路面平整度是反映路面工程质量好坏的最主要因素之一,在我国高等级公路建设飞速发展的今天,人们对路面平整度的要求越来越高,各建设单位和施工单位在这一方面作了大量的工作,在沥青砼摊铺机上安装浮动均衡式自动找平基准梁,作为河北省交通厅用来提高路面平整度的重点科研推广项目,广泛应用到了京沈高速公路宝山段的路面施工中来。中铁十一局承揽了八合同施工任务,进入到路面施工阶段时,在业主河北省交通厅的组织下,使用了浮动均衡式自动找平基准梁,通过一年多的实践,发现该装置施工效果很好,路面中面层平整度的均方差为1.0 mm,上面层为0.6 mm。(交通部组织的路面平整度测试仪检测结果)
该装置是近几年从国外借鉴的,其结构、工作原理、甚至装置名称在国内至今尚没有统一的说法,笔者把在实践中总结出的这方面的体会简述如下,有待更进一步探讨。
1 基本构造
该装置呈双纵向布置,长15.80 m,(图1),分前、后浮动滤波基准梁和前、后均衡梁四大部分组成,前后基准梁分别被分布在摊铺机上的前后牵引铰接点牵引,前后均衡梁AO、BO为铰接在一起的异形杠杆,两头分别放在前、后基准梁的支架上,中间跨过了摊铺机的熨平板,安装在摊铺机大臂的支承轴销上,这四个部分组成一个整体,与摊铺机同步移动。
图1 浮动均衡式自动找平基准梁示意图
前后浮动滤波基准梁结构基本相同,均利用一根矩形梁将8个船形滑靴联为一体,每个滑靴联为一体,每个滑靴与大梁之间采用铰接联杆联接,带有弹簧的销轴装在大梁的导向孔内,以便滑靴上下浮动,基准梁中心位置设有可调节高度的均衡梁支架,用来支承前后均衡梁。
该装置结构看似简单,但有两个关键点的位置十分重要。其一为均衡梁在大臂上的支点O,这一点既是均衡梁的牵引点,又是传递高度变化的联接点,最佳点应选择在大臂牵引点和熨平板尾部同新铺层接触点联线的中心位置,在此点,无论是摊铺机大臂牵引点的高度变化,还是新铺层厚度的变化,均能按1/2的比例等值地传给传感器,消除了因高度变化值相等但传感器反映行程不同而导致的信号误差对平整度的影响,其二为自动找平传感器安装点E,由于传感器触头行程与自动找平精确度在制造过程中已限定在某个范围之内(一般为0.125 mm),因此,用机械方法传递垂直位移量应将此因素考虑在内,我们认为将传感器安装于后均衡梁大臂支点前,前均衡梁中心点处为好,使
传感器固定点到后支点与均衡梁铰支点到后支点的长度比为3∶2,此时传感器反映的垂直位移量约跟大臂铰支点的垂直位移量相等。
2 工作原理
2.1基准梁工作原理及功能
浮动基准梁简图如图2所示,它是通过纯力学关系将前后基准梁长度范围内地基高度方向的误差进行数学平均、滤波,减小其幅值,使摊铺机在运动过程中,基准梁中点的运动轨迹成为一个过渡平滑的曲线,这个曲线幅值的约对值很小,处于整个控制系统所允许的误差范围之内,作为自动调平仪的参考基准。基准梁的重量及部分均衡梁的重量靠8个弹簧的压缩弹力支承,当路面平坦时,8个弹簧的压缩长度相同,行进过程中基准梁与路面高度保持一个恒量,设基准梁重量为G,弹簧的弹性系数为K,此时的压缩量为S=G/8K。
图2 基准梁工作原理图
当路面纵向局部不平时,滑靴随路面凹凸曲线上下移动,压缩或伸长该滑靴上的弹簧产生弹性变形,该弹簧减少或增加的力由其余几个均衡负担,这一点可以通过如下的力学关系式得到验证。
假设其中某一个弹簧遇到一凸出点Hn,基准梁由原来的位置被抬高了Sn,则该点弹簧的压缩量变成为:
S2=S+Hn=Sn
其余7个弹簧的压缩量各减少了Sn,每个弹簧产生的弹力变为:
F2=K*(S+Hn+Sn)
其余7个弹簧的压缩量各减少了Sn,每个弹簧产生的弹力变为:
F1=K*(S-Sn)
因为 G=7F1+F2
可以得出 G=7K*(S-Sn)+K*(S+Hn+Sn) =8K(S-Sn)+K*Hn
结合平坦路面时S=G/8K
即得 8KS=8K(S-Sn)+KHn
亦即 Sn=Hn/8
这说明由8个弹簧组成的梁式机构,在其中一个发生误差Hn时,整个梁的位置仅仅变化了该值的1/8,弹簧数量越多,则变化值越小(当然滑靴数量还要受其它条件的制约)。
以上分析是这种基准梁在地基不平的最大误差出现的情况,实际上当误差区域出现并从基准梁下方越过时,梁会出现倾斜,根据杠杆原理可知,只有误差区域位于梁的重心下方时,才会出现上述误差的最大值Hn/8,其它均小于这个值,同时,由于选择了弹性系数合适的弹簧,不平波高差在10 mm范围内时,其余几个弹簧承提的重力减少或增加后只产生弹性变形趋势,几乎不发生弹性变形,因此,基准梁支架与路面的相对高度仍然保持不变,这就是基准梁的浮动滤波原理。
由于前后基准梁的浮动滤波作用,不仅能将基波分解,而且能降低波幅,消除了纵向不平小波浪对传感器的影响,使得前后基准基本保持不变,在路基纵断曲线及高程已按设计要求完成的情况下,前后基准梁支点的运动轨迹就是一条与设计线段平行的相对摊铺基准曲线,摊铺机按照这条曲线铺筑路面,越铺设到上面的摊铺层,所能找平的程度越高。
2.2均衡梁工作原理
2.2.1自动找平原理
该均衡梁的自动找平原理与其它形式的找平装置基本相同,所不同的是传感器和触头随大臂一起上下浮动的同时,利用杠杆的几何原理在传感器安装点处,使前后均衡梁之间产生相对位移(距离发生变化),来传递波动信号值。
这一过程是一个复合过程,传感器所接收到的相对位移量是前均衡梁与后均衡梁位移叠加以后剩余的部分(假定条件是前后均衡梁支点不发生变化)。
摊铺机由于料斗料量变化,履带遇到局部凹凸不平以及熨平板下料量,密度和厚度发生变化时,大臂牵引点会产生向上向下的变化,导致均衡梁与大臂铰支点(指支承前后均衡梁的点)便相应有一个垂直变化量。该垂直变化量与被传感器所反映的变化量极其近似。
自动找平控制装置按这一信号,将大臂牵引点向相反的方向调整,使熨平板仰角调到原来角度。同时,大臂调整的结果又使传感器与触头间的距离迅速返回到原来调定值,显示器显示零位。
2.2.2前后高程变化均衡原理
从原铺层获得的基准高程变化与从新铺层获得的基准高程变化取一个平均值,进行高度控制,这一过程使得变纵坡路段铺层更平顺。
当路面底层纵坡度发生变化或凹凸不平波长>基准梁长度时,前基准梁产生垂直位移量ΔH,因而,使前基准梁支点相左于后基准梁支点发生垂直位移量ΔH,均衡梁大臂铰支点相应的发生(1/2)ΔH的垂直位移,此位移量经复合杠杆作用使传感器产生与前基准垂直位移同方向的位移量(1/2)ΔH,破坏了传感器原来的平衡关系,因此自动找平控制装置作相反方向的大臂调整,同时传感器使熨平板仰角变化量减少,这一过程在摊铺机行进的同时,不断重复进行,只有当摊铺机同前后基准梁一起完全进入该坡段,前基准与后基准梁之间不再发生相对垂直位移,在此波段形成新的平衡状态为止。经此调整过程,使新铺层同原铺层相比,不平波波长增加2~3个找平梁有效长度,波幅消减一半(尚不计摊铺机自身的消幅作用)。
3 浮动均衡梁的安装使用
将前后基准梁分别铰接安装到摊铺机的前后牵引点上,前后均衡梁支承孔安装于大臂支承轴销上,两头分别放到前后基准梁的支架上,调整支架的高度,使前后基准梁与地面(路面)平行为止,然后安装传感器,传感器触点应保证在前均衡梁有效工作长度的中点位置,调整传感器上下移动,使传感器上的调节杠与水平面(或地面)成45度角。
起动发动机,打开自动找平电源开关,分别抬高或降低前均衡和后均衡梁,传感器应上下运动,然后看显示器小灯应闪烁,闪烁过程中调平油缸应相应地向上或向下变动,然后,检查各滑靴的运动有无发卡现象,一切正常后方可使用。
