攤鋪機找平技術及施工方法淺析

馮坤鵬

摘 要： 隨著國家道路建設的發展，攤鋪機的使用也越來越廣泛。尤其高速公路需求日益增長，為追求施工的高效性，對施工機械的整體性能要求相應也越來越高，在面層施工時更是如此，能滿足這種高效施工的機器設備就顯得尤為重要。

關鍵詞：攤鋪機 自動找平 攤鋪機施工

攤鋪機作為公路面層施工的重要設備之一，對路面的平整度有著直接且重要的影響，因此我們有必要對攤鋪機找平系統進行深入的分析，這將是正確理解和合理應用攤鋪機找平技術進而保證高質量施工以及在設計制造時保證攤鋪機品質的基礎。

一、找平基本原理

圖一

上圖是對攤鋪機工作原理的簡單描述：當找平油缸上下動作行程為H時，熨平板底板相對抬高h，從而改變仰角大小，最終實現攤鋪層厚度的變化。這就是攤鋪機找平的基本過程，為了便于詳細分析整個找平過程，通常我們將其分為兩種類型：1，自找平；2，自動找平。由于本身的結構特征，攤鋪機本身就具有一定的找平效果，我們可以將其稱為平地機找平原理在攤鋪機上的再現（見《現代公路施工及施工機械》），我們機器的這種特性稱作自找平。但這種找平方式的效果是遠遠不能滿足高等級公路施工要求的。因此出現了后一種找平方式：自動找平。它是在前者的基礎上增加了自動找平控制器以及相應的液壓控制回路，借助現代液壓技術和電子控制技術使得攤鋪機的施工質量大大增加，并在高等級公路施工中成為攤鋪機不可缺少的配置之一。但無論是自找平還是自動找平，最終還是通過自找平機理來改變攤鋪層厚度的，因此，為了對攤鋪機找平原理充分了解，下面我們就上面所提到的兩種找平方式分別進行詳細分析

二、自找平

從整個機理來看，自動找平是在自找平的基礎上，增加了對找平油缸的自動調節功能，因此我們有必要對自找平機理做一下詳細研究。為了方便分析，我們可將施工過程做以下假設：1、假設攤鋪的物料攤鋪前在空間上是均勻分布的的；2、在施工過程中攤鋪機保持勻速前進。施工過程中物料由料斗被刮料板及螺旋粉料器不斷輸送到攤鋪機料槽后，熨平板跟隨主機向前勻速運動，對物料進行振搗壓實及熨平。根據相對運動理論，我們可以認為螺旋分料器及熨平板靜止不動，而物料不斷流向熨平板底部，由于物料密度是均勻的，且具有一定的流動性，那么我們就可以將物料假設為一種特殊的流體，從而就可以用流體力學的相關理論對其進行簡化研究。

圖二

圖三

圖四

為方便分析，我們首先將熨平裝置放置在剛性水平面上（見圖二），此時大臂及熨平板在找平油缸拉力F0、地面對熨平板的支撐力G的作用下處于平衡狀態（地面支撐力在這里等效為作用于D點的集中力G）。圖二中直線A-B與水平面平行。

由于此處我們分析的是自找平，因此在施工過程中除非人為調整調平油缸，否則它一直處于鎖止狀態，而大臂油缸在不停機待料的情況下則始終處于浮動狀態。此時由于熨平板支撐面S2剛性遠遠低于圖二中的剛性地面，因此熨平板會繞大臂與找平油缸的鉸點A順時針旋轉，于是底板S2將和水平地面形成夾角a1，；我們將大臂和熨平板進行整體分析，并忽略大臂油缸處于浮動位時的液壓阻尼，及底板面的滑動摩擦力，則此時熨平板所受外力如下(見圖三) ：

F：整個工作裝置受到的牽引力，牽引力F沿直線B-A方向，與地面夾角等于底板S2與地面的夾角a1；

F0：找平油缸對工作裝置總成的向上拉力

F1：熨平板前端面受到的物料阻力，方向與整機行走方向相反；

F2:：熨平板底板S2受到的物料阻力，方向與整機行走方向相反；

F3：熨平板底板受到的物料支撐力，方向與底板S2垂直。

我們假設此時整個工作裝置的自重和外力恰好處于平衡，我們將工作裝置所受外力在B點等效（見圖四），其中：

G：整個工作裝置的重力在底板S2處的重力分配，由于夾角a1非常?。ㄐ∮?度），因此可認為G=G，其方向相反；

M1：F1在B點的等效力矩；

M2：F2在B點的等效力矩；

M3：F3在B點的等效力矩；

Mg:：G在B點的等效力矩；

注：在平衡位置時我們可認為A點是固定的鉸接點，而在B點我們只考慮整個工作裝置在熨平板底板上的重力分配，因此可不對F0進行B點等效。

由于此時熨平板處于平衡狀態，向上、向左為力的正方向，便可得到以下方程（在這里只做定性分析，固可暫不考慮力矩的影響）：

F''＋F3－G=0 ①

F－F3－（F1＋F2）=0②

F:：牽引力F的垂直分力，F= F·sin

F：牽引力F的水平分力，F= F·cos

F3： F3的垂直分力，

F3 ：F3的水平分力，

我們假設物料是始終均勻的，攤鋪速度也保持恒定，則由公式①、②得

F·sin＋F3·cos－G=0 ③

F·cos － F3·sin－(F1＋F2)=0④

由于F﹥F3 ，則在方程③、 ④中，當﹤時，F·sin＋F3·cos－G為增函數，F·cos － F3·sin－(F1＋F2)為減函數。因此當攤鋪仰角增大時：

F·sin＋F3·cos－G﹥0⑤

F·cos － F3·sin－(F1＋F2) ﹤0⑥

當攤鋪仰角減小時：

F·sin＋F3·cos－G﹤0⑦

F·cos － F3·sin－(F1＋F2) ﹥0⑧

由公式⑤、⑦及圖二可得以下結論：

結論1在攤鋪機施工過程中，工作裝置與工作面之間存在一個平衡仰角a1;在平衡仰角附近工作裝置處于平衡狀態。

結論2當熨平裝置的攤鋪仰角大于平衡位置的仰角時，熨平板會繞A點（見圖二）逆時針旋轉，從而使得攤鋪層厚度增加。隨著熨平板的旋轉，仰角又會逐漸減小，直到達到新的平衡仰角時熨平裝置則停止繞A點旋轉。

結論3當熨平裝置的攤鋪仰角小于平衡位置的仰角時，熨平板會繞A點（見圖二）順時針旋轉，從而使得攤鋪層厚度減小。隨著熨平板的旋轉，仰角又會 逐漸增大，直到達到新的平衡仰角時熨平裝置則停止繞A點旋轉。

以上三個結論就是攤鋪機具有自找平功能的原因，由這三個結論我們可得出攤鋪機自找平的機理：

當攤鋪機作業平面較為平坦，物料特性始終一致，從而使得熨平板所受的支撐力及阻力相對穩定并且在攤鋪速度比較均勻時，攤鋪機靠自找平便可攤鋪出具有一定平整度的路面。然而以上條件在實際中是不可能存在的，尤其在攤鋪第一層時工況要復雜的多。因此在施工中要達到較高的平整度，就必須使攤鋪機工作裝置具有自動控制功能。

三、自動找平

由前面所得出的三個結論我們可知：只要我們對攤鋪仰角進行隨時適當的調整后，工作裝置就會靠自找平功能改變攤鋪層的厚度，從而保證了攤鋪層表面的平整度。常見的自動找平系統按采集信號的方式可分為兩類：（1）接觸式找平控制系統（2）非接觸平控制系統,參加下圖：非接觸式找平控制系統又可分為激光式找平控制系統和超聲波式找平控制系統，其中激光式找平控制系統在公路施工中目前使用的并不多，這里不進行過多敘述。）但不管是接觸式的找平控制系統，還是非接觸式的找平控制系統，他們的控制原理基本相似，只是采集信號的方式及操作方式有所區別而已，自動找平機理如下：

確定找平基準，并確定控制器零點

找平控制器的檢測元件在施工中檢測出偏差信號，并將偏差信號發送給找平控制器

找平控制器根據偏差的大小和方向輸出控制信號（見圖6），驅動相應的找平控制閥

找平油缸開始動作（見圖7），攤鋪機熨平板將繞C點旋轉，使攤鋪仰角a1（見圖2）發生變化

根據結論2及結論3，熨平板在各種外力的綜合作用下繞A點旋轉，進行自找平調節，使攤鋪厚度發生變化（見圖2）

再回到步驟2，依次循環直到偏差處于允許的范圍內時控制器將停止輸出，但檢測仍一直進行

正如前面所講，自動找平是在自找平的基礎上增加了對找平油缸的自動控制功能，當找平控制器采集到偏差信號時，根據盤查信號的大小及方向向找平油缸控制閥輸出控制信號，當找平油缸發生動作后熨平裝置便進入了自找平調節環節。因此自動找平可用下圖表示

= +

其中找平油缸自動調節系統包含相應的液壓控制系統及電器控制系統回路，簡化原理圖見圖6及圖7。

四、施工技巧

以上章節我們分別從攤鋪機的機械結構、電控系統、液壓控制系統以及工作裝置的力學分析等方面分別進行了詳細探討，從以上分析我們可看出施工過程中為了始終保證較高的平整度，本人有以下幾點建議：

1．當攤鋪機采用自動找平控制時，控制器零點的設定應在攤鋪機開始工作之后進行

在攤鋪機攤鋪之前我們都首先要確定一個預鋪仰角a1，根據結論1及結論2可知，熨平板會在自找平的作用下實現自動調整，等到熨平裝置相對穩定后其攤鋪厚度也隨之穩定，這時我們再設定控制器零點，熨平裝置將很快進入穩定狀態或在穩定狀態附近工作，從而減少了找平油缸的調節時間和次數及找平距離，有效保證了初期攤鋪層的平整度。根據前面自找平機理，熨平板進入穩定狀態的時間越短，從而為攤鋪先期避免波浪形攤鋪面打下了良好基礎。

2.攤鋪速度一定要均勻，振搗、振動頻率始終一致、起振與機器起步同步，并盡量避免中途停機。

在現行的瀝青路面施工規范中提出：攤鋪過程中不得隨意變換速度或中途停車。這在以上結論中也不難找到答案。另外振搗、振動頻率的變化及與機器起步的同步性勢必會影響攤鋪層密實度，或者叫攤鋪層剛性的變化，壓路機碾壓過后將會降低路面平整度。另外根據前面的假設，相同體積的物料對熨平板的支撐力F3將發生變化，由公式5可知這也會影響熨平裝置的動態平衡，因此攤鋪機行走速度以及振搗頻率的恒定性都將對攤鋪質量有著不可忽視的作用，在施工過程中一定要有所注意。

3、施工過程中盡量避免卡車撞擊攤鋪機

我們假設在某一刻攤鋪機受到了強烈撞擊，這時即使攤鋪機行走系統具有防撞擊自動控制功能（例如全系列攤鋪機），攤鋪機的行駛速度變化率（）在短期內也會產生巨大波動，牽引力F也會突然增大或減小，由結論1、2可得熨平板將會繞A點旋轉，導致攤鋪仰角的變小，即攤鋪厚度會突然變薄，這就是之所以在卡車撞擊攤鋪機后我們會發現攤鋪面上會留下一道明顯的壓痕的原因之一。為了避免這種情況的發生，攤鋪機廠家在行走控制系統中也進行了大量優化，如 攤鋪機，這就使得施工質量有了根本保證。

4、在彎道攤鋪或坡度較大路基上，建議不要使用平衡梁

因為平衡梁式找平控制是將機器前、中、后部探測儀采集到的偏差信號過濾并平均后，將均值作為控制器的偏差參考信號。若機器在彎道或陡坡作業時，機器前、中、后在公路設計上是存在標準高差的，而控制器對信號的平均處理方式剛好消除了這種理應存在的標準高差，從而相對加大了控制信號的誤差值，使得控制精度大幅下降。

除以上所述幾項內容外，熨平板的合理調整如：振搗梁有效行程及間隙的調整、振動頻率同攤鋪速度的合理匹配、預鋪仰角的合理選擇等都會影響攤鋪機的作業質量，但有的廠家在設計上已經給于保證（如），這里不再討論。隨著攤鋪機技術及施工工藝的不斷發展，今后新型的攤鋪機及施工工藝、路面施工材料將會不斷涌現（例如雙層攤鋪機的出現將會直接影響到施工工藝的變化），影響攤鋪機攤鋪質量的其他因素也會不斷增加，這些在以后將會和大家一起討論。

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