关控制两套刮板输送器单独工作。通过螺旋摊铺器的外端增设料位传感器,从而实现了供料量的自动控制。实践证明该供料方式效果非常理想。
2.2 TITAN型摊铺机
陕西建设机械厂引进ABG公司的技术生产的TITAN423型摊铺机的主要装置。
调平装置:采用了模拟电子调节器控制的液压执行自动调平装置。根据各摊铺层的表面平整度情况本机配备了多种找平基准。
供料系统:采用了全自动控制的供料系统。两套刮板输送器分别由相应的液压马达独立驱动,并由料位传感器以开关控制方式控制其供料速度。采用两套独立闭式液压系统分别驱动左右两组螺旋摊铺器,并由非接触式超声波传感器实现无级调速控制,同时能够在必要时切断自动控制供料系统实现强制快速改变供料速度。
3 沥青混凝土摊铺机的发展趋势
公路交通事业的迅猛发展对沥青路面的使用性能提出了更高的要求,而摊铺质量又取决于沥青摊铺机的技术性能,所以沥青混凝土摊铺机的技术性能继续发展势在必行。现结合国际上较大摊铺机生产公司BLAW-KNOX和ABG进行阐述。
(1)自动调平系统
目前BLAW-KNOX公司推出的全新纵坡横坡控制系统,实践证明其使用相当可靠,它以微机作为控制器,自动化程度较好,控制精度高,能够确保铺层的横坡纵坡与基准一致。但由于环境的复杂,对系统干扰较大,有时会出现控制失调现象,所以今后要致力于控制系统硬件抗干扰的研究。ABG公司的自动调平装置仍以模拟电子调节器为控制核心,与数字控制器相比,虽然可靠性较好,但操作不便,而且在
进行弯道摊铺时很难摊铺出超高连续变化的路面(目前国内施工单位在进行弯道作业时多数都是通过解除自动调平装置靠手动完成)。所以采用先进的电脑控制自动调平装置是今后的发展方向。
(2)供料系统
BLAW-KNOX公司新近使用了MC-30移动式灯光物料输送系统,其突出特点是避免了运料卡车与摊铺机的直接接触;可保证物料连续供应;减少物料离析现象;提高整个路面的摊铺质量。对于刮板输送器采用比例控制将是更好的选择。BLAW-KNOX公司的ULTRA3超声波传感器系统将使得熨平板前方的料量和料位更加稳定,且非接触式传感器更使得本系统可靠、寿命更长。
(3)物料搅拌器
料斗后部的搅拌器能保证物料送到熨平板之前再次进行拌和,使得物料更加均匀稳定,进一步消除料离析对摊铺质量的不良影响,这一产品目前得到BLAW-KNOX公司的使用。
(4)物料指示器
料斗后方安装两个电传感器,可确保当通过刮板输送器的料量低于预定值时发出报警信号,从而保证物料按预定量进行供应。
以上所介绍的几项技术都与摊铺机质量息息相关,并且都是刚刚投入使用,它给摊铺机制造商指明发展的方向,同时也看到沥青摊铺机有着较广阔的发展领域。
