近年來(lái)，隨著交通量的增加，大量水泥砼路面面臨著不同程度的修復(fù)，而水泥砼路面的修復(fù)需面對(duì)以下難題：1)水泥砼路面剛度和穩(wěn)定性較好，其修復(fù)是一項(xiàng)相當(dāng)困難的工程；2）水泥砼路面的修補(bǔ)工藝復(fù)雜、耗費(fèi)巨大，而且在修復(fù)中經(jīng)常要封閉公路，損害經(jīng)濟(jì)利益；3）水泥砼路面上如果直接加鋪瀝青砼層，在很大程度上會(huì)再次產(chǎn)生反射裂縫，加速路面的破壞，以至于公路的整體壽命縮短；4)水泥砼路面損害的發(fā)生時(shí)常是無(wú)預(yù)兆的。基于以上原因，中國(guó)開(kāi)始引進(jìn)國(guó)際上通常采用的碎石化技術(shù)進(jìn)行路面修復(fù)，大量的實(shí)驗(yàn)證明碎石化技術(shù)能很好地消除反射裂縫，延長(zhǎng)路面的壽命。
1、碎石化技術(shù)原理
    碎石化技術(shù)原理由兩方面組成：一是路面的破碎機(jī)理；另一方面是路面強(qiáng)度的形成。
    (1)水泥砼路面的彈性模量隨破碎后碎塊尺寸的縮小而變小，即隨結(jié)構(gòu)破壞程度的增大而減小；但通過(guò)對(duì)水泥砼路面進(jìn)行均勻破碎、壓實(shí)，在損失一部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體性的情況下，可把水泥砼路面在溫度、濕度變化和荷載作用下的差動(dòng)位移降低到最低程度，從而徹底消除反射裂縫在路面罩面層出現(xiàn)的可能性。但將水泥砼面層打碎后，其強(qiáng)度會(huì)隨著打碎后粒徑變小而大幅下降。研究表明，當(dāng)水泥砼路面破碎到3—40 cm時(shí)(粒徑，表面層不大于7.5cm，中間層不大于22.5 cm，底層不大于37.5 cm)，既可以有效緩解反射裂縫的出現(xiàn)，又能保證路基強(qiáng)度達(dá)到要求。
    (2)路面強(qiáng)度的形成，路面經(jīng)過(guò)碎石化處理后形成3層：表面細(xì)粒散層、碎石化層上部和碎石化層下部。表層經(jīng)過(guò)壓實(shí)后，顆粒被壓密，嵌擠形成薄層，再通過(guò)灑布透層油（或石屑嵌縫料），路面就會(huì)形成具有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的表層結(jié)構(gòu)。碎石化層上部強(qiáng)度主要來(lái)源于內(nèi)摩擦角和預(yù)壓應(yīng)力，其中粒徑越大，內(nèi)摩擦角越大；而預(yù)壓應(yīng)力來(lái)自板塊被破碎時(shí)砼所產(chǎn)生的側(cè)向體積膨脹，鹼顆粒的粒徑越小，膨脹趨勢(shì)越大，產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力也越大。碎石化層下部的強(qiáng)度主要來(lái)源于“聯(lián)鎖咬合”作用。實(shí)踐證明，當(dāng)碎石化層下部能達(dá)到“裂而不碎、契合良好、聯(lián)鎖咬合”的塊體結(jié)構(gòu)時(shí)，具有最好的拱效應(yīng)，能將豎向壓力變?yōu)樗�平推力，借以擴(kuò)散荷載；同時(shí)沒(méi)有豎向的貫穿裂紋（具有350N406的斜向裂紋），具有較好的嚙合度及更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而形成具有一定強(qiáng)度的路面。
2、多錘頭破碎機(jī)的工作裝置研究
    多錘頭破碎機(jī)(MHB，Multiple Head Breaker)如圖l所示，由動(dòng)力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、底盤(pán)、破碎工作裝置等組成。
    多錘頭破碎機(jī)是輪胎自行式設(shè)備，對(duì)舊水泥砼路面破碎的效率是較高的，每臺(tái)班約為2km×車(chē)道。MHB機(jī)破碎的舊水泥砼粒徑大小通過(guò)控制落錘的高度調(diào)節(jié)，一般可控制在7.5～40 cm，呈上細(xì)下粗形態(tài)。能滿足不同類(lèi)型砼路面的破碎，具備一次破碎3.96 m寬的能力，還裝備有帷幕防止破碎顆粒外飛，在開(kāi)放交通的情況下可以半幅施工。在施工安排緊密的情況下，破碎、碾壓、加鋪可以一次完成，最大限度地減少交通管制時(shí)間。
2.1多錘頭破碎機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)構(gòu)思
    多錘頭破碎機(jī)的工作裝置由工作錘頭架、工作油缸、錘頭等組成。而錘頭分為兩種形式：粗短形和細(xì)長(zhǎng)形，無(wú)論采用哪種錘頭形式，工作錘頭架都需要穩(wěn)固、簡(jiǎn)單，盡量使錘頭架各支撐桿的連接形成一個(gè)穩(wěn)固的整體。而工作油缸和錘頭設(shè)置在工作錘頭架內(nèi)，這樣工作油缸就能帶動(dòng)錘頭在工作錘頭架內(nèi)有限制地做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到最大的破碎力。下面的設(shè)計(jì)中采用粗短形的錘頭。
2.2多錘頭破碎機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)
    工作錘頭架包括水平設(shè)置的主支撐、橫支撐及豎向設(shè)置的豎支撐，主支撐、橫支撐、豎支撐之間固定連接，這樣整個(gè)錘架形成一個(gè)穩(wěn)固的整體。主支撐上設(shè)有起固定工作油缸作用的固定板和對(duì)錘頭升降起導(dǎo)向作用的導(dǎo)軌，錘頭的錘身上設(shè)有與導(dǎo)向?qū)к壪鄬?duì)應(yīng)的凹槽。重錘分2排成對(duì)裝配在整臺(tái)機(jī)械的尾部，前后排錘頭錯(cuò)開(kāi)布置，這樣可以在全寬范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)破碎；前后每對(duì)重錘有一套單獨(dú)的液壓提升系統(tǒng)為其提供動(dòng)力，這樣重錘的提升高度可以根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)，在破碎1日水泥砼路面時(shí)，重錘按一定規(guī)律下落，通過(guò)把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成沖擊能對(duì)路面進(jìn)行破碎。
    工作油缸兩側(cè)的主支撐上分別設(shè)有對(duì)錘頭升降起導(dǎo)向作用的導(dǎo)軌。工作油缸帶動(dòng)2個(gè)錘頭升降。錘架包括多個(gè)主支撐、橫支撐和豎支撐。錘架內(nèi)設(shè)有多個(gè)工作油缸，每個(gè)工作油缸帶動(dòng)2個(gè)錘頭升降。主支撐包括3個(gè)上主支撐、3個(gè)中主支撐、3個(gè)下主支撐，它們之間固定連接有多個(gè)橫支撐和豎支撐，主支撐、橫支撐和豎支撐形成的錘架內(nèi)共設(shè)有6個(gè)工作油缸。錘架包括前排錘架和后排錘架，前、后排錘架內(nèi)分別設(shè)有3個(gè)工作油缸。錘架板塊設(shè)置在錘架兩側(cè)的2個(gè)翼錘架上，翼錘架和錘架之間為可拆卸式連接。翼錘架包括翼錘主支撐、翼錘橫支撐和翼錘豎支撐，每個(gè)翼錘架內(nèi)斜向固定設(shè)置一個(gè)工作油缸，工作油缸兩側(cè)分別設(shè)有對(duì)錘頭升降起導(dǎo)向作用的翼錘導(dǎo)軌，工作油缸帶動(dòng)2個(gè)翼錘升降。油缸固定板包括固定平板和固定豎板。
    多錘頭破碎機(jī)破碎裝置的錘架包括水平設(shè)置的主支撐、橫支撐及豎向設(shè)置的豎支撐，它們之間固定連接后形成整個(gè)破碎裝置的支撐系統(tǒng)，工作油缸和錘頭設(shè)置在錘架內(nèi)，多個(gè)主支撐、橫支撐和豎支撐組合形成的錘架具體包括多個(gè)工作油缸和錘頭的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以同時(shí)使用多個(gè)工作油缸和錘頭，對(duì)路面進(jìn)行破碎作業(yè)時(shí)力量更大。在控制閥塊的作用下，多個(gè)錘頭可以保持不同步連續(xù)不斷地升降，破碎的效果比一個(gè)錘頭或少量錘頭更好；支撐的錘架結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，保證破碎作業(yè)的有效完成。主支撐上設(shè)有固定工作油缸的油缸固定板，可以進(jìn)行較好的固定。主支撐設(shè)有對(duì)錘頭升降起導(dǎo)向作用的導(dǎo)軌，錘頭的錘身上設(shè)有與導(dǎo)向?qū)к壪鄬?duì)應(yīng)的凹槽，該結(jié)構(gòu)可以保證錘頭的垂直升降，破碎效果更好。錘架包括設(shè)置在錘架兩側(cè)的2個(gè)翼錘架，翼錘架和錘架之間是可拆卸式連接，可以針對(duì)實(shí)際情況裝上或卸下，裝上時(shí)作業(yè)的面積和力度更大，多個(gè)錘頭在高壓油的作用下沿錘架連續(xù)升降，不斷地沖擊路面，沖擊路面的力度較大，所以比較容易將路面破碎，工作效率高，破碎的質(zhì)量也更高，路面破碎程度完全可以達(dá)到經(jīng)壓實(shí)后鋪設(shè)的程度，無(wú)需開(kāi)挖。破碎并壓實(shí)后，破碎砼塊組成緊密結(jié)合、內(nèi)部嵌擠、高密度的材料層，可以為路面罩面提供更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
2.3利用Pro/E設(shè)計(jì)多錘頭破碎機(jī)工作裝置
2. 3.1多錘頭破碎機(jī)工作裝置的三維實(shí)體建模
    根據(jù)設(shè)計(jì)方案，把多錘頭破碎機(jī)工作裝置的部件分為2類(lèi)：一類(lèi)為組焊件，由于這類(lèi)部件完全由鋼板或型鋼焊接而成，各部分之間無(wú)相對(duì)位置變動(dòng)，所以可在Pro/E軟件的零件模塊中以零件的形式創(chuàng)建部件。另一類(lèi)為組裝件，這類(lèi)部件需要先制作出組成它的各個(gè)零件，然后按照裝配關(guān)系定義其約束或聯(lián)接關(guān)系進(jìn)行組裝。
2.3.2多錘頭破碎機(jī)工作裝置的虛擬裝配
    創(chuàng)建好多錘頭破碎機(jī)工作裝置的所有部件之后，開(kāi)始進(jìn)行裝配。裝配前，正確分析各個(gè)部件在整機(jī)中的位置、作用以及相關(guān)部件之間的裝配關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以保證裝配后的整機(jī)定位可靠、運(yùn)動(dòng)靈活、互不發(fā)生干涉。根據(jù)部件間的相互關(guān)系完成多錘頭破碎機(jī)工作裝置三維實(shí)體模型。
2.3.3多錘頭破碎機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)仿真
    多錘頭破碎機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)主要是依靠舉升液壓油缸將重錘勻速舉起，然后油缸泄荷，重錘在重力的作用下做近似的自由落體運(yùn)動(dòng)。多錘頭破碎機(jī)工作裝置每個(gè)錘組的運(yùn)動(dòng)周期為1.5s，其中上升時(shí)間為1s，下落時(shí)間為0.5 s。假定舉升高度為1m，則上升的速度為1 m/s，下落的加速度為8 m／s2(因?yàn)橛心Σ亮Γ�油缸回油壓力等阻力的存�?。工作裝置的工作過(guò)程分為兩段，是一個(gè)分段函數(shù)，Pro/E里自帶的斜坡函數(shù)，正、余函數(shù)，擺線、拋物線、多項(xiàng)式等函數(shù)都無(wú)法滿足要求。而采用位置表能夠根據(jù)理論計(jì)算確定錘頭任何時(shí)刻的位置，能夠比較真實(shí)地模擬錘頭工作裝置的運(yùn)動(dòng)。下面取每個(gè)錘組的初始位置為零，每個(gè)相鄰的錘組開(kāi)啟的時(shí)間間隔為0.1s，以1#錘組的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期制定位置（如表1所示）。仿真結(jié)果如圖3所示。
    從圖3可以看出：1#錘頭的運(yùn)動(dòng)曲線與表1相符，1#錘頭在忽略與導(dǎo)向軌道之間摩擦力時(shí)其上下運(yùn)動(dòng)基本上可以看成自由落體，而且錘頭上下運(yùn)動(dòng)時(shí)與周邊的錘頭不存在運(yùn)動(dòng)干涉，也沒(méi)有因?yàn)殄N頭的上下運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致錘架大幅度地振動(dòng)。可見(jiàn)錘頭架結(jié)構(gòu)是一個(gè)穩(wěn)固的整體，錘頭架能夠承受錘頭工作時(shí)所帶來(lái)的沖擊力。圖3中2根近似于光滑的直線，證明錘頭的上下運(yùn)動(dòng)靈活，設(shè)計(jì)方案可行。
2.4實(shí)際設(shè)計(jì)
    根據(jù)模擬設(shè)計(jì)方案進(jìn)行多錘頭破碎機(jī)工作裝置的實(shí)際設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到中國(guó)公路的狀況，把工作裝置設(shè)計(jì)為6對(duì)重為600kg的錘頭、兩側(cè)各有一對(duì)重為850kg的翼錘。翼錘是可拆卸的，滿足不同的道路需求；錘頭的最大行程是1.1m，破碎高度可根據(jù)不同的路面需求調(diào)節(jié)。考慮到盡量減少重錘下落時(shí)能量的損耗，重錘與支撐桿采用帆布帶連接，重錘在下落時(shí)才近似自由落體，把最大的能量作用在破碎的路面上。
2.5破碎試驗(yàn)
    根據(jù)多錘頭破碎機(jī)的工作需求，選擇1 km損壞率達(dá)50%的路面作為破碎試驗(yàn)路段。經(jīng)檢測(cè)，該路面的水泥標(biāo)號(hào)為32.5#，路面強(qiáng)度一般。破碎時(shí)錘頭下落高度和拉應(yīng)力的關(guān)系見(jiàn)表2。
    破碎后，表層碎石粒徑最大為7mm，中間層最大粒徑為21mm，底層最大粒徑為37mm。從表2可以看出錘頭的沖擊力沒(méi)有傳到路基中，對(duì)路基的強(qiáng)度沒(méi)有造成影響，完全符合碎石化工藝的要求。而且在破碎過(guò)程中整機(jī)振動(dòng)比較小，噪音能滿足城市道路施工要求，預(yù)防碎石飛濺的帷幕起到抑制碎石飛濺的作用，有利于環(huán)保。
3、結(jié)語(yǔ)
    在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行多錘頭破碎機(jī)工作裝置的三維設(shè)計(jì)和模擬運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證初始設(shè)計(jì)方案是可行的。根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，從破碎后碎石層粒徑來(lái)看，其破碎效果完全符合碎石化施工要求，而且整機(jī)的運(yùn)行效果能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。