一种沥青路面动水压力模拟试验台配重部分设计

何 淼，马锡勇，姜轶辉

0 引言

由于我国疆域辽阔，气象条件复杂且车辆超载屡禁不止，因此，许多高速公路在投入运营一、两年后，甚至有时不到一年，沥青路面就发生水损坏现象，因而沥青路面需要维护或翻修重建[1]。然而，随着社会的不断进步，人们对于公路的行车安全性、舒适性、环保性等方面要求越来越高。沥青路面水损坏不仅会增加养护费用，也会对公路的服务水平产生很大的影响，继而造成社会的负面效应。沥青路面水损坏问题的本质是沥青与集料在静、动水压力作用下的持续粘附能力，其中动水压力作用更为复杂多变同时会引起一系列损坏。水会通过裂缝、松散等病害处或者面层空隙下降、侧向渗入、地下水位逐渐上升等多种途径进入路面结构，在车辆荷载的反复作用下沥青路面内部的水会产生动水压力作用，使沥青粘附性降低，丧失了与集料之间的粘结力，导致沥青膜从集料表面脱落，造成沥青路面的水损害[2]。虽然国内外道路工程界都认识到沥青路面动水压力水损害的严重性，并采用多种方法来评价沥青混合料的水稳定性，但工程上与水相关的沥青路面病害仍不断出现，现有的测试方法还不能有效地反映路面的实际情况和动水压力水损害对沥青混合料路用性能的影响程度及作用规律[3]。为此，需要对测试方法进一步深入研究。

本文通过设计沥青路面动水压力模拟试验台的配重部分，实现了单一设备对多种规格的汽车产生动水压力损坏的模拟，且提供了一种在实验室有效地模拟沥青路面动水压力对沥青路面的水损害的测试方法，为研究沥青混合料路用性能的后续实验提供可靠试件。

1 动水压力

自然降水通过路面的横坡来排除，所以雨天的路表面常被一层水膜所覆盖。当车辆在水膜覆盖的路面上高速行驶时，轮胎与路面之间的水不断地被高速运转的轮胎所挤压，因此产生了动水压力[4]。流体的压力同时作用于轮胎与路面，对于路面与轮胎相接触的某一点而言，这种动水压力是瞬时的，而对于车辆行驶的整条轨迹而言，动水压力如同车辆荷载一样是始终存在的。经学者研究，动水压力除了与行车速度有关外，还与车辆轴载有着密切关系[5]。

2 试验台的结构与工作原理

该试验台结合实际工程问题考虑机器的可调速范围、雨水模拟问题、接地压强可变范围、温度可变范围、实验时间控制范围、实验中动水压力大小的测量问题以及所需要的配套控制系统问题而设计。

2.1 试验台的结构

试验台主要由壳体、配重块、竖直基准光杆、气缸、滑块、小滑块、水平基准光杆、筋板、试验轮、试验轮连接轴、加热和洒水台、试样台、加热装置、洒水器、步进电机、曲柄连杆机构、控制机构、水箱组成。其结构如图1所示[6]。

图1 沥青路面动水压力模拟试验台装配图

2.2 工作过程

（1）首先，接通电源，调节气缸使行驶轮系上移；

（2）将提前准备好的沥青板材放置于试样台上，关闭壳体上的试样门；

（3）根据后续实验要求，选择合适的配重块，在控制部件上调节控制气缸使气缸不承受配重块的重量，配重块的重量通过竖直基准光杆完全作用在行驶轮系上；

（4）根据后续实验要求在控制部件上预设定合适的步进电机的旋转速度、加热器加热温度、雨量大小、实验时间，启动电源键；

（5）系统开始工作，加热器将加热至指定温度并在实验过程中一直恒温加热使实验环境一直处于设定温度值，水箱将根据预设雨量大小，从外界蓄水至一定高度，通过水箱底部的软管与喷水器相连，保证喷水器喷出预设雨量大小的水，并且在实验中持续洒水，以模拟工程实际中的雨天；曲柄摇杆机构将步进电机的旋转运动转化成滑块的往复直线运动，此时曲柄摇杆机构与滑块构成一个曲柄滑块机构，此机构使行驶轮系往复的碾压在试件上，碾压形成的动水压力对沥青试件进行破坏。

（6）当实验时间到达设定的实验时间后时间继电器切断电源，系统停止工作，实验人员调整气缸，使试验轮系上升，得到破坏试件，取出并进行后续研究。

3 配重块的设计

3.1 轴载选择

轴载的大小是指汽车车轴支撑平面垂直载荷的大小，其直接影响汽车作用在路面上载荷的大小。在我国目前的交通量构成中，无论是在交通量统计资料还是工程可研报告所提供的交通量预测中，其车型一般分为大、中、小型车辆，参考多种车型的轴载设计大小，选取其中具有代表性的3个轴载大小作为本试验台的设计模拟轴载，分别为80 kN、100 kN、160 kN[7]。

3.2 配重块设计

经测量在标准荷载下的轮印面积为1.11×10-3m2.相关研究表明，轮胎接地面积以及接地压力随轴载增加而加大，且两者一起变化。由于国内缺乏相关研究成果，遂采用比利时的轮胎接地面积计算方法。该方法根据路上的实际调查得出以下统计公式[8]。

对于主要道路：

对于次要道路：

式中：A为轮胎接地面积（cm2）；P为每个轮胎的荷载（N）。

根据我国道路的实际情况，采用下式：

在此公式的基础上，再假设轮载P均匀分布在接触面的圆面积上，圆半径为r，并求得接地压力P：

类比轮印面积：

式中：S标为接地压强为0.7 MPa时的单元接地面积，取352cm2.

式中：m为单轮配重重量（kg）；g为重力系数（取10 N/kg）

由于设计为双轮则配重应为单轮配重重量的二倍。

根据上述公式计算结果如表1所示。

表1 轴载与配重重量换算表

经考量，选择最廉价、最丰富的铁作为配重材料，因为实验条件比较潮湿且温度比较高，为了避免铁生锈采用给配重块表面镀一层镁来防锈提高配重块使用时间，查询得铁的密度ρ＝7.87×103kg/m3[9].

由下式：

式中：V 为配重块体积（m3）

为与其他的零件相匹配其设计尺寸如表2所示。

表2 配重块尺寸表

4 结束语

本文利用动水压力产生的过程以及相似机械的结构，对动水压力模拟实验台的配重部分进行设计计算，并辅助建模，验证沥青路面动水压力发生系统配重部分结构尺寸及各参数的合理性，最后得到沥青路面动水压力模拟试验台配重部分的设计数据。

[1]潘宝峰，邵龙潭，王 哲，等.沥青路面水损害研究新方法[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2009，33（4）：250-252.

[2]祁文洋.水、动荷载耦合作用下沥青路面损坏机理分析与设计[D].济南：山东建筑大学，2011.

[3]王 莉，李 智，姜旺恒，等.新型沥青路面动水压力模拟试验研究[J].公路交通科技（应用技术版），2010（9）：78-81.

[4]李少波，张宏超，孙立军.动水压力的形成和模拟测量[J].同济大学学报（自然科学版），2007（7）：915-918.

[5]吕彭民，宋绪丁，郑南翔．动水压对开裂沥青路面基层冲刷模拟试验装置及方法：中国，CNl00381818C[P]．2008-04-16．

[6]张伟社.机械原理教程[M].西安：西北工业大学出版社，2013.

[7]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].北京：人民交通出版社，2005.

[8]濮良贵.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006.

[9]吴宗泽.机械设计课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，2012.