路面加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究

王剛 賈倩 張鵬 管志光 張吉衛(wèi) 楊福廣

摘要：路面加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備可在短時(shí)間內(nèi)完成路面數(shù)年后的破壞情況，是檢測路面狀態(tài)的最有效的手段之一?，F(xiàn)有的足尺路面加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備普遍存在價(jià)格昂貴，體積質(zhì)量大，不易移動，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。本文在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制了回轉(zhuǎn)式路面加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)備規(guī)格小、質(zhì)量輕、運(yùn)輸方便、操作簡單，解決了大型足尺加速加載設(shè)備的不足之處?？筛咝?、準(zhǔn)確的完成路面加速加載性能實(shí)驗(yàn)研究，為道路建設(shè)提供可靠依據(jù)。

Abstract： The road surface accumulation and loading equipment is one of the most effective means to detect the state of the road surface， which can complete the damage of the road surface in a short time. The existing full scale equipment for road surface generally has some problems， such as high price， large mass， difficult to move and complex structure. On the basis of the existing equipment， this paper develops a rotary road accelerated loading experimental equipment， which has small size， light weight， convenient transportation and simple operation， and overcomes the shortcomings of large full scale equipment. It can efficiently and accurately complete the test and research on accelerated loading performance of pavement， and provide reliable basis for road construction.

關(guān)鍵詞： 路面加速加載;回轉(zhuǎn)式;實(shí)驗(yàn)設(shè)備

Key words： road surface accumulation and loading;rotation;experiment equipment

中圖分類號：U418.6????????? ?????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0058-02

1? 國內(nèi)外路面加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

目前，城市道路和高速公路大多為瀝青路面，瀝青路面平整度高、接縫少、具有一定的彈性等優(yōu)點(diǎn)，但隨著時(shí)間推移，瀝青路面會發(fā)生劣化。特別是在高強(qiáng)度高負(fù)荷的碾壓下瀝青路面發(fā)生硬化和疲勞損壞的幾率變大，導(dǎo)致其壽命減少[1]。

如何在較短的時(shí)間內(nèi)，模擬數(shù)年甚至數(shù)十年路面的碾壓情況，來檢驗(yàn)路面質(zhì)量是當(dāng)前社會科學(xué)發(fā)展亟需解決的問題。國外研制了多類型的路面檢測設(shè)備，模擬車輛車輪碾壓路面的情況，可以在短時(shí)間內(nèi)模擬數(shù)年內(nèi)該路面實(shí)際的交通流量，可為檢測路面狀態(tài)、分析路面生命周期內(nèi)的破壞機(jī)理和優(yōu)化道路性能指標(biāo)提供依據(jù)。

路面加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備可分為環(huán)道式、直道可移動式和固定軌道式三類[2]。

1.1 環(huán)道式路面加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備

法國路橋?qū)嶒?yàn)中心研制的環(huán)道路面加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備，采用四臂系統(tǒng)加載，分為內(nèi)外兩個(gè)環(huán)道，實(shí)驗(yàn)最高速度為100km/h，最大軸荷為15t。該設(shè)備占地面積大，尺寸大[3]。

東南大學(xué)環(huán)道式路面加速加載設(shè)備采用雙臂加載系統(tǒng)。加載臂的末端安裝有加載輪，最大軸荷10t，實(shí)驗(yàn)最高速度60km/h，環(huán)境溫度范圍25-60℃。（圖1）

交通部重慶公路科學(xué)研究所環(huán)道式路面加速加載設(shè)備采用雙臂雙輪加載系統(tǒng)，最大軸荷10t，實(shí)驗(yàn)最高速度60km/h，環(huán)境溫度范圍25-60℃。（圖2）

綜上，環(huán)道式路面加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要有固定的環(huán)形場地。

1.2 直線可移動式加速加載設(shè)備

澳大利亞研制的直線加速加載設(shè)備ALF，設(shè)備總長12m，單軸主動輪碾壓模式，最大加載速度20km/h，最大軸荷為8t。（圖3）

南非研發(fā)的重車加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備HVS。液壓加載方式，單輪或者雙輪加載，最大軸載10t。（圖4）

美國加速加速TxMLS實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)備最大軸載19t，加載速度為20km/h，總長11m，設(shè)備含有溫控單元，加載的橫向?qū)挾瓤烧{(diào)節(jié)。（圖5）

南非加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備MLS，采用多輪循環(huán)碾壓模式，最大加載速度26km/h，最大軸荷15t。MLS設(shè)備加載效率高，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，故障率較高，維修成本高，運(yùn)轉(zhuǎn)噪音大。南非研制的小型加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備MMLS，為MLS設(shè)備的縮小版，原理相同，設(shè)備可用在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對路面試樣進(jìn)行碾壓測試。最高速度26km/h，最大軸荷2.5kN。（圖6）

1.3 固定軌道式加速加載設(shè)備

西班牙固定軌道式加速加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)CEDEX，設(shè)備在實(shí)際道路上進(jìn)行測試，加載載荷范圍為11t-15t，最高運(yùn)行速度60km/h。實(shí)驗(yàn)路面的溫度和濕度的可控。（圖7）

綜上，現(xiàn)有的加速加載設(shè)備的體積較為龐大，設(shè)備轉(zhuǎn)場的難度較大。價(jià)格均在千萬元以上。實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬單一，難以滿足當(dāng)前交通荷載和復(fù)雜環(huán)境條件下的需要。設(shè)備均為國外產(chǎn)品。因此，亟需結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可模擬多種環(huán)境的加速加載設(shè)備。

2? ALT-R100路面實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)

ALT-R100回轉(zhuǎn)式路面加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備由山東交通學(xué)院自主研發(fā)，三輪單向循環(huán)加載方式，能在較短的時(shí)間完成大量路面碾壓次數(shù)，模擬實(shí)際交通荷載及環(huán)境對路面的破壞情況?；剞D(zhuǎn)式加速加載設(shè)備如圖8所示。

2.1 ALT-R100系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ALT-R100回轉(zhuǎn)式加速加載系統(tǒng)的外形尺寸為3360mm×2120mm×2526mm;設(shè)備的實(shí)驗(yàn)輪數(shù)為3個(gè)，最大輪載1t，最大運(yùn)行加載速度為38km/h，碾壓長度為1000mm。

回轉(zhuǎn)式路面加速加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由柴油發(fā)動發(fā)電系統(tǒng)、機(jī)架、回轉(zhuǎn)架、主傳動系統(tǒng)、支腿總成、加載輪總成、環(huán)控系統(tǒng)、電控柜等部分組成。

2.2 ALT-R100系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)為電力驅(qū)動模式，采用一臺大功率的柴油發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，驅(qū)動設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)動發(fā)電機(jī)組為：濰柴悅動力HQ20kW柴油發(fā)電系統(tǒng)，額定輸出電壓400/220V，輸出電流36A。

三個(gè)加載輪安裝在回轉(zhuǎn)架末端，通過電機(jī)帶動回轉(zhuǎn)架在機(jī)體內(nèi)轉(zhuǎn)動，三個(gè)加載輪依次與待測路面接觸，完成碾壓動作。調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可改變碾壓速度。輪胎對于路面所施加荷載的調(diào)節(jié)方式有三種分別為：調(diào)節(jié)輪胎氣壓、調(diào)節(jié)機(jī)架高度和調(diào)節(jié)碾壓輪氣囊的壓力。機(jī)架高度的調(diào)節(jié)是通過安裝在四個(gè)支腿上的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中，當(dāng)某個(gè)碾壓輪運(yùn)行到測試路面時(shí)，立柱支腿上的稱重傳感器測量出支腿承受的壓力，從而計(jì)算出加載的壓力。通過這種方法，可實(shí)時(shí)測量加載壓力和載荷的標(biāo)定。設(shè)備電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)控制，實(shí)時(shí)測量加載壓力，工作溫度、環(huán)境溫度，記錄加載次數(shù)并顯示。

系統(tǒng)的核心控制節(jié)點(diǎn)為PLC控制器，PLC主要根據(jù)按鈕開關(guān)控制信息實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行部件的電氣控制，實(shí)現(xiàn)加載設(shè)備的啟動、停止、點(diǎn)動等操作。在設(shè)備運(yùn)行過程中，利用磁電轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、模擬量輸出模塊采集信號，PLC對采集信號進(jìn)行計(jì)算、處理，然后將計(jì)算結(jié)果通過串行通信接口傳送到顯示電路。顯示電路根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示加載次數(shù)、加載壓力、運(yùn)行速度、環(huán)境溫度、工作溫度等信息。

回轉(zhuǎn)式路面加速加載設(shè)備具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①帶有環(huán)境控制單元，耦合多種情況，可模擬高低溫、雨淋、強(qiáng)紫外線照射等環(huán)境。②加載方式靈活。加載輪采用充氣輪胎，單向行駛，可以模擬不同胎壓、車速下的路面加載情況，更加切合實(shí)際。③體積較小、重量較輕、運(yùn)輸方便，既可用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，也可用于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。

3? 結(jié)語

回轉(zhuǎn)式路面加速加載設(shè)備屬于小型的加速加載設(shè)備。具有設(shè)備規(guī)格小、質(zhì)量小、運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，既可以用于現(xiàn)場足尺瀝青路面的實(shí)驗(yàn)，亦可以用于室內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)，能夠很好的解決大型足尺加速加載設(shè)備的不足之處。帶有的自行走功能，可以輕松地實(shí)現(xiàn)設(shè)備轉(zhuǎn)場移動。配備的環(huán)境模擬單元，可模擬多種復(fù)雜環(huán)境（高溫，低溫，強(qiáng)紫外線，淋雨等）。能夠高效、準(zhǔn)確的完成路面加速加載性能實(shí)驗(yàn)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]李偉.纖維增強(qiáng)封層技術(shù)在公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用研究[D].重慶交通大學(xué)，2011.

[2]周文歡.路面加速加載設(shè)施優(yōu)選對策研究[D].長安大學(xué)，2011.

[3]王勛.基于加速加載實(shí)驗(yàn)的高寒地區(qū)瀝青路面疲勞性能研究[D].山東交通學(xué)院，2020.