【技术】浮动均衡梁基准弯道摊铺特性试验研究

摘要：在研究弯道变坡摊铺控制特性的基础上，选取平衡梁基准作为斜坡输入激励，通过对平衡梁的工作特性、摊铺机工作装置的滞后特性分析，确定了工作参数，并在实体工程中设置不同工况进行试验研究。结果表明：通过合理选择平衡梁参数和采取提前输入激励等措施，使铺层横坡度与下面层横坡度有很好的符合性。

关键词：弯道变坡摊铺  平衡梁基准  横坡误差  斜坡激励

弯道变坡摊铺中如何解决超高及超高缓和段横坡施工误差过大的问题，一直受到公路科技界的关注，资料[1]建立了与自动调平系统传感器的安装位置、摊铺速度、输入激励函数等参数相关的摊铺机熨平工作装置数学模型，并推导了在斜坡激励下的响应特性，讨论了不同的调平传感器安装位置对弯道摊铺误差及平整度的影响。但在建立数学模型时，并未涉及调平基准的结构形式与横坡控制的关系，因此在实际应用中仍存在较大的偏差。沥青路面摊铺过程中调平基准有三种形式：一是挂线基准，属于固定基准，即采用在摊铺机两端挂线的方式利用两个纵坡调平传感器控制铺层的横坡和纵坡度；二是采用一纵一横调平基准，即摊铺机采用一端挂线利用纵坡传感器控制纵坡，另一端采用横坡传感器控制横坡度；三是摊铺机两端采用平衡梁作为调平基准控制横坡度和纵坡。在工程实践中常常采用第三种方式作为路面调平基准，本文针对第三种调平基准进行试验研究。为了探讨平衡梁基准对弯道摊铺控制特性的影响，在湖北“襄石”高速公路选择典型路段进行了现场试验研究工作。“襄石”高速公路大部分路段修建在山区，由于地形复杂，弯道众多，特别是小半径急弯，为本次研究工作提供了条件。本次试验采用丹麦Miniline非接触平衡梁施工方案：在K0+1050~E0+1250匝道进行。采用平衡梁作为调平基准控制横坡度的变坡输入函数与斜坡输入相似，此时感器安装位置系数。

1 平衡梁基准的工作特性

摊铺机每套非接触平衡梁由1个控制盒、4个声纳传感器和2组平衡梁组成，调平系统采用微处理技术控制摊铺机的调平油缸。利用超声波测距原理，在路面以上一定距离使用4个声纳传感器，以地面为基准连续不断的进行测量，精度达0.38mm。超声波发射频率为200KHz的，发射周期为5微秒，所对应的距离变化为0.825mm。通过前端距离传感器将下承层的凹凸不平进行平均化处理，类似于电路上的低通滤器，将高频变化的信号过滤，留下低频信号，形成一个稳定的实用基准，减小下承层不平整对铺层的影响和消除了架设基准时人为因素的影响，能较好的改善路面的平整度。通过控制前端距离传感器离地距离与后端传感器离地距离的差值决定摊铺厚度。根据其工作原理建立如下数学模型：

图1、所示正常工作时平横梁上的n个传感器定时发出超声波信号，通过测定发射与返回所用时间确定传感器离地面的距离，数据采集与分析系统将n个传感器的离地高度进行均化处理作为平衡梁的计算高度d1，见式（1）。

d1=(1/n)(y1+y2+····yn )(1)

当地面出现不平整的情况时，如遇到一个突起物ΔH，见图2所示。此时平衡梁向上移动Δy，其计算高度见式（2）。

d2=(1/n)(Y1+Y2+····Yn ) (2)

Y1= y1+Δy (3)

Y2 = y2+Δy-ΔH (4)

Yn = yn+Δy (5)

根据平衡梁的工作原理，为了保持铺层厚度不变，在摊铺机连续工作时平衡梁应满足d1= d2条件，因此将式（1）、式（3）、式（4）、式（5）代入式（2）得式（6）。该式表明当路面出现高低起伏变化对平衡梁的影响大小与传感器个数有关，传感器越多影响越小，成反比关系。削弱了路面突起物对铺层平整度的影响，具有低通滤波效果。因此很多平衡梁在设计时计算d值的采样点较多的，以减小下面层凹凸不平对上面层的影响。

Δy=(1/n) ΔH（6）

虽然平衡梁对提高路面摊铺平整度效果比较明显，但是在进行弯道摊铺时会带来一定的问题。如图3所示，设变坡摊铺时横坡按式（7）变化，则平衡梁的计算高度为式（8）~（11）。将式（1）、式（9）、式（10）、式（11）代入式（8）得式（12）。

图4  斜坡激励输出响应曲线

式（16）说明即使按照符合设计要求的斜坡激励进行弯道变坡摊铺，但铺层的横坡值还是渐渐地远离设计值，直到过渡过程完成后才达到稳态值，形成恒定的偏差。因此在响应曲线的初始区段，会由于过渡过程的影响，误差逐渐增大，在达到稳态值后，铺层横坡的变化趋势与设计曲线完全相同，但在距离上存着较大的滞后。

几点讨论：

①采用平衡梁作为斜坡激励进行弯道变坡摊铺时，摊铺机自动找平系统存在着滞后，滞后距离大于3倍的熨平板侧臂长度水平距离，这种铺层滞后于设计值的问题需要采取提前输入激励的办法消除。滞后量与横坡变化幅度和熨平板侧臂长度有直接关系，而与摊铺速度无关。

②当横坡度为零时（=0)，Δy=0，摊铺一层均匀厚度的铺层；当横坡度不为零时（≠0）存在较大的滞后。

③采用浮动均衡梁作为斜坡激励进行弯道变坡摊铺时，存在两个滞后因素：一个是基准自身滞后，如式（12）所示；另一个是调平系统滞后，如式（14）所示，前一种滞后可以通过减少采样点数改善，后一种滞后可以通过提前输入激励解决，最终铺层横坡度由以上两个因素共同决定。

3平衡梁基准弯道变坡摊铺试验研究

1）试验设备与铺层材料

摊铺机为德国ABG TITAN  423型双夯锤高密度多功能摊铺机。主要参数如下：

铺层材料：Super pave 19；

摊铺速度：2m/min；

摊铺宽度：6.5m；

摊铺厚度：60mm；

传感器灵敏度：80%；

发动机功率：133kW；

夯锤数量：2个；

夯锤频率：15Hz；

夯锤振幅：前夯，6mm；后夯5mm；

振动熨平板频率：35Hz；

振动熨平板振幅：0~4mm；

2）设备性能要求

①恒速控制功能

摊铺机在作业过程中，由于负荷的变化引起发动机转速的变化，从而造成摊铺速度的变化；由于液压泵、液压马达在油温和工作压力发生变化时容积效率发生变化，引起摊铺机速度的变化；由于履带滑转造成摊铺机速度变化。为了解决在工作过程中摊铺速度的变化，需采用恒速自动控制系统，通过检测速度信号与设定值比较，控制发动机转速或行走变量泵的排量，使摊铺机作业速度稳定。

②输料、分料自动控制功能

熨平板前部料位高低直接影响着力的平衡关系，影响着铺层的稳定，料位高阻力大，铺层则变厚；料位低阻力小，铺层则变薄。在进行弯道施工时，熨平板内侧的用料量少，外侧用料量多，因此要求输料系统和分料系统配备电子料位控制装置。左右两侧分别由四个液压马达独立驱动，无级调速，采用比例式料位传感器进行材料控制，使螺旋分料器中材料连续输送，保持稳定的料位。

③自动调平控制功能

在进行变坡摊铺时，为了准确跟踪超高和超高缓和段的变化，摊铺机需配套两纵自动调平系统，通过纵向误差传感器检测出实际值与设定值的误差，并转换成电信号，送入控制器，控制器根据误差的大小与方向，经过数学变换后，输出功率信号到电磁阀，推动油缸移动，实现对横坡与高程的跟踪。

3）试验结果

为了研究平衡梁基准对弯道摊铺控制特性的影响，试验采用非接触平衡；，在襄石高速公路K0+1055~E0+1150匝道进行。表1、图1为斜坡激励未进行提前输入的试验结果。试验条件：前端传感器3个，安装距离2m，传感器安装位置K=1，表2、图2为斜坡激励输入提前量为7.5m的试验结果。试验条件：前端传感器2个，安装距离1m，传感器安装位置K=1。

表1  平衡梁基准弯道变坡摊铺试验结果。

序号	桩号	设计横坡值/%	铺层横坡值/%	横坡误差/%
1	1055	-2.000	-1.732	0.268
2	1060	-2.000	-1.802	0.198
3	1061	-2.000	-1.789	0.211
4	1065	-2.000	-1.780	0.220
5	1070	-2.000	-1.811	0.189
6	1075	-2.356	-2.158	0.198
7	1080	-2.879	-2.614	0.265
8	1085	-3.402	-3.048	0.354
9	1090	-3.925	-3.473	0.452
10	1095	-4.448	-3.918	0.530
11	1100	-4.971	-4.489	0.482
12	1105	-5.494	-4.894	0.600
13	1110	-6.018	-5.454	0.564
14	1115	-6.541	-5.952	0.589
15	1120	-7.064	-6.572	0.492
16	1125	-7.587	-7.089	0.498
17	1130	-8.000	-7.458	0.542

图5  浮动均衡梁基准弯道变坡摊铺试验（1）

表2  平衡梁基准弯道变坡摊铺试验结果

序号	桩号	下层横坡值/%	铺层横坡值/%	横坡误差/%
1	1055	-1.732	-1.724	0.008
2	1060	-1.802	-1.797	0.005
3	1061	-1.789	-1.787	0.002
4	1065	-1.780	-1.810	-0.030
5	1070	-1.811	-2.078	-0.267
6	1075	-2.158	-2.156	0.002
7	1080	-2.614	-2.606	0.008
8	1085	-3.048	-3.043	0.005
9	1090	-3.473	-3.471	0.002
10	1095	-3.918	-3.910	0.008
11	1100	-4.489	-4.484	0.005
12	1105	-4.894	-4.889	0.005
13	1110	-5.454	-5.446	0.008
14	1115	-5.952	-5.947	0.005
15	1120	-6.572	-6.470	0.102
16	1125	-7.189	-7.081	0.108
17	1130	-7.458	-7.453	0.005

图6  浮动均衡梁基准弯道变坡摊铺试验（2）

4  结论

①采用常规方法安装的平衡梁作为斜坡激励进行弯道变坡摊铺时，由于基准自身滞后和调平系统滞后的综合作用，使横坡调节的过渡过程很长，需要10~15m的距离（如图5所示），使铺层横坡与设计横坡之间产生很大偏差。

②通过采取减少传感器安装个数、缩小传感器安装距离、提前输入激励等措施，缩短了过渡过程距离，使铺层横坡度与下面层横坡度吻合较好，而且波动较小，横坡误差的标准差为0，039%（见表2所示），且路面具有很好的平顺性。

表2  横坡偏差统计特征值

平均值/%	标准差/%	变化范围/%	备注
0.022	0.039	±0.078	变化范围为95%置信度下的计算值

注：表中数据为表2中点6至点17的偏差统计特征值。

③理论分析和试验数据均表明采用不同的输入激励，对横坡控制有不同的结果。采用横坡控制器可以得到最优效果，不仅横坡误差最小，而且路面平顺性好；采用挂线方法作为控制基准进行变坡摊铺时，横坡误差较大，而且路面平顺性较差；采用平衡梁作为控制基准时，主要是下承层横坡的复现。

参考文献：

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SUN Zu-wang, LIU Hong-hai.TransferLaw and Test Research of Asphalt Pavement Evenness[J].Road Machinery& ConstructionMechanization, 1999,1~3.

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[6] NCAT. Hot Mix Asphalt Materials,Mixture Design and Construction[M].1996.

TheStudy on the Control of the Changing Slope Curve Paving by String

Abstract：Thepaper on the basis of the study on the control of the changing slope curvepaving in theory, through the study on the responses of the screed to differentinput signal in condition of the erected string, the controller of the transversegradient and the floating beam on the spot experimentations, and through the analyzesthe three paving design method in theory and the experimentation data, providessomematerial solving measures to solve the changing slope curve paving.

Key words:Changing slope curve paving; Paving design; Transversegradient control