路面平整度是评价行车舒适性的重要指标,也是公路施工中的一个主要的质量控制指标[1,2]控制路面平整度的主要设备就是摊铺机的自动调平系统。采用不同的检测装置、工作原理和计算基准,摊铺机的调平系统有不同的结构特点和工作特性。
1 沥青摊铺机自动调平系统的分类
根据检测装置来分类可以将自动调平系统分为:机-电式,机-液式,激光式,超声波式。其中后2种为非接触式自动调平系统。根据采用的调平基准不同,可将调平系统分为固定基准形式,浮动基准形式和计算基准形式3种。
2 挂线调平系统
该系统的基准是固定的,是沥青摊铺机最早使用的一种调平形式。挂线调平系统由挂线、触臂、纵坡传感器、横坡传感器、控制器等组成。触臂以一定的角度(一般为45°)搭置在挂线基准上,当摊铺机遇到不平度发生升降时会改变触臂的搭置角度,从而使传感器感知位置的变化。这种方式采用直径为2.0—2.5 mm的钢丝绳,200 m为一段,立杆间距10 m,张紧力需在800—1 000 kN之间。
工作原理如图1所示,挂线调平系统是通过控制待铺层面与基准线之间的高程差ΔH来控制待铺层面的平整度、厚度和高程等技术指标的。当摊铺机在行进的过程中遇到一个向下凹陷或向上凸起的不平度Δh时,会引起牵引臂相对基准上下运动,纵向传感器通过触臂探测到牵引臂的升降并把信号反馈给调平控制器,控制器根据偏差信号的大小向摊铺机大臂升降油缸的电磁控制阀发出升或降的信号,调整熨平板牵引点的高度,使熨平板的牵引角γ增大或减小,熨平板上受力平衡被破坏,由于熨平板处于浮动状态,为使所受力系重新达到平衡状态,熨平板会自动调整牵引角γ,使其减小或增大,熨平板的工作仰角α随之减小或增大,直至力系达到新的平衡,铺层的厚度相应地得到增加或减小,从而保证铺层的平整度。
这种调平方式的基准是绝对基准,能较好地补偿铺层的高程误差,在基层和下面层的摊铺中非常有效。但是,为了保证钢丝绳的标高绝对准确,理论上要求其张紧力无限大,但是实际施工过程中,钢丝绳上所受的张紧力不可能无限大;另外,为了适应一天的工作量,每侧至少要准备2条钢丝绳来回更换,其测设工作量相当大,效率较低,人为干扰引起的误差再所难免,会给摊铺质量造成一定的影响。
3 平衡梁调平系统
这种调平基准属于浮动的基准,随着摊铺机的行走,调平基准也在移动。平衡梁由前、后平衡梁组成,分别位于摊铺机的前面和后面,在基准面和摊铺面上滑行。前后平衡梁的结构一致,如图2所示。单片平衡梁主要由4个部分组成:前着地部分,后着地部分,前后的联接横梁和牵引横架,前3个部分中各结点均采用可任意旋转的轴联接。一般前着地部分由8组滑靴组成,浮动梁通过弹簧支承在滑靴上,可上下浮动。
由于平衡梁的滤波作用,系统调平的基准实际是较大范围基准面平整度的一个平均值,这就能够避免许多局部区域较小的随机不平度对调平系统的影响;同时在遇到整体较大的不平度时可以得到平滑过渡,从而减少基准面对铺层的平整度传递,得到良好的铺层平整度。因此,平衡梁调平系统多用于高等级公路中上面层的摊铺中。
4 激光调平系统
激光调平系统是利用激光扫描器采集一定长度范围内基准面的高低变化,经过过滤、平均,获得采集范围内基准面平均高度作为调平系统的虚拟基准[3]。激光调平系统由数字控制器和激光探测元件构成。数字控制器的安装位置可以根据摊铺机操作手习惯选择。激光探测元件是激光扫描器,它既是激光发射器,也是激光接收器,其安装位置灵活,在高等级路面施工中一般安装在熨平板大臂上,位于螺旋分料器的前方。它可以发射一组多达150束密集激光束构成一个激光扫描面,相邻的光束之间相隔1°,形成150个探点;另外,该系统允许用户根据需要设定扫描长度,设定范围为1—18 m。
该系统的工作原理如图3所示,激光扫描器发射激光束A,在基准面上反射,反射激光束B由扫描器接收,系统根据反射与发射的时间差以及激光束的倾斜角度计算反射点与激光扫描器的垂直距,即
yi=vt2cosθi式中,v为激光传播速度;t为反射与发射时间差;θi为激光束与铅垂线之间的夹角。
由于激光在空气介质中的传播速度恒定不变,只要保证时间差的测量精度即可保证垂直距离的计算精度。每条激光束相当于1个测距传感器,激光扫描器发射的激光束之间相隔1°,所以,实际扫描面是由多条密集激光束组成的一个扇形扫描面,其下边长度构成对基准面的扫描长度如图4所示,由扫描所得高度的平均值形成一个在扫描面内的虚拟调平基准,数字控制器根据熨平板相对于虚拟基准的变化来调整熨平板的升降,从而改变摊铺厚度,保证铺层平整度。
激光调平系统最突出的特点是采用激光作为探测距离的介质,由干激光在空气中传播速度恒定不变,不需要对介质的传播速度进行定值检测校正,所以该系统测距精确,计算过程简单,易于保证计算精度,从而使获得的虚拟基准更加准确,且受环境因素的影响较小[4]。另外,激光扫描器可以发射密集的激光束对基准面进行大范围的扫描,并且扫描过程是随摊铺机作业连续进行的,使数字控制系统对基准面的变化具有更早的预知性和更平缓、更稳定的过滤作用,进而获得良好的铺层平整度。
再者,由于扫描长度可调,施工时可以根据现场情况设定扫描长度。例如,在平直路段上采用较长的扫描长度可以在更大范围内扫描探测、采集基准面高程数据,并获得更好的长距离平均效果和路面平整度,这样不仅可以保证铺层的连续、光整,而且可以很好地跟踪基准面的纵坡和弯道自然变化,形成流畅变化的路面;在横向弯道或纵向坡道上施工时,可以根据弯道和坡道的缓急程度采用相应较短的扫描长度,这样可以准确地跟踪横向超高或纵向高程的连续变化,从而获得连续平整的弯道、坡通、匝道等。
由于系统是通过激光进行扫描,在能见度很低的情况下会严重影响激光的传输,而影响系统的调平效果;另外,系统对摊铺现场管理要求较高,如果在扫描范围内出现过多的杂物或人员流动,这也会影响到激光的传输而使系统工作不稳定,影响调平精度。
5 结 论
a.各种调平系统的控制过程都是由探测元件对基准线或基准面进行探测而得出熨平板牵引点相对于基准线或基准面位置的偏差,控制器将这一偏差与用户的设定值进行比较。若偏差小于设定值,则系统不作任何调整;若偏差大于设定值,控制器将根据偏差的大小对熨平板进行相应的调整,直至偏差小于设定值。
b.挂线调平系统采用的绝对基准,可以很好的弥补铺层的高程误差,常用于基层和下面层的摊铺。
c.平衡梁调平系统由于平衡梁的滤波作用,小的不平度可以滤除,大的不平度可以得到平顺的过渡。但是由于结构较大,易在铺层上产生划痕,且在弯道、桥台处使用困难。
d.激光调平系统由于采用激光在较大范围内测距,使得用于调平的虚拟基准精确高,且受环境因素影响较少,使用方便,适用范围广。但在实际过程中,应避免在扫描范围内出现过多的杂物和人员流动。
