沥青混凝土边模机安装系统设计探讨

摘要：为了提高路面施工的效率和质量，采用边模安装技术，设计了一款沥青混凝土边模铺装机，并提出了安装系统的总体设计方案。边模安装系统包括边模出仓装置、自动挂钩装置和射钉装置。边模出仓装置由定位卡、出仓斜坡滑道、推块和气缸组成；自动挂钩装置主要由弹夹装置、推动装置、挂钩装置和连杆结构组成；射钉装置由气钉枪、定位模块和三坐标工作台组成。采用UG软件对边模安装系统各部分结构进行三维建模，并虚拟装配，检验了设计的合理性。结果表明，沥青混凝土边模铺装机的行走系统可按照施工的方向自动行走，边模铺装系统可以实现边模的自动铺设，提高了铺设道路的质量；边模安装机工作方式相比于传统人工铺设方式，具有结构可靠、效率高、操作简单、安全性能好、污染少等优点。研究成果可为未来全智能化铺设边模设备优化提供参考，并能结合沥青摊铺机应用于施工中，进一步提高铺装质量。

关键词：路基工程；沥青混凝土路面；边模安装机；边模安装系统；边模挂钩；边模射钉

随着路面成型施工技术的发展，中国公路的总里程数已有近457万km。其中高速公路达到12．35万km，沥青混凝土路面占高级公路里程的80％以上，且在国内外被广泛应用，是公路的主要结构类型［1］，如图1所示。沥青路面作为一种连续且没有缝隙的路面，具有噪音少，成本低，力学性能好，承载和减振能力强等优点，且路面便于管理和维修，施工期比较短［2－6］。图1沥青混凝土路面Fig．1Asphaltconcretepavement目前，铺设路面的具体工作流程：1）先摊铺沥青砼面层；2）切除多余的路面；3）装上路缘石。在实际路面施工过程中应提升沥青混凝土路面的施工技术，以有效地减少各类公路病害发生的概率，延长路面使用寿命［7］。第一代路缘石机是由美国生产的。路缘石滑模机技术真正成熟是在1991年，由美国工程师JOHNLEONE研制的。进入21世纪以来，箭牌机械公司生产的路缘石机，无论是整体耐用度还是施工质量均受到业界好评，且在全球知名度很高。目前，具有代表性的设备是BL－790全自动路缘石摊铺机，采用的是锤击方法。2004年出现了一种多功能路缘石滑模机，虽然该设备具有口滑模机的优点，但是此设备体积大，成本和配套设备要求高，故不能批量生产使用［8－10］。现阶段的路面铺装工作仍存在着诸多问题，比如安装路缘石时需要切除多余的沥青砼面层，会浪费大量原材料，增加了施工成本，降低了修建道路的质量和效率［11］；且目前路面施工边模的安装主要采用人工安装边模的形式，安装速度慢，平均1～2min安装1条边模，施工工期较长；同时工作人员在施工过程中很容易把在低级路面施工中的经验和方法照搬到高速公路路面的施工中来，从而造成安装质量差以及工作人员的安全问题［12－15］。为了解决人为和环境带来的影响及问题，笔者设计了新型边模铺装机。此设备用来对沥青混凝土路面边模进行自动化安装，采用边模安装系统改善了传统边模安装过程的缺点，可省去切割边缘的工作，通过将边模铺设在路基两侧边缘的工艺，能够直接获得顺直度高的路面边缘结构，为后续施工提供方便。

1总体结构及工作原理

沥青混凝土边模铺装机的行走系统可以自动识别并按照人工提前规划好的路线和施工的方向自动行走；边模安装系统能自动边模铺设，安装时要确保2个相邻的边模挂钩连接，并用射钉枪将其固定在地面上。边模行走系统主要是车体装置。车体装置主要包括前车架、后车架、行走电机和转向电机。边模铺装机的安装系统主要设计部件有边模出仓、挂钩和射钉3部分。出仓装置主要包括定位卡，出仓斜坡滑道装置，底部架子，推块，肋边模块等；自动挂钩装置主要包括弹夹装置，推动装置，挂钩装置等；射钉装置主要包括气钉枪、定位模块、气缸、三坐标工作台（即x，y，z方向推动装置）以及扳机触动装置。利用UG软件画的边模三维图，如图2所示。此外，边模安装系统也离不开空气压缩机，空气压缩机是本设计系统的动力源。空气压缩机根据推动装置动力的大小来进行型号的选择，安装在边模铺装机上。出仓，挂钩和射钉3大装置共同安装在行走系统的同一侧，一般为左侧。路面边模机的工作流程：首先把边模安装系统安装在行走系统的车架上，行走系统进入路面后沿着路面上提前画好的线行走；然后将边模依次放下进行连接（如图3所示），完成挂钩动作；最后由定位模块确定好钉孔位置后，使用射钉枪进行射钉完成固定。重复上述步骤，直到铺路工作完成。利用UG软件画的本设计总体结构三维图如图4所示。边模安装系统的工作原理如下。边模从上端开口处进入到边模仓结构中，落下的边模从边模仓下方开口出仓。当边模出仓后，边模被气缸顶起，然后边模被推动往滑道下方移动，移动至2个相邻边模的挂钩正好相对齐，然后边模落下挂钩就会扣住，从而这2个相邻的边模就连接在一起，完成挂钩动作。边模完成挂钩之后，稳定性差，因此需要通过射钉在钉孔处进行固定［16］。此边模安装系统的结构很大程度上降低了施工人员的工作量，也能很好地控制施工时间及速度，边模安装速度可达每分钟4条，相比人工安装边模速度快了8倍，提高了工作效率和工作质量［17］。

2边模安装系统的详细设计

2．1边模出仓结构的设计

边模仓是由干板焊接形成的，边模底板放置在边模仓的外边，边模从边模仓上端进口进入，从下端开口出仓。由于开口大小和边模宽度的限制，所以每次只能保证有1个边模出仓。侧面推动装置安装在边模挡板的前部分（以车头为准），气缸、固定装置、滑块等部分与边模出弹夹的推动装置相同，但侧面推动装置中气缸的行程比较小，需要动力就小，其主要任务是完成边模的侧面运动。当边模准备出仓时，气缸带动推块进行运动，将边模仓最下方的边模推到滑道上；当气缸推出边模并缩回来后，在边模仓中的边模就会受到重力的作用而往下移动，为下一次的出仓做好准备。出仓装置如图5所示。当边模完成挂钩之后，边模将会沿着出仓斜坡滑到底面，然后再完成射钉动作，斜坡滑道装置如图6所示。斜坡滑道上安装了4种气缸。出仓装置紧紧地连接着边模挡板，协助完成边模挂钩，同时它也连接着挂钩和射钉两部分。因为斜坡两侧的宽度会比边模两侧宽度稍大，因此斜坡会对边模产生侧向约束力，同时斜坡的坡度较缓，有利于边模的平稳滑落。当边模从滑道落下时，边模进入肋边模板中（如图7所示），但此时边模在肋边模板中的位置发生了移动，所以需要摆正边模在肋边模板上的位置。因此在肋边模板外板下部装上2个气缸，通过这2个气缸给气体施加压力，从而产生动力推动边模向肋边模板里侧移动，使边模贴住肋边模板内侧，固定边模的位置，最后边模进入射钉模块里，使其固定在地面。

2．2边模挂钩部分的设计

弹夹装置的主要组成材料是热轧钢板和角钢，其结构简单且实用，采用开放式的结构是为了满足工作需要的同时尽量节约原材料，保证设计的经济性。图8为弹夹装置示意图，弹夹高度为410mm，每次最多可以同时装载11个边模，可以满足挂钩过程和射钉过程。边模的厚度为45mm，弹夹的内部宽度为50mm，既可以防止由于弹夹内部宽度过大而造成的边模不稳定，也更加利于边模工作。制造弹夹装置的材料为角钢，其截面为两边互相垂直成直角形的长条钢材［18］。图8弹夹装置Fig．8Magazineclipd出弹夹的推动装置主要部分为气缸，如图9所示，用于完成前进和后退2个动作，除此之外推动装置还有气缸支撑装置和用于前后行走的导轨，如图10所示。该推动装置的宽度是边模宽度的1／2，可以平稳地将边模推到边模挡板上。该推动装置上表面是平整的，这样有利于推动装置后退动作的完成，为下次动作做准备。为保证边模按顺序排列并能够稳定连接，使用挂钩装置将相邻两边模的挂钩相扣进行连接。由于2个相邻边模的挂钩方向相反，连接时，需要将其中的1个边模抬起来。总体来看，边模的挂钩动作主要有正面推出、向上抬起、侧面推出、向下落料4部分，前面的出弹夹装置和出仓装置分别完成了正面推出和侧面推出1个部分，下面主要介绍向上抬起和向下落料2个动作部分的推动装置。进行挂钩动作的推动装置大体结构和部件与出弹夹的推动装置基本相同，主要区别在于这部分推动装置需将前后运动变为上下运动，所以设计增加1个楔块和1个滚动轴承，利用楔块的斜面和滚动轴承的配合，将推动装置的前后运动变为上下运动。综上所述，在上下推动装置的作用下，将边模的一端抬起，在侧面推动装置的作用下，将预挂钩的边模推到上一个边模侧面，然后挂钩装置完成向下运动，边模落下2个相邻边模的挂钩相互扣住，便实现了2个相邻边模的挂钩过程，挂钩装置如图11所示。

2．3边模射钉部分的设计

采用射钉枪进行射钉，将边模固定在地面上。射钉枪打钉的动力是用空气压缩机压缩空气来提供的，所以必须对空气压缩机进行严格要求和详细计算，空气压缩机工作原理与水泵类似，主要依据系统的工作压力和流量2个参数。当活塞上边的气压大于下边的时候，活塞下降。反之，活塞会保持不动，因此需要压缩空气来使活塞进行移动。射钉枪的三维图如图12所示。射钉枪是单独的装置，与架子相连。架子的三维图结构如图13所示。采用4个M6的螺钉，让射钉枪前部固定在架上。射钉枪仅前部固定并不稳定，因为在行走时射钉枪会产生惯性力和驱动力，会造成射钉枪发生晃动，所以必须增加1个能把射钉枪中间部分与架子连接起来的装置。射钉枪的中部是人工手握的地方，为圆柱体形状。因此设计1个夹具将射钉枪固定在架子上，避免射钉枪发生晃动，如图14所示，夹具为长方形的形状。该夹具分为2个部分，其合起来中间是空的，空的部分正好和射钉枪把手部分套在一起，用螺栓连接夹具的2个部分，再用螺栓固定夹具和架子。图15为射钉装置的结构简图，用夹具和射钉枪前部相连射钉枪和架子。

3结语

沥青混凝土边模铺装机是用来铺设路面边模的设备，笔者对铺装机边模安装系统的各个部件进行了设计，安装机采用自动循迹行走系统，能够自动识别并沿着所画好的线行走，可实现自动边模铺设；然后再将边模依次放下进行连接，完成挂钩动作，最后由定位模块确定钉孔位置后，使用射钉枪进行射钉固定，完成边模安装。边模安装系统具有以下优点：1）提高了生产效率，加快了铺设边模的速度；2）省去了切边动作，提高了铺设道路的质量；3）密封边模的高低可以通过直体块叠加的方式来改变，适用于各种厚度的路面；4）弹夹容载大，1次可同时装载11个边模；5）系统确保了安装的顺直度。本设计虽然可以提高铺设道路的效率与质量，但是考虑到不同公路状况，设备暂时不能实现急转弯的边模固定，今后会将设计重点放在研究不同路况的边模固定上。

作者：焦会馨 刘跃辉 彭毅 单位：贵州大学机械工程学院 河北科技大学机械工程学院