攤鋪機(jī)變徑變螺距螺旋分料器抗離析研究

徐小龍

（湖北省路橋集團(tuán)有限公司設(shè)備管理分公司，湖北 武漢430300）

公路工程網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、物資流動(dòng)的基礎(chǔ)，也是評估國家綜合國力的重要指標(biāo)，能夠側(cè)面反映一個(gè)地區(qū)的發(fā)展程度。隨著公路工程運(yùn)行時(shí)間的推移，各種公路工程病害相繼出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了公路工程地使用壽命，如瀝青路面開裂等是常見的病害。瀝青路面在鋪設(shè)過程中如果壓實(shí)度不夠或均勻性較差時(shí)極易使瀝青混合料在鋪設(shè)過程中出現(xiàn)骨料離析或溫度離析，其中前者主要與攤鋪機(jī)螺旋分料器關(guān)系密切。

鑒于此，研究攤鋪機(jī)變徑變螺距螺旋分料器的抗離析性能對提升公路工程瀝青路面鋪設(shè)質(zhì)量有積極的意義。

1 瀝青路面離析現(xiàn)象概況

瀝青路面在壓實(shí)度和均勻性較差的情況下容易出現(xiàn)骨料離析和溫度離析現(xiàn)象，其中，骨料離析與攤鋪機(jī)螺旋分料器關(guān)系密切。瀝青混合料是瀝青、骨料等按照一定比例配置而成的，可將其看作是黏滯阻力較大的一種特殊流體，因此在攤鋪機(jī)螺旋分料器中的流動(dòng)方式通常有以下兩種形式。

（1）瀝青混合料沿著布料的方向流動(dòng)，若瀝青混合料的流動(dòng)速度小于臨界值時(shí)（臨界值一般指的是瀝青混合料之間的最大靜摩擦力），瀝青混合料以層流的方式流動(dòng)，即瀝青混合料中的骨料以相對靜止的方式沿著布料方向呈層狀流動(dòng)，對原有混合料無明顯破壞，即不存在骨料離析現(xiàn)象。

（2）當(dāng)瀝青混合料的流動(dòng)速度超過臨界值時(shí)，由于瀝青混合料的流動(dòng)速度大于骨料之間的最大靜摩擦力，此時(shí)骨料顆粒就沿著布料槽以紊流的形式運(yùn)動(dòng)，不同骨料顆粒之間也產(chǎn)生相對的運(yùn)動(dòng)，從而使骨料向各個(gè)方向做翻滾無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，最終引起骨料離析。

雖說理論上骨料的運(yùn)動(dòng)方式可分為上述兩種形式，但是在實(shí)際布料過程中兩種運(yùn)動(dòng)方式是同時(shí)存在的，因此在使用螺旋分料器布料過程中如何降低紊流運(yùn)動(dòng)方式，提高層流運(yùn)動(dòng)方式是研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

此外，螺旋分料器應(yīng)用具有良好的攪拌功能，即在布料過程中通過攪拌功能降低骨料離析，使瀝青混合料鋪設(shè)均勻（見圖1）。大量的研究資料顯示，螺旋分料器中的螺距與螺徑對瀝青混合料布料的均勻性影響較大，因此，研究攤鋪機(jī)變徑變螺距螺旋分料器抗離析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 螺旋分料器的基本原理

2.1 瀝青混合料與螺旋葉片作用力

螺旋分料器在布料時(shí)，瀝青混合料與螺旋葉片之間的作用力是分析螺距與螺徑性能的基礎(chǔ)，也是研究變徑螺距螺旋分料器的前提。

分離器中的螺旋面旋轉(zhuǎn)時(shí)會對骨料施加一種應(yīng)力，由于以螺旋母線為直線的螺旋面上的各個(gè)點(diǎn)的螺距是一致的，因此骨料距離螺旋軸的距離越小，螺旋的升角相越大，此時(shí)軸向力對骨料的作用力也就越大，而切向力對骨料的作用力相對減小。

骨料與螺旋軸之間的距離逐漸減小，骨料受到的切向力則逐漸增加，當(dāng)切向力超過骨料之間的靜摩擦力時(shí)，骨料就隨著螺旋軸進(jìn)行翻滾運(yùn)動(dòng)；若骨料與螺旋軸之間的距離逐漸增加，骨料受到的切向力也就逐漸減小，此時(shí)由于切向力小于骨料之間的靜摩擦力，骨料在軸向力的作用下沿著布料方向運(yùn)動(dòng)。

因此，一般靠近螺旋軸區(qū)域的骨料由于受到更大的切向力而做紊流運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離螺旋軸區(qū)域的骨料因切向力較小而做層流運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，隨著半徑的增加螺距也增大（見圖2），但螺旋升角與半徑變化不明顯，若減少半徑，瀝青混合料所受的切向力變化也不明顯，骨料以層流運(yùn)動(dòng)為主，骨料布料較均勻。

圖2 不同螺距示意圖

2.2 瀝青混合料在螺旋分料器中的加速度變化

攤鋪機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中不可避免地會出現(xiàn)速度變化，當(dāng)攤鋪機(jī)速度變化時(shí)就會使分料器中的骨料產(chǎn)生一定的加速度。因此，為確保瀝青混合料布料的均勻程度，必須通過調(diào)整螺旋分料器的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)調(diào)整布料槽中骨料的高度和速度的目的。

試驗(yàn)表明，瀝青混合料中骨料顆粒質(zhì)量增加，骨料所具有的慣性力也會增大，當(dāng)慣性力較大時(shí)就會使細(xì)骨料與粗骨料之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，對原始的瀝青混合料級配影響較大，極易引起瀝青混合料的骨料離析現(xiàn)象。

此外，在攤鋪機(jī)開始啟動(dòng)與關(guān)閉過程中，若速度改變過快，極易造成瀝青混合料中不同顆粒大小骨料產(chǎn)生不同的加速度，進(jìn)而加劇不同顆粒大小骨料之間的相對運(yùn)動(dòng)速度，不僅引起骨料離析問題，而且可能加劇骨料的橫向或豎向離析，嚴(yán)重影響瀝青混合料布料的均勻程度，進(jìn)而降低公路工程的使用壽命。

因此，在使用攤鋪機(jī)布料時(shí)確保設(shè)備勻速運(yùn)行至關(guān)重要。若需要對設(shè)備儀器調(diào)速處理，可采用緩慢降速的方式降低骨料加速度對布料質(zhì)量的影響。

2.3 瀝青混合料摩擦阻力

瀝青混合料在布料過程中具有摩擦力，主要由兩部分組成：（1）內(nèi)摩擦力，即瀝青混合料內(nèi)部相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦阻力。（2）外摩擦力，即瀝青混合料與螺旋葉片之間的摩擦阻力。

在相同的布料條件下，顆粒較大的骨料產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力要大于顆粒小的骨料產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。同時(shí)，顆粒大的骨料一般具有較大的質(zhì)量，所承受的重力也相對較大。因此，在螺旋軸旋轉(zhuǎn)時(shí)顆粒大的骨料所受到的軸向力相對較小，顆粒小的骨料受到的軸向力相對較大。

在螺旋軸轉(zhuǎn)速提高的條件下，由于瀝青混合料本身不均勻，因此顆粒較大的骨料相對于顆粒小的骨料更容易向兩端運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致橫向離析現(xiàn)象加重。此外，若螺旋軸的轉(zhuǎn)速過快，就容易使顆粒較大的骨料集中在外層，顆粒小的骨料集中在內(nèi)層，進(jìn)而引起骨料的豎向離析。

綜上所述，適當(dāng)?shù)丶涌炻菪~片的半徑和降低螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度，能夠有效提高混合料布料的均勻性。

3 變徑變螺距螺旋分料器的抗離析分析

由于瀝青混合料是由瀝青、多種骨料和礦粉等按照一定的比例均勻配置而成的，因此在采用螺旋分料器布料時(shí)一般一邊卸料一邊輸料，使瀝青混合料均勻地鋪設(shè)在公路基礎(chǔ)上。此時(shí)分料器的中部輸送工作量要遠(yuǎn)大于兩端，這與實(shí)際布料過程中中部料堆高于兩端料堆的基本現(xiàn)象是吻合的，這主要與分料器中部區(qū)域受到的阻力大于兩端的阻力導(dǎo)致輸料不均勻有關(guān)。

同時(shí)，由于分料器與葉片直徑、螺距相等，容易引起瀝青混合料中粗細(xì)骨料的分離，最終引起鋪設(shè)不均勻或骨料離析問題，進(jìn)而在壓平處理后導(dǎo)致路面的平整度降低。因此，只有在分離器中不同位置具有不同的螺距和葉片直徑，才能確?；旌狭显诓剂喜壑蟹€(wěn)定流動(dòng)。

由上文可知，螺旋葉片的半徑對布料均勻性影響較大，即瀝青混合料的流動(dòng)與分料器的幾何尺寸存在較大的變化，同時(shí)螺旋分料器的長度、螺旋軸的半徑是已知大小的，因此可根據(jù)螺旋葉片與螺距之間的變化關(guān)系分析變徑變螺距螺旋分料器的抗離析特征。

根據(jù)試驗(yàn)關(guān)系可得出，螺旋葉片的最小半徑應(yīng)大于螺旋軸的半徑，并且最小葉片應(yīng)分布在分料器的兩端。若螺旋葉片的最小半徑為R，螺旋軸半徑為r，S為單位長度每轉(zhuǎn)下料體積，則最小半徑如下：

4 結(jié)束語

綜上所述，瀝青路面病害與瀝青混合料鋪設(shè)的壓實(shí)程度和均勻性關(guān)系密切，而瀝青混合料鋪設(shè)均勻性與螺旋分料器關(guān)系密切。瀝青混合料鋪設(shè)過程中受分料器軸向力和切向力影響較大，其中瀝青混合料受承受的軸向力對鋪設(shè)均勻性有益，因此，盡可能地增加攤鋪機(jī)變徑變螺距螺旋分料器的軸向力，減小切向力有利于混合料的均勻布料。

同時(shí)，由于瀝青混合料的骨料粗細(xì)大小不一，導(dǎo)致骨料之間存在較大的慣性力差異，進(jìn)而使骨料產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，使混合料產(chǎn)生骨料離析現(xiàn)象。將螺旋分料器中的螺旋葉片直徑、螺距等根據(jù)所處位置差異進(jìn)行變動(dòng)，即采用變化的直徑和變化的螺距，能夠有效改善中部鋪設(shè)厚度大于兩端鋪設(shè)厚度的弊端，也能有效地減少骨料離析現(xiàn)象。