機械工程畢業(yè)論文.doc

-攤鋪熨平板的動力學研究及計算機模擬仿真第1頁1概述1.1引言近年來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，國家對公路建設(shè)的投資越來越大，特別是高速公路建設(shè)的投資，每年投資上千億元，高速公路發(fā)展非常迅速。2004年中國高速公路里程新增4400公里，高速公路通車里程超過3.4萬公里，居世界各國高速公路通車里程第二位；2005年底，我國高速公路里程達到4.1萬公里。根據(jù)交通部最新公布的國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃，從2005年起到2030年，國家將斥資2萬億元，新建5.1萬公里的高速公路，使我國高速公路的里程達到8.5萬公里，高速公路的發(fā)展駛?cè)肟燔嚨?。對于高速公路如此大的投?如此此快的發(fā)展速度，保證工程質(zhì)量、提高施工效率，減少因過早破壞而導致的浪費，就顯得尤為重要。與水泥混凝土路面相比，瀝青路面具有表面平整、無接縫、行車舒適、耐磨、噪聲小、養(yǎng)護簡便等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。據(jù)初步統(tǒng)計，在我國已建成的高等級公路中，瀝青混凝土路面已經(jīng)占到了75%以上。隨著我國高速公路的發(fā)展，我國的公路施工技術(shù)已經(jīng)路面質(zhì)量已經(jīng)有了較大提高，但是由于我國高速公路建設(shè)起步較晚，施工經(jīng)驗較少、施工法規(guī)不夠科學合理、施工水平參差不齊，加上我國人口眾多，交通量迅猛增長以及重型車比例增加（尤其是違法超重車輛現(xiàn)象存在嚴重），瀝青路面在設(shè)計壽命（一般指建成通車到第一次大修的年限）內(nèi)甚至是營運初期就開始出現(xiàn)一些早期破壞，如裂縫、車轍、松散、剝落等。瀝青路面病害發(fā)生的原因是多方面的，其中包括路面設(shè)計不合理、施工質(zhì)量水平不高、施工機械技術(shù)落后、養(yǎng)護管理不到位、交通量大、重車多，超載現(xiàn)象嚴重、水對路面結(jié)構(gòu)的破壞、氣候影響等因素。而其中一個最重要的原因就是施工質(zhì)量存在問題。影響施工質(zhì)量的因素也比較多，但最關(guān)鍵的因素就是瀝青混合料的離析問題和壓實度問題。由于我國幅員遼闊，高等級公路的規(guī)劃里程和在建里程數(shù)量龐大，而建設(shè)資金并不是很充足，因此我國的公路施工企業(yè)對于在滿足公路施工技術(shù)規(guī)范和質(zhì)量要求的前提下，對于提高施工效率和降低施工成本有著更高的需求，這是我國公路建設(shè)與國外發(fā)達國家所面對問題的不同之處，是我國的國情所決定的。這也就決定了我國筑路機械行業(yè)和公路建設(shè)行業(yè)的專家學者的研究方向和研究熱點。目前，解決提高施工效率、降低施工成本這一問題的重要途徑之一就是采用大厚度、-攤鋪熨平板的動力學研究及計算機模擬仿真第2頁大寬幅抗離析攤鋪技術(shù)，此孕育而生了大厚度、大寬幅抗離析攤鋪機。本課題就是在這樣的背景下提出的。1.2國內(nèi)外攤鋪機的發(fā)展及趨勢1.2.1攤鋪機技術(shù)的發(fā)展（1）國內(nèi)攤鋪機技術(shù)的發(fā)展我國的攤鋪機工業(yè)起步較晚,20世紀60年代才有了自己的生產(chǎn)廠家。這些制造廠在引進國外技術(shù)的基礎(chǔ)上進行生產(chǎn),很大程度上受到國外技術(shù)發(fā)展的制約。1989年,徐州工程機械集團路面機械公司從德國VOGELE公司引進具有世界領(lǐng)先水平的瀝青砼攤鋪機生產(chǎn)制造技術(shù),經(jīng)過10多年的消化吸收、改進和技術(shù)創(chuàng)新,2000年形成了我國第一條年生產(chǎn)能力為500臺的攤鋪機裝配流水線,并推出具有國際先進水平并代表我國攤鋪機制造水平的RP8000型瀝青砼攤鋪機,該機采用當今世界先進的數(shù)字式、微電腦控制技術(shù),整機技術(shù)性能接近當今世界先進水平。2001年,該公司與德國ABG公司合作。由于吸收了ABG和VOGELE兩公司產(chǎn)品的優(yōu)點,該公司現(xiàn)在推出的LTU125攤鋪機質(zhì)量較好。目前該公司是國內(nèi)最具實力、品種最齊全的攤鋪機生產(chǎn)制造廠家。陜西建設(shè)機械集團有限責任公司與德國ABG公司聯(lián)合生產(chǎn)攤鋪機已近10年,1992年該公司通過技貿(mào)合作,與德國ABG公司聯(lián)合生產(chǎn)攤鋪機,先后組裝生產(chǎn)了ABG-TITAN411、TITAN423、TI2、TAN323、TITAN325、LTL60等多種型號攤鋪機。該公司生產(chǎn)的ABG423已成為我國修筑高等級公路的首選品牌。西安筑路機械有限公司在20世紀70年代與交通部公路科學研究所研制了我國第一臺LT6型輪式攤鋪機,之后相繼開發(fā)了LT1200、GTLY750、LT700、LT600、LTU4型履帶式和LTY8、LT5等型號的輪胎式攤鋪機,生產(chǎn)的攤鋪機型號較齊全。此外,天津鼎盛工程機械公司、鎮(zhèn)江華晨華通路面機械有限公司、成都新津筑路機械股份有限公司、南陽陸德筑路機械制造有限公司、陜西中大機械集團有限公司、西安燎原路面機械有限公司、中聯(lián)重科、三一重工等企業(yè)都能生產(chǎn)瀝青混合料攤鋪機。（2）國外攤鋪機技術(shù)的發(fā)展20世紀30年代,VOGELE公司生產(chǎn)出世界上第一臺瀝青混合料攤鋪機,主要靠軌道作為基準來保證路面的平整度。BARBER-GREENE公司在1937年推出拖式攤鋪機,它由拖拉裝置和浮動熨平裝置組成,結(jié)構(gòu)簡單,尺寸較小。但其供料裝置功能簡單,不能根據(jù)需料量控制進料量的大??；在找平性能方面,僅采用了浮動熨平板的自動找平特性,找平效果較-攤鋪熨平板的動力學研究及計算機模擬仿真第3頁差。5070年代,隨著液壓技術(shù)的成熟及自動控制理論的發(fā)展,攤鋪機在功能上有了較大進步,除了攤鋪寬度和厚度有所增加外,在找平裝置、供料系統(tǒng)等方面與從前產(chǎn)品相比有著本質(zhì)的改善。當今世界有8大攤鋪機制造廠商:ABG、VOGELE、BLOW-KNOX、DYNAPAC、DEGAG、MARINI、BTELLT和CATERPILLAR。這些公司的技術(shù)代表了當今世界攤鋪機的發(fā)展方向。ABG公司的產(chǎn)品目前是國際攤鋪機市場首選品牌,其大型攤鋪機在中國市場上的占有率已達70%以上。INGERSOLL-RAND瞄準中國路面機械市場,相繼兼并了德國ABG公司和美國BLOW-KNOX公司,從而形成Ingersoll-Rand、Wirtgen(VOGELE)與Metso(DEMAG與DYNAPAC)三足鼎立的態(tài)勢12。1.2.2攤鋪機結(jié)構(gòu)的發(fā)展（1）行走裝置輪胎攤鋪機具有良好的機動性,在國外公路施工中使用較多,但在路基較差的情況下容易打滑。針對這種情況,國內(nèi)外許多廠家都開發(fā)了前輪帶驅(qū)動的輪胎攤鋪機,通過加裝獨立的液壓驅(qū)動機構(gòu)(具有同步與差速控制功能),可在攤鋪作業(yè)時提高40%驅(qū)動能力,有效防止后輪打滑。在高速行駛時,還可實現(xiàn)前輪不驅(qū)動,有效解決了輪胎攤鋪機附著性能不好的問題。美國BLOW-KNOX公司生產(chǎn)的攤鋪機使用了小節(jié)距(102mm)無銷軸履帶行走裝置,它消除了長履帶節(jié)的起拱現(xiàn)象,使牽引性能和浮動性能得到提高,比壓均勻,可在高速攤鋪時獲得平整路面。德國DEMAG公司生產(chǎn)的攤鋪機履帶行走裝置采用了高架鏈輪技術(shù)。由于攤鋪機攤鋪時行走速度很低,同時要求作業(yè)平穩(wěn),所以多數(shù)攤鋪機采用剛性懸架,即將履帶臺車架用螺栓固定在攤鋪機機架上,這種結(jié)構(gòu)十分簡單又結(jié)實可靠。因而許多攤鋪機都采用半剛性懸架結(jié)構(gòu)(即三點懸掛的履帶行走機構(gòu)),如戴納派克F182CS、TEREX的CR561、ABG525。相對于剛性懸架,由于半剛性懸架左右履帶可繞后絞軸上下擺動,能自動適應地面的崎嶇不平,所以它具有良好的附著性能,對于牽引性能要求較高的攤鋪機,該結(jié)構(gòu)確有可取之處。（2）螺旋布料器的發(fā)展戴納派克公司將螺旋布料器的驅(qū)動裝置外置,避免骨料在螺旋布料器中離析。美國BLOW-KNOX公司在BK系列某型號攤鋪機的基礎(chǔ)上,研制出在攤鋪中隨熨平板一起液壓伸縮的螺旋布料器,盡管其結(jié)構(gòu)較復雜,但它使自動伸縮熨平板結(jié)構(gòu)更先進、完善、合理,應用更方便。-攤鋪熨平板的動力學研究及計算機模擬仿真第4頁（3）熨平板加熱方式的發(fā)展傳統(tǒng)的熨平板加熱方式都采用丙烷液化氣燃燒加熱,存在噴嘴易損壞、火焰易被風吹滅等缺點,而且液化氣瓶的更換很麻煩,因此熨平板加熱方式有以電加熱為主的趨勢。如ABG公司新設(shè)計的TI2TAN326攤鋪機即采用了電加熱系統(tǒng)。隨著電氣元件質(zhì)量的提高,電加熱方式的應用將越來越普遍。（4）刮板輸送器的發(fā)展美國TEREX公司生產(chǎn)的CR561攤鋪機采用了可防溫度離析的新技術(shù),將傳統(tǒng)的刮板輸送器改為螺旋輸送器,通過物料在輸送中的二次攪拌,大大減少溫度離析。為了消除瀝青混合料的溫度離析和材料離析，在自卸車和攤鋪機中加入轉(zhuǎn)運車,從自卸車上卸下的瀝青混合料經(jīng)過轉(zhuǎn)運車二次攪拌后再進入攤鋪機的料斗內(nèi)。為此,ROADTEC公司設(shè)計了一種沒有刮板輸送器的攤鋪機,直接將轉(zhuǎn)運車卸下的混合料卸到螺旋布料器處,這樣可節(jié)省發(fā)動機動力,從另一個角度上講,可適當減小攤鋪機的發(fā)動機功率。（5）調(diào)平系統(tǒng)的發(fā)展1手動調(diào)平系統(tǒng)20世紀50年代末,美國KANSAS州高速公路委員會的一名工程師發(fā)明了第一套自動找平裝置。它結(jié)構(gòu)簡單,靠手動操作完成縱坡和橫坡的調(diào)節(jié),縱坡由基準線和指示器標明,橫坡由安裝在橫梁上的傳感器和指示器標明?？v坡調(diào)節(jié)工作原理:基準線掛在攤鋪機一側(cè),指示器裝在牽引梁樞鉸點附近并作為參考點搭在基準線上。當攤鋪機行走在高低不平的基層上時,指示器上下移動,操作人員通過旋轉(zhuǎn)手動厚度調(diào)節(jié)螺釘即可保證攤鋪出較平整的面層。橫坡調(diào)節(jié)工作原理:橫梁跨裝在攤鋪機兩側(cè),并連接在兩側(cè)參考點上。帶有指示尺的傳感器裝在橫梁的中間,指示點可沿相應的指示器移動。拱形確定后,相應的指示點被初定在某一參考點處。指示保證攤鋪出符合設(shè)計要求的路面。2自動調(diào)平系統(tǒng)手動厚度調(diào)節(jié)機構(gòu)存在路面平整度分辨率較低、對操作人員的素質(zhì)要求較高且勞動強度較大等不足。在手動厚度調(diào)節(jié)機構(gòu)工作原理的基礎(chǔ)上,通過應用閉環(huán)自動控制系統(tǒng),于20世紀70年代初開發(fā)出自動熨平板控制裝置。它靠移動牽引梁鉸點來改變熨平板的傾斜位置。由于這段時期攤鋪機的工作寬度較小,所以都采用縱坡和橫坡控制器來進行找平作業(yè)。早期是半自動調(diào)平系統(tǒng),橫坡采用自動調(diào)節(jié),縱坡采用手調(diào)裝置控制；后期手動橫坡調(diào)節(jié)機構(gòu)也被自動裝置取代,出現(xiàn)了全自動熨平控制系統(tǒng),該系統(tǒng)工作特性相對-攤鋪熨平板的動力學研究及計算機模擬仿真第5頁較完善,且找平效果好。自動找平儀器也由角度傳感器發(fā)展為超聲波傳感器、RSS激光找平傳感器。如圖1.1所示,RSS激光圖1.1RSS自動找平系統(tǒng)原理找平系統(tǒng)使用大范圍的多點掃描測量,當測量長度超過12m時,可等效于機械式平衡梁的30m測量長度,消除了油缸的誤動作3。1.2.3發(fā)展趨勢(1)向大型化和小型化發(fā)展很多情況下需要攤鋪機一次性攤鋪整個寬幅的路面,為此,開發(fā)了寬度大于12m的瀝青混合料攤鋪機,如VOGELE公司的S2500型攤鋪機的最大攤鋪寬度達到了16m,最大攤鋪厚度為40cm。為了適應高速公路的修補作業(yè)和鄉(xiāng)村道路的鋪筑,瀝青混合料攤鋪機也向小型化發(fā)展,例如BTELLT公司推出了功率僅為13馬力、攤鋪寬度為0.91.8m的瀝青攤鋪機。(2)向多功能化發(fā)展攤鋪機不僅需要攤鋪瀝青混合料,有時需要攤鋪厚度為25cm以上的穩(wěn)定土,要求攤鋪機具有一機多能。為此,采用了相應的技術(shù)措施,主要有加大發(fā)動機功率、選用載重型液壓系統(tǒng)、增強散熱能力等。如中聯(lián)重科的LTU90型攤鋪機,選用力士樂的A4VG系列油泵、雙層液壓油散熱器；ABG公司的TITAN326型攤鋪機,其發(fā)動機功率加大到160kW,明顯增強了攤鋪機在多種工況下的適應能力。(3)向技術(shù)含量高方向發(fā)展CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))是工程機械中最常用的現(xiàn)場總線,它是有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的一種串行通信網(wǎng)絡(luò)。通信介質(zhì)可選用雙絞線、銅軸電纜和光纖?，F(xiàn)在的攤鋪機都是基于CAN總線控制系統(tǒng)。電子監(jiān)控與故障診斷技術(shù)主要是指對攤鋪機進行在線的智能監(jiān)控、檢測、預報、遠程故障診斷與維護,實現(xiàn)攤鋪機的監(jiān)控與故障診斷智能化。無人駕駛技術(shù)也是攤鋪機的一個發(fā)展方向。在特定的施工作業(yè)中,如易塌方區(qū)、輻射或有害健康的作業(yè)區(qū)等,需采用專用、帶有遙控裝置、高智能、無人駕駛的攤鋪機。隨著-攤鋪熨平板的動力學研究及計算機模擬仿真第6頁自動控制、機器人及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在攤鋪機領(lǐng)域的不斷滲透,采用定向?qū)Ш胶臀恢谜T導原理,依靠無線/有線通信、自身機械操作和自身監(jiān)控信息反饋處理系統(tǒng),通過計算機,無人駕駛技術(shù)在攤鋪機上逐步得到應用。2001年,清華大學和徐州工程機械廠科技路面機械分公司聯(lián)合開發(fā)了國內(nèi)第一臺無人駕駛的攤鋪機,具有彎道的定徑攤鋪、機械的智能故障診斷等優(yōu)點。(4)向減輕工作強度方向發(fā)展攤鋪機的現(xiàn)場安裝一直是較費力的工作,需要大量的人力,且勞動強度較大。ABG公司生產(chǎn)的326型攤鋪機取消了加長熨平板端面的螺栓連接,改用液壓油缸拉緊,連接時對齊兩端面、調(diào)好上下高度、啟動油缸拉緊即可,夯錘和振蕩機構(gòu)連軸器也由過去的梅花形改為齒形,這樣不必將聯(lián)軸器取下來,使熨平板的加長工作十分簡單。326型攤鋪機的拱度調(diào)節(jié)也由傳統(tǒng)的機械調(diào)節(jié)改為液壓調(diào)節(jié),使拱圖1.2高度自動調(diào)節(jié)的布料器度調(diào)節(jié)通過控制按鈕就能實現(xiàn),非常方便。螺旋葉片的高度調(diào)節(jié)也很費力,不少公司采用整體升降的方案,如美國REREX公司的CR561攤鋪機,螺旋機構(gòu)固定在攤鋪機機架上,機架與臺車架通過偏心輪連接,偏心輪轉(zhuǎn)動時,機架即相對于臺車架升降,從而實現(xiàn)螺旋葉片的高度調(diào)節(jié),減輕了攤鋪機現(xiàn)場安裝和調(diào)整強度(見圖1.2)45。1.4本章小結(jié)國外瀝青混合料攤鋪機經(jīng)過近70年的發(fā)展,現(xiàn)已基本完善。我國的瀝青混合料攤鋪機技術(shù)還處在一種仿制國外產(chǎn)品的階段,真正擁有自己知識產(chǎn)權(quán)的還不是很多,需要國內(nèi)同行不斷努力。-攤鋪熨平板的動力學研究及計算機模擬仿真第7頁2大型攤鋪機抗離析控制技術(shù)和熨平板工作原理2.1大型攤鋪機抗離析控制技術(shù)2.1.1離析的產(chǎn)生和分類溫度離析、配比離析、儲料離析、裝料離析、運輸離析、卸料離析等在物料倒入攤鋪機料斗之前所產(chǎn)生的各種離析，都與攤鋪寬度沒有因果關(guān)系。攤鋪機在攤鋪過程中，無論鋪寬鋪窄，抗離析研究的重點應為大粒料是如何分離出來的，原來均勻的物料為什么在攤鋪后會呈現(xiàn)離析。物料從料斗到熨平板前沿有三個運輸環(huán)節(jié)：一是刮板向螺旋縱向送料，二是螺旋