武汉水利电力大学机械系 何小新 吴庆鸣

　　内容摘要：本文分析了碾压混凝土层面垫层料的现有摊

　　铺方式的不足，提出采用仿形原理的摊铺机械。叙述了摊铺

　　机设计中的关键技术，并进行了理论分析和现场模型实验，

　　为解决碾压混凝土坝快速施工提供了有效方法。

　　关键词：碾压混凝土坝 层面处理 摊铺机

　　碾压混凝土坝层间砂浆垫层料施工是大坝浇筑主要工序

　　之一，但砂浆垫层料施工至今没有专用施工机械，目前的摊

　　铺方式厚度和均匀性都得不到保证，尤其不能适应龙滩大坝

　　这样大规模的施工要求。根据要求，龙滩大坝层间砂浆垫层

　　料摊铺厚度为15±5mm，且大坝浇筑强度高，施工仓面大(最

　　大达8000m²)，要求砂浆垫层料仓面覆盖施工能力大于碾压

　　混凝土仓面浇筑能力，以达到前后工序生产能力协调，充分

　　发挥碾压混凝土施工快速的优点。要满足以上要求，必需研

　　制专用的砂浆摊铺机，以保证施工质量和施工强度，简化施

　　工管理、降低施工成本、提高整体施工机械化水平。国家

　　“九五”攻关课题中就列有这部分内容，本文即为该课题研

　　究的一部分。

　　1 砂浆摊铺的主要方式及特点

　　碾压混凝土坝层间砂浆垫层料的摊铺方式主要有：人工

　　摊铺、装载机或自卸车摊铺、喷摊和仿形摊铺等。

　　1.1 人工摊铺

　　目前砂浆摊铺主要采用人工方式——人工以铁锹、木拖

　　板等简单工具将卸在仓面上的砂浆料堆摊开、摊平。其缺点

　　在于摊铺速度低、摊铺厚度不均匀、人工在仓面上的反复作

　　业往往导致砂浆层面上留下零乱的脚印;大面积的摊铺，经

　　常出现摊铺后久不覆盖，薄薄的砂浆垫层料在碾压混凝上覆

　　盖前已发白变干，致使上下两层混凝土间形成砂质夹层，其

　　接缝的透水性有增无减，极大地影响了坝体接缝处的抗剪强

　　度。

　　1.2 装载机或自卸车摊铺

　　采用装载机摊铺是将其铲斗平放于仓面，依靠装载机动

　　臂油缸对仓面上砂浆料施加压力，同时行走机构后退，完成

　　摊平砂浆作业。但摊铺时厚度无法精确控制，仅依靠仓面上

　　凸起的骨料来支承铲斗，因此对碾压层表面不平适应能力

　　差，仓面凸起部分没有砂浆。施工中也有在自卸车车箱后部

　　加装一挡板来成砂浆摊铺，但同样存在摊铺厚度无法控制的

　　问题，且行驶速度直接影响摊铺表层质量。

　　1.3 湿喷机与机械手喷摊

　　喷摊是利用喷射砂浆和混凝土的技术，将垫层料均匀。

　　薄层喷摊在仓面上。为了能在整个仓面上连续、均匀、薄层

　　喷料，喷摊机械具备有行走机构、机械手和二次搅拌功能。

　　此方案在国家“八五”攻关项目被列为专项进行过研究，并

　　取得了预期的成果，但需要的设备庞大，转运不灵活，投资

　　较大，难以推广。

　　1.4 仿形摊铺

　　根据砂浆垫层料的施工要求及现有摊铺方式存在的问

　　题，在“八五”攻关项目所取得的成果的基础上，课题组对

　　砂浆的喷摊原理和仿形摊铺原理进行了深人对比分析研究，

　　提出砂浆仿形摊铺方案，并对仿形摊铺机进行开发研究。

　　仿形摊铺是利用具有滚轮的摊铺板与仓面保持一定的距

　　离，即垫层厚度。工作装置在行走时，随着仓面的上下起伏

　　而自动地跟随(随动)，以保证对碾压混凝土仓面不平度的

　　适应能力。

　　2 摊铺机研制的关键技术

　　仿形摊铺机由基础牵引车和悬挂在车体后部的摊铺工作

　　装置组成，故研制工作包括基础牵引车的评价选型和工作装

　　置的动态分析与设计。

　　2.1 基础牵引车选型和模糊综合评判

　　根据碾压混凝土层间垫层料的施工工艺对摊铺机的要

　　求，确定了摊铺机的设计原则、各总成的结构及摊铺机总体

　　设计参数。按照国产化、适应化、经济性和简化机型的原

　　则，对基础车进行了初步选择，包括轮式装载机、机动翻斗

　　车、四轮驱动拖拉机等不同特征的机型。在预选机型的基础

　　上，引人模糊优选方法并与层次分析法相结合进行综合评

　　判，最终选定铰接式四轮驱动翻斗车作为摊铺机的基础牵引

　　车。

　　2.2 牵引特性的概率憧型及计算机仿真

　　评价基础车的关键指标之一为牵引性能参数，它是用牵

　　引特性曲线表示的。现有的牵引特性曲线分为理论牵引特性

　　曲线和试验牵引特性曲线，前者是根据机械的基本参数在一

　　定的假设条件下作出的，通过它可以对同类型不同参数机械

　　的牵引特性进行比较，但在计算绘制中，忽略了发动机调速

　　特性、行走机构滑转率的非线性特征，而这些恰恰又是使理

　　论牵引特性与实际牵引特性产生差异的关键因素。后者是样

　　车在典型地面上，由负荷车模拟牵引阻力，利用转速、油

　　耗、拉力等传感器测试各工况下的牵引阻力与行驶速度、耗

　　油量等牵引参数，它比较真实地反映了机械的牵引特性，但

　　存在的问题是普通工程机械的典型地面条件多为新切土、填

　　积土等，摊铺机的典型地面为砂浆层，描述这些典型地面的

　　特性参数如密度、湿度等都不是恒定的，而是具有随机性。

　　为了避免地面随机性引起的试验结果不可比性及降低地面处

　　理的难度，在实际的牵引试验中常选用水泥路面作为试验路

　　面，这大大降低了试验牵引特性的真实性。同时牵引试验需

　　要具备专用的设备、必要的跑道、熟练的人员，费时费力。

　　因此，如何使牵引特性曲线既真实又获取方便，是一个迫切

　　需要解决的问题。

　　为了解决这一难题，将随机变量引人牵引特性，并建立

　　牵引特性概率模型，然后利用计算机进行仿真计算，得出概

　　率牵引特性曲线，既保持理论牵引特性简明性，又保证试验

　　牵引特性的真实性，达到取长补短。牵引特性的基本函数包

　　括：

　　V=f1(x，y)

　　Np= f2( x， y)

　　Gp=f3( x， y)

　　ηp=f4(x，y)

　　式中：x——牵引阻力，服从正态分布的随机变量x-N

　　(μ1,σ1);y——砂浆含水量，服从正态分布的随机变量

　　y-N(μ2,σ2)。

　　采用随机模拟法，计算各均值 E(υ)， E(Np)， E

　　(Gp)， s(ηp)和方差D(ηp)，并以此绘制概率牵引特

　　性曲线E(υ)-E(χ)， E(Np)-E(χ)，E(Gp)-E

　　(χ)，上述曲线即可作为基础牵引车的牵引特性评价指

　　标。

　　2.3 摊铺机动力学模型

　　按砂浆摊铺工艺的要求，要在高低不平的仓面上铺上一

　　层薄而均匀的砂浆料，即要求摊铺工作装置对层面具有一定

　　的仿形精度。要满足这一要求，需要考虑两个问题，一是机

　　械的动态特性，二是仓面的不平度。在对摊铺机分析的基础

　　上，将工作装置简化为一个线性系统，利用等效刚度和等效

　　阻尼建立工作装置动力学模型，得到当摊铺机在仓面上作业

　　时工作装置的频率响应函数为：

　　H(jω)=Z/q=(c+jkω)/((-Mω²+c)+ jkω)

　　式中：r——等效刚度;k——等效阻尼;M——工作装

　　置质量。

　　2.4 仓面不平度

　　作为汽车拖拉机运行的地面不平度，前人已作了大量的

　　研究，但碾压混凝土仓面与一般的地面是否具有类似的特性

　　不得而知，而仓面不平度是影响摊铺仿形精度的关键因素之

　　一，为此，对仓面不平度进行了试验研究。

　　试验以湖南某碾压混凝土坝层面为研究对象，通过现

　　场不平数据实测和计算机统计分析，得到了典型仓面不平度

　　的相关曲线和功率谱曲线。试验分析表明：

　　(1)碾压混凝土层面不平度的功率谱与一般道路的频谱

　　具有明显的不同，在某些频率处具有明显的能量集中。设计

　　摊铺机应重点考虑在这些频率下工作装置和整车的动态特

　　性。

　　(2)碾压混凝土层面变化比较平坦，相当于一般的路

　　面，采用仿形原理进行砂浆摊铺作业是可行的。

　　(3)本次实测数据的统计分析结果可以用于其它工作在

　　碾压混凝土层面机械作动态分析的路面激励。由于本次测量

　　分析是针对一个具体的碾压混凝土层面进行的，且由于坝面

　　正在施工，测量样本数据有限，为了得到具有广泛意义的统

　　计结论，还需要进行大量的测量分析。

　　3 现场模型试验

　　为了对摊铺机的仿形摊铺机理进行可行性验证，同时了

　　解分析影响摊铺质量和摊铺速度的因素及相互间的关系，课

　　题组于1998年底在碾压混凝土坝施工现场进行了一次模型试

　　验。

　　工作装置模型竞1.7m，高0.3m，支承轮半径0.

　　09m。试验分六步：(1)仓面准备;(2)摊铺机现场组装;

　　(3)砂浆料制备、运输、布料;(4)摊铺作业;(5)摊铺

　　层厚度测量和质量检查;(6)覆盖碾压混凝土并压实。试验

　　结果表明：采用仿形摊铺是可行的，其摊铺质量和速度均能

　　满足碾压混凝土施工工艺要求。

　　摊铺过程是一个动态过程，当摊铺速度达到4km/h

　　时，可以明显见到工作装置在振动，振动幅度与作业速度有

　　关。因此，必须对工作装置进行动力学分析并进行优化设

　　计，以保证仿形精度。

　　作为对比试验，采用装载机的铲斗进行摊铺，摊铺结果

　　表明其平均厚度非常小，仓面上凸起部分由于铲斗面的直接

　　接触而没有砂浆。

　　理论分析和现场模型试验都表明，采用仿形摊铺可对摊

　　铺质量、摊铺速度提供可靠的保障。