周合寬，史鵬飛，李明杰，聶衛(wèi)林，吳俊江

(1.河南省第二公路工程有限公司，河南 鄭州 450005； 2.中鐵(河南)新川高速公路有限公司，河南 鄭州 450052； 3.河南省交通基本建設(shè)質(zhì)量檢測監(jiān)督站，河南 鄭州 450005)

0 引 言

高速公路路基施工往往超填，也就是路基填土的寬度大于設(shè)計寬度。同時，為了美觀，也需要修整邊坡。因此，在路基施工結(jié)束后要采用人工或機械對邊坡進行修整，但是目前的邊坡修整機械只是對邊坡進行整平和壓實[1]。

高速公路土路肩施工在路基施工結(jié)束后與水泥穩(wěn)定碎石基層施工同步進行，或在水泥穩(wěn)定碎石基層施工結(jié)束后進行，這時候已是工程的后期，土方工程早已結(jié)束，再尋找土源非常困難。當前高速公路土路肩培土采用外購?fù)粒孕盾噷⑼列兜铰坊?，再用人工培土，不但施工速度慢、質(zhì)量差，而且給水泥穩(wěn)定碎石基層施工帶來嚴重的污染[2]。

為解決上述問題，本設(shè)計在常規(guī)的邊坡修整機的基礎(chǔ)上增加土路肩自動培土功能，在修整邊坡時將多余的土用于土路肩培土，使土路肩培土施工實現(xiàn)自動化、機械化，既節(jié)約了購?fù)临M用，又避免了土路肩施工對水泥穩(wěn)定碎石基層或瀝青面層施工的污染。故開發(fā)土路肩培土邊坡修整機械具有巨大的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)保效益。

1 整機總體結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

路肩培土邊坡修整機由動力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、邊坡修整系統(tǒng)、輸土系統(tǒng)、路肩培土系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，見圖1。

1.2 總體設(shè)計思路

(1)為了保證整機的工作可靠性，行走系統(tǒng)、邊坡修整系統(tǒng)、輸土系統(tǒng)、路肩培土系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動。

(2)路肩培土邊坡修整機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積、質(zhì)量大，整個作業(yè)需要同步完成鏟土、壓實、輸土、擠壓等工作，要求牽引力大、通過性強、重心低、附著系數(shù)大、抗傾翻能力強的要求，所以采用履帶式行走裝置。

圖1 路肩培土邊坡修整機結(jié)構(gòu)示意

(3)為解決土源問題，本機在修整邊坡時將多余的土用于土路肩培土，為此增加了輸土系統(tǒng)。輸土系統(tǒng)采用螺旋輸料器輸土，將鏟土子系統(tǒng)的土輸送到路肩培土系統(tǒng)。

(4)本機的邊坡修整系統(tǒng)工作時在遠離機械的側(cè)部，造成了傾翻的潛在風(fēng)險，故設(shè)置了平衡系統(tǒng)。平衡系統(tǒng)由平衡臂、平衡梁、平衡塊、液壓缸組成。平衡臂可在水平方向和豎直方向旋轉(zhuǎn)。平衡梁連接平衡臂，平衡塊安裝在平衡梁上，并可沿平衡梁滑動；可通過增減平衡塊的數(shù)量來調(diào)整平衡能力。旋轉(zhuǎn)平衡臂，使平衡梁與車身垂直，旋轉(zhuǎn)平衡梁，使梁端頭觸地，通過液壓缸伸縮調(diào)整平衡塊在平衡梁上的位置，使整機平衡。整機停止工作時，旋轉(zhuǎn)平衡臂，使平衡梁與車身一致，旋轉(zhuǎn)平衡梁，使梁端頭放在機架上，調(diào)整平衡塊位于梁端頭。

(5)常規(guī)的邊坡修整機只設(shè)置了刮平板和浮動壓實輪[3]，本機的邊坡修整系統(tǒng)采用鏟斗鏟土，以便于向螺旋輸料器輸土；為增加邊坡的密實度，本機采用振動輪壓和板壓2種碾壓方式。為提高整機的安全性，增設(shè)了自動鎖止裝置。道路等級不同，土路肩的寬度也不同[4]；在不同的時間節(jié)點施工，土路肩的高度不同，所以在設(shè)計上通過調(diào)整模板實現(xiàn)土路肩的寬度、高度調(diào)節(jié)。為了增加土路肩土的密實度，通過擠壓成型實現(xiàn)該要求。

(6)通過控制系統(tǒng)控制整機前進速度、邊坡修整的坡角、鏟土架或壓實架與邊坡之間的距離、鏟土速度、壓實速度、路肩培土速度等。

1.3 工作原理

整機的工作原理是液壓泵驅(qū)動鉸軸和鉸筒，將鋼絲繩纏繞到鉸筒上，鋼絲繩拉住鏟土軸及鏟土斗沿滑槽向斜上方運動，完成鏟土，同時對邊坡進行整平和壓實。鏟土斗里的土在導(dǎo)土板作用下進入螺旋輸料器進土口，輸送到路肩培土系統(tǒng)。調(diào)整培土臂上下、左右移動，通過滑動擠壓框，使動板和定板對土實施擠壓，隨整機前行，完成培土工作。在進行邊坡修整時，將多余的土經(jīng)輸土系統(tǒng)輸送到路肩培土系統(tǒng)，形成土路肩。

1.4 機械特點

路肩培土邊坡修整機具有一機多用的特點，既可以同時完成路肩培土和邊坡修整，也可以分開進行。還可以調(diào)整邊坡修整坡角及路肩培土斷面尺寸。

2 邊坡修整系統(tǒng)的構(gòu)造、功能及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

邊坡修整系統(tǒng)位于整機的側(cè)部，由工作臺、工作臂、圓齒輪、圓齒輪架、圓齒輪軸、圓齒輪軸承、平齒輪、平齒輪套、主軸、主軸軸承、鏟土子系統(tǒng)、壓實子系統(tǒng)、調(diào)整子系統(tǒng)組成。

工作臺安裝在機架上，可升降和旋轉(zhuǎn)；圓齒輪在液壓泵的驅(qū)動下帶動平齒輪在水平方向滑動，使工作臂在水平方向前后移動，完成一定段落的邊坡修整工作。隨著整機前行，完成邊坡修整工作。

2.2 鏟土子系統(tǒng)

2.2.1 結(jié)構(gòu)

鏟土子系統(tǒng)由鏟土架、鏟土軸承、主軸、鏟土斗、導(dǎo)土板、滑槽、鏟土軸、鋼絲繩、鉸筒、鉸筒軸、鉸筒軸承、鉸筒軸承架和鎖止裝置組成，見圖2。

圖2 鏟土子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2.2 設(shè)計思路

常規(guī)的邊坡修整機只有刮平系統(tǒng)[5]，本機的鏟土子系統(tǒng)兼具鏟土和整平功能。鏟土架通過鏟土軸承安裝在主軸上，可以沿主軸轉(zhuǎn)動，由此調(diào)整邊坡修整的角度。鏟土斗由底板、背板、左側(cè)板、右側(cè)板、蓋板組成，呈簸箕形。鏟土斗背板上裝著導(dǎo)土板，通過調(diào)整導(dǎo)土板與左側(cè)板的夾角來調(diào)整輸土量。鏟土斗左側(cè)板連接鏟土軸，鏟土架上有滑槽，鏟土軸可在滑槽中滑動。鋼絲繩一端連接鏟土軸，另一端連接鉸筒。鉸筒軸承架安裝在工作臂上，鉸筒軸承固定在鉸筒軸承架上，鉸筒軸連接鉸筒軸承，鉸筒通過花鍵安裝在鉸筒軸上。

2.2.3 工作原理

液壓泵驅(qū)動鉸軸和鉸筒，將鋼絲繩纏繞到鉸筒上，鋼絲繩拉住鏟土軸及鏟土斗沿滑槽向斜上方運動，完成鏟土。鏟土子系統(tǒng)將多余的邊坡土鏟去，使路基寬度和邊坡坡角略大于設(shè)計值。

2.2.4 鎖止裝置

本機采用全液壓驅(qū)動和電子控制，有很高的安全性。但是為了防止液壓和電子故障，增加了機械式自動鎖止裝置。鎖止裝置由鉸筒鎖止分裝置和鏟土斗鎖止分裝置組成。

鎖止裝置的作用是：當鏟土中發(fā)生液壓和電子故障時，鉸筒鎖止分裝置自動作用，防止鉸筒倒轉(zhuǎn)；鏟土斗鎖止分裝置除了保證正常作業(yè)中鏟斗沿滑槽只上升、不下降之外，還在發(fā)生液壓和電子故障時，讓鏟土斗停止在原位。

(1)鉸筒鎖止分裝置由鉸筒控制盤、鉸筒盤牙、鉸筒控制銷、鉸筒控制銷彈簧、鉸筒套筒和鉸筒開關(guān)組成，見圖3。

圖3 鉸筒鎖止分裝置結(jié)構(gòu)示意

(2)鏟土斗鎖止分裝置由豎槽、齒板、齒板彈簧、齒牙、齒板頭盤牙、齒板頭孔、齒板尾孔、鏟土斗控制銷、鏟土斗控制銷彈簧、鏟土斗套筒和鏟土斗拉線開關(guān)組成，見圖4。

圖4 鏟土斗鎖止分裝置結(jié)構(gòu)示意

(3)鏟土作業(yè)起步時，鏟土軸位于齒板的尾部，尾孔拉緊鏟土斗拉線開關(guān)，使齒板頭盤牙與鏟土斗控制銷分離，齒板頭部上升到最高位，此時鉸筒拉線開關(guān)處于松開狀態(tài)，使控制銷與控制盤鉸筒盤牙嵌合，控制盤和鉸筒只能正轉(zhuǎn)、不能倒轉(zhuǎn)。啟動鏟土工作按鈕，使控制盤和鉸筒正轉(zhuǎn)，鏟土斗沿滑槽向斜上方運動，齒板尾部上升，鏟土斗拉線開關(guān)松開，使齒板頭盤牙與鏟土斗控制銷嵌合，齒板頭部在最高位置，只能下降。此時鉸筒拉線開關(guān)處于松開狀態(tài)，控制銷與控制盤鉸筒盤牙嵌合，使控制盤和鉸筒只能正轉(zhuǎn)、不能倒轉(zhuǎn)。鏟土斗只能上升、不能下降。

2.3 壓實子系統(tǒng)

壓實子系統(tǒng)對邊坡進行壓實，使路基寬度和邊坡坡角達到設(shè)計值。

壓實子系統(tǒng)由壓實架、壓實軸承、主軸、十字槽(平槽、上豎槽、下豎槽)、壓實圓齒輪、壓實平齒輪、壓實平齒輪彈簧、浮動板、浮動板彈簧、壓實輪、壓實輪軸、偏心塊、壓實板和轉(zhuǎn)向開關(guān)組成，見圖5。

圖5 壓實子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

壓實架通過壓實軸承安裝在主軸上，可沿主軸轉(zhuǎn)動，調(diào)整坡角。壓實平齒輪彈簧位于下豎槽內(nèi)，浮動板彈簧位于上豎槽內(nèi)，壓實圓齒輪、壓實平齒輪、浮動板位于平槽內(nèi)。壓實輪軸兩端連接壓實圓齒輪。偏心塊位于壓實輪內(nèi)的壓實輪軸上。壓實板一端連接平齒輪，另一端懸空。轉(zhuǎn)向開關(guān)位于十字槽兩端。

液壓泵驅(qū)動壓實輪旋轉(zhuǎn)，采用振動輪壓和板壓2種碾壓方式對邊坡振動壓實。通過轉(zhuǎn)向開關(guān)完成液壓泵驅(qū)動方向轉(zhuǎn)換，控制壓實輪上下運動。

2.4 調(diào)整子系統(tǒng)

調(diào)整子系統(tǒng)的一個功能是調(diào)整鏟土架、壓實架與水平方向的夾角，也就是調(diào)整邊坡修整的坡角。另一個功能是調(diào)整鏟土架、壓實架與邊坡之間的距離。

調(diào)整子系統(tǒng)由立臂、調(diào)整鉸筒、調(diào)整鉸筒軸、調(diào)整鉸筒軸承、調(diào)整鉸筒軸承架、鋼絲繩、掛鉤和調(diào)整鎖止裝置組成。立臂連接在工作臂上，鋼絲繩一端連接調(diào)整鉸筒，另一端連接掛鉤。掛鉤固定在鏟土架和壓架的外端部。調(diào)整鎖止裝置與鉸筒鎖止分裝置相同。

液壓泵可驅(qū)動調(diào)整鉸筒軸和調(diào)整鉸筒正向或反向轉(zhuǎn)動，鋼絲繩使鏟土架和壓實架沿主軸轉(zhuǎn)動，調(diào)整邊坡修整的坡角。通過調(diào)整工作臺的高度來調(diào)整鏟土架、壓實架與邊坡之間的距離。

3 路肩培土系統(tǒng)的構(gòu)造、功能及工作原理

3.1 結(jié)構(gòu)組成

路肩培土系統(tǒng)位于整機的邊部，由培土臂、培土架、液壓缸、定模板、動模板和擠壓裝置組成。

3.2 設(shè)計思路

通過下面的設(shè)計，實現(xiàn)將鏟土子系統(tǒng)的土培到路肩上、再擠壓成型的功能。

圖6 培土架結(jié)構(gòu)示意

(1)路肩培土系統(tǒng)采用懸掛結(jié)構(gòu)，培土臂固定在機架上，由多節(jié)分臂組成。培土架由橫梁、豎梁、立梁、液壓缸和頂推板組成，見圖6。2根后邊立梁、1根后中立梁的下端連接1個液壓缸，每個液壓缸前端固定1塊頂推板。

(2)為了保證土路肩成型及寬度、高度可調(diào)，設(shè)置了定模板和動模板[6]。定模板由頂板和2塊立板組成(圖7)，頂板連接后中立梁的頂推板，立板連接后邊立梁的頂推板。通過后邊立梁液壓缸伸縮，調(diào)整培土的寬度；通過后中立梁液壓缸伸縮，調(diào)整培土的高度。動模板由動頂板和2塊動立板組成，動頂板與頂板鉸接可形成夾角。動立板與立板鉸接。

圖7 定模板、動模板結(jié)構(gòu)示意

(3)為了保證土路肩擠壓成型，設(shè)置擠壓裝置，通過凸輪旋轉(zhuǎn)使擠壓框平移，對動模板施力，產(chǎn)生擠壓作用。擠壓裝置由擠壓框、限位塊、3個凸輪及3根凸輪軸組成。

3.3 工作原理

當凸輪大半徑部分轉(zhuǎn)向擠壓框時，擠壓框沿動模板向前滑動，使動模板的張口逐漸縮小，從上、兩邊3個方向?qū)ν翆嵤D壓；當凸輪大半徑部分抵達擠壓框時，此時擠壓框滑動到達前限位塊，動模板與定模板開口重合，完成對土的擠壓。凸輪大半徑部分轉(zhuǎn)離擠壓框，隨著整機前行，螺旋輸料器向動模板內(nèi)繼續(xù)輸土，在土阻力的作用下，定模板逐漸開口，使擠壓框沿動模板向后滑動；當擠壓框滑動到達后限位塊時，凸輪小半徑部分抵達擠壓框。如此循環(huán)，隨著整機前行，完成路肩培土。

4 結(jié) 語

(1)路肩培土邊坡修整機解決了邊坡路肩人工培土速度慢、質(zhì)量差、給水泥穩(wěn)定碎石基層施工帶來嚴重污染的問題。

(2)整機采用全液壓控制，質(zhì)量穩(wěn)定、施工進度快、成本低。

(3)在進行邊坡修整時，將多余的土經(jīng)輸土系統(tǒng)輸送到路肩培土系統(tǒng)，形成土路肩，這種方法既節(jié)約了購?fù)临M用，又避免了土路肩施工對水泥穩(wěn)定碎石基層或瀝青面層的污染，使土路肩培土施工實現(xiàn)自動化、機械化。

(4)路肩培土和邊坡修整既可一次成型，也可以單獨進行。還可以調(diào)整邊坡修整坡角及路肩培土斷面尺寸。

(5)為防止機器在工作時傾翻，設(shè)置了平衡系統(tǒng)。為了防止液壓和電子故障，增加了機械式自動鎖止裝置，可有效避免鏟斗因機械故障高速下落造成的事故。

(6)為增加邊坡的密實度，本機采用振動輪壓和板壓2種碾壓方式。通過設(shè)置擠壓裝置，保證土路肩擠壓成型。