CN112345357A - 一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪，目前国内现有的加速加载试验设备噪音大、能耗高、运行成本高、效率低，不能广泛的推广和使用。本发明通过滑动装置上下移动，从而推动轮胎前后移动实现往返直线运动进行加载试验，能够真实的模拟汽车轮胎在路面上的行驶运动状态，可广泛用于沥青路面抗滑性能衰减特性研究和破坏机理研究等。本发明包括试验箱、支架装置、滑动装置、控温装置、控湿装置、加载装置。本发明能够真实模拟路面不同温度、不同荷载、不同湿度下的实际受力状况。

Description

一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪

技术领域

本发明涉及一种能够模拟汽车轮胎在路面上行驶时的运动状态，通过轮胎的直线运动对路面重复施加竖向荷载和水平荷载，并可控制荷载大小、水平运动速度、路面温度和干湿环境的道路试验检测设备。

背景技术

利用传统的室内试验仪器研究路面材料和结构性能存在着一定的局限性，无法做到与路面的实际受力状况相符合。近年来，一大批新的大型设备被开发出来，比如路面加速加载试验系统、MTS试验机、UTM试验机等，其中路面加速加载试验系统是最顶尖的道路试验仪器，它能对正常施工的路段施加仿真的轮载，并通过重复地对路面结构施加足尺的移动轮载来迅速判定路面的性能。

目前世界范围内只有南非、美国、澳大利亚等少数国家研制路面加速加载试验系统并销售，国内尚未发现生产并销售路面加速加载试验设备。由于进口设备价格昂贵，供货周期长等原因，国内购买的路面加速加载试验设备数量少、价格高，比较典型的是交通部公路科学研究所1990年购买的ALF型路面加速加载试验设备，同济大学2010年购买的MLS66型路面加速加载试验系统和1/3足尺路面加速加载系统MMLS，长安大学2010年购买的路面加速加载试验系统HVS。

已有设备的工作原理：

1、澳大利亚研制的ALF路面加速加载设备，采用单轴主动轮在12m长的试验段上进行单向加载，加载速度为20km/h，轴荷为40～80KN。

2、南非研制的MLS路面加速加载设备，4个(或6个)加载轮在一个近似椭圆的框架轨道上循环运行，釆用循环式从动轮加载，加载速度为0～26km/h，轴荷0～150KN。

3、南非研制的1/3足尺加速加载试验设备MMLS,主要应用在实验室对路面试样进行对比性实验。采用循环式从动轮加载，加载速度为0～26km/h，轴荷0～2.5KN。

4、南非研制、美国生产的HVS路面加速加载装备，釆用双向主动轮加载，加载速度为14km/h，轴荷20～100KN

已有设备缺点：

1、造价昂贵，南非生产的MLS目前售价在2000万左右，MMLS也在100万元以上；

2、设计上偏复杂，启动制动频繁，加载方式存在缺陷，如美国制造的HVS；

3、部分加速加载设备荷载间歇时间短，与实际道路车辆间隔时间不符，不能真实地再现道路车辆运行环境，造成研究结构与实际路面运行状况一致性差，如南非生产的MLS和MMLS加速加载设备运行过程中冲击噪音大、能耗高，运行成本加大，而且冲击较大，使得设备轮轨磨损严重，降低了设备使用寿命；

4、设备电气电缆寿命低，需要经常更换电缆，设备维护不方便，如ALF动力电缆折弯频繁，磨损严重。

针对目前重轴载、大交通量和极端气候环境条件下沥青路面早期损坏严重和使用寿命较短的现状，结合国内外沥青路面使用情况及路面加速加载试验设备的调查，本专利在借鉴吸收先进理念的基础上，设计了具有自主知识产权的缩尺路面加速加载试验系统。

发明内容

本发明的目的是解决目前国内无法生产路面加载系统的现状，设计研发原理简单实用、使用方便、功能齐全、造价低廉且符合车辆真实运行环境的路面加速加载系统。

目前我国现行沥青路面设计规范以黄河、解放等卡车作为标准车，标准车对路面加载采用单轴双轮组形式，轮胎有地面接触假设为圆形，两轮中心距1.5δ＝0.3195m，把路面荷载接触面定义为圆形，当量圆的直径d＝0.213m，标准轴载100KN，胎压0.7MPa，如图1所示。

检验路面材料和结构性能时，只需描述车辆后轮轮组或后轮单轮通过路面时的状态，实际上轮胎在路面上行驶时只承受切向摩擦力和竖向荷载，如图2所示。

本仪器进行设计时，只需保障给轮胎施加一定数值的竖向荷载，并保持其沿路面切向运动时该荷载大小不变即可，具体设备为：

(1)切向运动装置

(2)竖向加载装置

(3)控温装置

(4)控湿装置

本仪器进行设计时，一定要保证传送连杆Ⅰ(M)与中轴之间的角度β和传送连杆Ⅳ(S)与中轴之间的角度α要一致相同，并保证传送连杆Ⅰ(M)在中轴上的水平投影长度X₃和传送连杆Ⅳ(S)在中轴上的水平投影长度X₄与X₅之和相等，如图3所示：

本仪器进行设计时，为了保证下部的轮胎(H)和上部的滑轮(C)左右同步运动，所以必须保证传送连杆Ⅰ(M)和传送连杆Ⅳ(S)之间的比例关系，即两根连杆在中轴上的投影长度相同，其中X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、α、β之间的关系如下：

(1)

(2)α＝β

(3)X₁cosβ＝X₃

(4)X₂cosα＝X₄

(5)X₃＝X₄+X₅

式中：X₁为传送连杆Ⅰ(M)的长度；X₂为传送连杆Ⅳ(S)的长度；X₃为传送连杆Ⅰ(M)在水平面上的投影；X₄为传送连杆Ⅳ(S)在水平面上的投影；X₅为重块中心到与传送连杆Ⅳ(S)连接点的距离。

本仪器进行设计时，为了保证下部的轮胎(H)和上部的滑轮(C)左右同步运动，所以必须保证滑动装置Ⅰ(P)、滑动装置Ⅱ(Q)的相对滑动距离相同。如图5所示：

本仪器进行设计时，假设发动机(L)转动的角度为θ，发动机轮盘半径为r。以基座(J)为X轴，以滑杆(K)为Y轴，建立直角坐标系。传送连杆Ⅲ(O)随着发动机(L)转动时与滑杆(K)形成一定角度，即L₁与Y轴之间的角度为ψ，传送连杆Ⅱ(N)随着发动机(L)转动时与滑杆(K)形成一定角度，即L₂与Y轴之间的角度为γ。通过以上条件即可求出L₁与发动机(L)转动角度θ之间的比例关系与和L₂与发动机(L)转动角度θ之间的比例关系。其中θ、γ、ψ、L₁、L₂、r之间的关系如下：

(1)

(2)

式中:L₁为传送连杆Ⅲ(O)的长度；L₂为传送连杆Ⅱ(N)的长度；

本发明具有一下优点：

1、结构简单，以轮胎的横向运动模拟车辆运行；

2、造价低，在实现相同甚至更多功能的前提下，成本相比进口设备大幅压缩；

3、轮胎水平运动距离可控，加载时间可控，可完美模拟轮胎真实荷载环境；

4、智能控制，加载方便并可实现多种模式加载，杜绝了频繁启动和制动；

5、能量转化率高，噪音小；

6、维修成本低，使用寿命高。

附图说明

图1是标准车路面加载模式图；

图2是轮胎运动模式图；

图3是连杆结构简图；

图4是连杆投影图；

图5是连杆结构和发动机简图；

图6是本发明所使用装置结构主视图；

图7是图6的俯视图；

图8是图6的侧视图。

图中：A-顶板；B-千斤顶；C-滑轮；D-弹簧；E-重块；F-支架结构；G-加载连杆；H-轮胎；I-钢槽；J-基座；K-滑杆；L-发动机；M-传送连杆Ⅰ；N-传送连杆Ⅱ；O-传送连杆Ⅲ；P-滑动装置Ⅰ；Q-滑动装置Ⅱ；R-固定构件；S-传送连杆Ⅳ；T-显示器；U-滑动反力架。

具体实施方式

为了让本技术领域的工作人员更能明确的了解本发明，综合上述特征结合附图对本发明的具体实施方式作详细描述。

一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪其特征在于：往钢槽(I)中添加实际路面沥青混合料碾压成型的缩尺路面结构，接通电源，在控制台上设置加载数值，点击开始按钮。千斤顶(B)逐渐向下压，通过滑动反力架(H)和重块(E)对轮胎(H)进行加载,同时发动机(L)运转，并带动轮盘转动，其轮盘上的传送连杆Ⅱ(N)、传送连杆Ⅲ(O)成180°做相对转动，并带动滑动装置Ⅰ(P)和滑动装置Ⅱ(Q)沿滑竿(K)上下快速相对滑动，滑动装置Ⅰ(P)向下滑动时，使得传送连杆Ⅰ(M)与滑竿(K)的夹角增大从而带动轮胎(H)向左滚动，滑动装置Ⅰ(P)向上滑动时使得传送连杆Ⅰ(M)与滑竿(K)的夹角减小从而带动轮胎(H)向右滚动；滑动装置Ⅱ(Q)向上滑动时，使得传送连杆Ⅳ(S)与滑竿(K)的夹角增大从而带动滑轮(C)向左滚动，滑动装置Ⅱ(Q)向下滑动时，使得传送连杆Ⅳ(S)与滑竿(K)的夹角减小从而带动滑轮(C)向右滚动，由于传送连杆Ⅱ(N)、传送连杆Ⅲ(O)在轮盘上是同轴转动且互成180°，所以传送连杆Ⅰ(M)、传送连杆Ⅳ(S)实现上下相对滑动，从而实现轮胎(H)和滑轮(C)的同步向左或向右运动，即轮胎(H)在水平运动的同时实现加载，模拟轮胎在路面上的运动。

一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪其特征在于：内部设置控温装置和控温装置，其中控温装置为水循环，控湿装置为洒水，可以对模拟的试验路进行保温和保湿功能。

一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪其特征在于：所述显示器(T)能够显示本试验仪内部的温度、湿度和千斤顶(B)对轮胎(H)施加的荷载；

一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪其特征在于：所述能实现的功能有轮胎(H)向左侧运动时，施加竖向荷载，由左侧向右侧运动时，可选择是否施加竖向荷载；同理轮胎(H)向右侧运动时，施加竖向荷载，由右侧向左侧运动时，可选择是否施加竖向荷载，通过滑竿(K)和滑轮(C)控制轮胎沿路面横向流畅运动，通过控制台控制发动机(L)的转速从而控制轮胎(H)移动速度，通过控制台控制滑动反力架(U)的加载力大小。

Claims (10)

1.一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪，其特征在于：包括基座(J)、支架结构(F)、滑动反力架(U)、顶板(A)、弹簧(D)；所述基座(J)上有四个小圆柱卡槽，一个大圆柱卡槽，一个正方形卡槽；所述支架结构(F)固定于基座(J)端面上的小圆柱卡槽中，滑动反力架(U)在支架结构(F)上滑动，施加荷载时滑动反力架(U)向下移动，并且压缩弹簧(D)，当撤掉荷载时，滑动反力架(U)受到弹簧(D)的弹力向上移动并回到初始位置；所述支架结构(F)为圆柱结构，所述支架结构(F)包括四根支杆、顶板(A)；所述顶板(A)固定于支架结构(F)上端。

2.根据权利要求1所述的一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪，其特征在于：包括滑动装置Ⅰ(P)、滑动装置Ⅱ(Q)、滑杆(K)、传送连杆Ⅰ(M)；传送连杆Ⅱ(N)、传送连杆Ⅲ(O)、传送连杆Ⅳ(S)、轮胎(H)、加载连杆(G)、重块(E)、滑轮(C)、千斤顶(B)、显示器(T)、钢槽(I)、发动机(L)；所述滑杆(K)固定于基座(J)上的大圆柱卡槽中，所述滑动装置Ⅰ(P)、滑动装置Ⅱ(Q)套于滑杆(K)上，可以上下滑动；所述发动机(L)上的轮盘其对立点分别连接传送连杆Ⅱ(N)、传送连杆Ⅲ(O)；所述传送连杆Ⅱ(N)另一端连接滑动装置Ⅰ(P)；所述传送连杆Ⅲ(O)另一端连接滑动装置Ⅱ(Q)；所述传送连杆Ⅰ(M)一端连接滑动装置Ⅰ(P)，另一端连接轮胎(H)；所述传送连杆Ⅳ(S)一端连接滑动装置Ⅱ(Q)，另一端连接重块(E)；所述重块(F)上部连接滑轮(C)，下部连接加载连杆(G)；所述加载连杆(G)下端连接轮胎(H)；所述轮胎(H)放于钢槽(I)上；所述钢槽(I)固定于基座(J)上的正方形卡槽中；所述滑轮(C)上部与滑动反力架(U)紧密接触；所述滑动反力架(U)套于支架结构(F)的圆柱结构上,与弹簧(D)相连；所述千斤顶(B)底部固定于顶板(A)上，其伸缩头固定于滑动反力架(U)上。

3.根据权利要求1所述的一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪，其特征在于：所述弹簧(D)套于支架结构(F)上，弹簧(D)上端固定在滑动反力架(U)上，下端固定在固定构件(R)上；所述固定构件(R)固定于支架结构(F)上。

4.根据权利要求1所述的一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪，其特征在于：所述支架结构(F)为中空，壁厚为12mm。

5.根据权利要求2所述的一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪，其特征在于：所述显示器(T)安装于固定在顶板上的支架上。

6.根据权利要求2所述的一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪，其特征在于：所述滑动装置Ⅰ(P)、滑动装置Ⅱ(Q)，在接通电源后可上下移动。

7.根据权利要求2所述的一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪，其特征在于：所述滑杆(K)为实心杆，直径为20mm；所述传送连杆Ⅰ(M)；传送连杆Ⅱ(N)；传送连杆Ⅲ(O)、传送连杆Ⅳ(S)为实心杆，直径为10mm；传送连杆Ⅰ(M)与传送连杆Ⅳ(S)之间的中轴成β夹角，同理传送连杆Ⅳ(S)与传送连杆Ⅰ(M)之间的中轴成α夹角，且α＝β；传送连杆Ⅰ(M)与加载连杆(G)成γ夹角，传送连杆Ⅳ(S)的延长线与加载连杆(G)的延长线形成的夹角为θ，且γ＝θ。

8.根据权利要求2所述的一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪，其特征在于：所述重块(E)为实心。

9.根据权利要求2所述的一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪，其特征在于：所述检测轮胎(H)直径为220mm、轮宽为50mm。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪，其特征在于：一种用于多工况路面结构加载模拟试验仪总长2m、宽度1.5m、高度2.5m。

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