CN104897477B - 一种沥青类材料蠕变试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青类材料蠕变试验装置包括实验台、支架、压头组件、三级杠杆增力结构、温控机构，支架包括前立柱和后立柱，杠杆机构包括第一杠杆、第二杠杆、第三杠杆、第一立杆、第二立杆、托盘，托盘铰接于第一杠杆，第一杠杆、第三杠杆铰接于前立柱，第二杠杆铰接于后立柱，第一立杆分别铰接于第一杠杆和第二杠杆，第二立杆上下两端分别铰接于第二杠杆和第三杠杆，第三杠杆与压头组件铰接，压头组件夹紧试件，试件置于温控机构内。本发明对所施力进行放大，提高了杠杆蠕变系统的量程，通过微位移补偿系统，控制设备的工作状态。设备简单，拆卸方便，易于维护。

Description

一种沥青类材料蠕变试验装置

技术领域

本发明涉及检测设备技术领域，特别是指一种沥青类材料蠕变试验装置。

背景技术

沥青是一种典型的粘弹性材料，从而导致沥青混凝土在高温下产生车辙变形，影响沥青路面的使用性能。此外，低温环境下，沥青的粘弹性能又会影响沥青混凝土的松弛性能，从而减小沥青路面的开裂^[1]。因此，研究沥青及沥青混凝土的粘弹性变形特性是评价沥青路面高低温性能的有效方式。

蠕变试验是评价粘弹性材料变形特性的有效方法。长期以来，为了探究沥青类材料的蠕变性能，许多学者采用不同的试验设备对沥青及沥青混凝土的蠕变性能进行了测试分析。张裕卿采用UTM试验机研究了沥青混合料的永久变形规律，指出温度和应力均是导致永久变形的主要因素。张久鹏等在UTM试验机上分别进行SMA13和AC13两种类型沥青混合料的单轴静载蠕变试验。万成、吴志勇等使用Cooper-NU-14试验系统评价了沥青混合料的蠕变疲劳性能。胡曼^[6]采用Cooper气动多功能试验机进行了不同温度的混合料蠕变试验。郭庆林^[7]采用Cooper气动多功能试验机探讨了密级配沥青混凝土的非线性粘弹性能，指出应力水平增大会引起蠕变变形的非线性增大。陈骁等^[8]利用MTS810材料试验系统，对松散热态SBS改性沥青混合料进行压缩试验，确定了不同荷载循环过程下沥青混合料的粘弹塑性参数，分析了热态沥青混合料的变形特性，为深入研究沥青混合料的热流变性能提供了新的途径。通过以上分析可以看出，这些学者在研究中采用的试验设备主要包括UTM液压伺服试验机、MTS材料测试试验机和Cooper气动多功能试验机。

长时蠕变试验对试验仪器的稳定性和耐久性能提出了较高要求，载荷系统及仪表系统长期稳定性和可靠性是制约蠕变试验的主要问题。目前，电液伺服试验机和气动试验机虽具有较高的精度，但设备复杂程度较高，一旦设备停转，需要专业人员对其进行维修，仪器日常维护成本较高，由于设备昂贵难以推广应用。

可见，对沥青类材料蠕变试验机械进行设计研究不仅能够降低设备成本和设备维护难度，而且有利于提高设备的可靠程度和耐久性，简化蠕变试验过程。因此，对蠕变试验机械进行设计研究具有重要的工程研究价值。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的问题，提供一种采用三级杠杆施力结构的结构简单、易于维护、高效的沥青类材料蠕变试验装置。该沥青类材料蠕变试验装置包括实验台、支架、压头组件、三级杠杆增力结构、温控机构，其中固定于实验台的所述支架包括前立柱和后立柱，所述三级杠杆增力结构包括第一杠杆、第二杠杆、第三杠杆、第一立杆、第二立杆、托盘，所述托盘铰接于所述第一杠杆，所述第一杠杆、第三杠杆铰接于所述前立柱，所述第二杠杆铰接于所述后立柱，所述第一立杆上下两端分别铰接于所述第一杠杆和第二杠杆，所述第二立杆上下两端分别铰接于所述第二杠杆和第三杠杆，所述第三杠杆与所述压头组件铰接，所述压头组件夹紧试件，所述试件置于所述温控机构内。

作为优选，所述沥青类材料蠕变试验装置还包括位移补偿装置和试验底座，所述位移补偿装置包括主动螺杆、从动螺母、推杆、斜块、弹簧、固定装置，所述弹簧连接在所述斜块和所述固定装置之间，旋转所述主动螺杆带动与之匹配的所述从动螺母运动，所述从动螺母推动推杆带动所述斜块运动，所述斜块推动放置试件的所述试验底座。

作为优选，所述沥青类材料蠕变试验装置还包括数据采集机构，所述数据采集机构包括位移传感器、压力传感器、温度传感器，所述位移传感器安装于所述压头组件用于测量试件的变形量，所述压力传感器安装于所述第三杠杆用于测量试件所受力的大小，所述温度传感器安装于所述温控机构用于测量实时试验温度。

进一步，所述沥青类材料蠕变试验装置的所述压力传感器是一种S型压力传感器。

作为优选，所述沥青类材料蠕变试验装置的所述温控机构包括温度调节机、动力系统、保温系统，温度调节机可对试件进行加热或降温，保温系统保证试验温度恒定，动力系统为空气循环提供所需动力。

进一步，所述沥青类材料蠕变试验装置的保温系统为一种内壁夹层采用多层隔热材料的温控箱。

作为优选，所述沥青类材料蠕变试验装置所述压头组件包括测量支柱和夹头，所述夹头位于所述测量支柱下端。

作为优选，所述沥青类材料蠕变试验装置所述第一杠杆上设置有多级限位孔，第二杠杆、第三杠杆为变截面杠杆。实验者可根据试验施力需要，随时调节动力臂的长短，进一步增大施力范围。

本发明具有以下有益效果：采用三级折回式杠杆增力系统，对所施力进行放大，放大倍数较以往单级杠杆有了显著提升，大大提高了杠杆蠕变系统的量程。同时，三级折回式杠杆的应用，缩短了空间杆件的设计尺寸，缩小了占地面积。通过微位移补偿系统，对杆件施力部位移下降进行补充，解决试件微小位移引起杠杆末端巨大位移，从而控制设备的工作状态。设备简单，拆卸方便，易于维护。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是位移补偿装置示意图；

图3是折回式三级串联式增力三级杠杆增力结构的工作原理图；

1、底座；2、支架；21、前立柱；22、后立柱；3、压头组件；4、三级杠杆增力结构；41、第一杠杆；42、第二杠杆；43、第三杠杆；44、第一立杆；45、第二立杆；46、托盘；5、温控机构；6、位移补偿装置；61、主动螺杆；62、从动螺母；63、推杆；64、斜块；65、弹簧；66、固定装置；7、试验底座；8、压力传感器。

具体实施方式

本发明研究思路：采用三级折回式杠杆增力系统，通过砝码加载和杠杆结构施加恒定外力，从而实现沥青类材料的蠕变性能测试。同时采用角度进给系统对试件蠕变过程中的微小变形进行补偿，从而使杠杆增力机构保持较好的工作性能。采用有限元方法对蠕变试验机的内力和变形进行了计算分析，并对构件应力进行了验算，从而保证本机械具有较好的强度和刚度特性。

如图3所示，折回式三级串联式增力三级杠杆增力结构的工作原理图。该装置主要由三级串联增力杠杆和中间的传力杆组成。若用人力或其他驱动装置在一级杠杆的右端施加一个向下的力F后，该力将通过中间传力杆，依次传递到二级杠杆和三级杠杆上；经过3次串联力放大后，产生输出力F。由于将力放大过程分解到叠层式的3个杠杆上实现，因此，与单一三级杠杆增力结构相比，该增力机构纵向长度尺寸大为缩小，便于工程应用。

机构的增力系数为输出力与输入力的比值，常用i_l表示，图3所示折回式三级串联增力三级杠杆增力结构的理论增力系数i,实际增力系数为i_p，理论输出力F_cp和实际输出力F_op可以按照如下公式计算:

如图1所示，沥青类材料蠕变试验装置包括底座1、固定于底座1上的前立柱21和后立柱22。第一杠杆41、第三杠杆43铰接于所述前立柱21，第二杠杆42铰接于所述后立柱22，第一立杆44上下两端分别铰接于所述第一杠杆41和第二杠杆42，第二立杆45上下两端分别铰接于所述第二杠杆42和第三杠杆43，所述第三杠杆43与压头组件3铰接，所述第一杠杆41上铰接有托盘46用来放置砝码。上述机构组成了三级折回式杠杆增力系统，通过砝码加载即可对试件施加较大试验荷载和恒定外力。

该实施例还包括S型压力传感器，S型压力传感器8安装于所述第三杠杆43用于测量试件所受力的大小。利用S型压力传感器8采集试件所受压力，通过力敏元件，转换元件，电路三个部分将压力信号转变为电信号，输入计算机数据采集系统进行实时处理。该传感器主要利用采用铝合金结构，具有低外形、抗偏载、精度高、强度好等特点，适用于沥青类材料蠕变试验的测定。在第三杠杆43中安装传感器时，应保证第一杠杆41水平，且连杆与第一杠杆41垂直；同理，保证S型压力传感器8与第三杠杆43垂直。采用这种设计，可减小试验偏差，提高传感器的准确度和灵敏度。同时，连杆处于自由悬挂状态，不可与其它物体摩擦，避免因安装不当对实验造成误差。在安装传感器后，必须经过检定合格后方可使用。

试验温度主要由温控机构控制，整个温控机构包括温度调节机，动力系统，保温系统，和温度传感器5。温度调节机与动力系统相互配合，对试验温度进行调节，保温系统则保证试件温度恒定。温度调节机可根据实验的需要，对试件进行加热或降温；温控箱内壁夹层采用多层隔热材料，避免箱内空气与外界进行热交换，保证试验温度恒定。所述温度传感器安装于所述控温机构5用于测量实时试验温度。环境实时温度可通过温度传感器在计算机上直接读出，试验人员可根据自身要求对实验环境进行升温或降温。

经误差计算可知，在一定范围内，三级增力三级杠杆增力结构在放大微小机械力的同时，还会导致微位移的放大。对于该机构而言，微小的试件变形会导致施力部杠杆下沉幅度偏大，从而影响整个机构的工作效率甚至会导致机械产生自锁死现象，无法保证增力效果，造成蠕变试验的失败。所以，为充分发挥三级串联增力三级杠杆增力结构的优势，提高整个机构的灵活性和稳定性，在试件底部采用移动加载基座的形式进行微位移补偿。该试验机还设置有位移补偿装置，通过位移补偿系统，对杆件施力部位移下降进行补充，解决试件微小位移引起杠杆末端巨大位移，从而控制设备的工作状态。如图2所示，所述位移补偿装置包括主动螺杆61、从动螺母62、推杆63、斜块64、弹簧65、固定装置66，所述弹簧65连接在所述斜块64和所述固定装置66之间，旋转所述主动螺杆61带动与之匹配的所述从动螺母62运动，所述从动螺母62推动推杆63带动所述斜块64运动，所述斜块64推动放置试件的所述试验底座7。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种沥青类材料蠕变试验装置，其特征在于：包括实验台(1)、支架(2)、压头组件(3)、三级杠杆增力结构(4)、温控机构(5)，其中固定于实验台(1)的所述支架(2)包括前立柱(21)和后立柱(22)，所述三级杠杆增力结构(4)包括第一杠杆(41)、第二杠杆(42)、第三杠杆(43)、第一立杆(44)、第二立杆(45)、托盘(46)，所述托盘(46)铰接于所述第一杠杆(41)，所述第一杠杆(41)、第三杠杆(43)铰接于所述前立柱(21)，所述第二杠杆(42)铰接于所述后立柱(22)，所述第一立杆(44)上下两端分别铰接于所述第一杠杆(41)和第二杠杆(42)，所述第二立杆(45)上下两端分别铰接于所述第二杠杆(42)和第三杠杆(43)，所述第三杠杆(43)与所述压头组件(3)铰接，所述压头组件(3)夹紧试件，所述试件置于所述温控机构(5)内；所述沥青类材料蠕变试验装置还包括数据采集机构，所述数据采集机构包括位移传感器，所述位移传感器安装于所述压头组件(3)用于测量试件的变形量；所述压头组件(3)包括测量支柱和夹头，所述夹头位于所述测量支柱下端；

还包括位移补偿装置(6)和试验底座(7)，所述位移补偿装置(6)包括主动螺杆(61)、从动螺母(62)、推杆(63)、斜块(64)、弹簧(65)、固定装置(66)，所述弹簧(65)连接在所述斜块(64)和所述固定装置(66)之间，旋转所述主动螺杆(61)带动与之匹配的所述从动螺母(62)运动，所述从动螺母(62)推动推杆(63)带动所述斜块(64)运动，所述斜块(64)推动放置试件的所述试验底座(7)。

2.据权利要求1所述的沥青类材料蠕变试验装置，其特征在于：所述数据采集机构还包括压力传感器(8)、温度传感器，所述压力传感器(8)安装于所述第三杠杆(43)用于测量试件所受力的大小，所述温度传感器安装于所述温控机构(5)用于测量实时试验温度。

3.据权利要求2所述的沥青类材料蠕变试验装置，其特征在于：所述压力传感器(8)是一种S型压力传感器。

4.据权利要求1所述的沥青类材料蠕变试验装置，其特征在于：所述温控机构(5)包括温度调节机、动力系统、保温系统，温度调节机可对试件进行加热或降温，保温系统保证试验温度恒定，动力系统为空气循环提供所需动力。

5.据权利要求4所述的沥青类材料蠕变试验装置，其特征在于：所述保温系统为一种内壁夹层采用多层隔热材料的温控箱。

6.据权利要求1所述的沥青类材料蠕变试验装置，其特征在于：所述第一杠杆(41)上设置有多级限位孔，第二杠杆(42)、第三杠杆(43)为变截面杠杆。