高原地区沥青混凝土路面施工机械使用性能及机群配置研究

2016-08-09赵强华

大科技 2016年12期

关键词：机群海拔高度高原地区

赵强华

（青海省海东公路工程建设公司青海海东 810600）

高原地区沥青混凝土路面施工机械使用性能及机群配置研究

赵强华

（青海省海东公路工程建设公司青海海东 810600）

高原地区的恶劣气候环境严重影响着沥青混凝土路面的施工，高原地区公路的施工机械大多以柴油机为主要动力，气候环境的变化势必会影响机械设备的应用效益，单机生产率与中部地区相比有所下降，为了合理控制施工成本，必须结合具体施工环境优化施工机群配置。本文结合高原地区沥青混凝土路面施工，分析了施工机械的使用性能，提出了机群配置方案。

高原地区；公路施工；机械配置

西部高原地区高标准的公路建设逐步推进，其中应用了大量的机械化设备，大部分设备都是应用柴油机为主要动力设备，机械的生产效率标定来源于标准环境，但是在实际施工过程中，环境条件复杂，工况波动较多，施工作业环境严重影响着施工设备的应用效益。内燃机在运行的过程中，气候条件的变化导致发动机进气量、燃烧效益、热损耗和输出功率等发生较大的波动，机械负荷也与中部地区有很大的不同，因此必须在充分了解西部地区公路施工环境的同时，做好设备的选型工作，合理优化机群配置，提高工程施工质量[1]。

1 高原地区环境对机械设备性能的影响

1.1 影响设备的动力系统

柴油机气缸内的充其量会因为环境的变化而逐渐减少，过量空气系数下降，混合气体的浓度变高，对燃烧状况产生影响，出现严重的后燃问题，整机动力性能和经济性能下降，热负荷也会相应增加。冷却水沸点降低，影响设备的散热性能。温度下降导致机油的粘度增加，设备启动力矩加大，设备内部电池的容量会增加，同时设备的磨损问题严重，寿命降低，进气量和冷却风不足，导致设备功率下降，热负荷增加。

1.2 影响整机匹配和整体性能

以装载机为例，海拔高度的变化导致发动机外特性出现变化。整机动力输入的转矩和转速会比设计值低，转矩的下降导致机械动力不足，转速的下降导致作业效率降低，使设备的匹配性能降低，设备在工作过程中变矩器持续不足，整体机械的动力性和生产率下降。另外，液力传动型设备无法发挥最大动力性能，传动效率不足，一部分公路损耗转换为热量，作业油温升高，发动机的启动性能也会受到影响。

2 高原地区施工机械使用性能分析

2.1 装载机

装载机被广泛应用于沥青混凝土公路施工过程中，主要实现砂石散状材料的铲、装、卸、运。在路基工程填料和沥青混凝土材料的装卸中也有应用。高原环境会影响到装载机的油耗、发动机功率和生产效率。以装载机的生产率分析为例。在李颖混凝土路面施工过程中，装载机为沥青混凝土搅拌设备上料，针对轮胎式装载机而言，在为搅拌设备上料的过程中应用下式计算生产率。

式中：Q表示装载机的生产率，单位m3/h；q0表示铲斗的容量，单位m3；K表示铲斗系数，取为0.8；η表示作业效率，实际值为0.6～0.8；Tm表示循环时间，单位s。随着海拔高度的变化，装载机的生产率和油耗将会出现相应的变化，如表1所示。

表1 装载机生产率和油耗率在不同海拔高度下的表现

2.2 压路机

将压路机应用于压实作业中需要克服较大的滚动阻力，因为摊铺层的材料较为松软，在振动压实的过程中需要低速行驶。压路机转移作业时需要高速行驶，遇到陡坡路段可以减速增大牵引力。

压路机借助滚轮与地面之间的相互作用实现滚动压实，运行过程中的牵引力与形式阻力相等，发动机的输出功率等于消耗的功率。借助这个关系可以充分发挥出压路机的应用效益，选定合理的发动机额定功率[2]。

针对振动型压路机而言，在应用的同时需要重点考虑振动参数，其中以振幅、频率、振动加速度等，在计算振动功率的过程中，需要真够考虑这些振动参数，并且及时参考实际工况。由于振动参数影响整机性能，所以压路机在压实砂土、回填土和沥青混合料的过程中，振动轮需要对工作频率和振幅进行控制，不同的工作环境中振动参数和总体参数也有所不同。

2.3 沥青混凝土摊铺机和搅拌机

沥青混凝土摊铺机是高原公路施工过程中的专用机械，在使用中将拌和好的沥青混合料按照一定工艺指标摊铺在公路的基层上，形成整体混凝土面层。高原环境主要影响混凝土摊铺机的摊铺速度的和油耗率。

沥青混凝土搅拌机是施工中的关键设备，在安排施工标段的同时可以为施工进度进度安排和机群配置提供依据，混凝土搅拌机的生产率会直接影响到路面施工进度。随着海拔的增加，环境温度会逐渐降低，沥青混凝土搅拌设备的运行状况与标准环境下的运行状况不同，生产率也会受到影响，海拔高度增加，生产率降低，为了完善施工现场的组织管理，需要确定出高原工况下搅拌设备的生产率。

3 高原地区混凝土路面施工机群配置

3.1 机群配置原理

在沥青混凝土机械设备中，海拔高度和环境温度是影响机群配置的重要因素。在海拔高度逐渐增加的同时，大气温度、压力和空气含氧量会按照一定的规律下降，不同机械设备的动力输出和实际生产能力也会下降。大气温度降低，为了保证系统工序更加紧凑和协调，需要满足施工过程中的温度条件。

实际生产中，影响机械生产效率的因素有很多，为了找出科学的机群配置方案，需要尽可能降低海拔高度和温度因素导致的设备动力下降、生产率下降，在高原地区，除了设备的运行速度之外，需要保证其它能力与中部地区相同。

因此，为了合理控制高原地带沥青混凝土路面施工机群配置，需要在机群配置模型和评价指标中重点考虑不同海拔高度下的生产率下降系数和工作折减系数等参数。在计算沥青混凝土施工费用的过程中，还要考虑每吨沥青混合料的机械费用和不同机械设备在固定海拔高度下的台班费用。在正视进行机群配置之前，需要对施工的基础数据进行计算，主要包括材料费用和施工设备台班费用[3]。

3.2 机群配置步骤

（1）结合基础数据的计算结果，先确定出运输车辆的数量，应用机群的作业模式计算出不停施工环节中的空闲概率、排队长度和台班费用，此外还包含每吨混合料的经济指标，计算出沥青混合料摊铺前的温度、初压温度和终压温度等指标。

（2）结合计算出的摊铺温度、初压温度和终压温度等对已有的标准进行科学的判断，如果不满足规范要求，找出具体环节中的问题，增加相应的机械数量，再次进行参数计算，指导摊铺文图、初压温度和终压温度满足施工要求。

（3）在改变运输车辆数量后，重新进行第一步和第二部的工作。

（4）在选定的方案中，计算出每吨沥青混合料机械费用后确定出最佳方案。

（5）改变机械设备的配置，重复第一步、第二步、第三步和第四步的工作，最终在最优方案中确定出每吨沥青混合料机械费用最低的方案。

3.3 机械设备选型的关键点

高原地区施工设备的选择，必须充分考虑到温度、地形等因素的影响，综合动力系统的选择、发动机的应用、散热器和液压系统的应用。

在动力系统选择方面，需要重视海拔高度和环境温度的影响，高原地区气压较低，空气的含氧量较低，柴油机的输出功率与平原地区相比会下降10%左右，同时油耗也会上升约6%，容易导致发动机磨损，燃油燃烧过程中冒出黑烟，污染环境，必须应用高原增压技术避免柴油机功率下降[4]。

在发动机选用过程中，需要应用减小油门的方法，提高设备的可靠性，如果发动机不能在30s内正常启动，必须立即停止启动，待1～2min后再次启动，发动机启动后不能立即加速，需要保证平稳加速，观察油压和水温正常后才能加大油门。

机械设备的液压系统会由于气压降低而出现一定的泄露问题，砂子会进入到液压油中，温度降低后直接影响油泵和液压阀的工作。在选择施工机械的过程中红中必须考虑液压系统能否适应高原恶劣环境。

在高原恶劣环境的影响下，橡胶部件也会出现老化，选择驾驶室的过程中要充分考虑到密封性、保温性和空气的交换性能。