一種瀝青路面動水壓力模擬試驗臺配重部分設(shè)計

何 淼，馬錫勇，姜軼輝

0 引言

由于我國疆域遼闊，氣象條件復(fù)雜且車輛超載屢禁不止，因此，許多高速公路在投入運營一、兩年后，甚至有時不到一年，瀝青路面就發(fā)生水損壞現(xiàn)象，因而瀝青路面需要維護或翻修重建[1]。然而，隨著社會的不斷進步，人們對于公路的行車安全性、舒適性、環(huán)保性等方面要求越來越高。瀝青路面水損壞不僅會增加養(yǎng)護費用，也會對公路的服務(wù)水平產(chǎn)生很大的影響，繼而造成社會的負(fù)面效應(yīng)。瀝青路面水損壞問題的本質(zhì)是瀝青與集料在靜、動水壓力作用下的持續(xù)粘附能力，其中動水壓力作用更為復(fù)雜多變同時會引起一系列損壞。水會通過裂縫、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入路面結(jié)構(gòu)，在車輛荷載的反復(fù)作用下瀝青路面內(nèi)部的水會產(chǎn)生動水壓力作用，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]。雖然國內(nèi)外道路工程界都認(rèn)識到瀝青路面動水壓力水損害的嚴(yán)重性，并采用多種方法來評價瀝青混合料的水穩(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)有的測試方法還不能有效地反映路面的實際情況和動水壓力水損害對瀝青混合料路用性能的影響程度及作用規(guī)律[3]。為此，需要對測試方法進一步深入研究。

本文通過設(shè)計瀝青路面動水壓力模擬試驗臺的配重部分，實現(xiàn)了單一設(shè)備對多種規(guī)格的汽車產(chǎn)生動水壓力損壞的模擬，且提供了一種在實驗室有效地模擬瀝青路面動水壓力對瀝青路面的水損害的測試方法，為研究瀝青混合料路用性能的后續(xù)實驗提供可靠試件。

1 動水壓力

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

2 試驗臺的結(jié)構(gòu)與工作原理

該試驗臺結(jié)合實際工程問題考慮機器的可調(diào)速范圍、雨水模擬問題、接地壓強可變范圍、溫度可變范圍、實驗時間控制范圍、實驗中動水壓力大小的測量問題以及所需要的配套控制系統(tǒng)問題而設(shè)計。

2.1 試驗臺的結(jié)構(gòu)

試驗臺主要由殼體、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、試驗輪、試驗輪連接軸、加熱和灑水臺、試樣臺、加熱裝置、灑水器、步進電機、曲柄連桿機構(gòu)、控制機構(gòu)、水箱組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

圖1 瀝青路面動水壓力模擬試驗臺裝配圖

2.2 工作過程

（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上，關(guān)閉殼體上的試樣門；

（3）根據(jù)后續(xù)實驗要求，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)實驗要求在控制部件上預(yù)設(shè)定合適的步進電機的旋轉(zhuǎn)速度、加熱器加熱溫度、雨量大小、實驗時間，啟動電源鍵；

（5）系統(tǒng)開始工作，加熱器將加熱至指定溫度并在實驗過程中一直恒溫加熱使實驗環(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，并且在實驗中持續(xù)灑水，以模擬工程實際中的雨天；曲柄搖桿機構(gòu)將步進電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成滑塊的往復(fù)直線運動，此時曲柄搖桿機構(gòu)與滑塊構(gòu)成一個曲柄滑塊機構(gòu)，此機構(gòu)使行駛輪系往復(fù)的碾壓在試件上，碾壓形成的動水壓力對瀝青試件進行破壞。

（6）當(dāng)實驗時間到達設(shè)定的實驗時間后時間繼電器切斷電源，系統(tǒng)停止工作，實驗人員調(diào)整氣缸，使試驗輪系上升，得到破壞試件，取出并進行后續(xù)研究。

3 配重塊的設(shè)計

3.1 軸載選擇

軸載的大小是指汽車車軸支撐平面垂直載荷的大小，其直接影響汽車作用在路面上載荷的大小。在我國目前的交通量構(gòu)成中，無論是在交通量統(tǒng)計資料還是工程可研報告所提供的交通量預(yù)測中，其車型一般分為大、中、小型車輛，參考多種車型的軸載設(shè)計大小，選取其中具有代表性的3個軸載大小作為本試驗臺的設(shè)計模擬軸載，分別為80 kN、100 kN、160 kN[7]。

3.2 配重塊設(shè)計

經(jīng)測量在標(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。由于國內(nèi)缺乏相關(guān)研究成果，遂采用比利時的輪胎接地面積計算方法。該方法根據(jù)路上的實際調(diào)查得出以下統(tǒng)計公式[8]。

對于主要道路：

對于次要道路：

式中：A為輪胎接地面積（cm2）；P為每個輪胎的荷載（N）。

根據(jù)我國道路的實際情況，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：

類比輪印面積：

式中：S標(biāo)為接地壓強為0.7 MPa時的單元接地面積，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、最豐富的鐵作為配重材料，因為實驗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防銹提高配重塊使用時間，查詢得鐵的密度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)計尺寸如表2所示。

表2 配重塊尺寸表

4 結(jié)束語

本文利用動水壓力產(chǎn)生的過程以及相似機械的結(jié)構(gòu)，對動水壓力模擬實驗臺的配重部分進行設(shè)計計算，并輔助建模，驗證瀝青路面動水壓力發(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水壓力模擬試驗臺配重部分的設(shè)計數(shù)據(jù)。

[1]潘寶峰，邵龍?zhí)?，?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（交通科學(xué)與工程版），2009，33（4）：250-252.

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

[3]王 莉，李 智，姜旺恒，等.新型瀝青路面動水壓力模擬試驗研究[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.動水壓力的形成和模擬測量[J].同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007（7）：915-918.

[5]呂彭民，宋緒丁，鄭南翔．動水壓對開裂瀝青路面基層沖刷模擬試驗裝置及方法：中國，CNl00381818C[P]．2008-04-16．

[6]張偉社.機械原理教程[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.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2006.

[9]吳宗澤.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊[M].北京：高等教育出版社，2012.