CN106644788A - 一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪及试验方法 - Google Patents

一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪及试验方法 Download PDF

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Abstract

一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪及试验方法，包括平台，平台上设置有用于放置试样的动水试验箱，试样上设置有用于对试样进行来回碾压的车轮；平台上还竖直设置有机架，机架顶部设置有横梁，横梁上设置有用于对车轮进行加压的加压系统；车轮连接有转动系统并由转动系统带动，车轮前后设置有用于对试样进行动水冲刷的喷头。本发明通过加压系统对车轮加压，并可根据试验需要对加压系统进行调整，使其符合试验所需的压力，并且能够对压力进行精确控制，该加压系统能够较为真实地模拟路面在积水路面上行驶时产生的动水压力作用。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。

Description

一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪及试验方法
技术领域
本发明属于路面材料测试技术领域，具体涉及到一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪及试验方法。
背景技术
在工程实际中，路面的破坏不是单一因素引起的，由于路面是直接暴露在自然环境中的结构物，路面不仅会受到荷载的碾压作用，还会受到各种环境的综合作用，在降雨或表面积水的路面上，汽车高速行驶在被水膜覆盖的路面上，轮胎与路面之间会形成动水压力，又由于路面存在裂缝的原因，水或多或少会进入路面的内部，当轮胎通过时，由于动水压力的作用进而对路面结构内部材料产生冲刷，这种在动水压力作用下的不断冲刷下，路面就会由于动水压力的冲刷而发生破坏。此外，在冰雪天气下，很多地区常会使用除冰盐来融冰，冰雪溶化后路面上存在的融冰盐溶液会对路面产生溶蚀作用，从而加速了路面的破坏。
目前，国内外常见的评价路面材料冲刷性能的设备主要有旋转刷、振动台，旋转刷为旋转钢丝刷，试验过程中旋转刷对试件表面进行干磨刷，通过不同试件被钢丝刷刷下的材料颗粒的重量来衡量材料抗冲刷能力的强弱，这种用旋转刷测试路面材料抗冲刷的方法的缺点是不能有效模拟水的作用；用振动台试验装置在试验过程中考虑了水对试件的侵蚀作用及路面面层在行车荷载的作用下对饱水基层顶面的“泵吸作用”。但这种方法的缺点是不能有效把握冲刷作用力和冲刷次数，且冲刷面不能唯一确定，试验误差较大。《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中提出材料抗冲刷试验方法，由于该试验设备价格昂贵导致不能广泛应用。因此，应开发一种价格适中、操作简单、可控并能够模拟路面材料在疲劳荷载和动水压力耦合作用下的试验仪器。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪及试验方法，该仪器通过车轮不断在试件上来回碾压，产生疲劳荷载作用，通过水泵产生动水压力，能够较好地模拟路面材料在疲劳荷载与动水冲刷耦合作用下的工作状态。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪，包括平台，平台上设置有用于放置试样的动水试验箱，试样上设置有用于对试样进行来回碾压的车轮；平台上还竖直设置有机架，机架顶部设置有横梁，横梁上设置有用于对车轮进行加压的加压系统；车轮连接有转动系统并由转动系统带动，车轮前后设置有用于对试样进行动水冲刷的喷头。
本发明进一步的改进在于，所述加压系统包括设置在横梁上并能够沿横梁滑动的两个滑块，两个滑块的顶部设置有顶板，顶板底面设置有液压油缸，液压油缸的压头底端连接有水平放置的平板，车轮设置在平板下方的支架上。
本发明进一步的改进在于，所述转动系统包括驱动器，所述驱动器与车轮相连，车轮的轮轴上安装有从动轮盘；驱动器通过驱动轴带动驱动轮盘转动，驱动轮盘和从动轮盘之间设置有皮带。
本发明进一步的改进在于，所述平台下方设置有控制面板，并且控制面板上设置有计数器、指示灯、下降按钮、上升按钮、水泵开关按钮、驱动器开关按钮、电源指示灯以及电源按钮；其中，计数器与驱动器相连，上升按钮和下降按钮均与加压系统相连，驱动器开关按钮与驱动器相连。
本发明进一步的改进在于，所述平台底面设置有若干用于支撑平台的底架，底架之间设置有底板，底板上设置有水泵和蓄水箱，蓄水箱的出口经水泵与喷头相连。
本发明进一步的改进在于，所述底板上还设置有液压油泵，液压油泵通过进油导管与液压油缸连接。
本发明进一步的改进在于，所述水泵经入水导管与喷头连接，在入水导管距离喷头20cm处设置有水压变送器，水压变送器与设置在控制面板上的水压显示器相连。
本发明进一步的改进在于，所述动水试验箱底部设置有出水口，出水口处设置有出水阀门；出水口通过出水导管与蓄水箱相连。
本发明进一步的改进在于，所述车轮轮轴中心处设置有压力传感器，压力传感器连接有压力显示器。
一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验方法，包括以下步骤：
(1)首先按下控制面板上的上升按钮，使加压系统带动车轮上升到合适高度，然后把试件放入动水试验箱中，并将试件进行固定，再按下控制面板上的下降按钮使加压系统下降至车轮接触试件处停止；
(2)调节液压油泵控制阀门，同时观察加压系统上的压力显示器的数值，当达到试验所需压力时不再继续加压；
(3)打开水泵开关按钮，调节水泵控制阀门，同时观察控制面板上的水压力显示器的数值，当达到所需水压时不再继续施加压力，同时打开动水试验箱一侧的出水口阀门，使水回流至蓄水箱；
(4)观察压力显示器与水压力显示器，待其都达到所需压力并稳定时，设置好计数器上车轮来回碾压的次数，开启驱动器，试验开始；
(5)待达到试验所需碾压次数后，依次关闭驱动器、液压油泵、水泵，然后按下上升按钮使车轮上升至合适高度，取出试件，试验结束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)本发明通过驱动车轮以一定的频率在试件上来回碾压，产生疲劳荷载作用，通过喷头喷射产生动水压力，能够较好地模拟路面材料在车轮疲劳荷载与动水冲刷耦合作用下的工作状态。
(2)本发明通过加压系统对车轮加压，并可根据试验需要对加压系统进行调整，使其符合试验所需的压力，并且能够对压力进行精确控制，该加压系统能够较为真实地模拟路面在积水路面上行驶时产生的动水压力作用。
(3)本发明可有效控制车轮的碾压次数，通过记录不同的车轮碾压次数，对不同车轮碾压次数作用后的试件进行路面材料的路用性能试验，可较为直观地分析试件在动水冲刷与疲劳荷载耦合作用下各项路用性能的变化。
(4)本发明通过控制加压系统与喷头的开关，实现了既可以模拟对试件施加疲劳荷载单因素作用，也可以模拟疲劳荷载与动水冲刷的耦合作用，本发明能够为路面材料的抗冲刷能力提供了有力依据，从而也有利于提出有效的改进措施。
(5)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。
进一步的，本发明通过对水泵与压力变送器的协调作用，根据控制面板上水压显示器的数值调节水泵泵压的大小，实现了对路面材料精确施加动水压的功能。
进一步的，本发明采用的动水试验箱，在箱壁上设置出水口，可将箱内的水及时排除。此外，试验箱中也可盛放一些对路面有侵蚀作用的溶液，例如硫酸盐溶液，除冰盐溶液等。既可以模拟动水压力的作用，也可以模拟周围环境侵蚀的作用。
进一步的，本发明所设置的控制面板，可控制加压系统、驱动系统、水泵的启动与关闭，该控制面板上还设置有用于控制车轮来回碾压次数的计数器与反映动水压力的压力显示器。
本发明在测试时，首先按下控制面板上的上升按钮，使加压系统带动车轮上升到合适高度，然后把试件放入动水试验箱中，并将试件进行固定，再按下控制面板上的下降按钮使加压系统下降至车轮接触试件处停止；然后调节液压油泵控制阀门，同时观察加压系统上的压力显示器的数值，当达到试验所需压力时不再继续加压；打开水泵开关按钮，调节水泵控制阀门，同时观察控制面板上的水压力显示器的数值，当达到所需水压时不再继续施加压力；观察压力显示器与水压力显示器，待其都达到所需压力并稳定时，设置好计数器上车轮来回碾压的次数，开启驱动器，试验开始；待达到试验所需碾压次数后，依次关闭驱动器、液压油泵、水泵，然后按下上升按钮使车轮上升至合适高度，取出试件，试验结束，本发明能够模拟路面材料在模拟疲劳荷载与动水冲刷耦合作用下的试验，并且测试方法简便，测量准确。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图。
图2为本发明总体结构侧视图。
图3为本发明控制面板示意图。
图4为本发明加压系统及动水压力施加装置结构主视图。
图5为本发明加压系统及动水压力施加装置结构侧视图。
其中：1、蓄水箱；2、底架；3、平台；4、机架；5、横梁；6、固定旋钮；7、底板；8、出水导管；9、出水阀门；10、动水试验箱；11、滑块；12、压头；13、液压油缸；14、顶板；15、水压变送器；16、支座；17、固定压板；18、入水导管；19；水泵；20、输水导管；21、控制阀门；22、试件；23、车轮；24、皮带；25、平板；26、驱动器；27、控制面板；28、压力显示器；29、进油导管；30、压力传感器；31、回油导管；32、出水口；33、导线；34、驱动轴；35、驱动轮盘；36、从动轮盘；37、喷头；38、液压油泵；39、指示灯；40、下降按钮；41、上升按钮；42、水泵开关按钮；43、驱动器开关按钮；44、电源指示灯；45、电源按钮；46、水压显示器；47、计数器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。本发明实验过程中采用路面材料试件尺寸为100mm×100mm×400mm，试验可在室温下进行。
如图1～5所示，本发明包括平台3，平台3底面设置有若干用于支撑平台3的底架2，底架2之间设置有底板7，底板7上设置有水泵19和蓄水箱1；平台3上设置有用于放置试样22的动水试验箱10，动水试验箱10内设置有用于放置试样22的简支梁支座16；平台3上还竖直设置有机架4，机架4顶部设置有横梁5，横梁5上设置有用于对车轮23进行加压的加压系统，对车轮23加压，车轮23会对试样22进行加压。加压系统包括设置在横梁5上的轨道，轨道上设置有能够沿轨道滑动的两个滑块11，两个滑块11的顶部设置有顶板14，顶板14底面上设置有液压油缸13，液压油缸13的压头12底端连接有水平放置的平板25，平板25下表面上还设置有支架，车轮23安装在支架上。
底板7上还设置有液压油泵38，液压油泵38通过进油导管29与液压油缸13连接为加压系统提供压力，卸载时，液压油缸13通过回油导管31将油回流至液压油泵38。加压系统的压力调节范围为0～25kN。
实验过程中可通过液压油泵38调节压力使得加压系统达到试验所需的压力，平板25下方设置有用于对试样22进行碾压的并排车轮23，车轮23由转动系统带动。
如图4～5所示，所述转动系统包括驱动器26、驱动轮盘35、从动轮盘36以及皮带24；该驱动器26与车轮23相连，并且可使得车轮23以一定频率来回在试件22上运动，具体的，车轮23的轮轴上安装有从动轮盘36；驱动器26安装在平板25上，驱动器26通过驱动轴34带动驱动轮盘35转动，驱动轮盘35和从动轮盘36之间设置有皮带24，具体的，皮带24一端设置在驱动轮盘35上，另一端设置在车轮的轮轴的从动轮盘36上，从而带动车轮23转动。该驱动器26可通过改变转动方向从而使得车轮能够来回在试件上进行碾压。驱动器26还连接有变频器，利用变频器设置荷载作用的频率为0-20Hz。
参见图2和图3，平台3下方设置有控制面板27，该控制面板用于控制总电源开关、液压油泵启动与关闭、驱动器开关、记录车轮来回碾压次数以及显示动水压力，该控制面板27上设置有计数器47、水压显示器46、指示灯39、下降按钮40、上升按钮41、水泵开关按钮42、驱动器开关按钮43、电源指示灯44以及电源按钮45。其中，计数器47与驱动器26相连，并用于记录车轮的碾压次数；上升按钮41和下降按钮41均与加压系统相连，驱动器开关按钮43与驱动器26相连。指示灯39包括下降按钮40、上升按钮41、水泵开关按钮42、驱动器开关按钮43中的每一个按钮所对应的指示灯。
如图1～5所示，所述动水试验箱10中的液体由水泵19泵送，具体的，水泵19经入水导管18与设置在车轮23前后的喷头37连接，喷头37对车轮喷水，可进行动水冲刷；在入水导管18距离喷头20cm处设置有水压变送器15，水压变送器15将读取的水压数据传送至控制面板27的水压显示器46上，水压显示器46用于显示施加的动水压力大小；实验过程中可通过观察水压显示器中水压的数值，并调节水泵19使得水压控制在试验所需的范围。为了模拟高速公路中动水压力的大小，该压力大小范围在0～0.25MPa之间，调整精度为0.01MPa。蓄水箱1出口通过输水导管20与水泵19相连，并且蓄水箱1出口处设置有控制阀门21；动水试验箱10底部设置有出水口32，出水口32处设置有出水阀门9；出水口32通过出水导管8与蓄水箱1相连；试验过程中动水试验箱10中的水经由出水口32、出水导管8回流至蓄水箱1中，可实现试验用水的循环利用。动水试验箱10外壁上设置有固定旋钮6，内壁上设置有固定压板17，固定旋钮6与固定压板17相连，通过调节固定旋钮6可将固定压板17调整至合适位置，从而将试件22固定完好。
如图5所示，所述车轮23轮轴中心处设置有压力传感器30，压力传感器30连接有压力显示器28，压力传感器30通过导线33将压力信息反馈至压力显示器28，通过压力显示器28上可读出作用于车轮轴心压力的数值。
一种基于上述模拟路面材料在疲劳荷载和动水冲刷耦合作用下的试验仪的试验方法如下：
(1)本发明试验过程中采用路面材料的试件尺寸为100mm×100mm×400mm，不同道路材料的试件按各自规范成型，成型后放入恒温(25℃±2℃)、恒湿(湿度＞90％)的标准养生室内养生，龄期按试验要求而定，试验前将试件取出进行外观检查，保证无明显损坏。
(2)打开电源，首先按下控制面板27上的上升按钮41，使加压系统带动车轮23上升到合适高度并将动水试验箱10内的支座16准确安放好，然后把试件22放入动水试验箱10中，同时调节位于动水试验箱侧面的固定旋钮6，通过调节固定旋钮6可将固定压板17调整至合适位置，从而将试件22固定完好，再按下控制面板上的下降按钮40使加压系统下降至车轮23接触试件22处停止。
(3)打开液压油泵按钮，调节液压油泵38控制阀门，同时观察加压系统上的压力显示器28的数值，当达到试验所需压力时不再继续加压。
(4)打开水泵开关按钮42，调节水泵控制阀门，同时观察控制面板上的水压力显示器46的数值，当达到所需水压时不再继续施加压力，同时打开动水试验箱10一侧的出水口阀门，使水回流至蓄水箱1。
(5)观察压力显示器28与水压力显示器46，待其都达到所需压力并稳定时，设置好计数器47上车轮来回碾压的次数，按下驱动器开关按钮43，试验开始。
(6)待达到试验所需碾压次数后，依次关闭驱动器26、液压油泵38水泵19，然后按下上升按钮42使车轮23上升至合适高度，调节固定旋钮6，使固定压板17放松，取出试件，试验结束。

Claims (10)

1.一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪，其特征在于，包括平台(3)，平台(3)上设置有用于放置试样(22)的动水试验箱(10)，试样(22)上设置有用于对试样(22)进行来回碾压的车轮(23)；平台(3)上还竖直设置有机架(4)，机架(4)顶部设置有横梁(5)，横梁(5)上设置有用于对车轮(23)进行加压的加压系统；车轮(23)连接有转动系统，车轮(23)前后设置有用于对试样(22)进行动水冲刷的喷头(37)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪，其特征在于，所述加压系统包括设置在横梁(5)上并能够沿横梁(5)滑动的两个滑块(11)，两个滑块(11)的顶部设置有顶板(14)，顶板(14)底面设置有液压油缸(13)，液压油缸(13)的压头(12)底端连接有水平放置的平板(25)，车轮(23)设置在平板(25)下方的支架上。
3.根据权利要求1所述的一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪，其特征在于，所述转动系统包括驱动器(26)，所述驱动器(26)与车轮(23)相连，车轮(23)的轮轴上安装有从动轮盘(36)；驱动器(26)通过驱动轴(34)带动驱动轮盘(35)转动，驱动轮盘(35)和从动轮盘(36)之间设置有皮带(24)。
4.根据权利要求3所述的一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪，其特征在于，所述平台(3)下方设置有控制面板(27)，控制面板(27)上设置有计数器(47)、指示灯(39)、下降按钮(40)、上升按钮(41)、水泵开关按钮(42)、驱动器开关按钮(43)、电源指示灯(44)以及电源按钮(45)；其中，计数器(47)与驱动器(26)相连，上升按钮(41)和下降按钮(41)均与加压系统相连，驱动器开关按钮(43)与驱动器(26)相连。
5.根据权利要求1所述的一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪，其特征在于，所述平台(3)底面设置有若干用于支撑平台(3)的底架(2)，底架(2)之间设置有底板(7)，底板(7)上设置有水泵(19)和蓄水箱(1)，蓄水箱(1)的出口经水泵(19)与喷头(37)相连。
6.根据权利要求5所述的一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪，其特征在于，所述底板(7)上还设置有液压油泵(38)，液压油泵(38)通过进油导管(29)与液压油缸(13)连接。
7.根据权利要求6所述的一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪，其特征在于，所述水泵(19)经入水导管(18)与喷头(37)连接，在入水导管(18)距离喷头20cm处设置有水压变送器(15)，水压变送器(15)与设置在控制面板(27)上的水压显示器(46)相连。
8.根据权利要求6所述的一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪，其特征在于，所述动水试验箱(10)底部设置有出水口(32)，出水口(32)处设置有出水阀门(9)；出水口(32)通过出水导管(8)与蓄水箱(1)相连。
9.根据权利要求1所述的一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验仪，其特征在于，所述车轮(23)轮轴中心处设置有压力传感器(30)，压力传感器(30)连接有压力显示器(28)。
10.一种模拟疲劳荷载与动水冲刷作用下的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先按下控制面板(27)上的上升按钮(41)，使加压系统带动车轮(23)上升到合适高度，然后把试件(22)放入动水试验箱(10)中，并将试件(22)进行固定，再按下控制面板上的下降按钮(40)使加压系统下降至车轮(23)接触试件(22)处停止；
(2)调节液压油泵(38)控制阀门，同时观察加压系统上的压力显示器(28)的数值，当达到试验所需压力时不再继续加压；
(3)打开水泵开关按钮(42)，调节水泵控制阀门，同时观察控制面板上的水压力显示器(46)的数值，当达到所需水压时不再继续施加压力，同时打开动水试验箱(10)一侧的出水口阀门，使水回流至蓄水箱(1)；
(4)观察压力显示器(28)与水压力显示器(46)，待其都达到所需压力并稳定时，设置好计数器(47)上车轮来回碾压的次数，开启驱动器(26)，试验开始；
(5)待达到试验所需碾压次数后，依次关闭驱动器(26)、液压油泵(38)、水泵(19)，然后按下上升按钮(42)使车轮(23)上升至合适高度，取出试件，试验结束。
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