CN105203421A - 一种电磁驱动的道路材料冲刷试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁驱动的道路材料冲刷试验装置，包括冲刷桶，冲刷桶中放置有试件，并在冲刷桶中填充有水，水面超出试件顶面；试件的上方设置有可沿靠近或远离试件顶面方向运动的冲刷板，冲刷板往复运动带动水流运动，水流运动对试件表面造成冲刷。本发明通过导入交流，交流电方向周期性变化从而实现导杆上下反复运动，通过导杆带动冲刷板移动，在冲刷桶内产生动水对试件进行冲刷和抽吸循环作用；通过控制台改变交流电的频率及电流大小可以实现对冲刷动水压力的精确控制，能够更真实的模拟实际冲刷过程中不同动水压力及作用频率对基层或面层的冲刷。

Description

一种电磁驱动的道路材料冲刷试验装置

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，涉及一种道路性能试验装置，具体涉及一种电磁驱动的道路材料冲刷试验装置。

背景技术

水泥路面与沥青路面直接暴露于自然环境中，在降雨天或路表面有积水时，高速行驶的车辆经过被水覆盖的路面时会产生较高压力的动水，动水对沥青路面反复冲刷使面层沥青混合料的集料剥落，造成沥青混合料的严重水损害，影响面层路用性能；动水对水泥路面的冲刷会造成水泥混凝土的溶蚀及细集料的脱落，影响混凝土的强度及使用性能。此外，路表的自由水通过孔隙、裂缝、接缝进入面层与基层的交界处，该处的积水在车辆荷载作用下同样会产生较大的动水压力和抽象力，对半刚性基层重复作用引起基层的冲刷掏空，造成面层与基层的脱空，导致路面结构受力的改变。大量工程实际表明，基层冲刷往往会造成路面的积泥、沉陷、开裂、错台等病害，严重影响路面的寿命及使用。

国内外常见的评价道路材料冲刷性能的设备主要有旋转刷、振动台，这类试验设备没有水的参与，与工程实际情况相差较大；道路材料冲刷机在冲刷过程中有虽然有水的参与，但这类设备不能控制动水压力的大小及频率；喷射高压冲刷、旋转水流冲刷等试验设备能够控制动水压力大小，但不能模拟自由水的泵吸作用，并不能很好的模拟道路材料的实际冲刷情况；借助MTS的基层材料冲刷设备能够很好的控制动水压力的大小及频率，能够很好的模拟动水对基层的冲刷作用，但这类设备体积大、成本高、操作复杂，不适合推广使用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种可控冲刷强度及频率的道路材料抗冲刷性能试验装置，更加真实地模拟实际工作环境中的冲刷情况，确保试验结果的有效性。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种电磁驱动的道路材料冲刷试验装置，包括冲刷桶，冲刷桶中放置有试件，并在冲刷桶中填充有水，水面超出试件顶面；试件的上方设置有可沿靠近或远离试件顶面方向运动的冲刷板，冲刷板往复运动带动水流运动，水流运动对试件表面造成冲刷。

进一步地，所述的冲刷板由一个驱动系统控制运动，该驱动系统包括一个固定架，固定架的内部具有一个封闭的内腔，内腔的外部环绕内腔设置有环形的容纳腔，容纳腔中设置有绕组支架，绕组支架上缠绕有绕组，容纳腔的外部通过轭铁密封；所述的内腔中活动式设置有一个衔铁，衔铁底部通过穿出内腔的导杆与所述的冲刷板连接；在内腔中的顶部设置有弹簧。

进一步地，所述的冲刷板上设置有用于和导杆对接的推杆，冲刷板的周向为圆形结构，纵向截面呈等腰梯形；等腰梯形的腰与上底之间的夹角为3°～5°。

进一步地，所述的冲刷板的底部设置有导水板，导水板上分布有花纹结构。

进一步地，所述的冲刷板的底面设置有球面状泵吸腔，泵吸腔的纵向截面为一段圆弧，该圆弧对应的圆心角的度数α为60°～90°。

进一步地，在环绕泵吸腔的边缘上设置有一圈导流面，导流面为斜面，斜面与水平面之间的夹角度数β为15°～30°；导流面的两端分别与泵吸腔的边缘、导水板的边缘相接。

进一步地，所述的冲刷桶中填充的水注满冲刷桶，在冲刷桶的顶部设置有中部带有通孔的橡胶盖。

进一步地，所述的冲刷桶设置在一个带有凹腔的底座中，底座具有侧壁，在底座的侧壁上设置有位置可调的托板，所述的固定架通过螺栓固定在托板上，托板上有用于通过导杆的孔。

进一步地，所述的冲刷试验装置还包括一个控制系统，控制系统包括控制台，控制台中设置有通过控制器控制的可变电阻器以及变频器，可变电阻器和变频器均与所述的绕组连接；在内腔中的顶部设置有计数传感器，在冲刷桶靠近试件顶面的侧壁上设置有压力变送器，计数传感器、压力变送器均与控制器连接。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.本发明通过导入交流，交流电方向周期性变化从而实现导杆上下反复运动，通过导杆带动冲刷板移动，在冲刷桶内产生动水对试件进行冲刷和抽吸循环作用；通过控制台改变交流电的频率及电流大小可以实现对冲刷动水压力的精确控制，能够更真实的模拟实际冲刷过程中不同动水压力及作用频率对基层或面层的冲刷。

2.本发明采用刚性和柔性两种不同的冲刷板，既可以模拟动水对基层材料的冲刷作用，同时可以模拟动水对于面层材料的冲刷、泵吸作用；

3.本发明采用电磁驱动方式获得冲刷动力，提高了冲刷效率，具有低磨耗、噪声小的优点。

4.本发明结构合理、使用方便，体积小巧、便于搬运，成本较低，易于实现，适合推广使用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为柔性的冲刷板的结构示意图；

图3为刚性的冲刷板的结构示意图；

图4为本发明的工作流程示意图；

图中标号代表：1—底座，2—侧壁，3—托板，4—衔铁，5—轭铁，6—绕组支架，7—绕组，8—缓冲弹簧，9—固定架，10—导杆，11—冲刷板，12—冲刷桶，13—螺栓，14—试件，15—压力变送器，16—计数传感器，17—控制台，18—导线，19—推杆，20—花纹，21—导水板，22—导流面，23—泵吸腔。

具体实施方式

道路材料在实际应用过程中面临的水损害主要体现在水流对材料表面的冲刷以及水流运动过程中产生的泵吸作用而使材料表面产生的剥离上。然而现有的试验设备均不能客观、有效地模拟上述过程。本发明的思路是，提供一种通过控制水流运动来模拟冲刷、泵吸等作用的试验装置。

如图1所示，一种电磁驱动的道路材料冲刷试验装置，包括冲刷桶12，冲刷桶12中放置有试件14，并在冲刷桶12中填充有水，水面超出试件14顶面；试件14的上方设置有可沿靠近或远离试件14顶面方向运动的冲刷板11，冲刷板11往复运动带动水流运动，水流运动对试件14表面造成冲刷。

本发明的主体结构包括一个装有试件14的冲刷桶12。冲刷桶12中有没过试件14顶面的水，为冲刷提供条件；试件14的侧面与冲刷桶12之间不留间隙或留有较小的间隙，尽可能减小水流对试件14侧面冲刷给试验结果造成的影响。本发明中设置了冲刷板11结构，冲刷板11整体没入术中，冲刷板11在水中上下运动时，带动水流运动；当冲刷板11的运动频率很高时，水流运动是剧烈的，这样就能在试件14表面形成多方向、多角度、多类型的冲刷效果，尽可能地接近自然条件下道路材料面临的实际情况。当冲刷板11靠近试件14表面时，冲刷板11对冲刷板11和试件14之间的水流挤压，使二者之间的水流快速逃逸，在试件14表面产生冲刷作用；而当冲刷板11快速朝着远离试件14表面的方向运动时，冲刷板11两侧的水流的流速不足以快速填充冲刷板11和试件14表面之间产生的空间，因此冲刷板11向上移动时，会在冲刷板11底部产生泵吸作用，对试件14表面的材料产生剥离作用。由此本装置能通过一个结构实现多种模拟效果，实验效果更好。为了在试验过程中保证泵吸效果，需要使冲刷板11的运动方向与水平面保持垂直，并且冲刷板11与冲刷桶12之间的间隙不能过大。

更优地，冲刷桶12中填充的水注满冲刷桶12，在冲刷桶12的顶部设置有中部带有通孔的橡胶盖，这种设置可减少冲刷过程中水的损失量，保证冲刷板11始终能全部没入水中，减少水的补充量。

如图1所示，为了使冲刷效果更佳，更好地模拟冲刷，那么就要保持冲刷板11运动的规律性和高速。因此本方案中设置了一套驱动系统，该驱动系统包括一个固定架9，固定架9的内部具有一个封闭的内腔，内腔的外部环绕内腔设置有环形的容纳腔，容纳腔中设置有绕组支架6，绕组支架6上缠绕有绕组7，容纳腔的外部通过轭铁5密封，屏蔽绕组7通电后向外部产生的磁场；所述的内腔中活动式设置有一个衔铁4，衔铁4底部通过穿出内腔的导杆10与所述的冲刷板11连接；在内腔中的顶部设置有弹簧8。

本方案中绕组7中流经的是交流电，而衔铁4采用磁铁。当通过绕组7的交流电为正半周期时，绕组7产生的磁场方向在上部为N极，驱使衔铁4将向下运动，从而通过导杆10带动冲刷板11向下移动挤压冲刷试件14上部的自由水使之具有一定压力冲刷试件14；当通过绕组7的交流电为负半周期时，衔铁4将通过导杆10带动冲刷板11向上移动，此时的自由水将受到真空压力作用对冲刷试件14产生泵吸作用。如此重复即可实现动水的反复冲刷和泵吸作用。内腔处于磁场环境中，由于摩擦力小，因此可在磁场的变化条件下高速地往复运动，带动冲刷板11形成冲刷作用。衔铁4与内腔之间的间隙不应过大，使衔铁4运动过程中不发生偏移和翻转而影响到导杆10的运动。内腔顶部设置的弹簧8起到缓冲作用，减小衔铁4运动对固定架9整体造成的震动影响。

如图2和图3所示，为本发明中冲刷板11的结构示意图(纵向剖视)。冲刷板11上设置有用于和导杆10对接的推杆19，冲刷板11的周向为圆形结构，纵向截面呈等腰梯形；等腰梯形的腰与上底之间的夹角为3°～5°。

冲刷板11为可拆卸式结构，可方便地与导杆10对接。冲刷板11的形状与冲刷桶12相仿，其周向为圆形，放入冲刷桶12之后，其圆周上不同位置与冲刷桶12侧壁2之间的间隙一致。冲刷板11的纵向截面是等腰梯形结构，且等腰梯形的腰与上底的夹角有特定的要求，该度数是发明人经过多次试验研究得出的，设置这个度数的夹角，可使冲刷板11在向上抬起时，冲刷板11上方的水流能以较高的速度填充冲刷板11底部，防止冲刷板11频率过高而导致在一次运动周期中，泵吸作用尚未完成冲刷板11又开始了下一次的运动周期(这样使冲刷效果差)。另外，在冲刷板11的底部设置有导水板21，导水板21上分布有花纹20结构；花纹20结构类似于轮胎上的花纹20，其可以看作是导水槽，起到导流水的作用，促使水流运动，也能起到搅动水流的作用。

为了更好地产生泵吸作用，以模拟实际情况，同时使水流的运动幅度更大，缩短试验时间，本方案中设置了另一种导水板21结构。如图3所示，冲刷板11的底面设置有球面状泵吸腔23，泵吸腔23的纵向截面为一段圆弧，该圆弧对应的圆心角的度数α经多次试验得出为60°～90°时，效果最佳。泵吸腔23的作用是，泵吸腔23增大了导水板21底部可容纳水的体积，在导水板21向上运动时，底部更加容易产生泵吸作用，这样就缩短了导水板21的运动幅度，可减小冲刷桶12的高度、内腔的高度，从而减小了整个装置的体积。

更进一步地，为了与泵吸腔23更好地配合，在环绕泵吸腔23的边缘上设置有一圈导流面22，导流面22为斜面，斜面与水平面之间的夹角度数β为15°～30°；导流面22的两端分别与泵吸腔23的边缘、导水板21的边缘相接。导流面22起到导流作用，能促使水流快速进入、流出导流腔，防止导流板向下运动时由于产生过大压力而使水流冲起桶盖，或导致驱动系统的停车。

为了使整个装置的集成性更好，本方案中冲刷桶12设置在一个带有凹腔的底座1中，底座1具有侧壁2，在底座1的侧壁2上设置有位置可调的托板3，所述的固定架9通过螺栓13固定在托板3上，托板3上有用于通过导杆10的孔。可根据实际需要调整托板3的位置，从而配合不同大小的冲刷桶12以及试件14。底座1中的凹腔大小与冲刷桶12底部大小相匹配，用来固定冲刷桶12。

上述的驱动系统，可通过自动化调节，以使整个实验过程可控性更好，操作更加方便，同时数据获取更加直观。为此，发明人给出了一套控制系统，如图3所示，控制系统包括控制台17，控制台17中设置有通过控制器控制的可变电阻器以及变频器，可变电阻器和变频器均与所述的绕组7连接；变频器可调整电压和频率，与可变电阻器配合，共同用来调整绕组7中的电流，以实现对衔铁4运动功率、频率的调节及控制。在内腔中的顶部设置有计数传感器16，在冲刷桶12靠近试件14顶面的侧壁2上设置有压力变送器15，计数传感器16、压力变送器15均通过导线18与控制器连接；计数传感器16、压力变送器15分别可采集到衔铁4的运动频率信息以及当前试件14表面的压力信息，将这些信息反馈给控制器，控制器根据设定的阈值进行判断后，利用变频器和可变电阻器来控制衔铁4运动频率，从而控制冲刷过程中水流的压力和冲刷频率，以对冲刷过程精确控制。控制台17上还设置一个具有显示屏、键盘的控制面板，用以输入调控信息，以通过控制器调控试验参数。

Claims (9)

1.一种电磁驱动的道路材料冲刷试验装置，其特征在于，包括冲刷桶(12)，冲刷桶(12)中放置有试件(14)，并在冲刷桶(12)中填充有水，水面超出试件(14)顶面；试件(14)的上方设置有可沿靠近或远离试件(14)顶面方向运动的冲刷板(11)，冲刷板(11)往复运动带动水流运动，水流运动对试件(14)表面造成冲刷。

2.如权利要求1所述的电磁驱动的道路材料冲刷试验装置，其特征在于，所述的冲刷板(11)由一个驱动系统控制运动，该驱动系统包括一个固定架(9)，固定架(9)的内部具有一个封闭的内腔，内腔的外部环绕内腔设置有环形的容纳腔，容纳腔中设置有绕组支架(6)，绕组支架(6)上缠绕有绕组(7)，容纳腔的外部通过轭铁(5)密封；所述的内腔中活动式设置有一个衔铁(4)，衔铁(4)底部通过穿出内腔的导杆(10)与所述的冲刷板(11)连接；在内腔中的顶部设置有弹簧(8)。

3.如权利要求1所述的电磁驱动的道路材料冲刷试验装置，其特征在于，所述的冲刷板(11)上设置有用于和导杆(10)对接的推杆(19)，冲刷板(11)的周向为圆形结构，纵向截面呈等腰梯形；等腰梯形的腰与上底之间的夹角为3°～5°。

4.如权利要求1所述的电磁驱动的道路材料冲刷试验装置，其特征在于，所述的冲刷板(11)的底部设置有导水板(21)，导水板(21)上分布有花纹(20)结构。

5.如权利要求1所述的电磁驱动的道路材料冲刷试验装置，其特征在于，所述的冲刷板(11)的底面设置有球面状泵吸腔(23)，泵吸腔(23)的纵向截面为一段圆弧，该圆弧对应的圆心角的度数α为60°～90°。

6.如权利要求5所述的电磁驱动的道路材料冲刷试验装置，其特征在于，在环绕泵吸腔(23)的边缘上设置有一圈导流面(22)，导流面(22)为斜面，斜面与水平面之间的夹角度数β为(15)°～(30)°；导流面(22)的两端分别与泵吸腔(23)的边缘、导水板(21)的边缘相接。

7.如权利要求1所述的电磁驱动的道路材料冲刷试验装置，其特征在于，所述的冲刷桶(12)中填充的水注满冲刷桶(12)，在冲刷桶(12)的顶部设置有中部带有通孔的橡胶盖。

8.如权利要求2所述的电磁驱动的道路材料冲刷试验装置，其特征在于，所述的冲刷桶(12)设置在一个带有凹腔的底座(1)中，底座(1)具有侧壁(2)，在底座(1)的侧壁(2)上设置有位置可调的托板(3)，所述的固定架(9)通过螺栓(13)固定在托板(3)上，托板(3)上有用于通过导杆(10)的孔。

9.如权利要求2所述的电磁驱动的道路材料冲刷试验装置，其特征在于，所述的冲刷试验装置还包括一个控制系统，控制系统包括控制台(17)，控制台(17)中设置有通过控制器控制的可变电阻器以及变频器，可变电阻器和变频器均与所述的绕组(7)连接；在内腔中的顶部设置有计数传感器(16)，在冲刷桶(12)靠近试件(14)顶面的侧壁(2)上设置有压力变送器(15)，计数传感器(16)、压力变送器(15)均与控制器连接。