呂勝權(quán)，鐘 飛，朱 海

（徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司道路機(jī)械分公司技術(shù)中心，江蘇 徐州 221004）

瀝青攤鋪機(jī)可以完成瀝青混合料的攤鋪、預(yù)壓實或最終壓實。熨平板是瀝青混凝土攤鋪機(jī)的核心工作裝置，主要實現(xiàn)對瀝青混凝土的整平和預(yù)壓，其結(jié)構(gòu)動靜態(tài)特性的優(yōu)劣會直接影響到攤鋪路面的質(zhì)量［1-2］。攤鋪作業(yè)時，熨平板裝置通過大臂連接板與主機(jī)相連，熨平板裝置是在受力平衡狀態(tài)下浮動于瀝青混合料上，底板的工作形態(tài)反映到攤鋪路面上，瀝青路面攤鋪質(zhì)量與攤鋪機(jī)熨平板的平直性存在直接關(guān)系［3-4］。由于熨平板裝置受到混合料對底板的摩擦阻力及熨平板移動阻力形成總的工作阻力，熨平板剛度過小易產(chǎn)生扭曲變形，使熨平板寬度上的仰角衰減嚴(yán)重，并對攤鋪后路面的平整度和密實度直接產(chǎn)生影響［5］。大臂提起時，熨平板裝置在自身重力的作用下，兩端產(chǎn)生向下的垂向變形和橫向扭轉(zhuǎn)變形，熨平板應(yīng)具有抵抗這種變形的能力，以確保不會產(chǎn)生過大的變形［6］。因此，熨平板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，實現(xiàn)在使用周期內(nèi)不產(chǎn)生變形和疲勞斷裂。

本文依據(jù)攤鋪機(jī)熨平板裝置的實際結(jié)構(gòu)，建立有限元模型，模擬實際載荷邊界條件，對熨平板裝置進(jìn)行設(shè)計校核，識別剛度和強(qiáng)度的薄弱區(qū)域，為熨平板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 熨平板框架結(jié)構(gòu)力矩剛性測量

熨平板框架結(jié)構(gòu)縱向力矩剛性分析，在施加一定的載荷條件下，通過測量加長段端面相對基礎(chǔ)段中間截面的傾斜角來完成。具體的測量原理和方法如圖1所示。

圖1 力矩剛性測量方法Fig.1 Schematic diagram of torque rigidity measurement method

相對傾斜角計算公式如下：

式中：c1為基準(zhǔn)面上的點；c2為端面上的點；c′2為變形后端面上的點。

2 有限元模型建立

2.1 有限元網(wǎng)格劃分

熨平板裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分，會導(dǎo)致整體網(wǎng)格質(zhì)量的降低，產(chǎn)生的網(wǎng)格數(shù)量較大。模型簡化應(yīng)遵循以下原則：①忽略熨平板結(jié)構(gòu)的倒角、凸臺和圓角等；②去除對整體性能影響較小的功能附件；③忽略對模型強(qiáng)度影響較小的孔洞、螺栓孔等。

圖2 熨平板三維實體模型Fig.2 Three-dimensional solid model of paver screed

對熨平板裝置幾何模型網(wǎng)格劃分時，將各部件均視為各向同性材料，對箱體板件類進(jìn)行抽中面及面網(wǎng)格劃分，對形狀不規(guī)則、存在復(fù)雜連接關(guān)系的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行三維實體網(wǎng)格劃分等，共為熨平板裝置劃分網(wǎng)格11 458 871 個單元，6 788 633 個節(jié)點。

2.2 材料屬性定義

對熨平板裝置網(wǎng)格模型賦予材料屬性——密度、彈性模量、泊松比。熨平板的主體材料為Q345，材料屬性如表1所示。

表1 熨平板材料屬性Tab.1 Material property of paver screed

2.3 邊界條件設(shè)置

2.3.1 工作阻力計算

熨平板裝置的工作阻力Fy［7］為

式中：Fy1為瀝青混合料對熨平板底板的摩擦阻力；Fy2為熨平板裝置推移瀝青混合料的移動阻力；T為熨平板系統(tǒng)的質(zhì)量；μ1為瀝青混合料與熨平板底板的摩擦系數(shù)；B為熨平板裝置推移混合料的長度，本研究對象為機(jī)械加寬熨平板裝置，取其最大攤鋪寬度16.5 m；L為料槽的寬度；H為熨平板裝置推移混合料的厚度，等于瀝青混合料埋住螺旋分料器上沿高度減去攤鋪厚度；γ為料槽中瀝青混合料的密度，本文取1 520 kg/m3；μ2為瀝青混合料的內(nèi)摩擦系數(shù)，瀝青混合料取1。

根據(jù)式（2）、式（3）計算出熨平板的摩擦阻力為3 550 N/m，物料阻力為3 575 N/m。

2.3.2 大臂提起工況

約束大臂連接板的所有自由度，各零部件之間使用剛性單元連接或建立接觸關(guān)系，對模型施加垂向的重力加速度9 810 mm/s2，如圖3所示。

圖3 大臂提起工況熨平板裝置有限元模型Fig.3 Finite element model of paver screed at arm lifting

2.3.3 瀝青攤鋪工況

約束大臂連接板的所有自由度，各零部件之間使用剛性單元連接或建立接觸關(guān)系；為模擬真實工作阻力的作用狀態(tài)，將摩擦阻力和物料阻力均轉(zhuǎn)換為面載荷形式施加，對前板單元施加沿垂向線性變化的物料阻力0.009 055 MPa，對底板各節(jié)點縱向施加均勻的摩擦阻力0.709 914 N，如圖4所示。

圖4 瀝青攤鋪工況熨平板裝置有限元模型Fig.4 Finite element model of paver screed at asphalt paving

3 熨平板裝置剛度有限元模擬

熨平板箱體框架為多段式的焊接組件通過螺栓連接組成。焊縫連接區(qū)域使用剛性單元或?qū)嶓w單元連接，螺栓孔使用剛性單元連接，拉桿總成中的鉸接處建立接觸關(guān)系或剛性單元耦合（釋放相應(yīng)的轉(zhuǎn)動自由度），振搗機(jī)構(gòu)、振動機(jī)構(gòu)的連接關(guān)系使用剛性單元連接和質(zhì)量點替代。

在熨平板裝置調(diào)試階段，大臂提起時，由于自身重力作用熨平板框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生垂向和扭轉(zhuǎn)變形，影響熨平板平直性、平面度、預(yù)拱度調(diào)整；攤鋪作業(yè)時，由于物料阻力、摩擦阻力作用產(chǎn)生的縱向和扭轉(zhuǎn)變形，影響熨平板裝置的進(jìn)料仰角大小。在前板物料縱向接觸表面產(chǎn)生向后的作用力，又因熨平板裝置橫截面形狀的不規(guī)則和拉桿的布置不對稱等，使熨平板框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱向的彎曲變形和沿橫向的扭轉(zhuǎn)變形，且攤鋪寬度越大，變形對路面的影響更為明顯。因此，本次主要對在大臂提起和瀝青攤鋪作業(yè)工況下的剛度進(jìn)行模擬分析。

3.1 大臂提起工況剛度分析

由圖5可以看出，由于大臂連接板與主機(jī)固定連接，使基礎(chǔ)段內(nèi)部出現(xiàn)向上的彎曲變形，在基礎(chǔ)段與加長段1連接區(qū)域的變形幅度最大。熨平板框架結(jié)構(gòu)的最大垂向彎曲變形位于加長段端面11.39 mm，最小彎曲變形位于基礎(chǔ)段的中間截面-1.342 mm，經(jīng)計算可得垂向彎曲角度為0.001 54°。

圖5 大臂提起工況熨平板裝置垂向位移云圖Fig.5 Vertical displacement distribution of paver screed at arm lifting

由圖6 可以看出，由于熨平板裝置前端面的重量大于后端面，使底板前端面的垂向變形量均大于后端面，且隨加長段的增加差值呈逐漸增大趨勢。

圖6 大臂提起工況底板前端面和后端面垂向變形曲線Fig.6 Vertical deformation of floor front and back face at arm lifting

由圖7 可以看出，在自身重力作用下，熨平板框架結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)變形，沿橫向隨著加長段的增加扭轉(zhuǎn)變形量呈逐漸增加趨勢，經(jīng)計算可得最大扭轉(zhuǎn)角度為0.003 21°。

圖7 大臂提起工況熨平板裝置扭轉(zhuǎn)位移云圖Fig.7 Torsion displacement distribution of paver screed at arm lifting

3.2 瀝青攤鋪工況剛度分析

由圖8 可以看出，由于大臂連接板與車架固定連接，使基礎(chǔ)段出現(xiàn)前進(jìn)方向的彎曲變形，在基礎(chǔ)段與加長段1 連接區(qū)域的縱向變形幅度最大。熨平板最大縱向彎曲變形位于加長段端面9.524 mm，最小彎曲變形位于基礎(chǔ)段的中間截面-0.595 9 mm，經(jīng)計算可得熨平板框架結(jié)構(gòu)的縱向彎曲角度為0.001 23°。

圖8 瀝青攤鋪工況熨平板裝置縱向位移云圖Fig.8 Longitudinal displacement distribution of paver screed at asphalt paving

由圖9 可以看出，由于物料阻力和摩擦阻力沿橫向均布作用于前板和底板，使底板前端面與后端面的縱向彎曲變形曲線基本重合，且均是隨加長段的增加呈逐漸增大趨勢。

圖9 瀝青攤鋪工況底板前端面和后端面縱向變形曲線Fig.9 Longitudinal displacement of floor front and back face at asphalt paving

由圖10 可以看出，在物料阻力和摩擦阻力作用下，底板產(chǎn)生沿合力方向移動，由于大臂連接板與車架的固定連接，大臂兩側(cè)區(qū)域剛性相對較大，使基礎(chǔ)段和加長段沿橫向遠(yuǎn)離大臂的縱向彎曲變形呈逐漸增加趨勢。因加長段后端面的剛性相對前端面弱，導(dǎo)致大臂兩側(cè)基礎(chǔ)段和加長段的變形存在滯后現(xiàn)象。

圖10 瀝青攤鋪工況底板前端面和后端面垂向變形曲線Fig.10 Vertical deformation of floor front and back face at asphalt paving

由圖11 可以看出，由于物料阻力和摩擦阻力的合力與大臂連接板之間形成彎矩和旋轉(zhuǎn)扭矩，使熨平板產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，經(jīng)計算可得熨平板框架結(jié)構(gòu)端面的最大扭轉(zhuǎn)變形量為0.000 664°。

圖11 瀝青攤鋪工況熨平板裝置扭轉(zhuǎn)位移云圖Fig.11 Torsion displacement distribution of paver screed at asphalt paving

4 結(jié)論

（1）大臂提起工況時，基礎(chǔ)段內(nèi)部出現(xiàn)向上的彎曲變形，熨平板裝置的垂向彎曲變形隨加長段的增加呈逐漸增大趨勢，在基礎(chǔ)段與加長段1 連接區(qū)域的變形幅度最大；熨平板裝置的扭轉(zhuǎn)變形沿橫向隨著加長段的增加呈逐漸增加趨勢，表明加長段1增加到一定數(shù)量，在基礎(chǔ)段與加長段1 的連接區(qū)域易于出現(xiàn)損壞，且扭轉(zhuǎn)變形對熨平板裝置的進(jìn)料仰角大小的影響增大，增加了對路面平整度、密實度等的影響程度。

（2）瀝青攤鋪工況時，基礎(chǔ)段存在前進(jìn)方向的彎曲變形，基礎(chǔ)段和加長段沿橫向遠(yuǎn)離大臂連接板的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形呈逐漸增加趨勢；大臂兩側(cè)的基礎(chǔ)段和加長段的變形存在后端面相對前端面的滯后現(xiàn)象，表明基礎(chǔ)段和加長段后端面的剛性有待提高，避免對熨平板裝置調(diào)整難度及攤鋪質(zhì)量的影響。