一種瀝青路面動(dòng)水壓力模擬試驗(yàn)臺(tái)配重部分設(shè)計(jì)

何 淼，馬錫勇，姜軼輝

0 引言

由于我國(guó)疆域遼闊，氣象條件復(fù)雜且車(chē)輛超載屢禁不止，因此，許多高速公路在投入運(yùn)營(yíng)一、兩年后，甚至有時(shí)不到一年，瀝青路面就發(fā)生水損壞現(xiàn)象，因而瀝青路面需要維護(hù)或翻修重建[1]。然而，隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于公路的行車(chē)安全性、舒適性、環(huán)保性等方面要求越來(lái)越高。瀝青路面水損壞不僅會(huì)增加養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，也會(huì)對(duì)公路的服務(wù)水平產(chǎn)生很大的影響，繼而造成社會(huì)的負(fù)面效應(yīng)。瀝青路面水損壞問(wèn)題的本質(zhì)是瀝青與集料在靜、動(dòng)水壓力作用下的持續(xù)粘附能力，其中動(dòng)水壓力作用更為復(fù)雜多變同時(shí)會(huì)引起一系列損壞。水會(huì)通過(guò)裂縫、松散等病害處或者面層空隙下降、側(cè)向滲入、地下水位逐漸上升等多種途徑進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)，在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下瀝青路面內(nèi)部的水會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力作用，使瀝青粘附性降低，喪失了與集料之間的粘結(jié)力，導(dǎo)致瀝青膜從集料表面脫落，造成瀝青路面的水損害[2]。雖然國(guó)內(nèi)外道路工程界都認(rèn)識(shí)到瀝青路面動(dòng)水壓力水損害的嚴(yán)重性，并采用多種方法來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但工程上與水相關(guān)的瀝青路面病害仍不斷出現(xiàn)，現(xiàn)有的測(cè)試方法還不能有效地反映路面的實(shí)際情況和動(dòng)水壓力水損害對(duì)瀝青混合料路用性能的影響程度及作用規(guī)律[3]。為此，需要對(duì)測(cè)試方法進(jìn)一步深入研究。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)瀝青路面動(dòng)水壓力模擬試驗(yàn)臺(tái)的配重部分，實(shí)現(xiàn)了單一設(shè)備對(duì)多種規(guī)格的汽車(chē)產(chǎn)生動(dòng)水壓力損壞的模擬，且提供了一種在實(shí)驗(yàn)室有效地模擬瀝青路面動(dòng)水壓力對(duì)瀝青路面的水損害的測(cè)試方法，為研究瀝青混合料路用性能的后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供可靠試件。

1 動(dòng)水壓力

自然降水通過(guò)路面的橫坡來(lái)排除，所以雨天的路表面常被一層水膜所覆蓋。當(dāng)車(chē)輛在水膜覆蓋的路面上高速行駛時(shí)，輪胎與路面之間的水不斷地被高速運(yùn)轉(zhuǎn)的輪胎所擠壓，因此產(chǎn)生了動(dòng)水壓力[4]。流體的壓力同時(shí)作用于輪胎與路面，對(duì)于路面與輪胎相接觸的某一點(diǎn)而言，這種動(dòng)水壓力是瞬時(shí)的，而對(duì)于車(chē)輛行駛的整條軌跡而言，動(dòng)水壓力如同車(chē)輛荷載一樣是始終存在的。經(jīng)學(xué)者研究，動(dòng)水壓力除了與行車(chē)速度有關(guān)外，還與車(chē)輛軸載有著密切關(guān)系[5]。

2 試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)與工作原理

該試驗(yàn)臺(tái)結(jié)合實(shí)際工程問(wèn)題考慮機(jī)器的可調(diào)速范圍、雨水模擬問(wèn)題、接地壓強(qiáng)可變范圍、溫度可變范圍、實(shí)驗(yàn)時(shí)間控制范圍、實(shí)驗(yàn)中動(dòng)水壓力大小的測(cè)量問(wèn)題以及所需要的配套控制系統(tǒng)問(wèn)題而設(shè)計(jì)。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)主要由殼體、配重塊、豎直基準(zhǔn)光桿、氣缸、滑塊、小滑塊、水平基準(zhǔn)光桿、筋板、試驗(yàn)輪、試驗(yàn)輪連接軸、加熱和灑水臺(tái)、試樣臺(tái)、加熱裝置、灑水器、步進(jìn)電機(jī)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、水箱組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

圖1 瀝青路面動(dòng)水壓力模擬試驗(yàn)臺(tái)裝配圖

2.2 工作過(guò)程

（1）首先，接通電源，調(diào)節(jié)氣缸使行駛輪系上移；

（2）將提前準(zhǔn)備好的瀝青板材放置于試樣臺(tái)上，關(guān)閉殼體上的試樣門(mén)；

（3）根據(jù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)要求，選擇合適的配重塊，在控制部件上調(diào)節(jié)控制氣缸使氣缸不承受配重塊的重量，配重塊的重量通過(guò)豎直基準(zhǔn)光桿完全作用在行駛輪系上；

（4）根據(jù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)要求在控制部件上預(yù)設(shè)定合適的步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度、加熱器加熱溫度、雨量大小、實(shí)驗(yàn)時(shí)間，啟動(dòng)電源鍵；

（5）系統(tǒng)開(kāi)始工作，加熱器將加熱至指定溫度并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一直恒溫加熱使實(shí)驗(yàn)環(huán)境一直處于設(shè)定溫度值，水箱將根據(jù)預(yù)設(shè)雨量大小，從外界蓄水至一定高度，通過(guò)水箱底部的軟管與噴水器相連，保證噴水器噴出預(yù)設(shè)雨量大小的水，并且在實(shí)驗(yàn)中持續(xù)灑水，以模擬工程實(shí)際中的雨天；曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與滑塊構(gòu)成一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)使行駛輪系往復(fù)的碾壓在試件上，碾壓形成的動(dòng)水壓力對(duì)瀝青試件進(jìn)行破壞。

（6）當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間到達(dá)設(shè)定的實(shí)驗(yàn)時(shí)間后時(shí)間繼電器切斷電源，系統(tǒng)停止工作，實(shí)驗(yàn)人員調(diào)整氣缸，使試驗(yàn)輪系上升，得到破壞試件，取出并進(jìn)行后續(xù)研究。

3 配重塊的設(shè)計(jì)

3.1 軸載選擇

軸載的大小是指汽車(chē)車(chē)軸支撐平面垂直載荷的大小，其直接影響汽車(chē)作用在路面上載荷的大小。在我國(guó)目前的交通量構(gòu)成中，無(wú)論是在交通量統(tǒng)計(jì)資料還是工程可研報(bào)告所提供的交通量預(yù)測(cè)中，其車(chē)型一般分為大、中、小型車(chē)輛，參考多種車(chē)型的軸載設(shè)計(jì)大小，選取其中具有代表性的3個(gè)軸載大小作為本試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)模擬軸載，分別為80 kN、100 kN、160 kN[7]。

3.2 配重塊設(shè)計(jì)

經(jīng)測(cè)量在標(biāo)準(zhǔn)荷載下的輪印面積為1.11×10-3m2.相關(guān)研究表明，輪胎接地面積以及接地壓力隨軸載增加而加大，且兩者一起變化。由于國(guó)內(nèi)缺乏相關(guān)研究成果，遂采用比利時(shí)的輪胎接地面積計(jì)算方法。該方法根據(jù)路上的實(shí)際調(diào)查得出以下統(tǒng)計(jì)公式[8]。

對(duì)于主要道路：

對(duì)于次要道路：

式中：A為輪胎接地面積（cm2）；P為每個(gè)輪胎的荷載（N）。

根據(jù)我國(guó)道路的實(shí)際情況，采用下式：

在此公式的基礎(chǔ)上，再假設(shè)輪載P均勻分布在接觸面的圓面積上，圓半徑為r，并求得接地壓力P：

類(lèi)比輪印面積：

式中：S標(biāo)為接地壓強(qiáng)為0.7 MPa時(shí)的單元接地面積，取352cm2.

式中：m為單輪配重重量（kg）；g為重力系數(shù)（取10 N/kg）

由于設(shè)計(jì)為雙輪則配重應(yīng)為單輪配重重量的二倍。

根據(jù)上述公式計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 軸載與配重重量換算表

經(jīng)考量，選擇最廉價(jià)、最豐富的鐵作為配重材料，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件比較潮濕且溫度比較高，為了避免鐵生銹采用給配重塊表面鍍一層鎂來(lái)防銹提高配重塊使用時(shí)間，查詢(xún)得鐵的密度ρ＝7.87×103kg/m3[9].

由下式：

式中：V 為配重塊體積（m3）

為與其他的零件相匹配其設(shè)計(jì)尺寸如表2所示。

表2 配重塊尺寸表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用動(dòng)水壓力產(chǎn)生的過(guò)程以及相似機(jī)械的結(jié)構(gòu)，對(duì)動(dòng)水壓力模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的配重部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并輔助建模，驗(yàn)證瀝青路面動(dòng)水壓力發(fā)生系統(tǒng)配重部分結(jié)構(gòu)尺寸及各參數(shù)的合理性，最后得到瀝青路面動(dòng)水壓力模擬試驗(yàn)臺(tái)配重部分的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

[1]潘寶峰，邵龍?zhí)叮?哲，等.瀝青路面水損害研究新方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2009，33（4）：250-252.

[2]祁文洋.水、動(dòng)荷載耦合作用下瀝青路面損壞機(jī)理分析與設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2011.

[3]王 莉，李 智，姜旺恒，等.新型瀝青路面動(dòng)水壓力模擬試驗(yàn)研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2010（9）：78-81.

[4]李少波，張宏超，孫立軍.動(dòng)水壓力的形成和模擬測(cè)量[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（7）：915-918.

[5]呂彭民，宋緒丁，鄭南翔．動(dòng)水壓對(duì)開(kāi)裂瀝青路面基層沖刷模擬試驗(yàn)裝置及方法：中國(guó)，CNl00381818C[P]．2008-04-16．

[6]張偉社.機(jī)械原理教程[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2013.

[7]孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論[M].北京：人民交通出版社，2005.

[8]濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[9]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：高等教育出版社，2012.