学习资料-水稳施工机械组合 水泥稳定碎石
施工机械设备优化组合方法
摘 要:
机械设备的选型和匹配是优化机械设备合理组合、实现机械化高效施工的关键。研究了水泥稳定碎石基层施工机械的选型原则和配置要求 ，并通过工程实例研究了机械设备的选型与匹配 ，总结了适合水泥稳定碎石基层施工的施工机械设备匹配方法 ，得出了施工设备配置数量。
关键词: 水泥稳定碎石; 机械化施工； 设备选型; 匹配
在公路水泥稳定碎石基层施工中 ，主要使用装载机、稳定土拌和设备、自卸卡车、摊铺机和压路机等机械 ，它们是完成各项工程的主要工具 ,是确保工程质量和安全生产、加快工程进度、改善劳动条件、降低工程成本的重要技术装备。公路基层施工机械的选用受作业内容、土质条件、运输距离、气候环境等各个方面的影响和制约 ，施工机械设备的选型与配置是否合理 ,对于提高设备利用率 ，完成施工任务、提高经济效益起着至关重要的作用［1 ]
.因此 ,随着公路施工机械化的发展 ，科学的优化、组合好施工机械显得越来越重要 ,对施
工设备进行设备选型匹配分析和研究也更有现实意义.
1 施工机械设备选型原则
选择施工机械的目的在于挑选技术上先进、经济上合理和使用上安全可靠的最好装备 ,以形成专业的或综合的机械化施工队伍 ,保证工程任务的完成.合理选择施工机械设备的依据是:工程量、施工进度计划、施工条件、现有机械的技术状况和新机械的供应情况等。选择施工机械时应注意遵循下列原则[2 ]:
1)一般原则 (1）机械应适应工作的性质 ,适合施工对象的特点、规模、场地大小和运输远近等施工条件 ,能充分发挥机械的效率。所选机械的生产能力 ,应满足施工强度的要求 ,施工质量应满足设计的要求。(2)机械在技术上应是先进的 ，能满足施工的要求。(3）机械的购置和运转费用要少 ,能源消耗要低 ，并通过技术经济比较优选出生产率高、单位产品费用低的机械.(4）选择机械时 ,应在容易获得的一般通用机械与专用机械之间进行比较.(5)同类机械大型与小型的选择。当工程量很大施工强度高 ，施工条件又适合用大
型机械时 ,宜选用大型机械.
2）机械组合的原则 (1)尽量减少机械的组合数 ，机械的组合数越多 ,作业效率越低。(2)在整个作业线上使用组合机械作业时 ，应对组合的各种机械能力进行平衡。（3)在组织机械化施工时 ,要注意分成几个系列的机械组合 ,同时并列进行施工 ，这样可以减少当组合中某一台机械发生故障时 ,造成全面停工的现象。（4)在组合机械时 ,力求选用的机型统一 ，以便于维修和管理.
2 机械设备配置要求
2. 1 稳定土拌和设备配置要求
拌制水稳碎石的稳定土拌和设备应采用计算机监控、电子计量 ，能实时监控各配料系统的瞬时流量 ,最好带有打印机 ，以打印各台班的生产记录 ，整机控制系统应采用继电控制与微机控制相结合的整机控制系统。其主要系统建议配置如下:
1）集料供给系统配备不少于 4 个集料仓 ,料仓上部应设有剔除超限料的格网 ，格网最好倾斜放置 ,以利于超限料滚落；细集料仓应配备振动破拱装置 ，防止细集料起拱;用于粉煤灰的集料仓不能采用振动破拱 ，宜采用机械式的破拱装置;集料的供给应采用变频电机调速的电子计量式的皮带秤 ，计量应准确、平稳;集料仓应设有可调高度的斗门 ，并应设有与监控系统相连的料位传感装置 ，并有缺料报警功能；各集料仓之间应有隔板分隔 ，防止不同规格的集料混仓.
2）水泥储存、供给系统配备容量不少于 50 t 的水泥罐 2 个 ,罐体底部应设有水泥破拱装置 ,可以采用低压空气破拱 ,但不宜采用振动破拱;应设有容量为 2 t 左右的水泥缓冲仓 ，缓冲仓内应设置水泥均料装置和联机的料位传感系统 ，以保证水泥的供料均匀、稳定；水泥计量宜采用变频调速螺旋加电子计量螺旋秤的组合方式 ,不宜采用叶轮给料器给料。
3)水、添加剂供给系统 水的供给严禁采用手动阀门控制流量的方式 ，建议配备容量足够大的水箱 ,采用电动执行机构控制的涡轮流量计 ，与计算机相连的监控设备要能实时显示水的瞬时流量及累计流量 ,并能采用电子调节.
4)拌和系统 搅拌锅宜水平放置 ,要有足够的叶片数量 ,合理的安装角度和足够长度 ，以利于混合料拌和均匀 ,建议有效长宽比应大于 2 ；经常检查搅拌锅叶片的磨损情况 ，磨损严重的及时更换。
5)混合料的输送系统 输送皮带角度要合适 ,驱动滚筒线速度不宜太大 ,防止混合料抛料离析 ，必要时在驱动滚筒头部装备防止抛料装置。混合料的储存系统应备有混合料储料仓用以暂时储存混合料。
2。 2 运输车辆配置要求
运输车应具备足够的载运量，宜大于 30 t ,保证摊铺作业保持均匀、连续；车厢应备有塑料布或帆布等覆盖混合料以防运输过程中水分蒸发；运输车从拌和机出料斗装料时 ，应多次前后移位 ,采取分次装料的方式 ,使混合料均匀装满车厢 ，降低混合料离析程度。
2. 3 摊铺设备配置要求
水泥稳定碎石基层施工应使用性能优良的沥青混凝土或稳定土摊铺机进行摊铺.每个作业面应配备 2台以上摊铺机实现梯队联合作业。摊铺机应具有自动或半自动方式调节摊铺厚度及找平的装置。摊铺机应具有足够容量的受料斗 ,在运料车换车时能连续摊铺 ,并有足够的功率推动运料车。摊铺机应具有振动熨平板或振动夯等初步压实装置。摊铺机宽度可以调节 ,螺旋布料器长度也能调整.
2. 4 压实设备配置要求
应选择合理的压路机组合方式及碾压步骤配备压路机。为达到最佳压实效果 ,应采用振动压路机。宜配备12 t 左右的振动压路机完成初压 ,18 t 的振动压路机完成复压和终压。条件允许的情况下 ，建议采用双钢轮双振双驱的振动压路机进行基层的压实作业。手扶式小型振动压路机或平板夯、冲击夯 ,用于边角处的碾压。
3 机械设备选型和匹配数量确定
3。 1 稳定土拌和设备的选型和数量确定
稳定土拌和设备的选型根据工程量、工期、施工进度确定的日施工进度来选择拌和设备的产量 ,同时要考虑与摊铺机作业能力相匹配 ，要求具有独立的调速调频的冷料供给系统 ，应节能 ，符合环保要求 ，对级配计量准确 ，搅拌均匀 ,并能手动和自动控制 ，各部分工作安全可靠。
拌和设备选型的主要依据 ———额定生产率
Q 的表达式为 Q = KQ1 （1)
式中, Q 为拌和设备的额定生产率， t / h ; K为搅拌设备的贮备系数，取 1. 1 ; Q1 为拌和设备实际生产率， t / h。
Q1 =L ×b ×h × ρ 湿
TQ1 =—-—---——-—-—----——-———-—— (2）
T
式中,ρ 湿 为稳定土的湿密度， t / m3
，ρ 湿 =ρ 干 ×（1 +ω） ，其中,ρ 干 为稳定土的干密度， t / m3
;ω为含水量； L 为
日摊铺长度,m; b为摊铺幅宽度,m; h 为摊铺压实后的厚度,m； T 为日拌和时间, h。
例 湖北十漫高速某基层试验段为水泥稳定碎石，击实干密度ρ 干 = 2。 45 t / m3
；含水量ω= 4。 8 ％;单幅作业宽度 b = 11. 81 m；每层厚度 h = 0. 18 m;根据施工进度要求,日摊铺长度 L = 1 200 m，按照每天拌和10h计算得: Q1 = 665。 5 t / h ， Q = 732. 1 t / h.施工单位现有 2 台拌和站,均为福建南安 MWCB500 型和MWCB400 型 ,产量分别为 500 t / h和 400 t / h ,总和产量大于拌和生产率的需求 ,但要考虑拌和均匀性及设备的贮备系数 ,将拌和站产量均设定为350 t / h ,计算额定生产率为384 t / h ,取 Q = 400 t / h ，这样2 台拌和设备除满足施工的要求外 ,也可以使 2 台拌和设备拌出的稳定土混合料的拌和均匀性得到改善 ，防止混合料产
生离析.
3. 2 装载机的选型与数量
装载机的选型主要考虑其工作效率、使用性能、铲斗容积和铲斗宽度 ，其中 ，铲斗宽度不能大于拌和设备冷料仓的宽度 ，否则 ,装载机上料会造成冷料窜仓 ,影响冷料级配发生变异。装载机的数量可由式（3)计算。
n = Qtm (3)
3 600η1ρEkw
式中 ， n 为装载机数量 ,台; Q 取 400 t / h ; tm 为作业循环时间 ，取 60 s ; E 为铲斗容积 ,5 m3； kw 为铲斗满铲系数 ,取 0。 7 ；ρ为碎石平均松装系数 ，1。 4 t / m3；η1 为小时工作时间利用率 ,取 0。 8。代入数据取整得 n = 2。因此每台拌和站必须配备 2 台装载机。共需装载机 4 台.
3。 3 摊铺机的选型和数量确定
根据摊铺机参数的选择要求和保证基层摊铺的质量 ,考虑施工工艺的要求 ,一般摊铺宽度小于 8 m 时 ，可采用一台摊铺机单台作业 ,当路幅宽度大于 8 m时应采用二台摊铺机梯队作业。根据 3。 1 中实例的计算和分析 ,单幅作业宽度 b = 12 m ,应选择 2 台 WTU75 采用梯形的摊铺方式 ,考虑摊铺的机械效率 ，作业质量 ，车辆与拌和设备生产能力的衔接等因素 ,摊铺的速度选择应先确定出每小时所需摊铺的稳定土基层材料的重量。由实例的计算可知每小时需摊铺稳定土基层材料的重量为 665。 5 t ，而 WTU75 摊铺机的额定生产率不大于 600 t / h ,因此摊铺速度的选择 ,要使拌和设备每小时的产量 Q1 大于摊铺机每小时的摊铺量 ,这样才能保证摊铺机的连续工作。
每小时需要摊铺的稳定土的质量为 W =ρ 湿 L bh (4）
根据摊铺速度 ，则每小时摊铺的长度为 L = 60 vη2 （5)
式中 , v 为摊铺速度 ，m/ min ;η2 为摊铺机效率系数 ,取 0。 8。经计算 ，摊铺速度 v = 2. 499 m/ min ，取 v = 2. 5 m/ min ，此速度正好满足摊铺机正常摊铺速度要求 ，说明摊铺机与拌和设备选型及匹配比较合理。
3. 4 自卸汽车选型与数量
拌和设备拌出的混合料应及时运往工地，开工前应查明施工位置、施工条件、摊铺能力、运输路线、运距和运输时间以及所需混合料的种类和数量.配备足够的运输车辆 ,可避免由运输的问题造成拌和设备和摊铺机时开时停 ，影响混合料的拌制和摊铺质量及造成材料浪费。
由 3。 1 节实例 ，若在施工中选用自卸汽车 ,其参数如下:载重 w = 35 t ；汽车的平均行驶速度为 v车 = 30km/ h ;试验段离拌和站很近 ，距离在 2 km左右 ,取汽车的运距为 S = 3 km ；汽车的卸料时间为
T1 (6）
= 2 wη3
v ×b ×h × ρ 湿
式中 ， T1 为卸料时间 ,min ；η3 为载重系数 ，取 0。 9 ；其他参数同前.
装料时间为 T2 = 60 w (7）
Q1
则一辆汽车的循环周期为 T4 = T1 + T2 + T3 + 2 S （8)
v车
式中 , T4 为每辆汽车的循环周期 ,min ； v车 为行驶速度 ， km/ h ; T3 为停车、
倒车、等待等时间 ,这里取 15min。
需要运输车辆的数量为 （9）
N = Q1 T4
60 wη4
式中 ， n4 为汽车利用系数 ,取 0。 88。
因此 ，将已知数据代表式(6） -式(9） ,计算取整得 N = 8。即每台拌和站需要自卸汽车的数量要大于 8辆即可满足要求。
3。 5 压路机的选型和数量
水稳碎石半刚性基层施工时,压路机的选型依据有：工程材料的类别和含水量、工程压实的内容与机械化程度、压实厚度与匹配设备、压实机械的适应性、工程质量要求、工程进度要求、压路机的牵引条件、施工场地的气候条件、压实工艺的需要、可维修性能好和技术支持条件等［3 ,4 ]。
压实是水泥稳定土碎石路面施工的最后一道工序 ,搅拌、摊铺的成果最终通过碾压体现 ,当采用了优质的材料 ,精良的搅拌设备和摊铺设备后 ,如果碾压中出现问题 ，将前功尽弃.研究表明 ,压路机碾压基层的遍数一般为 6 -8 遍 ，振动压路机的压实厚度比静压作用压路机的压实深度要大 ,基层压实应首选振动压路机为主 ,稳压双钢轮和胶轮压路机为辅 ，根据压路机不同吨位对应的压实厚度来选择压路机的机型吨位。水泥稳定土碎石的碾压要在其摊铺后 2 —4 h 内完成 ，否则就会出现水泥凝固 ,压实不足 ,压实度不够就会出
现基层软簧、增加路面的渗透性 ,易出现车辙等早期路面破坏现象。因此 ，压路机的台数 ，由摊铺机的作业速度和
压路机的压实面积生产率进行确定比较合理 ,计算见式（10） 。
NA = 60η2 vbn
CB v压 ×103 (10）
式中 , NA 为需要的压路机台数； n 为要求的碾压遍数 ,一个全幅往返碾压为 1 遍 , n 取
8 ; v压 为 压 实 速 度 , 一 般 平 均 速 度 为2。 5 km/ h ； B 为压路机的有效作业宽度 ,平均取1。 5 m; C 为压路机效率因素 ,一般取0。 75 ；其他参数同前。因此 ,经计算取整 NA = 4 ，即配套 4 台压路机可以满足生产需要。根据上面对压路机选型和台数的计算分析和研究及施工单位具体情况 ,选用的压路机为:徐工DD130 双钢轮压路机 1 台 ，用于水泥稳定土碎石的初压（静压)和表面收光； 英格索兰 SD175 振动压路机2 台 ,用于复压；徐工 XP261 胶轮压路机 ,用于表面柔搓压实。按照施工工艺进行碾压 ,碾压后的压实度可以达到设计的要求。
表 1 基层施工选用的设备配套数量与型号
设备类型 型号 单位 数量 备注
拌和站 MWCB500 台 1 产量调整为 350 t/ h
MWCB400 台 1 产量调整为 350 t/ h
运输设备 自卸汽车 辆 16
摊铺机 WTU75 台 2
装载机 ZL50 台 4
压实设备
DD130 台 1
SD175 台 2
XP261 台 1
3。 6 选定的机械设备型号、配置数量与验证
根据上述研究分析 ,水泥稳定碎石基层机械化施工选用的设备配套数量与型号见表 1 ,此机械设备选型和匹配经过湖北十堰 ———漫川关高速公路某路面标铺筑水泥稳定碎石基层试验段验证 ，结果表明选型和匹配比较合理 ,能充分发挥各机型和设备的总体效能 ,节约成本 ，提高施工质量。范围为 ± 0。 3 % ，路面平整度较好（见表 4) 。
表 3 工况 1 横坡偏差统计特征值
平均值/ ％ 标准差/ % 变化范围/％ 备注
0. 01 0. 19 ±0。 4 变化范围为 95 %置信度下的计算值
表 4 工况 2 横坡偏差统计特征值
平均值/ ％ 标准差/ % 变化范围/ ％ 备注
0。 21 0。 15 ±0。 3 变化范围为 95 ％置信度下的计算值
4 结 论
a. 进行横坡变坡摊铺时 ,摊铺机调平基准采用两端挂线的方法相当于斜坡激励 ,由于输出响应与输入
激励之间存在滞后 ,要求在变坡点之前输入激励 ,提前量为 4 KL 。
b. 摊铺机调平传感器的安装位置决定了控制系统的响应速度和路面平整度 ,安装过分靠近后沿虽然变坡过渡过程较短但横坡变动较大路面平整度变差 ,安装过分靠近牵引点虽然横坡变动较大路面平整度较好，但变坡过渡过程较长跟随特性边差 ,因此 K值取 1/ 3 比较合适。
c. 以上 2 个实验表明摊铺机调平基准采用挂线方式时 ,尽管采用了许多修正措施 ，最大限度的改善了机械弯道摊铺性能 ,但摊铺横坡度和平整度仍不理想。
参考文献
［ 1 ］ 弗雷迪L.·罗伯茨 热沥青混合料材料，混合料的设计与施工
Maryland :NAPA Eduction Foundation , 1996。
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[3 ] 孙祖望 ,刘洪海. 沥青路面平整度传递规律及其试验研究(1） ［J ］ .
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筑路机械与施工机械化 ，1999 ， (2） ：11216.
[5 ］ 孙祖望 ,刘洪海。 沥青路面平整度传递规律及其试验研究（3) ［J ］ 。
筑路机械与施工机械化 ，1999 , （3） :11213.
4 结 论
a。 设备的匹配原则根据施工任务、施工特点、施工的材料特征、施工工艺要求和施工质量指标而确定 ，在此基础上发挥最大的作业效能。为此应首先选定施工机械中的主体机械 ，然后按需要与之配套相关机械
及辅助设备 ，使之配套 ,提高机械化水平 ，形成流水作业的连续高效机械化施工组合.
b. 在配置拌和设备时 ，除考虑配置先进的性能要求外 ,应充分考虑并满足拌和不同材料的特性要求 ,对工程中难以拌和的材料要有针对性的考虑设备余量 ,满足混合料的质量要求.
c。 确定设备的最少台数时 ，应考虑施工艺的要求 ，一般摊铺宽度小于 8 m时 ，可采用 1 台摊铺机单台作业 ,当路幅宽度大于 8 m时应采用 2 台摊铺机梯队作业;对于压路机的最小数量一般不少于 4 台。
d. 在水泥稳定土碎石基层的施工中 ，拌和设备 ,装载机 ,摊铺设备 ，运输车 ,碾压设备的性能和协调工作能力直接影响施工质量 ,各机种之间既相互联系又相互制约 ,只有正确的选择各机型的工作参数 ,并保证机型之间有合理的匹配关系 ,才能充分发挥各机型的总体效能 ，从而获得较高的技术经济指标和较高的施工质量。
参考文献
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[4 ］ 尹 冉. 水泥稳定碎石半刚性基层施工与质量控制技术研究[D］ 。
西安：长安大学 ,2007。
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