一種室內模擬瀝青路面吸熱裝置及方法與流程

2023-09-20 15:28:35

本發明涉及瀝青路面測試技術領域，具體是一種室內模擬瀝青路面吸熱裝置及方法。

背景技術：

瀝青混凝土路面是我國高速公路的主要路面結構形式，佔全部路面形式的90％以上,但是瀝青路面的車轍現象嚴重影響了瀝青路面的性能。車轍主要在夏季高溫時產生，為降低車轍的出現率，近年來，很多學者和研究人員在進行瀝青路面的降溫技術研究，而這需要在最不利情況下進行瀝青路面在降溫措施前後的吸熱實驗。

由於研究要求、時間以及天氣的限制，瀝青路面的吸熱實驗只能在夏季的晴好天氣下進行，降低了實驗的效率。針對這種現狀，很多研究人員開發了在室內模擬瀝青路面在晴好天氣下吸熱的裝置，基礎模擬的是在室內情況下用日光燈模擬太陽光，然後將四塊瀝青車轍板置於日光燈下進行吸熱試驗，這種模擬實驗雖然能夠使瀝青進行吸熱，但是卻存在幾大缺點：

(1)日光燈是固定不動的，也就是模擬實驗中沒有考慮到太陽光的照度變化以及太陽光的入射角度變化，使四塊車轍板不能受熱均勻，存在偏差較大，即使實驗後四塊車轍板的溫度取平均值，也是沒有多大意義的；

(2)日光燈的功率沒有進行合理的計算，不能較為準確地模擬瀝青路面在太陽光下的吸熱量：

(3)瀝青車轍板周邊沒有隔熱設施，車轍板易進行熱傳導，受周圍環境影響大；

(4)實驗中，只有用車轍板模擬瀝青路面的吸熱情況，沒有考慮不同路面結構和不同道路結構對瀝青路面的溫度影響，使實驗模擬的環境過於單一和太過理想化。

2012年，長安大學的程承在碩士論文《熱反射型瀝青路面塗料製備與性能評價》中提出了一種室內降溫效果測試平臺，此裝置對以上提到的基礎模擬進行了改善。該試驗臺主要由試件裝配區和太陽模擬光源兩部分組成。裝配區可以模擬多種面層結構，主要採用黃土進行填充並搗實。採用反射型紅外燈模擬太陽光源，置於試驗臺上部，可通過支架調節照射高度，以便可以通過多次調整後達到試件表面均勻受熱目的。

但是這種模擬也有以下不足：

(1)試件裝配區可以模擬不同的面層結構，但是沒有考慮其他路面結構層對路面溫度的影響；

(2)模擬太陽光源沒有考慮太陽光的照度和入射角度，雖然可通過支架調節亮度，但是瀝青受熱情況卻不同於在日光下，使瀝青表面受熱不均；

(3)採用的反射型紅外燈模擬太陽光源，紅外燈的功率沒有進行計算，在不同的溫度下，瀝青升溫速度不同，瀝青內部有關溫度的係數也不同，實驗中應儘量接近太陽光源，提高數據的準確性；

(4)所述的室內降溫效果測試平臺外部沒有整體的保溫措施，大的溫差情況下，即使瀝青外部有高密度泡沫，瀝青溫度還是受到影響。

通過以上分析可知，現有的模擬裝置考慮的條件過於單一和模擬的準確度較低，不能準確地反應瀝青路面的吸熱情況。因此，我們需要一種考慮多種條件和模擬範圍更廣的室內模擬瀝青路面吸熱裝置，來進一步提升實驗數據的準確性。

技術實現要素：

根據以上的分析，為解決現有技術中存在的問題，本發明的目的在於提供一種室內模擬瀝青路面吸熱裝置及方法，本發明能夠解決現在模擬瀝青路面吸熱實驗的考慮條件單一、應用範圍較窄、以及模擬不夠準確的問題。

一種室內模擬瀝青路面吸熱裝置，包括太陽運動模擬部分、用於模擬不同形式路面結構的道路結構模擬部分和用於驅動太陽運動模擬部分轉動的驅動與校核部分，太陽運動模擬部分包括從動齒輪、組合日光燈、日光燈支架和開關，從動齒輪的轉軸固定設置，組合日光燈通過日光燈支架固定在從動齒輪上並能夠與從動齒輪同步轉動，開關與組合日光燈連接，用於控制組合日光燈的照射功率，道路結構模擬部分設置在組合日光燈處於最高點時的正下方，從動齒輪、組合日光燈、日光燈支架和道路結構模擬部分均設置在保溫箱內，驅動與校核部分能夠將從動齒輪每24小時驅動旋轉一周。

所述驅動與校核部分包括機械鐘錶和步進電機，步進電機的電機軸上安裝有主動齒輪，且電機軸與機械鐘錶的分盤連接，主動齒輪與從動齒輪嚙合。

所述道路結構模擬部分包括承裝箱，承裝箱內設置有若干個道路結構模擬區，道路結構模擬區的上表面水平且水平高度與從動齒輪的轉軸同高，各道路結構模擬區之間通過隔熱區分隔。

所述道路結構模擬區的個數為2-4個。

所述隔熱區的材質為隔熱泡沫。

所述承裝箱的底部設置有方便移動的車輪，承裝箱的一個側板設置為便於道路模擬區裝卸的可活動形式。

所述組合日光燈包括若干個日光燈，每個日光燈上均連接有開關。

所述組合日光燈包括三盞日光燈，每盞日光燈的功率為400-500瓦。

所述從動齒輪上在日光燈支架的中心對稱位置設置有配重重物，日光燈支架與組合日光燈整體相對於從動齒輪軸心產生的扭矩與配重重物相對於從動齒輪軸心產生的扭矩相等。

一種室內模擬瀝青路面吸熱方法，包括如下步驟：

步驟一，驅動與校核部分驅動從動齒輪轉動，轉動速率為從動齒輪每24小時旋轉一周；

步驟二，當組合日光燈隨從動齒輪同步轉動至用於模擬不同形式路面結構的道路結構模擬部分的上方時，隨著組合日光燈在道路結構模擬部分上方位置的變化，通過開關控制組合日光燈的照射功率來模擬一天之內隨著太陽對地面入射角度的變化而使地面受到不同的照射強度。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

本發明的室內模擬瀝青路面吸熱裝置通過太陽運動模擬部分、用於模擬不同形式路面結構的道路結構模擬部分和用於驅動太陽運動模擬部分轉動的驅動與校核部分，從動齒輪的轉軸固定設置，組合日光燈通過日光燈支架固定在從動齒輪上並與從動齒輪同步轉動，通過從動齒輪和組合日光燈能夠模擬太陽與地球之間的相對運動；

通過開關能夠控制組合日光燈的照射功率，因此能夠模擬太陽在一天之內隨著對地面入射角度的變化地面所受的照射強度也是變化的；

從動齒輪、組合日光燈、日光燈支架和道路結構模擬部分均設置在保溫箱內，能夠保護實驗裝置，同時也可以進一步防止瀝青路面與外部環境的熱交換，保證了模擬時，模擬的更加仿真；

驅動與校核部分能夠將從動齒輪每24小時驅動旋轉一周，因此能夠模擬瀝青路面在晴好天氣下9點到17點的吸熱情況，照射時間符合太陽實際對路面的照射情況，因此本發明的裝置能夠解決現在模擬瀝青路面吸熱實驗的考慮條件單一、應用範圍較窄、以及模擬不夠準確的問題。

進一步的，驅動與校核部分包括機械鐘錶和步進電機，步進電機的電機軸上安裝有主動齒輪，且電機軸與機械鐘錶的分盤連接，主動齒輪與從動齒輪嚙合，通過步進電機驅動主動齒輪，進一步驅動從動齒輪轉動，步進電機與機械鐘錶的分盤連接且同步轉動，通過機械鐘錶顯示的時間，能夠反應主動齒輪或者從動齒輪是否出現了故障，故可以進行齒輪的校核，以及反映從動齒輪是否按照正常的時間進行轉動。

進一步的，道路結構模擬部分中的道路結構模擬區的上表面水平且水平高度與從動齒輪的轉軸同高，因此能夠模擬太陽照射底面的實際情況，能夠準確模擬日出日落的情形；同時各道路結構模擬區之間通過隔熱區分隔，因此防止了車轍板易進行熱傳導，受周圍環境影響大的缺陷。

進一步的，道路結構模擬區的個數為2-4個，因此能夠同時進行不同路面結構或者不同道路結構的瀝青路面吸熱試驗模擬，應用範圍更廣。

進一步的，承裝箱的一個側板設置為便於道路模擬區裝卸的可活動形式，因此能夠進行內部道路材料的更換，方便實驗的進行。

進一步的，組合日光燈包括若干個日光燈，每個日光燈上均連接有開關，因此能夠通過開關開控制日光燈開關的個數，能夠模擬一天之中由於太陽入射角的不同，地面所受的光照強度不同。

進一步的，從動齒輪上在日光燈支架的中心對稱位置設置有配重重物，日光燈支架與組合日光燈整體相對於從動齒輪軸心產生的扭矩與配重重物相對於從動齒輪軸心產生的扭矩相等，將配重重物和組合日光燈支架固定在同一直徑方向，能夠抵消組合日光燈對齒輪運動產生額外的阻力或動力。

因此本發明的裝置能夠方便、準確地模擬不同道路結構的瀝青路面在晴好天氣下的吸熱情況，以協助進行瀝青路面的降溫技術研究和瀝青路面的降溫實驗。

【附圖說明】

圖1(a)為本發明的正視圖，圖1(b)為本發明的側視圖，圖1(c)為本發明的俯視圖；

圖2為本發明的驅動與校核部分示意圖；

圖3為本發明的組合日光燈與開關的連接示意圖；

圖4為本發明的組合日光燈和日光燈支架的連接圖；

圖5為本發明的法蘭旋轉軸的示意圖；

圖6(a)為本發明的承裝箱關閉時的正視圖，圖6(b)為本發明的承裝箱打開時的右視圖，圖6(c)為本發明的承裝箱的俯視圖。

其中：1-從動齒輪、2-主動齒輪、3-組合日光燈、4-開關、5-配重重物、6-電機軸、7-保溫箱、8-機械鐘錶、10-法蘭旋轉軸、11-承裝箱、12-鋼板、13-日光燈支架、14-車輪、15-分盤、16-扣手、17-道路結構模擬區、18-隔熱區、19-日光燈、20-步進電機、21-從動齒輪輻條。

【具體實施方式】

下面結合附圖介紹一下具體實施方式。

如圖1(a)-圖6(c)所示，本發明的室內模擬瀝青路面吸熱裝置，包括太陽運動模擬部分、用於模擬不同形式路面結構的道路結構模擬部分和用於驅動太陽運動模擬部分轉動的驅動與校核部分，太陽運動模擬部分包括從動齒輪1、組合日光燈3、日光燈支架13和開關4，從動齒輪1的轉軸固定設置，組合日光燈3通過日光燈支架13固定在從動齒輪1上並與從動齒輪1同步轉動，開關4與組合日光燈3連接，用於控制組合日光燈3的照射功率，道路結構模擬部分設置在組合日光燈3處於最高點時的正下方，從動齒輪1、組合日光燈3、日光燈支架13和道路結構模擬部分均設置在保溫箱7內，驅動與校核部分能夠將從動齒輪每24小時驅動旋轉一周；

本發明的驅動與校核部分包括機械鐘錶8和步進電機20，步進電機20的電機軸6上安裝有主動齒輪2，且電機軸6與機械鐘錶8的分盤15連接，主動齒輪2與從動齒輪1嚙合；道路結構模擬部分包括承裝箱11，承裝箱11的底部設置有方便移動的車輪14，承裝箱11內設置有若干個道路結構模擬區17，道路結構模擬區17的上表面水平且水平高度與從動齒輪1的轉軸同高，各道路結構模擬區17之間通過隔熱區18分隔，承裝箱11的一個側板設置為便於道路模擬區裝卸的可活動形式。

如圖6(c)所示，本發明的道路結構模擬區17的個數為4個，隔熱區18的材質為隔熱泡沫。

本發明的組合日光燈3中設置若干盞日光燈19，每個日光燈19上均連接有開關，每盞日光燈19的功率為400-500瓦。

如圖1(a)和圖1(c)所示，從動齒輪1上在日光燈支架13的中心對稱位置設置有配重重物5，日光燈支架13與組合日光燈3整體相對於從動齒輪軸心產生的扭矩與配重重物5相對於從動齒輪軸心產生的扭矩相等。

通過本發明的裝置進行室內模擬瀝青路面吸熱方法，包括如下步驟：

步驟一，驅動與校核部分驅動從動齒輪1轉動，轉動速率為從動齒輪1每24小時旋轉一周；

步驟二，當組合日光燈3隨從動齒輪1同步轉動至用於模擬不同形式路面結構的道路結構模擬部分的上方時，隨著組合日光燈3在道路結構模擬部分上方位置的變化，通過開關4控制組合日光燈3的照射功率來模擬一天之內隨著太陽對地面入射角度的變化而使地面受到不同的照射強度。

在模擬過程中，通過保溫箱7對整個裝置進行保溫，防止瀝青路面與外部環境的熱交換，使模擬更加仿真。

實施例

本實施例中，將室內模擬瀝青路面吸熱裝置的太陽運動模擬部分、驅動與校核部分、道路結構模擬部分均放在玻璃質的保溫箱7裡，主要模擬的是瀝青路面在晴好天氣下9點到17點的吸熱情況；

太陽運動模擬部分包括從動齒輪1、組合日光燈3、日光燈支架13、從動齒輪輻條21、配重重物5、法蘭旋轉軸10、開關4，鋼板12，組合日光燈3由三盞日光燈19組成，每隻功率為400瓦，組合日光燈3固定在日光燈支架13上，日光燈支架13固定在從動齒輪1上，從動齒輪1轉軸(即法蘭旋轉軸10)固定在鋼板12上，鋼板12固定設置，從動齒輪1和驅動與校核部分的主動齒輪2齒輪嚙合，配重重物5與日光燈支架13在同一直徑方向上，日光燈3在從動齒輪1的帶動下模擬太陽對地球的相對運動的軌道，在組合日光燈3的端部分別有接線接到開關4，在開關4上有三個小開關，可以進行日光燈打開或關閉的數量選擇；

驅動與校核部分包括主動齒輪2、機械鐘錶8和步進電機20，步進電機20的輸出軸為電機軸6，機械鐘錶8具有分盤15，其中，太陽模擬系統和驅動與校核系統由主動齒輪2和從動齒輪1靠齒輪連結起來，主動齒輪2和鐘錶8的分盤15以及電機20靠電機軸6固定連接在一起，進而帶動從動齒輪1和分盤15即機械鐘錶8轉動。

道路結構模擬系統可以模擬不同形式的路面結構，以及不同的道路結構，道路結構模擬系統包括承裝箱11、承裝箱11中設置道路結構模擬區17和隔熱區18，承裝箱11帶有四個車輪14，在承裝箱11正面的上部兩邊各有一個扣手16，從而使承裝箱11的正面可以通過扣手拉開或合上，方便模擬道路結構的裝卸，所述的承裝箱11由不鏽鋼材質製作，內部分為四部分，每部分包括道路結構模擬區17和隔熱區18，隔熱區18由隔熱泡沫製作。

組合日光燈3中每盞燈的功率為400瓦，組合日光燈3的操作方法根據以下進行確定：

在2016年8月26日、8月28日兩日，晴好天氣下，將尺寸為30cm*30cm*5cm的車轍板在9:00-17:00每隔半小時進行一次計數，溫度取平均值，所測得的瀝青溫度如表1和表2，其中，表1為2016年8月26日瀝青路面溫度變化，表2為2016年8月28日瀝青路面溫度變化：

表1

表2

從表1和表2的數據發現，除表2中9:00和11:00有些突變外，在夏季晴好天氣下，瀝青的溫度從9:00到15:00呈上升趨勢，且從9:00-10:00大致呈直線增長，在10:00-11:00呈另一個直線增長趨勢，在11:00-12:00增長最快，而在夏季12:00時太陽光入射強度最強，12：00過後太陽入射強度稍有下降，15：00過後，溫度增長的斜率下降。因此，經過實驗，選擇的組合日光燈3的每盞燈日光燈19為400瓦，在9:00時打開一盞，10:00時在打開一盞，11:30時再加一盞，此時組合日光燈3的3盞日光燈全打開，12:30時關掉一盞，15:00關掉一盞，17：00關掉最後一盞。

機械鐘錶8每次試驗時最好調到實驗模擬的起始時間，按照模擬的日照時間8個小時進行實驗，實驗時，可按時與其它表上時間進行校核，以確保實驗裝置的正常工作。

從動齒輪1選擇直尺圓柱齒輪，齒輪模數為1，壓力角為20°，分布圓直徑根據以下確定：

地球自轉一圈是24h，那麼太陽相對地球，假設地球不轉，則太陽相對地球轉動一圈也是24h，根據主動齒輪2和分盤15靠電機軸6連接，則分盤15和從動齒輪1的運動是同步的，則從動齒輪1的齒數確定為24×60＝1440個，齒輪模數取1，分度圓直徑為1440mm，即從動齒輪外徑為1440mm，外半徑為720mm，內逕取1200mm，內半徑為600mm，從動齒輪1輻條的體積為a×b×c＝2×1×60＝120cm3，從動齒輪1輻條數量為8根。

主動齒輪2選擇直尺圓柱齒輪，齒輪模數為1，壓力角為20°，齒數為60個，分度圓直徑為60mm，即主動齒輪2直徑為60mm，半徑為30mm。

道路結構模擬區17由車轍板邊長決定，車轍板邊長取300mm，考慮到允許誤差，道路結構模擬區17的邊長為310mm，隔熱區18的泡沫，每邊厚度為60mm，底部厚度經計算決定，承裝箱11邊長由道路結構模擬區17的邊長和隔熱區18的厚度決定，取為860mm，從動齒輪1的軸心距地面770mm，鋼板12為30mm厚的鋼板。

在進行瀝青路面的吸熱實驗時，鐘錶8、主動齒輪2、從動齒輪1的動力來源於步進電機20，在步進電機20的作用下主動齒輪2、分盤15和從動齒輪1運動起來，其中步進電機20的參數計算如下：

如上所述：從動齒輪1外徑為1440mm，外半徑r2為720mm,內徑為1200m,內半徑r2'為600mm,從動齒輪1厚度為2cm，齒數為1440，則E2為1440。主動齒輪2直徑為60mm，齒數為60，則E1為60，半徑r1為30mm，從動齒輪1輻條的體積為120cm3，從動齒輪1輻條為8根，從動齒輪1和主動齒輪2材料為賽剛，密度為1.42g/cm3。

則：主動齒輪2質量m1為：2×π×32×1.42＝0.08Kg/cm3，從動齒輪1質量m2為：2×π×(722-602)×1.42+8×120×1.42＝15.49Kg/cm3。

主動齒輪2的轉動慣量：

從動齒輪1的轉動慣量：

將各齒輪的轉動慣量折算到電機軸上：

其中i為傳動比：

由於計算時將鐘錶分盤的轉動慣量忽略不計，可以將算得的轉動慣量放大，以提高精確性，因此，取轉動慣量為0.015Kg·m2，由於負載的慣量除以電機的慣量在5～10之間，因此，電機負載選擇在0.0015Kg·m2～0.003Kg·m2。

因輪上負載幾乎為0，故可忽略不計，但啟動瞬間仍需一個力矩將齒輪帶動，存在啟動加速，因齒輪轉速：設啟動時間為1s，則力矩

步進電機參數計算：

由於主動齒輪2的轉速為即0.02°/s，選取步進電機的步距角為1.8°，驅動器位64細分，則64細分後每個脈衝轉：

脈衝頻率為：則即每1.4s給一個脈衝。

由(M為扭矩，P為功率，n為轉速)

則

綜上：取安全係數K＝1.2，則

則電機參數為：電機負載選擇在0.0015Kg·m2～0.003Kg·m2，力矩大於等於0.006N·mm，選取步進電機的步距角為1.8°，驅動器位64細分，每1.4s給一個脈衝,電機功率為2.094×10-6MW。

如圖1(a)至圖6(c)所示，太陽模擬系統能夠避免太陽光照度和入射角度的影響，在模擬實驗時，計算好道路結構的厚度，並將實驗的道路結構模型夯實碾壓好，放入道路結構模擬區17中，並將溫度傳感器安裝在車轍板上，如圖6(b)，打開承裝箱11的扣手16，將道路結構模擬區17和隔熱區18一起放入承裝箱11中，其中，道路結構模擬區17的頂面要與從動齒輪1的軸心在同一平面方向垂直，如達不到，則提前在模擬的道路結構下方墊入泡沫，以進一步保證模擬瀝青路面吸熱實驗的準確性。由於基層對路面表面的溫度有影響，且隨著深度的增長，影響越來越小，路基對路面溫度的影響微乎其微，因此在本發明中只模擬墊層以上的道路部分，即基層和面層。

如圖1，將裝配好的承裝箱11推到日光燈3正下方，以保證瀝青吸熱的均勻性，將日光燈調到上午九點鐘方向，並將鐘錶8的時間調到九點，以方便校核裝置的工作情況。打開步進電機20，令鐘錶8工作，以及主動齒輪2和從動齒輪1進行運動。實驗中，根據上文所述的日光燈操作方法進行操作，期間每個半小時進行溫度的記錄。

下面詳細敘述本發明工作的實例：

為實驗更精確，在2016年8月26日、8月28日，採用表1和表2中使用的車轍板進行實驗，為實驗具有對比性，道路結構模擬區17隻用車轍板模擬瀝青路面部分，沒有進行基層的模擬。按照上述的操作過程，實驗結果如表3和表4所示，其中表3為2016年8月26日室內模擬瀝青路面吸熱試驗瀝青溫度變化情況，表4為2016年8月28日室內模擬瀝青路面吸熱試驗瀝青溫度變化情況：

表3

表4

由表3和表1對比得知，瀝青溫度主要在10:00、13:00和17:00有較為顯著的變化，但是變化均在兩三度內；表4和表2進行對比分析可得，瀝青溫度主要在10:30、11:30、16:00和16:30有明顯變化，但是變化範圍也是在三度以內，所以實驗的結果具有一定的可靠和準確性。

與現有技術中提到的兩種模擬裝置相比，本發明具有如下有益效果：

從動齒輪1在步進電機20的間接帶動下運動，可以近似模擬太陽對地球的相對運動，考慮了太陽光的入射角度和車轍板的受熱均勻問題；從動齒輪1和分盤15間接連接在一起，當鐘錶的時間出現問題時，可以反應主動齒輪2或者從動齒輪1出現了故障，故可以進行齒輪的校核；組合日光燈3可以通過開關4根據晴好天氣下太陽光的強度在不同時間選擇幾盞日光燈進行照射，進一步準確的模擬了太陽光發出的熱量。

承裝箱11有四個車輪14，承裝箱11的內部有四個區域，且有隔熱區18，可以進行不同路面結構或者不同道路結構的瀝青路面吸熱試驗模擬，並且可以同時進行2-4組路面結構進行試驗，應用範圍更廣，實驗數據更準確。

承裝箱11的正面通過扣手16可以進行內部道路材料的更換，方便實驗的進行。

玻璃質的保溫箱7可以保護實驗裝置，同時也可以進一步防止瀝青路面與外部環境的熱交換。