摊铺机为主导机械的施工设备配套模式研究

周智勇 ，刘洪海

(1.山西交通职业技术学院 工程机械系，山西 太原 030031； 2.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064)



摊铺机为主导机械的施工设备配套模式研究

周智勇1，刘洪海2

(1.山西交通职业技术学院 工程机械系，山西 太原 030031； 2.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

为了适应快速发展的大规模协调、高效作业的机群施工，提出了一套以摊铺机为主导机械的设备配套模式；介绍了沥青路面施工设备组成及施工工艺流程，通过理论研究与计算分析了沥青摊铺机的生产能力、摊铺速度、搅拌站的生产能力、压路机的压实速度、运输车数量数学模型几个影响配套设备工作效率的关键参数；并通过实际工程应用验证了该设备配套模式的可行性，对研究摊铺机为主导机械的施工设备配套模式具有重要意义。

摊铺机；配套模式；主导机械；数学模型

0 引 言

随着施工技术的不断发展，沥青路面施工中机械设备配套施工的模式愈加重要。所谓设备配套模式，就是施工设备的合理使用，各设备之间的合理匹配[1-4]。目前，施工设备的配套模式主要是以搅拌站为主导机械，对于以摊铺机为主导机械的设备配套模式研究甚少。

为了适应快速发展的大规模机群施工，保证各机械设备之间的协调、高效作业，在降低施工成本的基础上，创造更大的经济效益，就需要提出一套以摊铺机为主导机械的设备配套模式。

本文对沥青摊铺机的生产能力和摊铺速度、搅拌站的生产能力、压路机的压实速度、运输车的数量进行理论分析，并将计算出的设备配套模式应用于施工实践中，以检验设备配套模式的合理性。

1 沥青路面施工设备组成及施工工艺流程

1.1 设备分类

根据沥青路面各施工机械的重要性，可以将施工机械分为主导机械、主要机械和辅助机械。在沥青路面施工中，摊铺机对路面质量起着决定性的作用，应作为主导机械；沥青混合料搅拌站、运输汽车、压路机及装载机为主要机械；其他机械可归为辅助机械。主要机械和辅助机械的配置必须服从主导机械，以主导机械的连续、高效运行为原则。

1.2 沥青路面施工工艺流程

在沥青路面施工中，主要用到的设备有摊铺机、搅拌站、压路机、运输车等，根据各设备在施工中所起的作用和配合关系，可绘制如图1所示的沥青路面施工工艺流程。

2 设备配套方法

2.1 沥青摊铺机组配套

2.1.1 摊铺机组摊铺能力的确定

摊铺能力的确定要考虑主导机械沥青摊铺机组的配套方法。必须先计算沥青摊铺机组的最小摊铺能力Qtmin

(1)

式中：Qtmin为摊铺机组的最小摊铺能力(t·h-1)；L为施工段总长度(km)；hi为沥青混凝土路面各摊铺层的厚度(i=1,2,3)(cm)；B为沥青混凝土路面单侧路面宽度(m)；γi为沥青混凝土路面各摊铺层的密实度(t·m-3)；T为有效施工工期(d)；t为每日计划工作时间(h)；Kh为时间利用系数。

根据计算出的最小摊铺能力Qtmin，选择合适的摊铺机，确定摊铺机组的摊铺能力Qt。

2.1.2 摊铺机数量及摊铺速度的确定

摊铺机工作面个数与最小摊铺速度应满足如下关系

(2)

一般而言，摊铺机的摊铺速度应小于4 m·min-1，并与设备参数、材料特性相匹配。速度太快，摊铺的路面易出现拉痕、初始压实度不足等现象；而速度太慢又会影响施工进度。

2.2 沥青搅拌站配套

沥青搅拌站的生产能力必须大于摊铺机组的摊铺用料量，以便给摊铺机组提供足够的沥青混合料，保证摊铺的高效连续运行。

(3)

式中：Qj为沥青搅拌站的生产能力(t·h-1)；G为搅拌站每次卸下沥青混凝土的重量(t)；t为搅拌一次所需总时间(min)；Qt为沥青摊铺机的摊铺能力(t·h-1)。

根据式(3)可以计算出沥青搅拌站每次卸下的沥青混凝土重量G，从而直接选择相应搅拌能力的搅拌站。

2.3 压实机械配套

2.3.1 初压机

沥青搅拌站每小时搅拌多少吨沥青混合料，压路机就应压实多少吨沥青混合料；摊铺机每小时摊铺多少吨沥青混合料，初压压路机就应压实多少吨沥青混合料。因此初压压路机台数与最小工作速度应满足

(4)

且满足

(5)

式中：M1为每个摊铺工作面初压机的台数；V1min为初压机的最小工作速度(m·min-1)；n1为初压压实遍数；B1为初压压路机的压实宽度(m)；b1为初压压路机的压实重叠宽度(m)。

2.3.2 复压机

摊铺机每小时摊铺多少吨沥青混合料，复压压路机就应压实多少吨沥青混合料；初压压路机每小时压实多少吨沥青混合料，复压压路机就应复压多少吨沥青混合料。因此，复压压路机台数与最小工作速度应满足

(6)

且满足

(7)

式中：M2为每个摊铺工作面复压机的台数；V2min为复压机的最小工作速度(m·min-1)；n2为复压压实遍数；B2为复压压路机的压实宽度(m)；b2为复压压路机的压实重叠宽度(m)。

2.3.3 终压机

摊铺机每小时摊铺多少吨沥青混合料，终压压路机就应压实多少吨沥青混合料；复压压路机每小时压实多少吨沥青混合料，终压压路机就应终压多少吨沥青混合料。因此，终压压路机台数与最小工作速度应满足

(8)

且满足

(9)

式中：M3为每个摊铺工作面终压机的台数；V3min为终压机的最小工作速度(m·min-1)；n3为终压压实遍数；B3为终压压路机的压实宽度(m)；b3为终压压路机的压实重叠宽度(m)。

2.4 运料汽车配套

所需汽车最小数量Nmin

(10)

且满足

(11)

确定出所需汽车最小数量Nmin后，还应增加2～4辆运料车在摊铺机或者搅拌站前等待，最终确定所需车辆数量。

3 设备配套模式的应用

内蒙某高速热拌沥青混合料面层摊铺工程，标段路面总长度18 km，路面单侧宽12.5 m，上面层设计厚度为3 cm，中面层设计厚度为5 cm，下面层设计厚度为7 cm。路面沥青面层预计施工工期70 d，每天工作10 h。

3.1 摊铺机

首先计算摊铺机组的最小摊铺能力Qtmin，Kh取0.9，根据式(1)

确定摊铺机组的摊铺能力为270 t·h-1。

根据公式(2)计算摊铺机的摊铺速度

由计算结果可知，一个工作面摊铺即可按工期完工；鉴于路面单侧宽度12.5 m，在此选择2个摊铺机并排摊铺。

3.2 搅拌站

搅拌总时间为50 s，Kh取0.95，根据式(3)

计算可知：G≥3.95。

根据计算结果选取LB4000型搅拌站，Qj=273 t·h-1。

3.3 压路机

钢轮振动压路机有效压实宽度取2.1 m，重叠宽度0.7 m；初压2遍，复压4遍，终压2遍。根据公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2004)[5]，钢轮压路机初压适宜速度为2～3 km·h-1，复压适宜速度为3～4.5 km·h-1，终压适宜速度为3～6 km·h-1。

3.3.1 初压机

根据公式(4)、(5)

且满足

取M1V1min=106.56 m·min-1=6.39 km·h-1。

考虑到时间利用系数Kh=0.97，则M1V1min=6.59 km·h-1。

根据初压最佳速度范围，取M1=3，V1=2.2 km·h-1。

3.3.2 复压机

根据式(6)、(7)

且满足

取M2V2min=210.72 m·min-1=12.64 km·h-1。

考虑到时间利用系数Kh=0.97，则M2V2min=13.03 km·h-1。

根据复压最佳速度范围，取M2=3，V2=4.34 km·h-1。

3.3.3 终压机

根据式(8)、(9)

且满足

取M3V3min=108.50 m·min-1=6.51 km·h-1。

考虑到时间利用系数Kh=0.97，则M3V3min=6.71 km·h-1。

根据终压最佳速度范围，取M3=2，V3=3.36 km·h-1。

3.4 运输车

运输汽车额定载重量G0=40 t。所需汽车最小数量Nmin根据式(10)、(11)计算。

且满足

装料时间

(12)

运料时间

(13)

卸料时间

(14)

式中：L为沥青混凝土平均运输距离(km)，当计算一个工作循环的最大时间时取最大值， 当计算一个工作循环的最小时间时取最小值；vy为运输汽车平均运料速度(km·h-1)；vk为运输汽车平均空返速度(km·h-1)；Bt为单个摊铺机实际的摊铺宽度(m)。

根据计算结果可知Nmin=6，设摊铺机或搅拌站前等待车辆数为3，初步确定所需汽车数量为9辆。根据以上配套模式确定的摊铺机生产能力为270 t·h-1，摊铺速度为2.95 m·min-1；选用LB4000型沥青搅拌站；初压钢轮压路机3台，复压振动压路机3台，终压光轮压路机2台；运输车9辆。

在此基础上，选用合适的设备品牌及型号，摊铺机为VOLVO ABG8820，搅拌站为三一重工LB4000型沥青搅拌站，施工时各设备之间的配合连续、高效，平整度、施工压实度等各项指标均达到要求。

4 结 语

(1) 根据工期和施工量可以初步计算出摊铺机组的最小摊铺能力，从而进一步确定摊铺机的摊铺速度和数量。

(2) 搅拌站的配置应以满足摊铺机连续摊铺为原则，根据摊铺机组的摊铺能力选择其生产能力。

(3) 初压机应以摊铺机每小时所摊铺的沥青混合料量和搅拌站每小时搅拌的的沥青混合料量为依据进行配置；复压机应以摊铺机每小时所摊铺的沥青混合料量和初压机每小时压实的沥青混合料量为依据进行配置；终压机应以摊铺机每小时所摊铺的沥青混合料量和复压机每小时压实的沥青混合料量为依据进行配置。

(4) 运输汽车应在综合考虑摊铺机组的摊铺能力和搅拌站生产能力的基础上，在摊铺机或搅拌站前增加2～4辆等待车辆进行配置。

[1] 李占慧，李自光，王顺星.基于排队论的高等级公路沥青路面施工自卸车的优化配置[J].工程机械，2005(5):29-32.

[2] 李占慧，李自光，王顺星.基于排队轮的沥青混凝土路面施工机群的优化配置[J].筑路机械与施工机械化，2004,21(8):23-25.

[3] 夏学军.沥青混凝土路面施工机械组织与机群配置研究[J].黑龙江交通科技，2011(6)：226-227.

[4] 郭小宏.公路工程机械化工程与管理[M].北京：人民交通出版社，2013.

[5] JTG F40—2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[责任编辑:谭忠华]

Research on Equipment Matching Mode with Paver as Key Machine

ZHOU Zhi-yong1, LIU Hong-hai2

(1. Department of Construction Machinery, Shanxi Traffic Vocational and Technical College, Taiyuan 030031, Shanxi, China; 2. Key Laboratory for Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China)

In order to adapt the fast growing of construction fleet with many kinds of machines involved, an equipment matching mode with paver as key machine was proposed. The composition of construction equipment and the construction process of asphalt pavement were introduced. Critical parameters which might affect the efficiency including production capacity of the paver, paving speed, production capacity of mixing plant, compacting speed of roller and transport vehicle amount were analyzed. The matching mode was verified by practical use, which is of great importance to the research.

paver; matching mode; key machine; numerical model

1000-033X(2015)04-0084-04

2014-11-01

U415.5

B