WO2022073355A1 - 一种路面快速磨耗试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种路面快速磨耗试验装置，包括底座（1）、磨耗轮（3）、磨耗轮支架（4）、试样托盘（2）以及控制器；底座（1）上设置有直线运动机构和滑轨（8），滑轨（8）上设置有滑块（12），试样托盘（2）同时连接直线运动机构的输出部与滑块（12），磨耗轮支架（4）设置在底座（1）的上方，底座（1）一端设置立柱（6），磨耗轮支架（4）的连接端与立柱（6）铰接，磨耗轮支架（4）上设置磨耗电机（7），磨耗轮支架（4）的悬空端设置磨耗轮（3）；磨耗电机（7）驱动磨耗轮（3）转动，路面快速磨耗试验装置能用于在室内准确快速模拟沥青路面、水泥路面等各种路面表面的磨耗过程，用于评价路面在轮胎反复作用下的表面构造的变化以及对其表面抗滑等性能的影响，从而为路面基于表面构造和表面抗滑性能方面的考虑进行路面设计提供依据。
Description
本发明属于路面表面磨耗进而发生功能衰减的室内模拟试验装置，具体涉及一种路面快速磨耗试验装置。
路面因抗滑性能不足导致交通事故比例明显增高，而路面的抗滑性能不足主要是由于车辆荷载的反复作用，导致路面表面构造逐渐减小，使得表面抗滑性能逐渐衰减，直至不能满足保证行车安全的抗滑要求。所以在设计阶段需从路面结构和材料以及工艺等入手，设计出在寿命期内均满足抗滑要求的路面结构和材料。而此目标的实现，又很大程度上得益于能否在设计阶段预估特定路面结构和材料在寿命周期内的抗滑服务水平，从而进一步修正设计。准确的抗滑性能模拟和预估，也将为表面功能衰减至服务水平以下的路面养护时机的确定提供理论支撑。
目前国内外很多学者也开发了一些室内路面磨耗试验装置。其中最早的是洛杉矶磨耗机，以及评价集料抛光值(PSV)的磨耗装置，都是用于模拟和评价集料的抗磨耗性能，这与路面的表面抗滑性能衰减还有很大差异。之后有很多学者开发了路面的磨耗试验装置，大多都是以轮胎做环形圆周运动模拟路面磨耗。具有代表性的是Wehner and Schulz(W/S)和Aachen Polishing Machine(APM)装置。W/S利用高速旋转的三个橡胶锥作用于芯样试件上来模拟磨耗作用，一般磨耗360min可使路面抗滑性能衰减至较低稳定水平。APM装置是足尺轮胎室内磨耗试验装置，采用轮胎在试件表面做圆周滚动和试件水平往复平动相结合的方式来模拟磨耗作用，一般磨耗300min可使路面抗滑性能衰减至较低稳定水平。这两种装置的虽然能模拟一些路面抗滑性能的衰减过程，但主要问题是并不能完全真实的模拟轮胎对路面的磨耗作用，因为车辆行驶在路面上，主要包括刹车制动、加速启动以及匀速前进三种行驶模式，这三种模式都 反映出车辆轮胎在路面上的行驶是有直线型的，而不是圆周运动。与这三种行驶模式相对应的轮胎对路面的磨耗是有方向性，或沿前进方向或相反于前进方向。这也是上述两种磨耗机无法模拟的。
当然也有一些学者开发了直线型磨耗的试验装置，比如长安大学韩森课题组开发的室内路面磨耗试验装置，采用带有制动滑移率的轮胎模拟车辆制动过程中对路面的磨耗作用。虽然实现了制动过程轮胎对路面的磨耗作用，但并没有考虑加速启动过程和匀速前进轮胎对路面的方向性磨耗作用。其实实际路面中，也许会发生这三种行驶模式的某一种情况，或任意两种或三种的互相组合情况，这在不同的路段会有不同的组合。考虑到复杂的磨耗需求，现有的装置都因功能简单而不能满足要求。另外单向直线型磨耗装置因为行程原因使得磨耗效率很低，这也是非常大的局限性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种室内路面快速磨耗试验装置，能用于在室内准确快速模拟沥青路面、水泥路面的表面磨耗过程，用于评价路面在轮胎带有方向性的反复作用下的表面构造的变化以及对其表面抗滑等性能的影响，从而为路面基于表面构造和表面抗滑性能方面的考虑进行路面设计提供依据。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种路面快速磨耗试验装置，包括底座、试样架、磨耗轮、磨耗轮支架、试样托盘以及控制器；底座上设置有直线运动机构和滑轨，滑轨上设置有滑块，试样托盘同时连接直线运动机构的输出部与滑块连接，磨耗轮支架设置在底座的上方，底座的一端设置立柱，磨耗轮支架的连接端与立柱铰接，磨耗轮支架上设置磨耗电机，磨耗轮支架的悬空端设置磨耗轮，磨耗轮位于试样托盘移动路径的上方；磨耗电机的输出部连接磨耗轮的滚动轴，磨耗电机和直线运动机构驱动器的控制信号输入端连接控制器的输出端。
直线运动机构包括丝杠，丝杠平行于滑轨设置，丝杠与底座相对固定设置，丝杠的主动端连接驱动电机，驱动电机的控制信号输入端连接控制器的输出端。
滑轨采用光杆滑轨、截面为T形的滑轨或截面为凹槽形的滑轨。
试样托盘移动行程的两端均设有限位开关。
试样托盘上设置有压力传感器，压力传感器连接控制器的输入端。
磨耗轮支架的侧面设置有卸载机构，卸载结构采用电动伸缩杆，电动伸缩杆的一端与底座连接，另一端与磨耗轮支架连接，电动伸缩杆的控制信号输入端连接控制器的输出端。
磨耗轮支架朝向底座外侧的延长段上设置配重箱，箱体底部用伸缩杆支撑，所述伸缩杆采用电动伸缩杆。
磨耗轮支架悬空端还设置有把手，把手上设置延长杆。
磨耗电机的输出部连接磨耗轮的滚动轴，磨耗轮的滚动轴一端设置带轮，磨耗电机通过带轮传动驱动磨耗轮的滚动轴。
底座的上方设置有透明罩，透明罩上开孔，控制器的接线穿过所述开孔置于透明罩外。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明能通过磨耗轮与试件移动的组合方式，解决磨耗轮既要转动又要平动的双运动难度，提高了设备运行的稳定性和易操作性；采用驱动轮高速旋转的方式磨耗试件，既有滑动摩擦的效果，又节省了空间，同时大量节约了磨耗时间，提高磨耗效率；能实现旋转轮正反转和试件正反平动组合的方式，模拟路面带有方向性的多模式磨耗，更加准确真实的模拟实际路面的磨耗；采用调整滚动轮速和轮胎上附荷载，有助于研究速度荷载等因素对磨耗效果的影响，为多工况路面磨耗模拟提供条件；本发明所述装置能在室内准确快速模拟沥青路面、水泥路面等各种路面表面的磨耗衰减过程，用于评价路面在轮胎反复作用下的表面构造的变化以及对其表面抗滑等性能的影响，从而为路面基于表面构造和表面抗滑性能方面的考虑进行路面设计提供依据，也为路面的表面长期性能评价提供参 考，从而决定养护修复等干预措施时机。
图1为本发明一种可实施的具体装置示意图。
图2为本发明一种可实施的具体装置侧视图。
附图中，1-底座，2-试样托盘，3-磨耗轮，4-磨耗轮支架，5-延长段，6-立柱，7-磨耗电机，8-滑轨，9-丝杠，10-驱动电机，11-限位开关，12-滑块，13-配重箱，14-伸缩杆。
下面结合附图对本发明进行详细阐述。
参考图1和图2，一种路面快速磨耗试验装置，包括底座1、试样架2、磨耗轮3、磨耗轮支架4、试样托盘5以及控制器；底座1上设置有直线运动机构和滑轨8，滑轨上设置有滑块，试样托盘5同时连接直线运动机构的输出部与滑块连接，磨耗轮支架4设置在底座1的上方，底座1的一端设置立柱6，磨耗轮支架4的连接端与立柱6铰接，磨耗轮支架4上设置磨耗电机7，磨耗轮支架4的悬空端设置磨耗轮3，磨耗轮3位于试样托盘5移动路径的上方；磨耗电机7的输出部连接磨耗轮3的滚动轴，磨耗电机7和直线运动机构驱动器的控制信号输入端连接控制器的输出端。作为可选的实施方式，由倒扣的矩形槽钢围成矩形焊接而成，在矩形方钢侧面磨耗机行程两端各装有一个限位开关。
沿矩形底座的长边设置有两条滑轨，两条滑轨通过滑轨支座分别连接在矩形底座的两条长边上，所述滑轨均采用柱形滑轨，滑轨上套装滑块，试件托盘通过所述滑块可滑动地设置在滑轨上，试件托盘5采用钢板焊接成一个凹槽形状，沿滑轨垂直方向是凹槽的两个立面，高度为40mm，所述凹槽用于放置试样。
作为另一种可选的实施方式，滑轨直接与底座上表面接触，大大提高滑轨的承载力，底座上设置截面为T形的滑轨或截面为凹槽形滑轨，所述滑轨设置在底座的上表面，滑轨上设置 与T形对应的凹槽形滑块或与凹槽形滑轨对应的方块形滑块，所述滑块与试件托盘采用螺栓连接或焊接。
对于直线运动机构，可以采用矩形底座两侧设置驱动机构，中部设置滑轨；也可以在中部设置驱动机构，两侧设置滑轨。
矩形底座的一端设置立柱，所述立柱采用方钢，方钢直立焊接在矩形底座上表面，底座的中部平行于所述滑轨设置丝杠，丝杠上套装丝杠螺母，丝杠螺母与试件托盘采用螺栓连接，丝杠的一端与立柱连接，另一端通过联轴器与驱动电机连接，驱动电机设置在底座上并与底座连接。
丝杠还可以通过轴承座以及轴承安装在底座上。
磨耗轮支架4设置在底座的上方，磨耗轮支架4的一端与立柱上部铰接，磨耗轮支架4的另一端设置磨耗轮，磨耗轮的滚动轴通过轴承与磨耗轮支架4转动连接，磨耗轮支架4的上方设置磨耗电机，磨耗电机7的输出端连接磨耗轮3的滚动轴，磨耗轮的滚动轴一端设置带轮，磨耗电机通过带轮传动驱动磨耗轮的滚动轴。
可选的，磨耗轮支架4包括两块钢板，两块钢板平行设置，所述钢板的一端与立柱6铰接，钢板的另一端设置轴承座，磨耗轮的滚动轴通过轴承嵌入所述轴承座中，与为两块近似梯形的钢板，两块钢板的一端与立柱6的上部通过铰接轴或螺栓铰接。
磨耗轮支架4顶部焊接一块钢板，磨耗电机与所述钢板通过螺栓连接，磨耗电机通过同步皮带与后面钢板上外伸的同步带轮连接。同步带轮与滚动轴连接，滚动轴上开设有两个矩形键槽，键槽里装有两根止动键，滚动轴套入同步带轮。
为了便于在试验完成后轻松顺利托起或卸载磨耗轮，磨耗轮支架4的侧面设置有卸载机构，卸载结构采用电动伸缩杆，电动伸缩杆的一端与底座连接，另一端与磨耗轮支架4连接，停止 磨耗试验时，电动伸缩杆驱动磨耗轮支架4向上移动，实现试件上部磨耗结构抬起，方便更换试件位置。
电动伸缩杆可以设置在一侧，为了更平衡地托起磨耗轮支架4，也可以在磨耗轮支架4两侧设置电动伸缩杆。
为了更进一步提高卸载时的便利性，减小卸载阻力，在磨耗轮支架4朝向底座外侧的延长段上设置配重箱，具体的，在磨耗轮支架4延长段上方设置一个箱体，箱体里放置重物块，用于减少作用于试件上的轮载；箱体底部用伸缩杆支撑，所述伸缩杆采用电动伸缩杆，磨耗轮工作时，伸缩杆将箱体支撑在高于磨耗轮支架4延长段的位置，需要卸载时，伸缩杆将箱体放下，其重量压在磨耗轮支架4延长段上。
当然，为了避免配重箱将磨耗轮支架4突然压下，所述配重箱设置在靠近磨耗轮支架4与立柱6铰接处，并且根据磨耗电机、磨耗轮支架4、磨耗轮以及磨耗轮滚轴所产生的力矩进行设置。
优选的，磨耗电机为1.5kw，磨耗电机上部装有电机控制器，电机控制器外接电线与控制器连接，控制器实现对磨耗电机工作状况的控制。
试件托盘行程路径的两端均设置有限位开关，限位开关连接控制器的输入端。
驱动电机的控制信号输入端连接控制器的输出端。
为了能降低噪音，防止磨耗过程的碎屑，底座1的上方设置有透明罩，透明罩下能够容纳整个装置，透明罩上开孔，控制器的接线穿过所述开孔置于透明罩外。
采用本发明所述装置进行磨耗试验如下：
定义试件托盘位于轨道最左侧时为0位，位于轨道最右侧时为1位。
启动卸载电机将上部荷载结构逐渐抬起并与试件分离，当磨耗轮抬起大约20cm后关掉卸载电机。若试件托盘不在0位，启动驱动电机将其至于0位。
在待磨试件表面均匀撒布定量石英砂并喷定量水。然后反向启动卸载电机，当上部荷载作用于试件表面后，待卸载电机再继续运行3s后关掉卸载电机。准备工作就绪。调节磨耗电机控制器，先选定轮胎滚动方向，设定滚动速度，然后启动磨耗电机，之后同理依次选定驱动电机的平动方向和速度并启动，接下来试件便开始磨耗。在磨耗过程中观察设备运行状况，有异常情况随时暂停电机。待试件沿行程长度磨耗完成时，试件托盘会触发限位器开关，驱动电机自动断电停止运行，之后关掉磨耗电机；至此一次确定方向的磨耗完成。
启动卸载机构处的电动伸缩杆的电机，所述电机工作后可实现上部荷载结构逐渐抬起并与试件分离；当磨耗轮抬起大约20cm后关掉卸载电机；然后可进行磨耗阶段性能测试，用铺砂法和激光纹理仪测量表面构造，用摆式摩擦仪测量试件抗滑性能。
接下来如果是要保持与上次的同方向磨耗，需反向启动驱动电机直至试件回归上次初始0位，再重复磨耗过程。
如果要执行与上次相反方向的磨耗，可直接重复磨耗过程。
本发明所述装置高效便捷且准确的特点，通过采用轮转和试件移动的组合方式，解决了磨耗轮既要转动又要运动的双运动难度，提高了设备运行的稳定性和易操作性。采用磨耗轮高速旋转的方式磨耗试件，既有滑动摩擦的效果，又节省了空间，大量节约了磨耗时间，提高了磨耗效率。采用旋转轮正反转和试件正反平动组合的方式，实现了路面带有方向性的直线型多模式磨耗，更加准确真实的模拟实际路面的磨耗。采用调整滚动轮速和轮胎上附荷载，可研究速度荷载等因素对磨耗效果的影响，为多工况路面磨耗模拟提供条件。
本发明开发的室内路面快速磨耗试验装置，具有轻巧便捷高效准确的特点，它将为室内路面高效磨耗提供可能，为更准确的研究特定结构和材料下的路面全寿命周期的表面功能衰减提供了支撑。理论实践意义重大，应用前景开阔。
Claims (10)
- 一种路面快速磨耗试验装置，其特征在于，包括底座(1)、磨耗轮(3)、磨耗轮支架(4)、试样托盘(2)以及控制器；底座(1)上设置有直线运动机构和滑轨(8)，滑轨上设置有滑块，试样托盘(2)同时连接直线运动机构的输出部与滑块(12)连接，磨耗轮支架(4)设置在底座(1)的上方，底座(1)的一端设置立柱(6)，磨耗轮支架(4)的连接端与立柱(6)铰接，磨耗轮支架(4)上设置磨耗电机(7)，磨耗轮支架(4)的悬空端设置磨耗轮(3)，磨耗轮(3)位于试样托盘(2)移动路径的上方；磨耗电机(7)的输出部连接磨耗轮(3)的滚动轴，磨耗电机(7)和直线运动机构驱动器的控制信号输入端连接控制器的输出端。
- 根据权利要求1所述的路面快速磨耗试验装置，其特征在于，直线运动机构包括丝杠(9)，丝杠(9)平行于滑轨(8)设置，丝杠(9)与底座相对固定设置，丝杠(9)的主动端连接驱动电机(10)，驱动电机(10)的控制信号输入端连接控制器的输出端。
- 根据权利要求1所述的路面快速磨耗试验装置，其特征在于，滑轨(8)采用光杆滑轨、截面为T形的滑轨或截面为凹槽形的滑轨。
- 根据权利要求1所述的路面快速磨耗试验装置，其特征在于，试样托盘(2)移动行程的两端均设有限位开关(11)。
- 根据权利要求1所述的路面快速磨耗试验装置，其特征在于，试样托盘(2)上设置有压力传感器，压力传感器连接控制器的输入端。
- 根据权利要求1所述的路面快速磨耗试验装置，其特征在于，磨耗轮支架(4)的侧面设置有卸载机构，卸载结构采用电动伸缩杆，电动伸缩杆的一端与底座连接，另一端与磨耗轮支架(4)连接，电动伸缩杆的控制信号输入端连接控制器的输出端。
- 根据权利要求1所述的路面快速磨耗试验装置，其特征在于，磨耗轮支架(4)朝向底座外侧的延长段(5)上设置配重箱(13)，配重箱(13)或延长段(5)底部设置伸缩杆(14)支撑，所述伸缩杆采用电动伸缩杆。
- 根据权利要求1所述的路面快速磨耗试验装置，其特征在于，磨耗轮支架(4)悬空端还设置有把手，把手上设置延长杆。
- 根据权利要求1所述的路面快速磨耗试验装置，其特征在于，磨耗电机(7)的输出部连接磨耗轮(3)的滚动轴，磨耗轮的滚动轴一端设置带轮，磨耗电机(7)通过带轮传动驱动磨耗轮的滚动轴。
- 根据权利要求1所述的路面快速磨耗试验装置，其特征在于，底座(1)的上方设置有透明罩，透明罩上开孔，控制器的接线穿过所述开孔置于透明罩外。
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