基于瀝青路面的車載式壓實(shí)度檢測儀

申自名，吳永勝，官　革

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064）

基于瀝青路面的車載式壓實(shí)度檢測儀

申自名，吳永勝，官革

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064）

隨著高速公路里程的不斷增長，對(duì)瀝青路面的鋪設(shè)日趨擴(kuò)大。由于壓實(shí)質(zhì)量對(duì)瀝青路面的性能有著重要影響，針對(duì)傳統(tǒng)壓實(shí)度檢測的滯后性、偶然性等不足，研制出一種能實(shí)時(shí)檢測瀝青路面的壓實(shí)度的車載式壓實(shí)度檢測儀以避免路面的過壓與欠壓已迫在眉睫。通過研究發(fā)現(xiàn)壓路機(jī)振動(dòng)輪的振動(dòng)加速度信號(hào)的變化與壓實(shí)度的變化有關(guān)，從而建立振動(dòng)輪加速度與路面壓實(shí)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以振動(dòng)加速度的值反應(yīng)壓實(shí)度的值。

瀝青路面；壓實(shí)度；實(shí)時(shí)檢測；振動(dòng)加速度信號(hào)

壓實(shí)是通過專門的設(shè)備給被壓材料施加作用力，強(qiáng)迫被壓材料內(nèi)部顆粒產(chǎn)生移動(dòng)，重新排列得更加密實(shí)的過程。壓實(shí)一般分為靜力壓實(shí)、搓揉壓實(shí)、振動(dòng)壓實(shí)、夯實(shí)和沖擊壓實(shí)，其中振動(dòng)壓實(shí)因其作業(yè)效果較好應(yīng)用最多［1-2］。壓實(shí)度是衡量壓實(shí)的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)瀝青混凝土而言壓實(shí)度每提高1%，承載能力和壽命可提高10%～15%.由此可見對(duì)于瀝青路面除了選用最好的材料、級(jí)配及施工機(jī)械外，壓實(shí)工藝的選擇也極其重要［1-2］。

傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測方法主要以破壞法為主，如取芯法、灌沙砂法［3-4］等，以及逐漸開始應(yīng)用的無損檢測方法，如無核密度儀、核子儀等。雖然傳統(tǒng)的灌砂法、取芯法的結(jié)果較為接近真實(shí)值，但是由于其滯后性往往使得路面狀況無法及時(shí)反饋到壓路機(jī)操作人員手中，從而出現(xiàn)過壓實(shí)或欠壓實(shí)。傳統(tǒng)的無損檢測雖然較傳統(tǒng)的破壞法更為方便、快捷，但其結(jié)果通常不如后者精確，而且同樣存在著滯后性的問題。另外，上述提到的兩種檢測方法均是以點(diǎn)帶面，通過取定測式點(diǎn)來代替某一段路面，偶然性較大，被壓實(shí)材料與取樣的體積比高達(dá)100萬倍［5］。本文針對(duì)傳統(tǒng)檢測方法中存在的問題，開發(fā)一種能實(shí)時(shí)的連續(xù)的檢測瀝青路面壓實(shí)度的儀器。

1　振動(dòng)壓路機(jī)的數(shù)學(xué)模型

考慮到振動(dòng)壓路機(jī)的結(jié)構(gòu)以及作業(yè)特點(diǎn)將“壓路機(jī)—土”振動(dòng)系統(tǒng)簡化為具有兩個(gè)自由度的數(shù)學(xué)模型，如圖1所示。

圖1　振動(dòng)輪-土壤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

圖中各參數(shù)的含義如下：

m1為車架質(zhì)量（kg）；

m2為振動(dòng)輪質(zhì)量（kg）；

m3為隨振土體質(zhì)量（kg）；m3=（m1+m2）×10%；

k1、k2分別為減振器、土壤剛度（N/m）；

c1、c2分別為減振器、土壤阻尼（N·s/m）；

ω為激振器工作頻率（Hz）.

由牛頓第二定律可得：

對(duì)于瀝青路面的壓實(shí)過程，由于瀝青混合料的粘度比土壤的大很多，壓實(shí)過程中的阻尼比普通土壤的更大，但是壓實(shí)初期，壓實(shí)度較低，即填料比較松散，所以阻尼大，路面幾乎沒有彈性剛度，導(dǎo)致振動(dòng)輪絕大部分的振動(dòng)能量被路面吸收。隨著碾壓往返次數(shù)的增多，瀝青混合料路面剛度從無到有，阻尼減弱，振動(dòng)輪接收到路面的反饋增大。當(dāng)路面的壓實(shí)度增大到一定程度后，諧波分量將伴隨跳振現(xiàn)象而產(chǎn)生，而且其成分隨著壓實(shí)度的提高也越高。因此通過對(duì)基波與二次諧波的比值與剛度進(jìn)行標(biāo)定，可以準(zhǔn)確測量剛度，即可由剛度計(jì)算出壓實(shí)度。

2　壓實(shí)度檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于通過采集振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行分析處理，最后通過顯示屏顯示出結(jié)果，所以待開發(fā)的車載式加速度檢測儀的硬件系統(tǒng)應(yīng)包含：加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、CPU模塊、LCD液晶顯示模塊、RS232串行通訊、外部PC機(jī)，其示意圖如圖2所示。

圖2　車載壓實(shí)度檢測儀系統(tǒng)組成框圖

在測量振動(dòng)的傳感器中應(yīng)用的最多的是壓電式傳感器，壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)工作的。當(dāng)測量對(duì)象的頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)傳感器輸出與振動(dòng)或壓力成正比的電荷或電壓，經(jīng)專用放大器放大后即可測出測量對(duì)象的加速度。目前，國內(nèi)的施工現(xiàn)場壓實(shí)機(jī)械的作業(yè)頻率主要在15~50 Hz之間變化，主要在30 Hz附近振動(dòng)輪的振幅值很少超過15 g.據(jù)此特點(diǎn)并考慮到經(jīng)濟(jì)因素，本文決定采用朗斯測試技術(shù)有限公司的LC0154T型加速度傳感器。改傳感器包含微型集成電路放大器，可以直接與信號(hào)調(diào)理電路連接。其技術(shù)指標(biāo)如下所示：

量程：20 g

靈敏度：250 mV/g

頻率范圍：0.7~7700 Hz

溫度范圍：-40~+120℃

分辨率：0.000 08 g

恒定電流：2~20 mA，典型值：4 mA

激勵(lì)電壓：18~30 V，典型值：24 V

輸出偏壓：8~12 V

安裝時(shí)，將加速度傳感器安裝在沒有經(jīng)過減震處的振動(dòng)輪支架上，通過磁力底座固定，最后用同軸電纜將加速度傳感器與信號(hào)調(diào)理電路相連接。

CPU模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心裝置，主要用于數(shù)據(jù)的處理和分析。加速度傳感器將采集到的信號(hào)送入調(diào)理電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波后再送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入CPU單元。DSP（digital signal processor）是一種專門進(jìn)行數(shù)字信號(hào)計(jì)算的微處理器。其對(duì)數(shù)字信號(hào)的計(jì)算包括修改、刪除、強(qiáng)化等，經(jīng)處理后的數(shù)字信號(hào)能通過其他芯片轉(zhuǎn)換成模擬數(shù)據(jù)。它不僅具有高度的可編程性，而且其強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度保證了其能實(shí)時(shí)快速的對(duì)各種數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理。

3　壓實(shí)度檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

振動(dòng)信號(hào)的采集處理是本檢測系統(tǒng)最核心的部分之一。具體地說它包括：振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、分析處理、判斷控制及保存等內(nèi)容。本系統(tǒng)主要是通過微處理器對(duì)已進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)上的變換、處理，以期能從中獲得表征路面壓實(shí)度的信息，通過顯示屏顯示出來，為道路工程施工人員及時(shí)提供路面的壓實(shí)程度。由此可看出，信號(hào)采集的關(guān)鍵核心是模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，主要包括硬件電路的設(shè)計(jì)和程序的編寫兩部分內(nèi)容；而信號(hào)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是對(duì)振動(dòng)信號(hào)（數(shù)字信號(hào)）進(jìn)行必要的變換，通過頻域與時(shí)域的分析，并根據(jù)其與壓實(shí)度的關(guān)系，提取有價(jià)值的部分，用以表征壓實(shí)度，該處理過程的關(guān)鍵是算法程序的編寫。信號(hào)的采集是檢測系統(tǒng)是從外界獲取特定信息，而檢測系統(tǒng)與人的信息交流則是通過顯示屏完成的。該系統(tǒng)采用的是目前廣泛應(yīng)用于各種工程機(jī)械的人機(jī)交互的GUI操作面板方式。

4　結(jié)束語

本文論述了用加速度檢測法來檢側(cè)壓實(shí)度的基本原理，開發(fā)了振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)度儀，該儀器取代傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測方法，將會(huì)產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］柴志軍，朱國洪.基于正交試驗(yàn)法的SMA瀝青混合料壓實(shí)性能主要影響因素研究［J］.山東交通學(xué)報(bào)，2012，20（4）：57-61.

［2］王戈，王貴慎，張世英.壓實(shí)機(jī)械［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，l992.

［3］JTGF40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］崔樹華，汪學(xué)斌，周峰.壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測及智能壓實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2013，30（3）：18-22.

［5］陳力，王權(quán)，張堯，等.瀝青路面壓實(shí)度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，22（4）：63.

Vehicle Type Com paction Degree Detection Instrument based on Asphalt Pavement

SHEN Zhi-ming，WU Yong-sheng，GUAN Ge
（College of Engineering and Mechanical Engineering，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China）

With the continuous increase of highwaymileage，the laying of asphalt pavement is becomingmore and more.Due to the compaction quality plays an important role in performance of asphalt pavement，in view of the traditional compaction degree detection lag and the occasional lack of developed a can real-time detect the asphalt pavement compaction degree of vehicle compaction meter to avoid pavement overvoltage and undervoltage is imminent.In this paper through the research found that pressure road roller vibration wheel of vibration acceleration signal change and the compaction degree is related to the change of，so as to establish vibration of wheel acceleration and pavement compaction degree of correspondence to the vibration acceleration response value of compaction degree of value.

asphalt pavement；compaction；real-time detection；vibration acceleration signal

TH16

B

1672-545X（2016）06-0150-02

2016-03-09

申自名（1992-），男，貴州遵義人，在讀研究生，研究方向：工程機(jī)械作業(yè)質(zhì)量控制。