CN113916771B - 一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器装置及方法，包括环境箱，环境箱包括箱体，箱体的内壁集成有制冷系统、加热系统、淋雨系统，环境箱的内部固定设有支架，支架包括四根L型固定架，四根L型固定架通过连接环固定连接，连接环的内部穿插设有三叉旋钮式升降杆；本发明可通过改进的动态摩擦系数测试装置测试动态摩擦系数，通过路面湿滑状态传感器监测路表温度、路表水膜和冰膜厚度，建立动态摩擦系数与路表温度、路表水膜厚度、冰膜厚度的关，可实现对两种类型的路面湿滑状态传感器（接触式、非接触式）的动态摩擦系数进行标定，最后可以通过路面湿滑状态传感器监测的路表状态数据，获知路面的动态摩擦系数。
Description
技术领域
本发明属于沥青路面路用检测仪器标定领域，特别涉及一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器装置及方法。
背景技术
路面的抗滑性能是评价路面使用性能的重要指标，路面设计和施工验收均对路面抗滑性能做出了明确要求，且与行车安全有着密不可分的关系。现阶段的研究及工程应用大多都是基于检测手段，对不同工况下路表摩擦系数进行检测，具有滞后性。近年来发展的路表湿滑状态监测与抗滑检测相比，以智能化的方式对路表状态实时监测，实现了及时反馈，提前预警。
路表湿滑状态监测多用于公路监测预警系统，系统通过路面湿滑传感器实时监测气象参数和路面温度、水膜厚度、冰膜厚度等路面状态参数，提前预报路况信息，实现预警功能。随着智能传感技术的发展，近年来路面湿滑状态传感器的研究发展迅速，根据工作原理和工作方式分为接触式路面湿滑状态传感器和非接触式路面湿滑状态传感器，前者基于电压、电导、压电效应、光纤等方法，后者基于光波偏振、图像摄影、反射光强、超声波、遥感等对路表状态进行监测，具有监测路面状况（干、湿、冰、雪、大量积水）、路面温度、环境温度、水膜高度、冰膜厚度、露点温度、相对湿度、含冰比例等功能。然而，路表湿滑状态监测的测量指标只能对路面抗滑性能进行间接评价，未和路表摩擦系数建立关系，无法对路表的抗滑性能进行直接评价。
因此，通过对路面湿滑状态传感器进行标定，建立摩擦系数和其测量值的关系，实现对路面摩擦系数的直接评价。动态摩擦系数测试仪考虑了车速对摩擦系数的影响，所测的动态摩擦系数更接近车辆行驶下路面摩擦系数的真实状态，同时具有操作简单、仪器轻巧、人为干扰小等优点，被受到广泛关注。所以在动态摩擦系数测试装置中引入路面湿滑状态传感器，对其进行标定，实现对路面不同工况及不同水平下动摩擦系数的实时监测。
而目前的动态摩擦系数测试装置，不能对实现多种工况的路面动态摩擦系数对路面湿滑传感器标定，而为了实现不同工况的路面动态摩擦系数对路面湿滑传感器标定，在前人工作的基础上对动态摩擦系数测试装置进行改进，并引入路面湿滑状态传感器，提出了一种考虑路表水膜厚度、路表冰膜厚度、路表温度等环境因素，以及车轮滑移速度、道路横纵坡度下的动态摩擦系数实时监测元件（路面湿滑状态传感器）标定装置与标定方法，该装置可测试更大范围路面的动摩擦系数，拥有更稳定的测试轮加载系统，以及弱化电机阻力的装置，可实现对复杂工况下监测元件的路面动摩擦系数有效标定。该装置所实现的性能，对于推动路面性能检测领域的发展至关重要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器装置及方法，包括环境箱，所述环境箱包括箱体，箱体的内壁集成有制冷系统、加热系统、淋雨系统，所述环境箱的内部固定设有支架，所述支架包括四根L型固定架，四根所述L型固定架通过连接环固定连接，所述连接环的内部穿插设有三叉旋钮式升降杆，其中一根所述L型固定架的底部一侧固定安装有非接触式路面湿滑状态传感器，其中一根所述L型固定架的底部另一侧固定安装有激光测速传感器，所述支架顶部的一侧固定安装有电动机，所述电动机通过同步带传动轴承组传动连接有传动立轴，所述传动立轴的外侧设置有多个加压系统，所述传动立轴的底端固定设有圆柱体，所述圆柱体的外侧安装有无线扭矩传感器，所述圆柱体的底端固定连接有球形等速万向节，所述球形等速万向节的外侧设有多个伸缩横臂轴，所述球形等速万向节的底部固定设有激光定位计，每个所述伸缩横臂轴的活动端均设有测试轮，所述支架的底部固定设有底板，所述底板的顶部中间固定设有矩形盛料盘，所述矩形盛料盘内部设有车辙板试件。
优选的，所述传动立轴分为上部螺纹段和下部光滑段，所述下部光滑段上端面与圆柱体固定连接，所述上部螺纹段下部断面开有圆柱空心内腔，所述圆柱体插入圆柱空心内腔内，且二者直径相同。
优选的，所述的加压系统由旋转螺母、加压杆、环形固定块组成，所述旋转螺母套设于传动立轴的上部螺纹段，所述旋转螺母的底端与环形固定块固定连接，所述环形固定块的外侧与多个加压杆固定连接，多个加压杆均与其位置相对应的测试轮固定连接。
优选的，所述伸缩横臂轴由一根直径较小的实心圆杆、一根直径较大的空心圆杆、固定螺丝组成，其中直径较小的所述实心圆杆外径等于直径较大空心圆杆的内径，直径较小的所述实心圆杆开设有一排圆孔，直径较大的杆件端口侧壁开设有一个圆孔。
优选的，所述测试轮由轮毂和环形实心橡胶轮胎组成，所述轮毂内侧安装有无线电磁制动器，所述环形实心橡胶轮胎的一侧嵌设有加速度传感器。
优选的，所述底板顶部的一个边侧开设有用于引出导线的矩形槽，所述矩形盛料盘顶部的四个边角处均设有用于固定车辙板试件的固定片。
优选的，所述车辙板试件内部嵌有接触式路面湿滑状态传感器和导线槽；所述底板底部的四个边角处均设有坡度调节螺丝，所述底板顶部的另一个边侧固定设有坡度测量计。
优选的，一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器标定方法，
S： 确定水膜厚度、冰膜厚度、路表温度、车轮速度、测试坡度等，开展试验设计，拟定试验工况；
S：根据需要的沥青混合料配合比成型车辙板试件；
S：对车辙板试件进行钻芯及开槽，将接触式路面湿滑状态传感器嵌入车辙板试件，将导线置于所开的槽中，确保接触式路面湿滑状态传感器上表面与车辙板试件表面齐平，然后用沥青砂浆填充缝隙；
S：对加压系统进行标定；
S：将车辙板试件置于矩形成料盘中，用固定片固定；
S：将盛有车辙板试件的底板及其附属部件置于环境箱中；
S：调节环境箱的触屏显示屏，设置降雨强度、温度等气象参数，并保持h以上；
S：将剩余部件固定于底板之上，调节坡度调节螺丝设置坡度，电动机、非接触式路面湿滑状态传感器通电，通过环境箱触屏控制非接触式路面湿滑状态传感器、无线扭矩传感器、激光测速传感器、加速度传感器、电磁离合传动立轴；
S：打开激光定位计，通过三叉旋钮式升降杆调节测试装置高度，使测试轮接触到车辙板试件表面，移动加压系统螺丝，对测试轮施加压力；
S：保持环境箱初始环境条件min以上，电磁离合传动立轴和电动机通电，无线扭矩传感器、激光测速传感器、加速度传感器的数据稳定后，启动无线电磁制动器，电磁离合传动立轴断电；
S：提取整个过程中无线扭矩传感器的数据，换算得到路面摩擦系数；
S：获取每个工况下的接触式路面湿滑状态传感器、非接触式路面湿滑状态传感器、激光测速传感器、坡度测量计的数据，分别分析水膜厚度、路表冰膜厚度、路表温度、车轮滑移速度、道路纵横坡度下动态摩擦系数变化规律，在此基础上，基于多元线性回归或机器学习理论，构建摩擦系数预估模型。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明通过环境箱的智能控制器智能控制模拟降雨、结冰、高低温环境，可精确定量模拟路面工作环境，通过坡度调节螺丝和坡度测量计定量模拟路面纵横坡度，通过电动机模拟车轮行驶速度。
2、本发明在结构中对传动立轴改进为上部螺纹段和下部光滑段，下部光滑段上端面接有的圆柱体插入上部螺纹段下部断面开有的相同直径的圆柱空心内腔，通过电磁控制两者结合与分离，削弱了电机阻力对摩擦系数测试的影响。对横臂轴进行改进，将伸缩横臂轴设计为由一根实心圆杆、一根空心圆杆、固定螺丝组成的结构，其中直实心圆杆外径等于空心圆杆内径，实心圆杆设有一排圆孔，空心圆杆端口侧壁开有一个圆孔，通过调节固定不同位置的圆孔，实现伸缩，扩大了摩擦系数的测定范围。引入加压系统，由旋转螺母、表面为螺纹状的传动立轴、加压杆、环形固定块组成，其中旋转螺母和表面为螺纹状的传动立轴的螺纹精密，加压杆具有很高的模量和很小的弯曲变形能力，环形固定块用于固定加压杆并随旋转螺母一起移动，加压系统通过标定后通过控制旋转螺母的移动距离来实现对测试轮加压，此外，加压系统的整体结构为三角行，增强了结构的整体稳定性。
3、本发明可通过改进的动态摩擦系数测试装置测试动态摩擦系数，通过路面湿滑状态传感器监测路表温度、路表水膜和冰膜厚度，建立动态摩擦系数与路表温度、路表水膜厚度、冰膜厚度的关，可实现对两种类型的路面湿滑状态传感器（接触式、非接触式）的动态摩擦系数进行标定，最后可以通过路面湿滑状态传感器监测的路表状态数据，获知路面的动态摩擦系数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明摩擦装置结构示意图：
1、环境箱；2、支架；3、非接触式路面湿滑状态传感器；4、电动机；5、同步带传轴承组；6、三叉旋钮式升降杆；7、传动立轴；8、加压系统；9、无线扭矩传感器；10、球形等速万向节；11、伸缩横臂轴；12、激光定位计；13、测试轮；14、无线电磁制动器；15、底板；16、矩形盛料盘；17、固定片；18、坡度调节螺丝；19、坡度测量计；20、激光测速传感器；21、加速度传感器；22、车辙板试件；23、接触式路面湿湿滑状态传感器；24、矩形槽。
实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-2所示的一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器装置及方法，包括环境箱1，所述环境箱1包括箱体，箱体的内壁集成有制冷系统、加热系统、淋雨系统，所述环境箱1的内部固定设有支架2，所述支架2包括四根L型固定架，四根所述L型固定架通过连接环固定连接，所述连接环的内部穿插设有三叉旋钮式升降杆6，其中一根所述L型固定架的底部一侧固定安装有非接触式路面湿滑状态传感器3，其中一根所述L型固定架的底部另一侧固定安装有激光测速传感器20，所述支架2顶部的一侧固定安装有电动机4，所述电动机4通过同步带传动轴承组5传动连接有传动立轴7，所述传动立轴7的外侧设置有多个加压系统8，所述传动立轴7的底端固定设有圆柱体，所述圆柱体的外侧安装有无线扭矩传感器9，所述圆柱体的底端固定连接有球形等速万向节10，所述球形等速万向节10的外侧设有多个伸缩横臂轴11，所述球形等速万向节10的底部固定设有激光定位计12，每个所述伸缩横臂轴11的活动端均设有测试轮13，所述支架2的底部固定设有底板15，所述底板15的顶部中间固定设有矩形盛料盘16，所述矩形盛料盘16内部设有车辙板试件22。
作为本发明的一种具体实施方式，所述传动立轴7分为上部螺纹段和下部光滑段，所述下部光滑段上端面与圆柱体固定连接，所述上部螺纹段下部断面开有圆柱空心内腔，所述圆柱体插入圆柱空心内腔内，且二者直径相同，所述的加压系统8由旋转螺母、加压杆、环形固定块组成，所述旋转螺母套设于传动立轴7的上部螺纹段，所述旋转螺母的底端与环形固定块固定连接，所述环形固定块的外侧与多个加压杆固定连接，多个加压杆均与其位置相对应的测试轮13固定连接。
作为本发明的一种具体实施方式，所述伸缩横臂轴11由一根直径较小的实心圆杆、一根直径较大的空心圆杆、固定螺丝组成，其中直径较小的所述实心圆杆外径等于直径较大空心圆杆的内径，直径较小的所述实心圆杆开设有一排圆孔，直径较大的杆件端口侧壁开设有一个圆孔，所述测试轮13由轮毂和环形实心橡胶轮胎组成，所述轮毂内侧安装有无线电磁制动器14，所述环形实心橡胶轮胎的一侧嵌设有加速度传感器21。
作为本发明的一种具体实施方式，所述底板15顶部的一个边侧开设有用于引出导线的矩形槽24，所述矩形盛料盘16顶部的四个边角处均设有用于固定车辙板试件的固定片17。
作为本发明的一种具体实施方式，所述车辙板试件22内部嵌有接触式路面湿滑状态传感器23和导线槽；所述底板15底部的四个边角处均设有坡度调节螺丝18，所述底板15顶部的另一个边侧固定设有坡度测量计。
作为本发明的一种具体实施方式，一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器标定方法，其步骤如下：
S1： 确定水膜厚度、冰膜厚度、路表温度、车轮速度、测试坡度等，开展试验设计，拟定试验工况；
S2：根据需要的沥青混合料配合比成型车辙板试件；
S3：对车辙板试件进行钻芯及开槽，将接触式路面湿滑状态传感器嵌入车辙板试件，将导线置于所开的槽中，确保接触式路面湿滑状态传感器上表面与车辙板试件表面齐平，然后用沥青砂浆填充缝隙；
S4：对加压系统8进行标定；
S5：将车辙板试件置于矩形成料盘16中，用固定片17固定；
S6：将盛有车辙板试件的底板及其附属部件置于环境箱中；
S7：调节环境箱的触屏显示屏，设置降雨强度、温度等气象参数，并保持2h以上；
S8：将剩余部件固定于底板之上，调节坡度调节螺丝18设置坡度，电动机4、非接触式路面湿滑状态传感器3通电，通过环境箱触屏控制非接触式路面湿滑状态传感器3、无线扭矩传感器9、激光测速传感器20、加速度传感器21、电磁离合传动立轴；
S9：打开激光定位计12，通过三叉旋钮式升降杆6调节测试装置高度，使测试轮13接触到车辙板试件表面，移动加压系统螺丝，对测试轮13施加压力；
S10：保持环境箱初始环境条件30min以上，电磁离合传动立轴和电动机4通电，无线扭矩传感器9、激光测速传感器20、加速度传感器21的数据稳定后，启动无线电磁制动器14，电磁离合传动立轴断电；
S11：提取整个过程中无线扭矩传感器9的数据，换算得到路面摩擦系数；
S12：获取每个工况下的接触式路面湿滑状态传感器3、非接触式路面湿滑状态传感器23、激光测速传感器20、坡度测量计19的数据，分别分析水膜厚度、路表冰膜厚度、路表温度、车轮滑移速度、道路纵横坡度下动态摩擦系数变化规律，在此基础上，基于多元线性回归或机器学习理论，构建摩擦系数预估模型。
工作原理：可先确定水膜厚度、冰膜厚度、路表温度、车轮速度、测试坡度等，开展试验设计，拟定试验工况，根据需要的沥青混合料配合比成型车辙板试件，对车辙板试件进行钻芯及开槽，将接触式路面湿滑状态传感器嵌入车辙板试件，将导线置于所开的槽中，确保接触式路面湿滑状态传感器上表面与车辙板试件表面齐平，然后用沥青砂浆填充缝隙，对加压系统8进行标定，将车辙板试件置于矩形成料盘16中，用固定片17固定，将盛有车辙板试件的底板及其附属部件置于环境箱中，调节环境箱的触屏显示屏，设置降雨强度、温度等气象参数，并保持2h以上，将剩余部件固定于底板之上，调节坡度调节螺丝18设置坡度，电动机4、非接触式路面湿滑状态传感器3通电，通过环境箱触屏控制非接触式路面湿滑状态传感器3、无线扭矩传感器9、激光测速传感器20、加速度传感器21、电磁离合传动立轴，打开激光定位计12，通过三叉旋钮式升降杆6调节测试装置高度，使测试轮13接触到车辙板试件表面，移动加压系统螺丝，对测试轮13施加压力，保持环境箱初始环境条件30min以上，电磁离合传动立轴和电动机4通电，无线扭矩传感器9、激光测速传感器20、加速度传感器21的数据稳定后，启动无线电磁制动器14，电磁离合传动立轴断电，提取整个过程中无线扭矩传感器9的数据，换算得到路面摩擦系数，获取每个工况下的接触式路面湿滑状态传感器3、非接触式路面湿滑状态传感器23、激光测速传感器20、坡度测量计19的数据，分别分析水膜厚度、路表冰膜厚度、路表温度、车轮滑移速度、道路纵横坡度下动态摩擦系数变化规律，在此基础上，基于多元线性回归或机器学习理论，构建摩擦系数预估模型。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器装置，包括环境箱(1)，其特征在于，所述环境箱(1)包括箱体，箱体的内壁集成有制冷系统、加热系统、淋雨系统，所述环境箱(1)的内部固定设有支架(2)，所述支架(2)包括四根L型固定架，四根所述L型固定架通过连接环固定连接，所述连接环的内部穿插设有三叉旋钮式升降杆(6)，其中一根所述L型固定架的底部一侧固定安装有非接触式路面湿滑状态传感器(3)，其中一根所述L型固定架的底部另一侧固定安装有激光测速传感器(20)，所述支架(2)顶部的一侧固定安装有电动机(4)，所述电动机(4)通过同步带传动轴承组(5)传动连接有电磁离合传动立轴（7），所述电磁离合传动立轴（7）的外侧设置有多个加压系统(8)，所述电磁离合传动立轴（7）的底端固定设有圆柱体，所述圆柱体的外侧安装有无线扭矩传感器(9)，所述圆柱体的底端固定连接有球形等速万向节(10)，所述球形等速万向节(10)的外侧设有多个伸缩横臂轴(11)，所述球形等速万向节(10)的底部固定设有激光定位计(12)，每个所述伸缩横臂轴(11)的活动端均设有测试轮(13)，所述支架(2)的底部固定设有底板(15)，所述底板(15)的顶部中间固定设有矩形盛料盘(16)，所述矩形盛料盘(16)内部设有车辙板试件(22)，所述电磁离合传动立轴（7）分为上部螺纹段和下部光滑段，所述下部光滑段上端面与圆柱体固定连接，所述上部螺纹段下部断面开有圆柱空心内腔，所述圆柱体插入圆柱空心内腔内，且二者直径相同。
2.根据权利要求1所述的一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器装置，其特征在于：所述的加压系统(8)由旋转螺母、加压杆、环形固定块组成，所述旋转螺母套设于电磁离合传动立轴（7）的上部螺纹段，所述旋转螺母的底端与环形固定块固定连接，所述环形固定块的外侧与多个加压杆固定连接，多个加压杆均与其位置相对应的测试轮(13)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器装置，其特征在于：所述伸缩横臂轴(11)由一根直径较小的实心圆杆、一根直径较大的空心圆杆、固定螺丝组成，其中直径较小的所述实心圆杆外径等于直径较大空心圆杆的内径，直径较小的所述实心圆杆开设有一排圆孔，直径较大的杆件端口侧壁开设有一个圆孔。
4.根据权利要求1所述的一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器装置，其特征在于：所述测试轮(13)由轮毂和环形实心橡胶轮胎组成，所述轮毂内侧安装有无线电磁制动器(14)，所述环形实心橡胶轮胎的一侧嵌设有加速度传感器(21)。
5.根据权利要求1所述的一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器装置，其特征在于：所述底板(15)顶部的一个边侧开设有用于引出导线的矩形槽(24)，所述矩形盛料盘(16)顶部的四个边角处均设有用于固定车辙板试件的固定片(17)。
6.根据权利要求1所述的一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器装置，其特征在于：所述车辙板试件(22)内部嵌有接触式路面湿滑状态传感器(23)和导线槽；所述底板(15)底部的四个边角处均设有坡度调节螺丝(18)，所述底板(15)顶部的另一个边侧固定设有坡度测量计。
7.根据权利要求1-6任意所述的一种监测动态摩擦系数的路面湿滑状态传感器装置的方法，其特征在于：S1：确定水膜厚度、路表冰膜厚度、路表温度、车轮滑移速度、道路纵横坡度，开展试验设计，拟定试验工况；
S2：根据需要的沥青混合料配合比成型车辙板试件；S3：对车辙板试件进行钻芯及开槽，将接触式路面湿滑状态传感器嵌入车辙板试件，将导线置于所开的槽中，确保接触式路面湿滑状态传感器上表面与车辙板试件表面齐平，然后用沥青砂浆填充缝隙；S4：对加压系统(8)进行标定；S5：将车辙板试件置于矩形成料盘(16)中，用固定片(17)固定；S6：将盛有车辙板试件的底板及其附属部件置于环境箱中；S7：调节环境箱的触屏显示屏，设置降雨强度、温度气象参数，并保持2h以上；S8：将剩余部件固定于底板之上，调节坡度调节螺丝(18)设置坡度，电动机(4)、非接触式路面湿滑状态传感器(3)通电，通过环境箱触屏控制非接触式路面湿滑状态传感器(3)、无线扭矩传感器(9)、激光测速传感器(20)、加速度传感器(21)、电磁离合传动立轴；S9：打开激光定位计(12)，通过三叉旋钮式升降杆(6)调节测试装置高度，使测试轮(13)接触到车辙板试件表面，移动加压系统螺丝，对测试轮(13)施加压力；S10：保持环境箱初始环境条件30min以上，电磁离合传动立轴和电动机(4)通电，无线扭矩传感器(9)、激光测速传感器(20)、加速度传感器(21)的数据稳定后，启动无线电磁制动器(14)，电磁离合传动立轴断电；S11：提取整个过程中无线扭矩传感器(9)的数据，换算得到路面摩擦系数；S12：获取每个工况下的接触式路面湿滑状态传感器(3)、非接触式路面湿滑状态传感器(23)、激光测速传感器(20)、坡度测量计(19)的数据，分别分析水膜厚度、路表冰膜厚度、路表温度、车轮滑移速度、道路纵横坡度下动态摩擦系数变化规律，在此基础上，基于多元线性回归或机器学习理论，构建摩擦系数预估模型。
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