一种模拟路面实际状态的多功能车辙试验机

摘要

本发明公开了一种模拟路面实际状态的多功能车辙试验机，其特征在于，包括测试平台、用于驱动测试平台的驱动机构、用于固定试件的试件夹板、车辙上隆高度测量装置、车辙下凹深度测量装置和水循环系统；测试平台设置在竖直支撑杆上，测试平台位于试件夹板的上方，测试平台上设有2个升降臂，加载板设置在升降臂上端，试验测试轮组设置在升降臂的下端；试件夹板上设有安装车辙上隆高度测量装置的支座；水循环系统包括循环水箱和水槽，循环水箱设有第一水泵和加热装置，水槽中设有第二水泵，试件夹板设置在水槽底部。该模拟路面实际状态的多功能车辙试验机具有多功能、能开展多种项目的测试和能模拟路面实际状态的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟路面实际状态的多功能车辙试验机。

背景技术

沥青路面是我国公路路面的主流结构形式，但随着交通量的激增，重车的增加，超载现 象也越来越严重，我国公路车辙损害日益严重，造成巨大的经济损失。如何防治沥青路面车 辙也已成为一个世界性的难题。我国规范要求在沥青混合料材料组成设计环节检验沥青混合 料的抗车辙性能，目前的标准车辙试验中，车辙试件的尺寸(30cm×30cm×5cm)，试验时环 境温度(60℃)、荷载(0.7MPa)以及轮碾速度(42次/min)都是固定不变的，标准的车辙试验机无 法模拟汽车超载特性，不能反映不同等级公路上、不同路段汽车行驶速度不同的影响，不能 进行实际路面结构抗车辙性能试验，也无法模拟实际路面温度场。工程实践也表明，经检验 合格的沥青混合料实际应用到工程以后却屡屡发现车辙病害，也就是说其试验结果与实际路 面抗车辙性能的相关性值得怀疑。同时，随着我国高速公路使用期的延长，部分早期修建的 高速公路已经进入维修养护期，尤其是车辙病害严重的高速公路，一般都采用微表处的处治 方法进行维修。微表处对于我国来说是新工艺、新技术，对于微表处路面的抗车辙性能仍需 深入研究。目前的车辙仪难以模拟路面实际状态，而且功能单一，只能开展一类试验，难以 满足复杂条件下的车辙试验。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种模拟路面实际状态的多功能车辙试验机，该模拟 路面实际状态的多功能车辙试验机具有多功能、能开展多种项目的测试和能模拟路面实际状 态的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种模拟路面实际状态的多功能车辙试验机，其特征在于，包括测试平台、用于驱动测 试平台的驱动机构、用于固定试件的试件夹板、车辙上隆高度测量装置、车辙下凹深度测量 装置和水循环系统；

测试平台设置在竖直支撑杆上，测试平台位于试件夹板的上方，测试平台上设有2个升 降臂，加载板设置在升降臂上端，试验测试轮组设置在升降臂的下端；

试件夹板上设有安装车辙上隆高度测量装置的支座；

水循环系统包括循环水箱和水槽，循环水箱设有第一水泵和加热装置，水槽中设有第二 水泵，试件夹板设置在水槽底部，水箱中的第一水泵的出水管连接到水槽中，位于水槽中的 第二水泵的出水管连接到水箱中。

还包括空气调节系统，所述的空调系统包括恒温箱、主风机、加热器、空气压缩机和温 度传感器，测试平台、用于驱动测试平台的驱动机构、用于固定试件的试件夹板、车辙上隆 高度测量装置、车辙下凹深度测量装置和水循环系统、主风机、加热器、空气压缩机和温度 传感器均置于恒温箱内。

车辙上隆高度测量装置的结构为：

2个固定支架安装在支座上，2个固定支架上均设有竖直的滑杆，用于传导W型车辙上 隆位移的水平的滑块安装在滑杆上，W型车辙上隆高度测量装置还包括高度固定的水平的连 杆，连杆上设置有用于感应滑块位移变化的位移传感器，连杆和位移传感器均设置在滑块的 上方位置；滑杆为2根，2个固定支架上各有一根，连杆设置在2根滑杆上。

所述的滑块为中空的铝合金滑块。

在循环水箱和水槽之间设有溢流槽。

驱动机构包括调速电机和连杆，调速电机的输出轴为偏心轴，偏心轴通过连杆与测试平 台相连。

有益效果：

本发明提供一种模拟路面实际状态的多功能车辙试验机，该试验仪能够模拟超载、低速、 温度梯度、全厚度路面结构状况，可以准确测量车辙深度(下凹部分车辙和车辙两侧上隆部 分车辙之和)，能进行浸水车辙试验，可以模拟实际路面辙槽形状，进行微表处车辙试验研究， 对沥青混合料和路面结构抗车辙性能进行准确的评价，从而有益于延长路面的使用寿命，降 低成本。

①功能多用，集合了多台车辙试验机的功能，可以开展多种车辙试验；

②能够准确测量试件的车辙深度，包括下凹部分和上隆部分车辙；

③可以模拟路面实际状况，根据道路的实际条件(如长大上坡汽车低速行驶路段、重载 交通、温度梯度、浸水情况等)，有针对性地开展抗车辙性能试验；

④能够将沥青面层结构当作一个整体来评价和控制其抗车辙性能，更直观地指导沥青路 面结构组合；

⑤可用于稀浆混合料的抗车辙性能检测与评价，为稀浆混合料的抗车辙设计提供新的思 路。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是车辙上隆部分高度测量装置结构示意图；

图3是车轮组结构图；

图4为车辙示意图。

标号说明：

1-恒温箱、2-隔热材料、3-主风机、4-风扇、5-循环水箱、6-第一水泵、7-空气 压缩机、8-支撑杆、9-滑杆、10-测试平台、11-升降臂杆、12-加载板、13-位移传感 器、14-试验测试轮组、15-连杆、16-调速电动机、17-水槽、18-试件夹板、19-温度 传感器、20-电机调速器、21-温度巡检仪、22-控制器、23-水平调节支腿、24-溢流槽， 25-进风口、26-车辙上隆部分高度测量装置支座，27-出风口，28-电热丝，29-第二水 泵，30-电热管，31-冷却管，32-温度传感器。

33-固定支座、34-固定螺栓、35-铝合金轻质滑块、36-滑杆(与固定支座连接，不 可拆卸)、37-连杆、38-位移传感器、39-位移传感器固定螺栓。

40-车辙仪升降臂杆、41-车轮固定板、42-螺丝、43-车轮固定轴、44-双轮组充气橡胶 轮胎。

其中铝合金轻质滑块为空心，为了减轻重量，只能上下滑动，滑动摩擦力很小，可拆卸； 滑杆与固定支座连接，不可拆卸；连杆固定在滑杆上，可拆卸，上下位置可调；位移传感器 固定螺栓固定在连杆上，水平位置可调。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

参照图1所示，恒温箱1壁设有隔热材料2，恒温箱1左下角为进风口25，右侧为出风 口，进风口上方设有风扇4，进风口25与出风口27(主风机的空气通过出风口进入恒温箱， 恒温箱的空气通过进风口进入主风机，形成空气循环)连接在主风机3上，主风机3内设有 电热丝28，恒温箱内设有循环水箱5，循环水箱内壁设有电热管30、冷却管31、温度传感器 32，冷却管31与空气压缩机7连接，恒温箱1底部设有水槽17，循环水箱5与水槽17利用 第一水泵6、第二水泵29连接，采用溢流槽24，保持水槽17的水位恒定，恒温箱1底部设 有支撑杆8，支撑杆8利用滑杆9连接，滑杆9上设有带滑块的测试平台10，测试平台10与 调速电机16之间由连杆15连接，测试平台上设有支撑杆11，支撑杆上方有荷载板12，支撑 杆下方有试验车轮14，荷载板12上有位移传感器13，恒温箱1底部的水槽17内设有试件夹 板18，试件夹板18两侧有车辙上隆部分高度测量装置支座26，恒温箱1底部有温度传感器 19，调速电动机16通过电机调速器20调剂速度，机架上有温度巡检仪21，主风机3、调速 电动机16、位移传感仪13、温度传感器19、温度巡检仪21通过数据线连接控制器22和电 脑，机架下部设有水平调节支腿23。

3个位移传感器量车辙深度的方法：

通常轮迹带的沥青混凝土面层在下凹的同时，两侧伴随着隆起，二者组合起来构成车辙， 见图4。一般车辙仪只能测量下凹的车辙深度h₁，无法测得两侧隆起的高度h₂，也就是说采 用现有的车辙仪得到到的车辙深度h和动稳定度与实际理论是不相符合的。因此本发明采用 3个位移传感器来测量下凹与隆起共同产生的车辙深度h。车辙仪的测试平台上的位移传感器 13可测量下凹车辙深度，试件夹板18的两侧有车辙上隆部分高度测量装置支座26，在车辙 上隆部分高度测量装置支座上安装车辙上隆部分高度测量装置(见图2)，通过2个位移传感 器测量两侧隆起的高度，具体方法为：车辙上隆部分高度测量装置有固定支座，固定支座上 有滑杆，滑杆上有铝合金轻质滑块，轻质滑块只能上下滑动，调整固定支座使轻质滑块位于 试验轮一侧并紧密的压在试件表面，滑杆上端有连杆，连杆上有位移传感器固定螺栓，可以 固定位移传感器，将位移传感器的压头接触到轻质滑块，试验时沥青混合料上隆会推动轻质 滑块向上移动，移动的位移就为隆起的高度，位移传感器接触到轻质滑块就可以测量车辙一 侧隆起的高度，两个相同的装置就可以得到两侧隆起高度，位移传感器连接到车辙仪的控制 主机，三个位移传感器在试验时同时测量位移，下凹的位移h1与隆起的高度h2之和(下凹 位移+两侧上隆高度之和/2)则为车辙深度，用该车辙深度进行动稳定度计算更加准确。

(1)标准车辙试验

将标准车辙试验放置在试件夹板上，调节荷载板荷载，使试验轮压为0.7MPa，实验前设置 试验温度，通过电脑控制主风机电机的电源，设置轮碾速度为42次/min，设置试验时间为 60min，进行车辙试验，电脑自动记录位移，生成曲线，试验结束时后，自动求出动稳定度， 保存结果。

(2)变荷载、变速度、变厚度、变温度(均匀温度场)车辙试验

荷载板可以装卸砝码，使试验轮荷载可以在0.7MPa-1.4MPa之间变化，升降臂可以伸缩， 可以满足试件厚度在5-30cm之间变化，环境箱温度可以在20-80℃范围内任意调节，通过调 节电机调速器调节轮碾速度，轮碾速度可以在10-56次/min之间任意调节。调节好试验条件 后，对试件加热(加热时间根据试件厚度调整)，加热完成后，设置试验时间，进行车辙试验， 电脑自动记录位移，生成曲线，试验结束时后，根据设定的动稳定度修正公式，自动求出动 稳定度，保存结果。

车辙试验时长修正方法：标准车辙试验方法中设定的试验时长恒定为1小时，对应的加 载速度是42次/min，当车辙试验加载速度调整以后，如果此时试验时长仍然沿用1小时，势 必会导致车辙试件受到的碾压次数减少了，将会直接影响到车辙变形的累积，为此，本发明 提出如下车辙试验时长的修正方法：当加载速度变化时，应以保证每次试验时试验轮对试件 总的轮碾次数不变为原则，如当轮碾速度为标准轮碾速度的1/n时，那么试验时长应调整为 标准试验时间的n倍；动稳定度(简称DS)计算公式的修正方法：参照试验时长的修正原则， 本发明提出如下的DS计算公式的修正方法：以标准车辙试验方法中45min和60min对应的 轮碾次数为准来确定不同轮碾速度下的计算点，

$\mathrm{DS}=\frac{630}{d_2-d_1}\times C_1\times C_2$

式中：d₁、d₂分别为轮碾1890次与2520次对应的位移变形(mm)(位移变形是2个深度 h1和h2之和)；C₁、C₂含义与标准车辙试验方法中的含义相同。

C₁-试验机类型修正系数，曲柄连杆驱动试件的变速行走方式下，取值为1.0，链驱动试 验轮的等速方式下，取值为1.5，；

C₂-试件系数，试验时制备的宽300mm的试件为1.0，从路面切割的宽150mm的试件的 试件系数为0.8.

(3)温度梯度条件下变荷载、变速度、变厚度车辙试验

温度梯度控制方法：

因为车辙试验时试件必须置于车辙箱内，而车辙仪自身设有温度控制系统，能够使车辙 箱内保持恒温，而且温度还可以任意设置，因此，本发明在试件表面不加处理，这样就能够 有效的控制试件表面温度；车辙试验时试件放置在试模内，试模为钢制的，钢导热性能好， 当试模放置在车辙箱时，试件四周很快就车辙箱环境温度相同，本发明在试件四周用隔热材 料与钢模隔开，以保证钢模的温度不至于传到试件周边；本发明设计了一个水槽，将装有试 件的试模放置在试件夹板上，夹板水平固定在水槽中并处于恒温的水循环中，这样就既可以 保持试模底部温度，又可以保证试模底部能够正常承载。通过这三方面控制温度，就能使试 件内部形成温度梯度。

水槽与车辙试验机机门方向接近的面为透明有机玻璃材质，左、右和下方带有橡胶片， 通过固定螺栓可以将该面固定在其他三个面上，形成一个封闭不漏水的可视空间。将试件固 定在试件夹板上，固定水槽的有机玻璃面，将循环水箱内注满水至溢流管流出的水恰好至试 件底部(水槽内水泵功率略大于循环水箱内水泵功率，溢流管溢出的水能够作为补偿，保证 水槽内水位不变)，设置水循环系统的水温，通过电热丝加热和空气压缩机冷却保持循环水的 温度不变，开启水泵启动水循环，同时开启恒温箱加热。在试件制作时预先在上中面层、中 下面层界面处以及试件底部埋设温度传感器，将温度传感器连接到温度巡检仪，随时可以监 控试件内部温度场。形成稳定的温度场后，按照方法(2)进行车辙试验。

(4)浸水车辙试验

将循环水箱的水加满，将水槽中的水加至设计位置(水槽的高度可以满足4-20cm的车辙 试件的浸水要求，设置水温，开启水循环对试件加热(此时不必开启恒温箱加热)，按照方法 (2)进行车辙试验。

(5)稀浆混合料车辙试验

本发明可以为稀浆混合料抗车辙性能提供新的研究方法。

本发明的试验轮是可以拆卸的，将标准的车辙试验轮换成稀浆混合料填充W型车辙试件 成型及试验装置，确定合理的双轮间距，将双轮组充气轮胎安装好，进行温度梯度条件下全 厚式车辙试验(平面尺寸可变)，用位移传感器控制控车辙深度；待深度达到设计深度时，停 止车辙试验；将试件抬出车辙仪，用稀浆混合料对车辙进行填充，去除全厚式车辙试件最上 层试模，将能够满足上面层和微表处厚度的试模重新装上，按照微表处施工技术标准成型微 表混合料按设计要求铺设微表处，养护成型后，放进车辙试验机中，将双轮组充气橡胶轮换 成单轮组充气橡胶轮，进行车辙试验。试验控制方法参照方法(2)。

恒温箱设有隔热材料，出风口上方设有风扇，恒温箱内设有循环水箱，循环水箱(循环 水箱中储存有水，循环水箱内设有电热丝和冷却管和温度传感器，根据设定的温度与水的实 际温度，选择加热和冷却，保持水的温度，由电脑控制)设有隔热材料，循环水箱内设有水 泵、电热管、温度传感器、冷却管，冷却管(当水循环的水温高于需要的水温时，开启空气 压缩机，冷空气通过冷却管冷却水箱中的水，当温度低于需要的水温时，开启电热管加热) 与空气压缩机连接，恒温箱内设有支撑杆，支撑杆上设有滑杆，滑竿上设有带滑动块的测试 平台，测试平台上设有升降臂，升降臂上端设有荷载板12，荷载板可以增减荷载，调整车轮 的压力，荷载板上设置位移传感器(用于测量车辙下凹部分的深度)升降臂下端设有测试车 轮，测试车轮可以拆卸，更换车轮，测试平台设有连杆，通过连杆与装有偏心轴的调速电动 机相连(偏心轴与连杆还有测试平台组成一个曲柄滑杆结构，通过电机驱动，使测试车轮能 够往返运动，车轮的行程为23±1cm，测试平台的移动范围也为23±1cm)恒温箱内部底部 设有水槽，水槽内设有水泵，水槽内设有试件夹板，试件夹板两侧有车辙上隆部分高度测量 装置支座，恒温箱内设有温度传感器，机架上设有电机调速器、温度巡检仪，主风机、电热 丝、电动机、位移传感仪、温度传感器温度巡检仪通过数据线连接控制器和电脑。

机架下部设有水平调节支腿。

试验时，先将水箱中加满水至溢流槽位置，再将水槽的水位加至设计水位，然后同时开 启两个水泵，就能形成水循环，水槽中的水泵的功率略大于水箱的功率，水槽的水位就会略 微下降，水箱中的水就会略微上升，水箱中多余的水就会顺着溢流槽流往水槽，这样就能保 证水槽中的水位稳定。

主风机通过出风口与进风口和恒温箱连接，进行空气循环，通过控制电热丝加热与停止 加热，控制恒温箱的温度。

位移传感器与现有规范规定的车辙试验机的传感器一致，位移测量范围：0～30mm，控 制精度小于0.01mm。

加热器和加热装置为电热丝或发热片。加热器采用电热丝加热，位于主风机内，加热循 环空气，保证恒温箱的温度，这个与我国现行的规范采用的车辙试验机一致。