中分带填土与隔挡式路缘石滑模施工一体机结构设计研究

史鹏飞，周合宽，贾耀飞，许 哲，石 杰

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

0 引 言

1988年中国大陆第1条高速公路沪嘉高速公路建成通车，填补了大陆地区无高速公路通车的空白。从1996年开始，中国高速公路进入快速发展期，截止到2019年底中国高速公路通车总里程已突破14万km，用30多年时间由零达到世界第1，走完了发达国家百余年的高速公路发展历程。

科研人员对中国高速公路施工进行了大量的研究，但是关于交叉施工(污染为主)对道路的质量、寿命、进度、投资等方面的影响研究基本上是空白。高速公路的建设流程为先进行路基施工，然后进行水稳层、沥青面层与绿化及中分带、路肩填土施工。一般情况下路基施工的工期占总工期的一半以上，其余的水稳层、沥青面层与绿化及中分带、路肩填土交叉施工，都可能造成严重的污染，无法保证水稳和沥青面层的施工质量[1]。在路基填土施工结束后，水稳基层施工前，可以通过设置隔挡式路缘石与中分带填土一起滑模施工，形成不同的作业区域，从而解决传统的水稳层、沥青面层与绿化及中分带、路肩填土交叉施工问题[2]。

当前隔挡式路缘石施工机械仅是将混凝土护栏滑模机械的模具装置进行简单改装而成[3]，不但施工速度慢、质量差，而且无法同步完成中分带填土的施工，仍需要人工填工，达不到理想的防止交叉施工污染的效果。所以开发中分带填土与隔挡式路缘石滑模施工一体机具有巨大的经济效益和社会效益，本文将介绍1种全新的设备用于此类施工。

1 整机总体结构

1.1 总体结构

中分带填土与隔挡式路缘石滑模施工一体机由动力系统、行走系统、输料系统、滑土系统、滑石系统、养生系统、切割系统和控制系统等8大系统组成(图1)。该结构已申请国家发明专利(专利申请号:ZL201910729244.6)。

图1 中分带填土与隔挡式路缘石滑模施工一体机结构

1.2 总体设计思路

(1)动力系统由发动机、变速箱、分动箱、液压马达、液压泵组成。行走系统、输料系统、滑土系统、滑石系统、养生系统、切割系统采用全液压驱动，保证机械性能稳定，质量可靠。

(2)行走系统采用履带式行走装置，以满足重型机械的接地比压要求，并充分发挥履带式机械牵引力大、通过性强、重心低、附着系数大、抗倾翻能力强的优点。

(3)输料系统由混凝土输送子系统和输土子系统组成。本机的混凝土输送子系统进料斗下面连接2个输料管，分别向左、右2个滑石子系统供料。输料管设置输料开关用于控制进料量。与普通的混凝土护栏滑模机械相比，本机增加了输土子系统，输土子系统位于整机的前部，由卸土斗、输送皮带(皮带上设刮板)、皮带轮等组成。

(4)与普通的混凝土护栏滑模机械相比，本机增加了养生系统。养生系统位于整机的尾部，由养生液储存箱、水泵、喷枪、养生薄膜卷、卷轴和弹性压片组成。

隔挡式路缘石滑模施工后养生系统立即用喷枪向隔挡式路缘石外侧喷洒养生液，并在整机前行时使养生薄膜自动覆盖到隔挡式路缘石外侧，以实现养生的自动化。与人工相比，使用该机养生速度快，、效率高，能节约大量的人力。

(5)路缘石养生4 h左右在强度没有完全形成前要切割伸缩缝，为隔挡式路缘石热涨冷缩提供应力施放空间[4]。常规的方法是在养生结束后由人工切割，切割误差大，质量参差不齐，影响美观。为解决这个问题，本机增加了切割系统，切割系统位于整机的中部，由切割臂、切割刀盘和切割轴组成。

高速公路的横断面需要布设4道隔挡式路缘石，中分带2道一并施工，路侧2道分2次施工，通过合理安排进度，后面在进行隔挡式路缘石滑模施工时，对前面施工结束的路缘石进行伸缩缝切割，通过切割臂转动调整伸缩缝的角度(非90° 时)可在不停机的状态下切割伸缩缝，使伸缩缝切割实现机械化，保证施工质量和美观。

(6)由于不同等级的道路中分带的宽度不同，所以滑土系统在设计上保证了中分带填土宽度可调，为了保证中分带填土的密实性，设置了顶压子系统。

理论上隔挡式路缘石在路基施工结束后、水稳基层施工前完工，但由于隔挡式路缘石也需要一定的施工周期，有时会在水稳下基层施工后进行隔挡式路缘石施工，这就造成了隔挡式路缘石有多种高度。为了满足实际需要，本机采用了模板高度、宽度可调的方案。

(7)通过控制系统控制整机前进速度、滑土高度和宽度及外形、滑石的高度和宽度及外形、养生液喷洒量、养生薄膜覆盖速度及位置、切割速度及位置等。

1.3 工作原理

整机工作原理是输料系统从自卸车将土输送到滑土系统，滑土系统经侧滑、顶压形成土坯模。以土坯模为边模，以滑石系统为外模，输料系统将混凝土输送到滑石系统滑模形成隔挡式路缘石。养生系统喷洒养生剂后覆盖养生膜，养生结束后切割系统切割伸缩缝，完成中分带填土和路缘石施工。

1.4 机械特点

(1)一机多用，中分带填土和隔挡式路缘石一次成型，也可以单独进行中分带填土及隔挡式路缘石施工。

(2)中分带填土和路缘石施工断面可调整。

(3)机械化施工，质量稳定，施工效率高、成本低。

2 滑土系统构造、功能及工作原理

2.1 结构组成

滑土系统位于卸土斗的后部，滑土系统由滑模子系统和顶压子系统组成，如图2所示。

图2 滑土系统结构示意图

2.2 工作原理

滑土系统的工作原理是：自卸车将土倒入卸土斗经输送皮带将土进入滑模子系统的滑动模板内，经顶压子系统压实后形成土坯模。

2.3 滑模子系统

2.3.1 结构

滑模子系统由竖梁、横梁、顶推杆、顶推杆架、机架、机架滑槽、立板、斜板、液压缸组成(图2)。

竖梁、横梁均为可伸缩梁，通过液压缸可调整竖梁的长度。立板、斜板通过销轴结构铰结，使用斜板与竖直方向的角度可调整。横梁一端连接竖梁、另一端连接立板和斜板。

竖梁上端穿过机架并可在机架滑槽内滑动，竖梁顶端连接顶推杆，顶推杆通过顶推杆架固定在机架上。通过液压缸使竖梁在机架滑槽内滑动可调整中分带填土的宽度。

2.3.2 设计思路

部分公路的中分带较窄，城市道路的中分带作为绿化带较宽[5]，为了满足不同道路的需要，中分带填土高度、宽度等参数要可调整。土坯模是滑石施工的边模，土坯模的外形决定着路缘石的外形。由于不同高度的隔挡式路缘石外形不同，需要土坯的外形可调。

(1)高度调整。通过调整竖梁的长度来调整中分带填土高度。

(2)中分带填土宽度调整。大幅度调整时通过液压缸伸缩使竖梁在机架滑槽内滑动来调整中分带填土的宽度；微调时通过液压缸伸缩调整横梁长度来调整中分带填土宽度。

(3)中分带填土外形调整。通过液压缸伸缩调整最下端横梁长度来调整斜板与竖直方向的角度，以调整中分带填土外形。

2.4 顶压子系统

2.4.1 结构

顶压子系统由顶压板、立杆、顶压弹簧、连接杆、液压缸、凸轮、凸轮轴、凸轮轴承和轴承支架组成(图2)。

2.4.2 设计思路

顶压板两端连接立杆和顶压板为可伸缩板，通过液压缸伸缩可调整顶压板的宽度。连接杆上端连接机架、下端连接轴承支架，连接杆为可伸缩杆，通过液压缸伸缩可调整连接杆的长度。顶压板位于凸轮下部在弹力的作用下与凸轮贴合，凸轮转动时通过大、小半径使顶压板交替上升或下降。

2.4.3 工作原理

顶压子系统的工作原理是通过液压缸伸缩可调整连接杆的长度来调整顶压板的高度，凸轮在液压泵驱动下转动，凸轮使顶压板交替向下运动进行土壤压实。

3 滑石系统构造、功能及工作原理

3.1 功能

滑石系统的功能是将隔挡式路缘石的限位装置钉入地面，以土坯模为边模，以滑石系统的模板为外模，输料系统将混凝土输送到滑石系统，通过整机前行滑模形成路缘石。

3.2 结构

滑石系统位于整机的后部，由对称的2部分组成，能同时完成2道隔挡式路缘石的滑模施工，也可以只进行1道隔挡式路缘石的滑模施工。

滑石系统由钉入子系统、边模子系统、外模子系统、内模子系统和抹平子系统组成(图3)。

图3 滑石系统结构示意图

3.3 设计思路

(1)为了保证隔挡式路缘石的稳定性，需要设置限位装置。采用普通的隔挡式路缘石施工机械时，需要由人工将隔挡式路缘石的限位装置钉入地面，工人劳动强度大、施工质量不能保证。

为解决上述问题，本机增设了钉入子系统。钉入子系统由压杆、压头和液压缸组成。压杆为可伸缩杆，压杆上端连接机架、下端连接压头。通过液压缸的伸缩带动压头向下运动将隔挡式路缘石的限位装置钉入地面。

(2)滑石系统的边模子系统采用与滑土系统的滑模子系统类似的结构，不同的是滑石系统的边模子系统可转动90° 折起来。当进行中分带两侧的隔挡式路缘石滑模施工时，如果同时进行滑土施工，可将边模子系统转动90° 折起来，利用土模作为边模；如果不进行滑土施工，只进行隔挡式路缘石滑模施工，放下边模子系统，使边模起作用。

(3) 外模子系统采用与边模子系统类似的结构，不同的是外模子系统的立板与斜板成一条直线。

(4) 内模子系统由立梁、内模、盖板、顶推杆、顶推杆架、机架、机架滑槽和液压缸组成(图4)。立梁为可伸缩梁，通过液压缸可调整立梁的长度。内模的截面与挡墙式路缘石腔体的空腔部分截面一致，内模两端用盖板封闭，盖板下部留有空间以便于滑过已钉入地面的限位装置。立梁上端穿过机架并可在机架滑槽内滑动，立梁顶端连接顶推杆，顶推杆通过顶推杆架固定在机架上。通过液压缸使立梁在机架滑槽内滑动可调整内模与边模、外模的相对位置。

图4 内模子系统结构示意图

(5)采用普通的隔挡式路缘石施工机械时，需要人工对完成滑模的隔挡式路缘石进行表面修饰，以消除施工缺陷并增加美观度[6]。但是由于不同的工人水平不一，因此表面修饰参差不齐，且速度慢。为解决这一问题，本机增设了抹平子系统。抹平子系统由抹平板、螺杆和螺盘组成，螺盘通过轴承安装在机架上，螺杆连接抹平板和螺盘，转动螺盘可使螺盘上下运动，可调整抹平板的高度和仰角。

4 结 语

(1)中分带填土与隔挡式路缘石滑模施工一体机，质量稳定，施工进度快，施工成本低。

(2)为了精化结构，滑土系统经侧滑、顶压形成土坯模。以土坯模为边模，以滑石系统为外模形成隔挡式路缘石。

(3)在功能上，该机可让中分带填土和隔挡式路缘石1次成型，也可以分别进行中分带填土及隔挡式路缘石施工。

(4)为实现自动化养生，本机增加了养生系统。隔挡式路缘石滑模施工后立即喷洒养生液，并自动覆盖养生薄膜，实现了养生的自动化，养生及时、速度快，可节约大量的人力。

(5)为了实现1台设备完成隔挡式路缘石整体施工，本机增加了切割系统，对养生结束的路缘石进行伸缩缝自动切割，使伸缩缝切割实现机械化，保证了施工质量和整齐的外观。

(6)为满足不同种类隔挡式路缘石的施工要求，中分带填土宽度，隔挡式路缘石高度、宽度、外形可调；为了保证中分带填土的密实性，设置了顶压子系统。