一种针对半刚性基层的水力处治车设计
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[摘 要]随着交通运输行业的迅猛发展，我国公路通车总里程已位居世界首位。半刚性基层沥青路面是我国最基本的、应用范围最广的一种路面结构方式，其为在半刚性基层上加铺沥青面层而成，具有成熟的、系统性的设计和施工工艺。半刚性基层和沥青面层间的层间处治是沥青道路修建的重要环节，处治方法和设备的优劣直接影响道路的质量和寿命。本文介绍了一种新型的处治设备，通过对半刚性基层喷洒高压的水气二流体，使基层表面形成微观不平整，进而在基层和面层间形成抗剪能力较好的榫卯结构，提高道路的整体质量。该水力处治车有着可调节的洒布装置，使水力处治车的通用性得到了一定的提高。
[关键词]半刚性基层；层间处治；水力处治；洒布装置
中图分类号：C912 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0038-02
1.前言
近年来，我国交通行业发展迅猛。2016年年末，我国公路通车总里程已达到469.63万公里，位列世界第一位。半刚性基层沥青路面因具有强度高、平整度好和抗疲劳性能强等诸多优良性能，已成为我国高等级公路的主要路面结构形式。但随着运输行业的快速发展，交通量较以前大为增加，超载超限现象更是屡见不鲜，导致很大一部分道路出现不同程度的路面滑移病害，主要破坏形式包括：横向滑移、纵向滑移、拥包和波浪等。分析滑移病害的原因，发现主要是半刚性基层和沥青面层之间的接触面较为平滑，摩擦系数较低，界面强度不够。在现有施工工艺中，为了增强基面层的粘结，相关规范规定在热拌沥青混合料面层摊铺之前，必须在基层表面喷洒一定量的透层油。此方法能在一定程度上改善基面层之间的粘结，但是并不能从根本上解决基面层之间粘结不佳的问题。因此本文针对以上情况提出一种针对半刚性层间处治的水力处治车设计。
2.总体方案设计
该水力处治车的目的主要是对刚铺筑好的半刚性基层表面进行水气二流体喷洒，清除掉表面的砂浆，裸露出骨料的上部，使基层表面形成微观不平整，有利于面层和基层在结合处形成卯榫结构，增强层间粘结。基于上述工作情况分析，水力处治车应集行走、转向、水气二流体喷洒等多功能为一体。由水力处治车作业原理可得整车总体结构主要由底盘、动力及传动装置、二流体产生装置和洒布装置组成。该车总体机构图如下。
一种针对半刚性基层的水力处治车的底盘由专用二类进行改装。动力及传动装置由底盘自带的柴油机、取力器、发电机、水泵、空气压缩机和控制电路所组成。洒布装置安装于底盘的尾端，由提升装置控制升降，便于转场和工作。
其工作原理是水力处治车开始工作时，取力器工作，带动发电机工作。提升装置控制洒布装置下降到一定高度，空气压缩机和水泵同时工作，一方给水气二流体喷嘴提供高压气体，另一方给水气二流体喷嘴提供高压水流，经在水气二流体喷嘴内混合后喷出到半刚性基层表面，清除掉基层表面骨料上部所覆盖的砂浆，使半刚性基层表面形成微观不平整。由于水气二流体喷嘴轴线与载车行驶方向存在一定角度，喷出的水流同时对清除掉的砂浆有推送作用，从而也实现了自清洁。水力处治原理图如下。
3.二流体喷嘴改进设计
该水力处治车针对半刚性基层进行水力处治，由于半刚性基层表面存在一定的强度，所以二流体喷嘴采用压力式二流体内混式喷嘴。然而，普通的二流体喷嘴在其加工过程中难免会发生类似于同心度以及准直度等方面的误差，这些都会导致二流体喷嘴产生偏斜的喷射流体、喷射射流不稳定或者不均匀的状况。并且对二流体喷嘴来说，如果不设计导流的装置，会导致喷头前端产生紊流现象，更有甚者会发生回冲现象。本设计针对上述缺点，对二流体喷嘴做了一些改进：
（1）在气体导流管体部分，设置一个锥形的导流管道，二者之间的间隙为上面宽、下面窄。这样可以使得水流入时，首先进入较宽的間隙，然后再进入较窄的间隙，加快水流速度，并朝着锥形管道的方向流动。
（2）在水气混流管体的混合内管的管壁上刻设许多道膛线，并且将膛线呈螺旋状延伸。这样可以使得水气二流体能够顺着膛线慢速回转，并均匀传至喷头部分。
（3）在喷头部分，将喷头内管一端设计成一个收合弧形，并与混流内管相连通，这样可以防止水气二流体的紊流回冲至液体管路。
4.洒布装置设计
4.1多重洒布设计
水气二流体经喷嘴喷洒时，由于喷洒压力的不同会形成不同的扇面，即当喷嘴形式和喷洒的介质确定后，喷洒出的扇面角度只与喷洒压力有关，压力不同，形成的扇面角度不同。喷嘴处的压力即为喷洒压力，当喷嘴型号确定时，喷洒角度会随着喷洒压力的增大而逐渐增大，经过喷嘴的流量也会随着喷洒压力的增大而增大。
由于圆形喷嘴喷洒出的水气混合物呈圆锥状，相邻两喷嘴喷洒出的圆锥状幕帘会在空中发生干涉，造成洒布的横向不均匀；而扇形喷嘴喷洒出的呈梭状，为了保证喷洒的均匀性，我们需要相邻的喷嘴的喷流要有一定的重叠度，如两重叠或三重叠，同时为了避免相邻两喷嘴间的喷流在重叠时发生干涉，需将喷嘴旋转一定角度（喷嘴安装角β，就是喷嘴喷流扇面轴线与喷洒杆轴线的夹角，一般取20-30°）。
对常用洒布系统多重洒布进行分析，以及根据水力处治车的实际情况，可以得出喷洒杆（喷嘴）高度H，喷嘴安装角度β，喷洒喷流角度α，以及喷嘴安装时与水平线的夹角γ的关系如下式：
通过对式（4.1）进行分析，要求洒布杆（喷嘴）高度H能够按照两重叠或三重叠的高度进行洒布。水力处治车在进行作业时，应该尽量保证两个升降气缸同步升降，尽可能的消除洒布杆两侧的阻力差别，保证洒布的均匀性。
4.2 处治洒布量的分析
根据洒布精度的影响因素来看，影响半刚性基层表面水里处治车纵向处治精度的因素主要有水泵的转速以及水力处治车的行进车速，智能化的洒布系统一般都会引进计算机控制装置，来对泵进行调整。而对于水力处治车来说，就需要对水泵的转速来进行一下控制。 而对于影响水力处治车横向洒布精度的因素来说，这些因素一般在车辆作业的过程中不能进行实时的控制，还有可能使原来满足的水力处治车纵向洒布精度出现新的偏差。现阶段对喷嘴的合理布置以及合理地设定作业参数是提高横向洒布精度的主要措施。
4.3喷嘴间距及数量的选择计算
当洒布宽度相同时，喷嘴总数量会随着喷嘴间距的增大而减小，同时，为了满足处治均匀性的要求，喷嘴的离地高度也会随着喷嘴间距的增大而相应的增大。然而，当喷嘴离地高度增加时，会因为空气流动更加剧烈而致使喷射出的扇面变形，影响喷雾质量。对于所有的喷嘴来说，均匀性最好的位置就是喷嘴口的附近，所以为了保证均匀性满足要求，需要设置好喷嘴的间距。
洒布车中喷嘴常用的间距常用100-150mm，德国WIRTGEN公司生产的洒布机洒布系统的喷嘴间距为500mm，而国内各主要厂家生产的沥青洒布车多用125mm间距。沥青洒布车或同步碎石封层车对洒布系统的洒布质量及洒布精度要求很严，对均匀度要求也很严，并且有严格的三重叠洒布要求。一般选择的间距要小于等于150mm。根据水力处治车工作装置的方案要求，处治的宽度為两米，确定喷嘴的数量为16个。
洒布装置结构如下图。
5结束语
该水力处治车主要针对于半刚性基层沥青路面，能改善基层和面层之间的结合关系，增强道路的抗剪切能力，提高道路质量和使用寿命。本文提出的一种针对半刚性基层的水力处治车，着重对水气二流体产生装置和洒布装置进行了改进设计，使该水力处治车采用水气二流体组合和多重洒布方案，可以保证在处治过程中实现有效处治，并且处治掉的表层砂浆会因为二流体的推动而达到自清洁的效果。该水力处治车应用于当半刚性基层处于较早的养生期，未加铺沥青面层时，此时该水力处治车通过喷洒高压水气二流体，改变半刚性基层表面结构，使基层和面层能在后期实现卯榫结构。水力处治为一种柔性处治，在处治过程中，不会对半刚性基层整体产生冲击，只是在半刚性基层表面处治成微观不平整，最终与沥青面层在结合面形成卯榫结构，增强基层与面层的层间结合力，提高道路质量和使用寿命。
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