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　　武漢水利電力大學機械系 何小新 吳慶鳴

　　內(nèi)容摘要：本文分析了碾壓混凝土層面墊層料的現(xiàn)有攤

　　鋪方式的不足，提出采用仿形原理的攤鋪機械。敘述了攤鋪

　　機設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)，并進行了理論分析和現(xiàn)場模型實驗，

　　為解決碾壓混凝土壩快速施工提供了有效方法。

　　關(guān)鍵詞：碾壓混凝土壩 層面處理 攤鋪機

　　碾壓混凝土壩層間砂漿墊層料施工是大壩澆筑主要工序

　　之一，但砂漿墊層料施工至今沒有專用施工機械，目前的攤

　　鋪方式厚度和均勻性都得不到保證，尤其不能適應(yīng)龍灘大壩

　　這樣大規(guī)模的施工要求。根據(jù)要求，龍灘大壩層間砂漿墊層

　　料攤鋪厚度為15±5mm，且大壩澆筑強度高，施工倉面大(最

　　大達8000m²)，要求砂漿墊層料倉面覆蓋施工能力大于碾壓

　　混凝土倉面澆筑能力，以達到前后工序生產(chǎn)能力協(xié)調(diào)，充分

　　發(fā)揮碾壓混凝土施工快速的優(yōu)點。要滿足以上要求，必需研

　　制專用的砂漿攤鋪機，以保證施工質(zhì)量和施工強度，簡化施

　　工管理、降低施工成本、提高整體施工機械化水平。國家

　　“九五”攻關(guān)課題中就列有這部分內(nèi)容，本文即為該課題研

　　究的一部分。

　　1 砂漿攤鋪的主要方式及特點

　　碾壓混凝土壩層間砂漿墊層料的攤鋪方式主要有：人工

　　攤鋪、裝載機或自卸車攤鋪、噴攤和仿形攤鋪等。

　　1.1 人工攤鋪

　　目前砂漿攤鋪主要采用人工方式——人工以鐵鍬、木拖

　　板等簡單工具將卸在倉面上的砂漿料堆攤開、攤平。其缺點

　　在于攤鋪速度低、攤鋪厚度不均勻、人工在倉面上的反復作

　　業(yè)往往導致砂漿層面上留下零亂的腳印;大面積的攤鋪，經(jīng)

　　常出現(xiàn)攤鋪后久不覆蓋，薄薄的砂漿墊層料在碾壓混凝上覆

　　蓋前已發(fā)白變干，致使上下兩層混凝土間形成砂質(zhì)夾層，其

　　接縫的透水性有增無減，極大地影響了壩體接縫處的抗剪強

　　度。

　　1.2 裝載機或自卸車攤鋪

　　采用裝載機攤鋪是將其鏟斗平放于倉面，依靠裝載機動

　　臂油缸對倉面上砂漿料施加壓力，同時行走機構(gòu)后退，完成

　　攤平砂漿作業(yè)。但攤鋪時厚度無法精確控制，僅依靠倉面上

　　凸起的骨料來支承鏟斗，因此對碾壓層表面不平適應(yīng)能力

　　差，倉面凸起部分沒有砂漿。施工中也有在自卸車車箱后部

　　加裝一擋板來成砂漿攤鋪，但同樣存在攤鋪厚度無法控制的

　　問題，且行駛速度直接影響攤鋪表層質(zhì)量。

　　1.3 濕噴機與機械手噴攤

　　噴攤是利用噴射砂漿和混凝土的技術(shù)，將墊層料均勻。

　　薄層噴攤在倉面上。為了能在整個倉面上連續(xù)、均勻、薄層

　　噴料，噴攤機械具備有行走機構(gòu)、機械手和二次攪拌功能。

　　此方案在國家“八五”攻關(guān)項目被列為專項進行過研究，并

　　取得了預(yù)期的成果，但需要的設(shè)備龐大，轉(zhuǎn)運不靈活，投資

　　較大，難以推廣。

　　1.4 仿形攤鋪

　　根據(jù)砂漿墊層料的施工要求及現(xiàn)有攤鋪方式存在的問

　　題，在“八五”攻關(guān)項目所取得的成果的基礎(chǔ)上，課題組對

　　砂漿的噴攤原理和仿形攤鋪原理進行了深人對比分析研究，

　　提出砂漿仿形攤鋪方案，并對仿形攤鋪機進行開發(fā)研究。

　　仿形攤鋪是利用具有滾輪的攤鋪板與倉面保持一定的距

　　離，即墊層厚度。工作裝置在行走時，隨著倉面的上下起伏

　　而自動地跟隨(隨動)，以保證對碾壓混凝土倉面不平度的

　　適應(yīng)能力。

　　2 攤鋪機研制的關(guān)鍵技術(shù)

　　仿形攤鋪機由基礎(chǔ)牽引車和懸掛在車體后部的攤鋪工作

　　裝置組成，故研制工作包括基礎(chǔ)牽引車的評價選型和工作裝

　　置的動態(tài)分析與設(shè)計。

　　2.1 基礎(chǔ)牽引車選型和模糊綜合評判

　　根據(jù)碾壓混凝土層間墊層料的施工工藝對攤鋪機的要

　　求，確定了攤鋪機的設(shè)計原則、各總成的結(jié)構(gòu)及攤鋪機總體

　　設(shè)計參數(shù)。按照國產(chǎn)化、適應(yīng)化、經(jīng)濟性和簡化機型的原

　　則，對基礎(chǔ)車進行了初步選擇，包括輪式裝載機、機動翻斗

　　車、四輪驅(qū)動拖拉機等不同特征的機型。在預(yù)選機型的基礎(chǔ)

　　上，引人模糊優(yōu)選方法并與層次分析法相結(jié)合進行綜合評

　　判，最終選定鉸接式四輪驅(qū)動翻斗車作為攤鋪機的基礎(chǔ)牽引

　　車。

　　2.2 牽引特性的概率憧型及計算機仿真

　　評價基礎(chǔ)車的關(guān)鍵指標之一為牽引性能參數(shù)，它是用牽

　　引特性曲線表示的?，F(xiàn)有的牽引特性曲線分為理論牽引特性

　　曲線和試驗牽引特性曲線，前者是根據(jù)機械的基本參數(shù)在一

　　定的假設(shè)條件下作出的，通過它可以對同類型不同參數(shù)機械

　　的牽引特性進行比較，但在計算繪制中，忽略了發(fā)動機調(diào)速

　　特性、行走機構(gòu)滑轉(zhuǎn)率的非線性特征，而這些恰恰又是使理

　　論牽引特性與實際牽引特性產(chǎn)生差異的關(guān)鍵因素。后者是樣

　　車在典型地面上，由負荷車模擬牽引阻力，利用轉(zhuǎn)速、油

　　耗、拉力等傳感器測試各工況下的牽引阻力與行駛速度、耗

　　油量等牽引參數(shù)，它比較真實地反映了機械的牽引特性，但

　　存在的問題是普通工程機械的典型地面條件多為新切土、填

　　積土等，攤鋪機的典型地面為砂漿層，描述這些典型地面的

　　特性參數(shù)如密度、濕度等都不是恒定的，而是具有隨機性。

　　為了避免地面隨機性引起的試驗結(jié)果不可比性及降低地面處

　　理的難度，在實際的牽引試驗中常選用水泥路面作為試驗路

　　面，這大大降低了試驗牽引特性的真實性。同時牽引試驗需

　　要具備專用的設(shè)備、必要的跑道、熟練的人員，費時費力。

　　因此，如何使牽引特性曲線既真實又獲取方便，是一個迫切

　　需要解決的問題。

　　為了解決這一難題，將隨機變量引人牽引特性，并建立

　　牽引特性概率模型，然后利用計算機進行仿真計算，得出概

　　率牽引特性曲線，既保持理論牽引特性簡明性，又保證試驗

　　牽引特性的真實性，達到取長補短。牽引特性的基本函數(shù)包

　　括：

　　V=f1(x，y)

　　Np= f2( x， y)

　　Gp=f3( x， y)

　　ηp=f4(x，y)

　　式中：x——牽引阻力，服從正態(tài)分布的隨機變量x-N

　　(μ1,σ1);y——砂漿含水量，服從正態(tài)分布的隨機變量

　　y-N(μ2,σ2)。

　　采用隨機模擬法，計算各均值 E(υ)， E(Np)， E

　　(Gp)， s(ηp)和方差D(ηp)，并以此繪制概率牽引特

　　性曲線E(υ)-E(χ)， E(Np)-E(χ)，E(Gp)-E

　　(χ)，上述曲線即可作為基礎(chǔ)牽引車的牽引特性評價指

　　標。

　　2.3 攤鋪機動力學模型

　　按砂漿攤鋪工藝的要求，要在高低不平的倉面上鋪上一

　　層薄而均勻的砂漿料，即要求攤鋪工作裝置對層面具有一定

　　的仿形精度。要滿足這一要求，需要考慮兩個問題，一是機

　　械的動態(tài)特性，二是倉面的不平度。在對攤鋪機分析的基礎(chǔ)

　　上，將工作裝置簡化為一個線性系統(tǒng)，利用等效剛度和等效

　　阻尼建立工作裝置動力學模型，得到當攤鋪機在倉面上作業(yè)

　　時工作裝置的頻率響應(yīng)函數(shù)為：

　　H(jω)=Z/q=(c+jkω)/((-Mω²+c)+ jkω)

　　式中：r——等效剛度;k——等效阻尼;M——工作裝

　　置質(zhì)量。

　　2.4 倉面不平度

　　作為汽車拖拉機運行的地面不平度，前人已作了大量的

　　研究，但碾壓混凝土倉面與一般的地面是否具有類似的特性

　　不得而知，而倉面不平度是影響攤鋪仿形精度的關(guān)鍵因素之

　　一，為此，對倉面不平度進行了試驗研究。

　　試驗以湖南某碾壓混凝土壩層面為研究對象，通過現(xiàn)

　　場不平數(shù)據(jù)實測和計算機統(tǒng)計分析，得到了典型倉面不平度

　　的相關(guān)曲線和功率譜曲線。試驗分析表明：

　　(1)碾壓混凝土層面不平度的功率譜與一般道路的頻譜

　　具有明顯的不同，在某些頻率處具有明顯的能量集中。設(shè)計

　　攤鋪機應(yīng)重點考慮在這些頻率下工作裝置和整車的動態(tài)特

　　性。

　　(2)碾壓混凝土層面變化比較平坦，相當于一般的路

　　面，采用仿形原理進行砂漿攤鋪作業(yè)是可行的。

　　(3)本次實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果可以用于其它工作在

　　碾壓混凝土層面機械作動態(tài)分析的路面激勵。由于本次測量

　　分析是針對一個具體的碾壓混凝土層面進行的，且由于壩面

　　正在施工，測量樣本數(shù)據(jù)有限，為了得到具有廣泛意義的統(tǒng)

　　計結(jié)論，還需要進行大量的測量分析。

　　3 現(xiàn)場模型試驗

　　為了對攤鋪機的仿形攤鋪機理進行可行性驗證，同時了

　　解分析影響攤鋪質(zhì)量和攤鋪速度的因素及相互間的關(guān)系，課

　　題組于1998年底在碾壓混凝土壩施工現(xiàn)場進行了一次模型試

　　驗。

　　工作裝置模型競1.7m，高0.3m，支承輪半徑0.

　　09m。試驗分六步：(1)倉面準備;(2)攤鋪機現(xiàn)場組裝;

　　(3)砂漿料制備、運輸、布料;(4)攤鋪作業(yè);(5)攤鋪

　　層厚度測量和質(zhì)量檢查;(6)覆蓋碾壓混凝土并壓實。試驗

　　結(jié)果表明：采用仿形攤鋪是可行的，其攤鋪質(zhì)量和速度均能

　　滿足碾壓混凝土施工工藝要求。

　　攤鋪過程是一個動態(tài)過程，當攤鋪速度達到4km/h

　　時，可以明顯見到工作裝置在振動，振動幅度與作業(yè)速度有

　　關(guān)。因此，必須對工作裝置進行動力學分析并進行優(yōu)化設(shè)

　　計，以保證仿形精度。

　　作為對比試驗，采用裝載機的鏟斗進行攤鋪，攤鋪結(jié)果

　　表明其平均厚度非常小，倉面上凸起部分由于鏟斗面的直接

　　接觸而沒有砂漿。

　　理論分析和現(xiàn)場模型試驗都表明，采用仿形攤鋪可對攤

　　鋪質(zhì)量、攤鋪速度提供可靠的保障。