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　　武漢水利電力大學(xué)機(jī)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(jī)械。敘述了攤鋪

　　機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行了理論分析和現(xiàn)場(chǎng)模型實(shí)驗(yàn)，

　　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(jī)

　　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(jī)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(qiáng)度高，施工倉(cāng)面大(最

　　大達(dá)8000m²)，要求砂漿墊層料倉(cāng)面覆蓋施工能力大于碾壓

　　混凝土倉(cāng)面澆筑能力，以達(dá)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(diǎn)。要滿足以上要求，必需研

　　制專用的砂漿攤鋪機(jī)，以保證施工質(zhì)量和施工強(qiáng)度，簡(jiǎn)化施

　　工管理、降低施工成本、提高整體施工機(jī)械化水平。國(guó)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(diǎn)

　　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(jī)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(jiǎn)單工具將卸在倉(cāng)面上的砂漿料堆攤開、攤平。其缺點(diǎn)

　　在于攤鋪速度低、攤鋪厚度不均勻、人工在倉(cāng)面上的反復(fù)作

　　業(yè)往往導(dǎo)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(wú)減，極大地影響了壩體接縫處的抗剪強(qiáng)

　　度。

　　1.2 裝載機(jī)或自卸車攤鋪

　　采用裝載機(jī)攤鋪是將其鏟斗平放于倉(cāng)面，依靠裝載機(jī)動(dòng)

　　臂油缸對(duì)倉(cāng)面上砂漿料施加壓力，同時(shí)行走機(jī)構(gòu)后退，完成

　　攤平砂漿作業(yè)。但攤鋪時(shí)厚度無(wú)法精確控制，僅依靠倉(cāng)面上

　　凸起的骨料來(lái)支承鏟斗，因此對(duì)碾壓層表面不平適應(yīng)能力

　　差，倉(cāng)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(lái)成砂漿攤鋪，但同樣存在攤鋪厚度無(wú)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(jī)與機(jī)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(cāng)面上。為了能在整個(gè)倉(cāng)面上連續(xù)、均勻、薄層

　　噴料，噴攤機(jī)械具備有行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械手和二次攪拌功能。

　　此方案在國(guó)家“八五”攻關(guān)項(xiàng)目被列為專項(xiàng)進(jìn)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(yùn)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(xiàng)目所取得的成果的基礎(chǔ)上，課題組對(duì)

　　砂漿的噴攤原理和仿形攤鋪原理進(jìn)行了深人對(duì)比分析研究，

　　提出砂漿仿形攤鋪方案，并對(duì)仿形攤鋪機(jī)進(jìn)行開發(fā)研究。

　　仿形攤鋪是利用具有滾輪的攤鋪板與倉(cāng)面保持一定的距

　　離，即墊層厚度。工作裝置在行走時(shí)，隨著倉(cāng)面的上下起伏

　　而自動(dòng)地跟隨(隨動(dòng))，以保證對(duì)碾壓混凝土倉(cāng)面不平度的

　　適應(yīng)能力。

　　2 攤鋪機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)

　　仿形攤鋪機(jī)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(píng)價(jià)選型和工作裝

　　置的動(dòng)態(tài)分析與設(shè)計(jì)。

　　2.1 基礎(chǔ)牽引車選型和模糊綜合評(píng)判

　　根據(jù)碾壓混凝土層間墊層料的施工工藝對(duì)攤鋪機(jī)的要

　　求，確定了攤鋪機(jī)的設(shè)計(jì)原則、各總成的結(jié)構(gòu)及攤鋪機(jī)總體

　　設(shè)計(jì)參數(shù)。按照國(guó)產(chǎn)化、適應(yīng)化、經(jīng)濟(jì)性和簡(jiǎn)化機(jī)型的原

　　則，對(duì)基礎(chǔ)車進(jìn)行了初步選擇，包括輪式裝載機(jī)、機(jī)動(dòng)翻斗

　　車、四輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)等不同特征的機(jī)型。在預(yù)選機(jī)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(jìn)行綜合評(píng)

　　判，最終選定鉸接式四輪驅(qū)動(dòng)翻斗車作為攤鋪機(jī)的基礎(chǔ)牽引

　　車。

　　2.2 牽引特性的概率憧型及計(jì)算機(jī)仿真

　　評(píng)價(jià)基礎(chǔ)車的關(guān)鍵指標(biāo)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(yàn)牽引特性曲線，前者是根據(jù)機(jī)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(duì)同類型不同參數(shù)機(jī)械

　　的牽引特性進(jìn)行比較，但在計(jì)算繪制中，忽略了發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速

　　特性、行走機(jī)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(shí)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(fù)荷車模擬牽引阻力，利用轉(zhuǎn)速、油

　　耗、拉力等傳感器測(cè)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(shí)地反映了機(jī)械的牽引特性，但

　　存在的問題是普通工程機(jī)械的典型地面條件多為新切土、填

　　積土等，攤鋪機(jī)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(jī)性。

　　為了避免地面隨機(jī)性引起的試驗(yàn)結(jié)果不可比性及降低地面處

　　理的難度，在實(shí)際的牽引試驗(yàn)中常選用水泥路面作為試驗(yàn)路

　　面，這大大降低了試驗(yàn)牽引特性的真實(shí)性。同時(shí)牽引試驗(yàn)需

　　要具備專用的設(shè)備、必要的跑道、熟練的人員，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

　　因此，如何使?fàn)恳匦郧€既真實(shí)又獲取方便，是一個(gè)迫切

　　需要解決的問題。

　　為了解決這一難題，將隨機(jī)變量引人牽引特性，并建立

　　牽引特性概率模型，然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，得出概

　　率牽引特性曲線，既保持理論牽引特性簡(jiǎn)明性，又保證試驗(yàn)

　　牽引特性的真實(shí)性，達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)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(jī)變量x-N

　　(μ1,σ1);y——砂漿含水量，服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量

　　y-N(μ2,σ2)。

　　采用隨機(jī)模擬法，計(jì)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(píng)價(jià)指

　　標(biāo)。

　　2.3 攤鋪機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

　　按砂漿攤鋪工藝的要求，要在高低不平的倉(cāng)面上鋪上一

　　層薄而均勻的砂漿料，即要求攤鋪工作裝置對(duì)層面具有一定

　　的仿形精度。要滿足這一要求，需要考慮兩個(gè)問題，一是機(jī)

　　械的動(dòng)態(tài)特性，二是倉(cāng)面的不平度。在對(duì)攤鋪機(jī)分析的基礎(chǔ)

　　上，將工作裝置簡(jiǎn)化為一個(gè)線性系統(tǒng)，利用等效剛度和等效

　　阻尼建立工作裝置動(dòng)力學(xué)模型，得到當(dāng)攤鋪機(jī)在倉(cāng)面上作業(yè)

　　時(shí)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(cāng)面不平度

　　作為汽車拖拉機(jī)運(yùn)行的地面不平度，前人已作了大量的

　　研究，但碾壓混凝土倉(cāng)面與一般的地面是否具有類似的特性

　　不得而知，而倉(cāng)面不平度是影響攤鋪仿形精度的關(guān)鍵因素之

　　一，為此，對(duì)倉(cāng)面不平度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

　　試驗(yàn)以湖南某碾壓混凝土壩層面為研究對(duì)象，通過現(xiàn)

　　場(chǎng)不平數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)和計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)分析，得到了典型倉(cāng)面不平度

　　的相關(guān)曲線和功率譜曲線。試驗(yàn)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(jì)

　　攤鋪機(jī)應(yīng)重點(diǎn)考慮在這些頻率下工作裝置和整車的動(dòng)態(tài)特

　　性。

　　(2)碾壓混凝土層面變化比較平坦，相當(dāng)于一般的路

　　面，采用仿形原理進(jìn)行砂漿攤鋪?zhàn)鳂I(yè)是可行的。

　　(3)本次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以用于其它工作在

　　碾壓混凝土層面機(jī)械作動(dòng)態(tài)分析的路面激勵(lì)。由于本次測(cè)量

　　分析是針對(duì)一個(gè)具體的碾壓混凝土層面進(jìn)行的，且由于壩面

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

　　計(jì)結(jié)論，還需要進(jìn)行大量的測(cè)量分析。

　　3 現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)

　　為了對(duì)攤鋪機(jī)的仿形攤鋪機(jī)理進(jìn)行可行性驗(yàn)證，同時(shí)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(chǎng)進(jìn)行了一次模型試

　　驗(yàn)。

　　工作裝置模型競(jìng)1.7m，高0.3m，支承輪半徑0.

　　09m。試驗(yàn)分六步：(1)倉(cāng)面準(zhǔn)備;(2)攤鋪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)組裝;

　　(3)砂漿料制備、運(yùn)輸、布料;(4)攤鋪?zhàn)鳂I(yè);(5)攤鋪

　　層厚度測(cè)量和質(zhì)量檢查;(6)覆蓋碾壓混凝土并壓實(shí)。試驗(yàn)

　　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(gè)動(dòng)態(tài)過程，當(dāng)攤鋪速度達(dá)到4km/h

　　時(shí)，可以明顯見到工作裝置在振動(dòng)，振動(dòng)幅度與作業(yè)速度有

　　關(guān)。因此，必須對(duì)工作裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)

　　計(jì)，以保證仿形精度。

　　作為對(duì)比試驗(yàn)，采用裝載機(jī)的鏟斗進(jìn)行攤鋪，攤鋪結(jié)果

　　表明其平均厚度非常小，倉(cāng)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(chǎng)模型試驗(yàn)都表明，采用仿形攤鋪可對(duì)攤

　　鋪質(zhì)量、攤鋪速度提供可靠的保障。