本文是一篇工程硕士论文，本文开发适合公路排水沟快速成型的牵引挤压式滑模施工设备。基于有限元软件对设备的料斗、承重骨架及截面调节装置等关键部件进行分析，探讨各关键部件及设备整体的受力特性，验证各关键部件设计的可行性。
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
近年来，随着我国交通运输事业的发展，公路通车里程得到了大规模增加。截至2018年底，全国各级公路的通车里程超过了485万公里，极大地促进社会经济的发展和人民生活水平的改善。同水泥路面相比，沥青路面具有平整无接缝的优点，行车舒适性良好，在各级公路中应用广泛。在正常的服役过程中，沥青路面的使用性能会随着时间的延长逐渐退化。尤其是在多雨地区，排水不畅，雨水会淹没路面，危及行人和车辆的通行安全，沥青路面上常常出现松散、坑槽等早期水损坏，严重时还会影响路基的稳定性。路基路面的水稳定性除了受到沥青混合料等材料及施工质量的影响外，大气降雨及其他来源的地表水是重要的外界影响因素。因此，公路工程需要设置良好的排水设施，使降雨等外界水分能及时从道路路界范围内排出，对保证路基和路面的稳定性至关重要。
排水沟通常设置在道路两侧或一侧路基的坡脚外侧，是公路附属设施的主要组成部分。按照横断面的形状，排水沟可分为梯形、矩形、三角形等不同类型，其尺寸大小一般要经过水文水力计算确定。在各级公路上，通过排水沟可以进行路面积水的清理，一般设立排水沟的位置地势比较低洼，水流会自动向排水沟流动，然后路面上的积水会通过排水沟流向地下，进而将路基路面范围内各种来源的水流引至路界外。为保证公路排水沟具有良好的功能性和耐久性，排水沟通常要采取一定的措施进行加固。公路排水沟的加固类型有多种，主要根据排水沟的土质、沟底的纵坡、水流速度和使用要求等而定。
目前，我国公路排水沟施工通常采用模板浇筑混凝土、预制件拼装施工及混凝土滑模施工等方式。模板浇筑施工方法需要在浇筑水泥混凝土后，人工将定型模板支护在混凝土上，是一种包括立模、拆模、倒模等多工序的浇筑方式。这种施工工艺操作复杂、耗时长且成本高，排水沟施工质量主要取决于模板的铺设质量。可见，模板浇筑混凝土施工不仅会影响排水沟的施工质量，还会影响工程项目的总体进度。预制件拼装施工需要工人在专门的施工场所按要求预先浇筑成预制件，然后将预制件运抵施工工地进行拼装施工。这种施工工艺需要设置专门的预制厂房，同时各段预制件连接处易出现渗漏等现象，会导致施工成本的增加并影响施工质量。
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1.2 国内外研究现状
目前，国内外的相关研究多集中在公路路界表面排水系统的设计和公路工程路缘石等附属设施的施工机械及施工方法等方面，涉及具体的公路排水沟滑模施工设备开发方面的研究较少，相关研究可为公路排水沟牵引挤压式滑模施工设备的开发及关键施工工艺的研究提供一定的参考依据。
1.2.1 公路路界表面排水系统
公路排水的任务是通过排除路面上的水分，将路基中土基的湿度范围降低至合理范围，使路基路面常年处于干燥状态，从而保证路基路面具有足够的强度和稳定性。具体而言，公路的排水方式包括路界表面排水和道路内部排水两大类。路表排水作为公路排水的重要组成部分，其主要目的是有效地汇集并迅速排除路界范围内的大气降水等地表水至路界以外，同时防止路界范围外的地表水流向路基，以减少地表水对路基路面稳定性的不利影响。国内在公路排水设计规范中，从路面边缘排水设施和中央分隔带排水设施等方面进行路界表面排水设施的设计，这样使路表排水设施具有更经济、合理的特点[1,2]。在后来出版的公路排水设计手册中，在路界表面排水方面，逐渐完善了路界表面的排水方式，并提出不同路表排水设施的水文水力计算公式[3]。
陈云鹤等人研究发现应根据公路不同路段的实际纵横坡度及当地降雨量选择开口式排水口，并根据计算的结果检验完善了排水规范中雨水口的设计内容[4]。2003年，同济大学参与“公路排水系统设计方法的研究”等项目时在借鉴国内外公路建设经验的基础上，从公路排水系统设计的视角，详细探讨了排水设计规范中关于排水设施的设计理论、方法和参数，并补充和完善规范中存在的缺陷和不足之处[5]。李峰参照新建高速公路排水设计体系,提出扩建工程切实可行的排水设计方案,可为其他扩建工程提供了排水设计参考[6]。陈岳峰等采用在Biot动态固结理论上开发的Lagrange有限差分方法，基于数值模拟技术对福建省高速公路沥青路面的排水体系进行研究[7]。任园等基于海绵城市的设计理念，将路表排水设施同路面结构内部排水和自然水系相结合，实现路域水的回收利用[8]。王丹根据山区地形的特点，推荐山区公路排水系统的设计原则，并从地形复杂、多边坡的角度对山区公路路表排水设计进行了探讨[9]。
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第二章 公路排水沟牵引挤压式滑模施工设备构造研究
2.1 工作原理与总体设计
2.1.1 设备工作原理
目前，公路水泥混凝土排水沟施工方法虽然经过工程界的各种创新，采用了滑动模板的方式提高了施工效率[44-46]，但其本质依然是传统模板施工，必须前一段沟体混凝土成型拆模后才能施工下一段。连续滑模施工工艺在路缘石施工中应用广泛，施工机械化程度高，国内外已有商用机械可进行连续施工。因此，为进一步提高公路排水沟的施工效率，可借鉴路缘石一体成型施工机械的原理。国内路缘石滑模施工设备主要分为：螺旋叶片挤压式、振动式及锤头挤压式，其基本工作原理如下[29, 30,37]：
（1）螺旋叶片挤压式：通过将螺旋叶片安装在成型模具前端，利用叶片旋转不断地水泥混凝土向成型模具推进，在一定的挤压作用下成型路缘石。机械设备自身的前进动力由混凝土对螺旋叶片的反作用力提供。此类设备适应能力较差，仅能施工尺寸较小的非嵌入式路缘石，且模具为固定形式，当路缘石尺寸发生改变时无法继续施工。此外，螺旋叶片的磨损是其一大痛点且施工速度较慢。
（2）锤头挤压式：通过将锤头装置安装在成型模具前端，利用设备工作时锤头的活塞式往复运动将混凝土按一定的周期向成型模具推进，在一定的挤压作用下成型路缘石。机械设备自身的前进动力由水泥混凝土对锤头的反作用力提供。此类设备适应能力依然较差，仅能施工高度较小的非嵌入式路缘石，且模具为固定形式，当路缘石尺寸发生改变时无法继续施工。此外，成形路缘石强度差并且移动速度不可调。
（3）振动式：通过将振捣设备设置在成型模具中保证水泥混凝土的密实程度，机械设备的前进动力由自身提供。此类设备适应能力较好，可施工嵌入式路缘石，施工速度快且移动速率可调，成形路缘石强度较好。但是，其模具依然为固定形式，当路缘石尺寸发生改变时无法继续施；振捣设备直接设置在模具内，混凝土振捣密实效果受移动速度影响大，当移动速度提高时混凝土密实度及表观质量降低较快。
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2.2 料斗设计
料斗可分为三部分：集料仓、振捣仓以及支撑体系。其中，集料仓主要功能为收集混凝土并将混凝土均匀导入至振捣仓内；振捣仓主要功能为集中混凝土并通过内置振捣棒使得仓内混凝土密实，并附带储料功能；支撑体系为料斗与其他部件连接的总称。
为了使一次性满载可以浇筑较长的排水沟，设备的料斗采取坡口扩容的设计方式。根据前文生产能力设计部分的产量要求，结合公路排水沟的尺寸范围，选择料斗集料仓上端口平面尺寸为 100cm×100cm，集料仓高 60cm。其中，封闭板与竖向夹角为 34o，开口板与竖向夹角为 27o。采用坡口扩容的结构形式，增加了施工中水泥混凝土的滑落顺畅程度，集料仓中的混凝土在自重的作用下落入振捣仓内。
料斗下部四周为振捣仓，料斗支撑板与主承重骨架内挡料板、侧板等部件形成振捣仓空间，内置振捣棒对混凝土进行振捣密实。料斗支撑板顶端设置导流板，采用尖坡分流的方式将混凝土沿横向（垂直于机械前进方向）分流到模板两侧，导流板单块板与竖向倾角为 22.5°，两块导流板对称布置。料斗受到混凝土的冲击且料斗底部会存储一部分混凝土，故料斗需具有一定的强度、刚度以保证可靠性，同时考虑到经济性设计采用Q235 普通碳素钢。料斗三维模型如图 2.3 所示，相关设计参数需经过数值分析进一步确定和验证。
图 2.3 料斗三维模型示意图
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第三章 滑模施工设备关键部件设计参数研究 ........................ 21
3.1 关键部件设计参数分析方案 .............................. 21
3.1.1 分析工具选用 ............................. 21
3.1.2 有限元分析方案 ......................... 22
第四章 滑模施工设备承重结构优化和功能性部件设计研究 .......................... 59
4.1 承重骨架结构优化设计方案 ............................. 59
4.1.1 结构优化设计三要素 .......................... 59
4.1.2 结构优化设计流程 ........................... 60
第五章 公路排水沟牵引挤压式滑模施工工艺研究 ........................ 69
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