中分帶填土與隔擋式路緣石滑模施工一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

史鵬飛，周合寬，賈耀飛，許 哲，石 杰

(1.中鐵(河南)新川高速公路有限公司，河南 鄭州 450052； 2.河南省第二公路工程有限公司，河南 鄭州 450005； 3.河南淮信高速公路有限公司，河南 信陽 464009)

0 引 言

1988年中國大陸第1條高速公路滬嘉高速公路建成通車，填補(bǔ)了大陸地區(qū)無高速公路通車的空白。從1996年開始，中國高速公路進(jìn)入快速發(fā)展期，截止到2019年底中國高速公路通車總里程已突破14萬km，用30多年時(shí)間由零達(dá)到世界第1，走完了發(fā)達(dá)國家百余年的高速公路發(fā)展歷程。

科研人員對中國高速公路施工進(jìn)行了大量的研究，但是關(guān)于交叉施工(污染為主)對道路的質(zhì)量、壽命、進(jìn)度、投資等方面的影響研究基本上是空白。高速公路的建設(shè)流程為先進(jìn)行路基施工，然后進(jìn)行水穩(wěn)層、瀝青面層與綠化及中分帶、路肩填土施工。一般情況下路基施工的工期占總工期的一半以上，其余的水穩(wěn)層、瀝青面層與綠化及中分帶、路肩填土交叉施工，都可能造成嚴(yán)重的污染，無法保證水穩(wěn)和瀝青面層的施工質(zhì)量[1]。在路基填土施工結(jié)束后，水穩(wěn)基層施工前，可以通過設(shè)置隔擋式路緣石與中分帶填土一起滑模施工，形成不同的作業(yè)區(qū)域，從而解決傳統(tǒng)的水穩(wěn)層、瀝青面層與綠化及中分帶、路肩填土交叉施工問題[2]。

當(dāng)前隔擋式路緣石施工機(jī)械僅是將混凝土護(hù)欄滑模機(jī)械的模具裝置進(jìn)行簡單改裝而成[3]，不但施工速度慢、質(zhì)量差，而且無法同步完成中分帶填土的施工，仍需要人工填工，達(dá)不到理想的防止交叉施工污染的效果。所以開發(fā)中分帶填土與隔擋式路緣石滑模施工一體機(jī)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，本文將介紹1種全新的設(shè)備用于此類施工。

1 整機(jī)總體結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

中分帶填土與隔擋式路緣石滑模施工一體機(jī)由動(dòng)力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、輸料系統(tǒng)、滑土系統(tǒng)、滑石系統(tǒng)、養(yǎng)生系統(tǒng)、切割系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等8大系統(tǒng)組成(圖1)。該結(jié)構(gòu)已申請國家發(fā)明專利(專利申請?zhí)?ZL201910729244.6)。

圖1 中分帶填土與隔擋式路緣石滑模施工一體機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 總體設(shè)計(jì)思路

(1)動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、分動(dòng)箱、液壓馬達(dá)、液壓泵組成。行走系統(tǒng)、輸料系統(tǒng)、滑土系統(tǒng)、滑石系統(tǒng)、養(yǎng)生系統(tǒng)、切割系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動(dòng)，保證機(jī)械性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠。

(2)行走系統(tǒng)采用履帶式行走裝置，以滿足重型機(jī)械的接地比壓要求，并充分發(fā)揮履帶式機(jī)械牽引力大、通過性強(qiáng)、重心低、附著系數(shù)大、抗傾翻能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

(3)輸料系統(tǒng)由混凝土輸送子系統(tǒng)和輸土子系統(tǒng)組成。本機(jī)的混凝土輸送子系統(tǒng)進(jìn)料斗下面連接2個(gè)輸料管，分別向左、右2個(gè)滑石子系統(tǒng)供料。輸料管設(shè)置輸料開關(guān)用于控制進(jìn)料量。與普通的混凝土護(hù)欄滑模機(jī)械相比，本機(jī)增加了輸土子系統(tǒng)，輸土子系統(tǒng)位于整機(jī)的前部，由卸土斗、輸送皮帶(皮帶上設(shè)刮板)、皮帶輪等組成。

(4)與普通的混凝土護(hù)欄滑模機(jī)械相比，本機(jī)增加了養(yǎng)生系統(tǒng)。養(yǎng)生系統(tǒng)位于整機(jī)的尾部，由養(yǎng)生液儲(chǔ)存箱、水泵、噴槍、養(yǎng)生薄膜卷、卷軸和彈性壓片組成。

隔擋式路緣石滑模施工后養(yǎng)生系統(tǒng)立即用噴槍向隔擋式路緣石外側(cè)噴灑養(yǎng)生液，并在整機(jī)前行時(shí)使養(yǎng)生薄膜自動(dòng)覆蓋到隔擋式路緣石外側(cè)，以實(shí)現(xiàn)養(yǎng)生的自動(dòng)化。與人工相比，使用該機(jī)養(yǎng)生速度快，、效率高，能節(jié)約大量的人力。

(5)路緣石養(yǎng)生4 h左右在強(qiáng)度沒有完全形成前要切割伸縮縫，為隔擋式路緣石熱漲冷縮提供應(yīng)力施放空間[4]。常規(guī)的方法是在養(yǎng)生結(jié)束后由人工切割，切割誤差大，質(zhì)量參差不齊，影響美觀。為解決這個(gè)問題，本機(jī)增加了切割系統(tǒng)，切割系統(tǒng)位于整機(jī)的中部，由切割臂、切割刀盤和切割軸組成。

高速公路的橫斷面需要布設(shè)4道隔擋式路緣石，中分帶2道一并施工，路側(cè)2道分2次施工，通過合理安排進(jìn)度，后面在進(jìn)行隔擋式路緣石滑模施工時(shí)，對前面施工結(jié)束的路緣石進(jìn)行伸縮縫切割，通過切割臂轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整伸縮縫的角度(非90° 時(shí))可在不停機(jī)的狀態(tài)下切割伸縮縫，使伸縮縫切割實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，保證施工質(zhì)量和美觀。

(6)由于不同等級(jí)的道路中分帶的寬度不同，所以滑土系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上保證了中分帶填土寬度可調(diào)，為了保證中分帶填土的密實(shí)性，設(shè)置了頂壓子系統(tǒng)。

理論上隔擋式路緣石在路基施工結(jié)束后、水穩(wěn)基層施工前完工，但由于隔擋式路緣石也需要一定的施工周期，有時(shí)會(huì)在水穩(wěn)下基層施工后進(jìn)行隔擋式路緣石施工，這就造成了隔擋式路緣石有多種高度。為了滿足實(shí)際需要，本機(jī)采用了模板高度、寬度可調(diào)的方案。

(7)通過控制系統(tǒng)控制整機(jī)前進(jìn)速度、滑土高度和寬度及外形、滑石的高度和寬度及外形、養(yǎng)生液噴灑量、養(yǎng)生薄膜覆蓋速度及位置、切割速度及位置等。

1.3 工作原理

整機(jī)工作原理是輸料系統(tǒng)從自卸車將土輸送到滑土系統(tǒng)，滑土系統(tǒng)經(jīng)側(cè)滑、頂壓形成土坯模。以土坯模為邊模，以滑石系統(tǒng)為外模，輸料系統(tǒng)將混凝土輸送到滑石系統(tǒng)滑模形成隔擋式路緣石。養(yǎng)生系統(tǒng)噴灑養(yǎng)生劑后覆蓋養(yǎng)生膜，養(yǎng)生結(jié)束后切割系統(tǒng)切割伸縮縫，完成中分帶填土和路緣石施工。

1.4 機(jī)械特點(diǎn)

(1)一機(jī)多用，中分帶填土和隔擋式路緣石一次成型，也可以單獨(dú)進(jìn)行中分帶填土及隔擋式路緣石施工。

(2)中分帶填土和路緣石施工斷面可調(diào)整。

(3)機(jī)械化施工，質(zhì)量穩(wěn)定，施工效率高、成本低。

2 滑土系統(tǒng)構(gòu)造、功能及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

滑土系統(tǒng)位于卸土斗的后部，滑土系統(tǒng)由滑模子系統(tǒng)和頂壓子系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 滑土系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

滑土系統(tǒng)的工作原理是：自卸車將土倒入卸土斗經(jīng)輸送皮帶將土進(jìn)入滑模子系統(tǒng)的滑動(dòng)模板內(nèi)，經(jīng)頂壓子系統(tǒng)壓實(shí)后形成土坯模。

2.3 滑模子系統(tǒng)

2.3.1 結(jié)構(gòu)

滑模子系統(tǒng)由豎梁、橫梁、頂推桿、頂推桿架、機(jī)架、機(jī)架滑槽、立板、斜板、液壓缸組成(圖2)。

豎梁、橫梁均為可伸縮梁，通過液壓缸可調(diào)整豎梁的長度。立板、斜板通過銷軸結(jié)構(gòu)鉸結(jié)，使用斜板與豎直方向的角度可調(diào)整。橫梁一端連接豎梁、另一端連接立板和斜板。

豎梁上端穿過機(jī)架并可在機(jī)架滑槽內(nèi)滑動(dòng)，豎梁頂端連接頂推桿，頂推桿通過頂推桿架固定在機(jī)架上。通過液壓缸使豎梁在機(jī)架滑槽內(nèi)滑動(dòng)可調(diào)整中分帶填土的寬度。

2.3.2 設(shè)計(jì)思路

部分公路的中分帶較窄，城市道路的中分帶作為綠化帶較寬[5]，為了滿足不同道路的需要，中分帶填土高度、寬度等參數(shù)要可調(diào)整。土坯模是滑石施工的邊模，土坯模的外形決定著路緣石的外形。由于不同高度的隔擋式路緣石外形不同，需要土坯的外形可調(diào)。

(1)高度調(diào)整。通過調(diào)整豎梁的長度來調(diào)整中分帶填土高度。

(2)中分帶填土寬度調(diào)整。大幅度調(diào)整時(shí)通過液壓缸伸縮使豎梁在機(jī)架滑槽內(nèi)滑動(dòng)來調(diào)整中分帶填土的寬度；微調(diào)時(shí)通過液壓缸伸縮調(diào)整橫梁長度來調(diào)整中分帶填土寬度。

(3)中分帶填土外形調(diào)整。通過液壓缸伸縮調(diào)整最下端橫梁長度來調(diào)整斜板與豎直方向的角度，以調(diào)整中分帶填土外形。

2.4 頂壓子系統(tǒng)

2.4.1 結(jié)構(gòu)

頂壓子系統(tǒng)由頂壓板、立桿、頂壓彈簧、連接桿、液壓缸、凸輪、凸輪軸、凸輪軸承和軸承支架組成(圖2)。

2.4.2 設(shè)計(jì)思路

頂壓板兩端連接立桿和頂壓板為可伸縮板，通過液壓缸伸縮可調(diào)整頂壓板的寬度。連接桿上端連接機(jī)架、下端連接軸承支架，連接桿為可伸縮桿，通過液壓缸伸縮可調(diào)整連接桿的長度。頂壓板位于凸輪下部在彈力的作用下與凸輪貼合，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過大、小半徑使頂壓板交替上升或下降。

2.4.3 工作原理

頂壓子系統(tǒng)的工作原理是通過液壓缸伸縮可調(diào)整連接桿的長度來調(diào)整頂壓板的高度，凸輪在液壓泵驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪使頂壓板交替向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行土壤壓實(shí)。

3 滑石系統(tǒng)構(gòu)造、功能及工作原理

3.1 功能

滑石系統(tǒng)的功能是將隔擋式路緣石的限位裝置釘入地面，以土坯模為邊模，以滑石系統(tǒng)的模板為外模，輸料系統(tǒng)將混凝土輸送到滑石系統(tǒng)，通過整機(jī)前行滑模形成路緣石。

3.2 結(jié)構(gòu)

滑石系統(tǒng)位于整機(jī)的后部，由對稱的2部分組成，能同時(shí)完成2道隔擋式路緣石的滑模施工，也可以只進(jìn)行1道隔擋式路緣石的滑模施工。

滑石系統(tǒng)由釘入子系統(tǒng)、邊模子系統(tǒng)、外模子系統(tǒng)、內(nèi)模子系統(tǒng)和抹平子系統(tǒng)組成(圖3)。

圖3 滑石系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 設(shè)計(jì)思路

(1)為了保證隔擋式路緣石的穩(wěn)定性，需要設(shè)置限位裝置。采用普通的隔擋式路緣石施工機(jī)械時(shí)，需要由人工將隔擋式路緣石的限位裝置釘入地面，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工質(zhì)量不能保證。

為解決上述問題，本機(jī)增設(shè)了釘入子系統(tǒng)。釘入子系統(tǒng)由壓桿、壓頭和液壓缸組成。壓桿為可伸縮桿，壓桿上端連接機(jī)架、下端連接壓頭。通過液壓缸的伸縮帶動(dòng)壓頭向下運(yùn)動(dòng)將隔擋式路緣石的限位裝置釘入地面。

(2)滑石系統(tǒng)的邊模子系統(tǒng)采用與滑土系統(tǒng)的滑模子系統(tǒng)類似的結(jié)構(gòu)，不同的是滑石系統(tǒng)的邊模子系統(tǒng)可轉(zhuǎn)動(dòng)90° 折起來。當(dāng)進(jìn)行中分帶兩側(cè)的隔擋式路緣石滑模施工時(shí)，如果同時(shí)進(jìn)行滑土施工，可將邊模子系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)90° 折起來，利用土模作為邊模；如果不進(jìn)行滑土施工，只進(jìn)行隔擋式路緣石滑模施工，放下邊模子系統(tǒng)，使邊模起作用。

(3) 外模子系統(tǒng)采用與邊模子系統(tǒng)類似的結(jié)構(gòu)，不同的是外模子系統(tǒng)的立板與斜板成一條直線。

(4) 內(nèi)模子系統(tǒng)由立梁、內(nèi)模、蓋板、頂推桿、頂推桿架、機(jī)架、機(jī)架滑槽和液壓缸組成(圖4)。立梁為可伸縮梁，通過液壓缸可調(diào)整立梁的長度。內(nèi)模的截面與擋墻式路緣石腔體的空腔部分截面一致，內(nèi)模兩端用蓋板封閉，蓋板下部留有空間以便于滑過已釘入地面的限位裝置。立梁上端穿過機(jī)架并可在機(jī)架滑槽內(nèi)滑動(dòng)，立梁頂端連接頂推桿，頂推桿通過頂推桿架固定在機(jī)架上。通過液壓缸使立梁在機(jī)架滑槽內(nèi)滑動(dòng)可調(diào)整內(nèi)模與邊模、外模的相對位置。

圖4 內(nèi)模子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(5)采用普通的隔擋式路緣石施工機(jī)械時(shí)，需要人工對完成滑模的隔擋式路緣石進(jìn)行表面修飾，以消除施工缺陷并增加美觀度[6]。但是由于不同的工人水平不一，因此表面修飾參差不齊，且速度慢。為解決這一問題，本機(jī)增設(shè)了抹平子系統(tǒng)。抹平子系統(tǒng)由抹平板、螺桿和螺盤組成，螺盤通過軸承安裝在機(jī)架上，螺桿連接抹平板和螺盤，轉(zhuǎn)動(dòng)螺盤可使螺盤上下運(yùn)動(dòng)，可調(diào)整抹平板的高度和仰角。

4 結(jié) 語

(1)中分帶填土與隔擋式路緣石滑模施工一體機(jī)，質(zhì)量穩(wěn)定，施工進(jìn)度快，施工成本低。

(2)為了精化結(jié)構(gòu)，滑土系統(tǒng)經(jīng)側(cè)滑、頂壓形成土坯模。以土坯模為邊模，以滑石系統(tǒng)為外模形成隔擋式路緣石。

(3)在功能上，該機(jī)可讓中分帶填土和隔擋式路緣石1次成型，也可以分別進(jìn)行中分帶填土及隔擋式路緣石施工。

(4)為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化養(yǎng)生，本機(jī)增加了養(yǎng)生系統(tǒng)。隔擋式路緣石滑模施工后立即噴灑養(yǎng)生液，并自動(dòng)覆蓋養(yǎng)生薄膜，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)生的自動(dòng)化，養(yǎng)生及時(shí)、速度快，可節(jié)約大量的人力。

(5)為了實(shí)現(xiàn)1臺(tái)設(shè)備完成隔擋式路緣石整體施工，本機(jī)增加了切割系統(tǒng)，對養(yǎng)生結(jié)束的路緣石進(jìn)行伸縮縫自動(dòng)切割，使伸縮縫切割實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，保證了施工質(zhì)量和整齊的外觀。

(6)為滿足不同種類隔擋式路緣石的施工要求，中分帶填土寬度，隔擋式路緣石高度、寬度、外形可調(diào)；為了保證中分帶填土的密實(shí)性，設(shè)置了頂壓子系統(tǒng)。