CN105277676A - 一种测定路面微波除冰性能的可移动式试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测定路面微波除冰性能的可移动式试验装置，包括试件成型装置和可移动式微波除冰装置；同时，提供了其使用方法，本发明的试验装置与试验方法能够优选出微波除冰性能突出的路面材料，提高道路微波除冰效率，推动道路微波除冰技术的发展。

Description

一种测定路面微波除冰性能的可移动式试验装置及方法

技术领域

本发明属于城市道路、机场道路和公路等的融雪除冰技术领域，具体涉及到一种测定路面微波除冰性能的试验装置及试验方法。

背景技术

我国大部分地区的公路、城市道路和机场道路等在冬季都会受到冰雪影响。道路的积雪结冰不仅导致交通中断，还容易引发交通事故，带来严重的经济和生命财产损失。近年来，由于全球气候变暖等因素的影响，持续强降雪等极端恶劣天气呈现不断增加的趋势，而且波及和影响的范围也越来越广。道路积雪结冰时，路面的摩擦系数降低，使得车辆行驶、制动困难，极易发生交通事故。对世界主要大中城市进行调查得出，因道路结冰造成的交通事故占冬季交通事故总量的35%以上。因此，世界上地处高纬度地区的各国都在研究有效清除道路冰雪的方法。

在传统的融雪除冰方式中，喷撒各种融雪剂等化学融冰雪法往往带来巨大的环境危害；人工和机械除冰雪法，速度慢，效率低，而且耗费巨大的人力物力，面对紧急情况，往往难以应付。微波融雪除冰是一项具有环保、节能等特点的技术，利用微波除冰车可以边行走边除冰，在除冰过程中，微波车发射的微波可以穿过冰层直接作用在冰层与路面的结合部，使路面发热、融化结合部冰层，冰层与路面随之脱离，实现融雪除冰的目的。微波除冰技术除冰效率高，且对清除厚冰层具有优势，因此得到越来越多的研究和应用。

不同道路路面材料对微波的吸收和发热效率有很大的差别，直接影响微波除冰的效率。目前尚没有能够直接测定路面材料微波除冰性能的试验装置和试验方法，使得研究人员只能采用间接的试验方法对其进行估计，如利用微波直接加热路面材料，测定路面材料的微波发热效率，并据此判断路面材料的微波除冰性能。经过大量试验研究发现该方法存在如下缺陷：（1）微波加热过程中，路面材料未覆盖冰层，与实际除冰情况不符，且不同冰层厚度覆盖下路面材料的发热效率有较大差别；（2）路面材料的微波发热效率指标不能够为微波除冰车的发射功率、行走速度等指标提供依据。综上所述，路面材料的微波发热效率与微波除冰性能是两个不同指标，二者不能互相替代。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种路面材料微波除冰性能的试验装置和试验方法，能够准确的测定路面材料的微波除冰性能，从而可以从提高道路微波除冰效率的角度优选出适用于微波除冰的路面材料，并为微波除冰车的使用提供如微波发射频率、发射功率、行驶速度等技术参数。

为实现上述目的，本发明的试验装置包括试件成型装置和可移动式微波除冰装置。

所述的试件成型装置包括四边形底板，底板的四边垂直设有侧板，底板和侧板之间、侧板和侧板之间设有密封垫片，用螺丝紧固连接。侧板上设有液位计。

所述可移动式微波除冰装置包括控制系统、微波加热系统和移动装置。

所述的控制系统包括总电源、数据处理与控制单元、微波加热功率控制模块、加热频率控制模块、加热时间控制模块和移动速度控制模块；

所述的总电源对整个微波除冰装置进行供电并控制；

数据处理与控制单元包括红外测温仪、拉力传感器、测速器；红外测温仪用于测定封闭加热方式下路面材料的表面温度；拉力传感器用于测定冰层与路面材料试件表面之间的粘结力；测速器用于测定微波除冰装置的行驶速度；数据处理与控制单元能够接收和显示采集的信息；

加热功率、加热频率、加热时间控制模块与微波加热系统连接，控制微波除冰的加热功率大小，加热频率选择和加热时间的长短；

移动速度控制模块与移动装置连接，控制移动装置的前进或后退等移动、制动及移动速度；

所述的微波加热系统包含不同频率的多个磁控管、微波天线、加热腔、散热装置和屏蔽装置；

微波加热系统的加热腔为两用型，包括封闭加热模式和开放加热模式，封闭加热模式下加热腔底板封闭，开放加热模式下加热腔底板为打开状态。

所述移动装置承载整个微波除冰性能试验装饰，包括橡胶轮、制动器、电动机、传动器和电磁屏蔽帘；

电动机与种植系统连接，能够接受指令，通过传动链条驱动橡胶轮前进或后退；

电磁屏蔽帘用以防止微波泄漏。

一种测定路面材料微波除冰性能的试验方法，其特征在于利用上述试验装置，按照以下步骤进行：

（1）试件制备

①按照交通运输部部颁标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）中的T0703－2011轮碾法成型沥青混凝土试件，试件尺寸为300×300mm×40mm，试件个数根据实际需要确定；

②根据所要制作的除冰试件长度选择成型底板与侧板，将沥青混凝土试件放置在底板上，依次在连接处安装密封垫圈，利用螺丝紧固底板、侧板，形成试验槽；

③在试件成型槽中注水，利用液位计查看液面高度，注水液面高度由试验覆冰厚度确定，如覆冰厚度为h（mm）,则液面高度应为h+40（mm）；

④将试件成型装置放置在－10℃±1℃的恒温箱或恒温室中，至结冰，应保持该装置水平，使冰层厚度均匀；

⑤卸下紧固的螺丝，将成型装置侧板打开，取出覆冰试件，放在恒温箱或恒温室中，备用。

（2）测定

①该试验操作须全部在温度可调节的温控室中进行，将温控室中的温度调整至试验温度，保持5h；

②将覆冰试件的下层沥青混凝土固定在地面，利用塑料或其他透波材料制成的软绳将表面冰层紧固并连接在力学传感器上，将冰层向一侧牵引，使牵引力达到100N，并固定；

③将微波除冰装置移至覆冰试件上方，使出波口完全覆盖试件，固定；检查并确保电磁屏蔽帘完全与地面接触，以防止试验过程中微波泄漏；

④在控制系统操作面板上选择微波发热功率、频率参数，启动微波除冰装置；

⑤当牵引力下降至5N时，微波除冰装置自动停止加热，记录此时的加热时间T（s）；

⑥重新取一块覆冰试件，将其下层沥青混凝土固定在地面，利用塑料或其他透波材料制成的软绳将表面冰层紧固并连接在力学传感器上，将冰层向一侧牵引，使牵引力达到100N，并固定；

⑦将微波除冰装置移至覆冰试件一侧，使底部出波口边缘与试件边缘距离0.5m，在控制系统操作面板上选择微波发热功率、频率参数，设定微波除冰装置的行驶速度为30/T（m/min），启动微波除冰装置；

⑧待微波除冰装置底部出波口完全越过覆冰试件时，使微波除冰装置停止行驶，并关闭微波加热系统，查看拉力传感器数值；

⑨如拉力传感器最终数值大于5N，则将覆冰试件在试验环境下静置3h，降低微波除冰装置的行驶速度，重复⑥～⑧；如拉力传感器在试验过程中变为0，则重新取一块覆冰试件，提高微波除冰装置的行驶速度，重复⑥～⑧；如拉力传感器最终数值为0～5N之间，则记录此时的行驶速度V（m/min）。

（3）结果整理

路面材料的微波除冰性能以除冰时间T（s）与除冰行驶速度V（m/min）计，试验结果除冰时间T（s）与除冰行驶速度V（m/min）均应注明微波加热频率（GHz）、微波加热功率（kW）、试验温度（℃）与覆冰厚度（mm）等试验条件。

通过本发明的试验装置与试验方法测定不同路面材料的微波除冰性能，能够反映不同路面材料除冰性能的差异，测试结果准确、稳定、可靠，区分度高。本发明的试验装置与试验方法能够优选出微波除冰性能突出的路面材料，提高道路微波除冰效率，推动道路微波除冰技术的发展。

附图说明

图1为成型装置的结构示意图；

图2为可移动式微波除冰装置的原理图；

图3为可移动式微波除冰装置的的结构示意图；

图4为成型装置的立体结构图；

图5为可移动式微波除冰装置的的立体效果图。

图1中，101底板，102侧板紧固螺丝，103纵向侧板，104横向侧板，105密封垫片，106纵向侧板紧固螺丝，107底板紧固螺丝，108液位计。图3中：201屏蔽帘，202橡胶轮，203制动器，204移动装置，205可拆卸底板，206测速器，207传动器，208电动机，209拉力传感器，210数据线，211A、211B红外测温仪，212微波天线，213加热腔门，214加热腔，215移动速度控制模块，216控制面板，217加热时间控制模块，218数据处理与控制单元，219散热窗，220A、220B屏蔽罩，221磁控管，222通风扇，223总电源，224微波频率控制模块，225微波功率控制模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的试验试件成型装置主要由底板101，横向侧板104和纵向侧板103组成，底板101与侧板103、104、横向侧板104与纵向侧板103之间通过紧固螺丝连接，根据所要制作的试件尺寸，多块底板101之间可以通过底板紧固螺丝107连接，多块纵向侧板103之间通过纵向侧板紧固螺丝106连接，以上接触面均放置密封垫片105，防止漏水。试验槽组装完成后，将沥青混凝土试件放入试验槽后放水，利用液位计108控制液面高度使试件覆冰高度满足试验要求。

如图2所示本发明中的微波除冰装置主要由控制系统、微波加热系统、数据采集系统与移动装置组成。数据采集系统采集数据并传输至控制系统，控制系统向微波加热系统和移动装置下达指令，完成微波加热与试验装置移动，通过测定覆冰路面材料冰层与路面脱离所需的加热时间以及完成除冰试验装置所需的最大行驶速度两项指标表征路面材料的微波除冰性能。

如图3所示，本发明的可移动式微波除冰装置可以进行微波除冰性能试验，表征微波除冰性能的指标为微波除冰加热时间与最大除冰行驶速度。

测定微波除冰加热时间时，应首先通过制动器206使除冰装置固定，再将加热腔214底部的可拆卸底板205卸下，把覆冰试件放置于出波口下方并固定，利用塑料或其他透波材料制成的软绳将表面冰层紧固并连接在拉力传感器209上，将冰层向一侧牵引，使牵引力达到100N，再将其固定；将屏蔽帘201放下，使之与地面完全接触，避免微波泄漏；将加热腔门213关闭，通过控制面板216的微波频率模块224、微波功率模块225设定试验微波发射频率与发射功率，启动磁控管221；拉力传感器209实时记录拉力变化，并传输至数据处理与控制单元218，当拉力＜5N时，表示覆冰试件的冰层与路面材料之间脱离，数据处理与控制单元218自动断开电源，并显示微波加热时间。该微波加热时间越短，表明该试验试件在微波作用下的发热速度越快，其微波除冰性能越强。

测定最大除冰行驶速度时，首先通过制动器203使除冰装置解除固定，再将加热腔214底部的可拆卸底板205卸下，把覆冰试件放置于出波口下方并固定，利用塑料或其他透波材料制成的软绳将表面冰层紧固并连接在拉力传感器209上，将冰层向一侧牵引，使牵引力达到100N，再将其固定；将加热腔门213关闭，将微波除冰装置移至覆冰试件一侧，使底部出波口边缘与试件边缘距离为0.5m；将屏蔽帘201放下，使之与地面完全接触，避免微波泄漏；通过控制面板216的微波频率模块224、微波功率模块225设定试验微波发射频率与发射功率，通过控制面板216的移动速度控制模块215设定移动装置204的行驶速度；启动磁控管221，移动装置的电动机208开始工作，通过传动器207带动橡胶轮202转动，微波除冰装置以固定速度通过覆冰试件；通过不断调整微波除冰装置的行驶速度，得出能够使覆冰试件与冰层脱离的最大行驶速度。该最大行驶速度越快，表明该路面材料的微波除冰性能越好。此外，该试验结果亦能为确定实际路面微波除冰车的行驶速度等参数提供参考和依据。

该试验装置还可以进行传统的微波发热效率试验，将可拆卸底板205安装上，则可以形成封闭的加热腔214，把试验试件直接放入加热腔微波天线212下方，将加热腔门213关闭，通过控制面板216设置好微波加热频率、功率和时间，启动磁控管221，红外测温仪211A、211B可以实时采集试件表面温度，并传输至数据处理与控制单元218记录并显示。该试验结果可与表征微波除冰性能的微波除冰加热时间、最大行驶速度两项指标进行对比分析。

试验方法的实施方式：

为验证本发明微波除冰性能的试验装置及试验方法的可靠性与有益效果，下面结合实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于以下实施例。

具体试验步骤如下：

（1）试件制备

①按照交通运输部部颁标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）中的T0703－2011轮碾法成型沥青混凝土试件，试件尺寸为300×300mm×40mm，沥青混凝土中的矿料采用4种不同材质，分别为石灰岩、花岗岩、玄武岩和磁铁矿。

②根据所要制作的除冰试件长度选择成型底板与侧板，将沥青混凝土试件放置在底板上，依次在连接处安装密封垫圈，利用螺丝紧固底板、侧板，形成试验槽；

③在试件成型槽中注水，利用液位计查看液面高度，注水液面高度由试验覆冰厚度确定，覆冰厚度为10mm,则液面高度应为50mm；

④将试件成型装置放置在－10℃±1℃的恒温室中，至结冰，保持该装置水平，使冰层厚度均匀；

⑤卸下紧固的螺丝，将成型装置侧板打开，取出覆冰试件，放在恒温室中，备用。

（2）测定

①该试验操作全部在温度可调节的恒温室中进行，将恒温室中的温度调整至试验温度－10℃，保持5h；

②将覆冰试件的下层沥青混凝土固定在地面，利用塑料或其他透波材料制成的软绳将表面冰层紧固并连接在力学传感器上，将冰层向一侧牵引，使牵引力达到100N，并固定；

③将微波除冰装置移至覆冰试件上方，使出波口完全覆盖试件，固定；检查并确保电磁屏蔽帘完全与地面接触，以防止试验过程中微波泄漏；

④在控制系统操作面板上选择微波发热功率10kW、微波频率为2.45GHz，启动微波除冰装置；

⑤当牵引力下降至5N时，微波除冰装置自动停止加热，记录此时的加热时间T（s）；

⑥重新取一块覆冰试件，将其下层沥青混凝土固定在地面，利用塑料或其他透波材料制成的软绳将表面冰层紧固并连接在力学传感器上，将冰层向一侧牵引，使牵引力达到100N，并固定；

⑦将微波除冰装置移至覆冰试件一侧，使底部出波口边缘与试件边缘距离0.5m，在控制系统操作面板上选择微波发热功率10kW、微波频率为2.45GHz，设定微波除冰装置的行驶速度为30/T（m/min），启动微波除冰装置；

⑧待微波除冰装置底部出波口完全越过覆冰试件时，使微波除冰装置停止行驶，并关闭微波加热系统，查看拉力传感器数值；

⑨如拉力传感器最终数值大于5N，则将覆冰试件在试验环境下静置3h，降低微波除冰装置的行驶速度，重复⑥～⑧；如拉力传感器在试验过程中变为0，则重新取一块覆冰试件，提高微波除冰装置的行驶速度，重复⑥～⑧；如拉力传感器最终数值为0～5N之间，则记录此时的行驶速度V（m/min）。

（3）结果整理

分别采用石灰岩、花岗岩、玄武岩和磁铁矿4种不同材质制成的覆冰沥青混凝土试件，其微波除冰时间T（s）与最大除冰行驶速度V（m/min）试验结果见下表。

表1不同材质沥青混凝土微波除冰性能试验结果

注：试验温度为－10℃，微波加热频率2.45GHz，微波加热功率10kW，覆冰厚度10mm。

试验结果表明：通过本发明的试验装置与试验方法测定不同路面材料的微波除冰性能，能够反映不同路面材料除冰性能的差异，测试结果准确、稳定、可靠，区分度高。本发明的试验装置与试验方法能够优选出微波除冰性能突出的路面材料，提高道路微波除冰效率，推动道路微波除冰技术的发展。

需要说明的是，以上实施例仅是为了理解本发明，本发明不限于该实施例，凡在本发明的技术方案基础上所做的技术特征的添加、等同替换或修改，均应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种测定路面微波除冰性能的可移动式试验装置，其特征在于，包括试件成型装置和可移动式微波除冰装置。

2.根据权利要求1所述的可移动式试验装置，其特征在于，所述的试件成型装置包括四边形底板，底板的四边垂直设有侧板，底板和侧板之间、侧板和侧板之间设有密封垫片，用螺丝紧固连接；侧板上设有液位计。

3.根据权利要求1所述的可移动式试验装置，其特征在于，所述可移动式微波除冰装置包括控制系统、微波加热系统和移动装置；所述的控制系统包括总电源、数据处理与控制单元、微波加热功率控制模块、加热频率控制模块、加热时间控制模块和移动速度控制模块；

所述的总电源对整个微波除冰装置进行供电并控制；数据处理与控制单元包括红外测温仪、拉力传感器、测速器；红外测温仪用于测定封闭加热方式下路面材料的表面温度；拉力传感器用于测定冰层与路面材料试件表面之间的粘结力；测速器用于测定微波除冰装置的行驶速度；数据处理与控制单元能够接收和显示采集的信息；加热功率、加热频率、加热时间控制模块与微波加热系统连接，控制微波除冰的加热功率大小，加热频率选择和加热时间的长短；移动速度控制模块与移动装置连接，控制移动装置的移动、制动及移动速度；所述的微波加热系统包含不同频率的多个磁控管、微波天线、加热腔、散热装置和屏蔽装置；微波加热系统的加热腔为两用型，包括封闭加热模式和开放加热模式，封闭加热模式下加热腔底板封闭，开放加热模式下加热腔底板为打开状态;所述移动装置承载整个微波除冰性能试验装饰，包括橡胶轮、制动器、电动机、传动器和电磁屏蔽帘；电动机与种植系统连接，能够接受指令，通过传动链条驱动橡胶轮前进或后退；电磁屏蔽帘用以防止微波泄漏。

4.一种应用权利要求1-3中任一项所述的测定路面微波除冰性能的可移动式试验装置测定路面材料微波除冰性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）试件制备

①按照交通运输部部颁标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0703－2011轮碾法成型沥青混凝土试件，试件尺寸为300×300mm×40mm，试件个数根据实际需要确定；

②根据所要制作的除冰试件长度选择成型底板与侧板，将沥青混凝土试件放置在底板上，依次在连接处安装密封垫圈，利用螺丝紧固底板、侧板，形成试验槽；

③在试件成型槽中注水，利用液位计查看液面高度，注水液面高度由试验覆冰厚度确定，如覆冰厚度为h,则液面高度应为h+40mm；

④将试件成型装置放置在－10℃±1℃的恒温箱或恒温室中，至结冰，应保持该装置水平，使冰层厚度均匀；

⑤卸下紧固的螺丝，将成型装置侧板打开，取出覆冰试件，放在恒温箱或恒温室中，备用；

（2）测定

①该试验操作须全部在温度可调节的温控室中进行，将温控室中的温度调整至试验温度，保持5h；

②将覆冰试件的下层沥青混凝土固定在地面，利用塑料或其他透波材料制成的软绳将表面冰层紧固并连接在力学传感器上，将冰层向一侧牵引，使牵引力达到100N，并固定；

③将微波除冰装置移至覆冰试件上方，使出波口完全覆盖试件，固定；检查并确保电磁屏蔽帘完全与地面接触，以防止试验过程中微波泄漏；

④在控制系统操作面板上选择微波发热功率、频率参数，启动微波除冰装置；

⑤当牵引力下降至5N时，微波除冰装置自动停止加热，记录此时的加热时间T；

⑥重新取一块覆冰试件，将其下层沥青混凝土固定在地面，利用塑料或其他透波材料制成的软绳将表面冰层紧固并连接在力学传感器上，将冰层向一侧牵引，使牵引力达到100N，并固定；

⑦将微波除冰装置移至覆冰试件一侧，使底部出波口边缘与试件边缘距离0.5m，在控制系统操作面板上选择微波发热功率、频率参数，设定微波除冰装置的行驶速度为30/T，启动微波除冰装置；

⑧待微波除冰装置底部出波口完全越过覆冰试件时，使微波除冰装置停止行驶，并关闭微波加热系统，查看拉力传感器数值；

⑨如拉力传感器最终数值大于5N，则将覆冰试件在试验环境下静置3h，降低微波除冰装置的行驶速度，重复⑥～⑧；如拉力传感器在试验过程中变为0，则重新取一块覆冰试件，提高微波除冰装置的行驶速度，重复⑥～⑧；如拉力传感器最终数值为0～5N之间，则记录此时的行驶速度V。