路面加速加载实验设备研究

王刚 贾倩 张鹏 管志光 张吉卫 杨福广

摘要：路面加速加载实验设备可在短时间内完成路面数年后的破坏情况，是检测路面状态的最有效的手段之一。现有的足尺路面加速加载实验设备普遍存在价格昂贵，体积质量大，不易移动，结构复杂等问题。本文在现有设备的基础上，开发研制了回转式路面加速加载实验设备，设备规格小、质量轻、运输方便、操作简单，解决了大型足尺加速加载设备的不足之处。可高效、准确的完成路面加速加载性能实验研究，为道路建设提供可靠依据。

Abstract： The road surface accumulation and loading equipment is one of the most effective means to detect the state of the road surface， which can complete the damage of the road surface in a short time. The existing full scale equipment for road surface generally has some problems， such as high price， large mass， difficult to move and complex structure. On the basis of the existing equipment， this paper develops a rotary road accelerated loading experimental equipment， which has small size， light weight， convenient transportation and simple operation， and overcomes the shortcomings of large full scale equipment. It can efficiently and accurately complete the test and research on accelerated loading performance of pavement， and provide reliable basis for road construction.

关键词： 路面加速加载;回转式;实验设备

Key words： road surface accumulation and loading;rotation;experiment equipment

中图分类号：U418.6                                     文献标识码：A                                  文章編号：1674-957X（2021）21-0058-02

1  国内外路面加速加载实验设备发展现状

目前，城市道路和高速公路大多为沥青路面，沥青路面平整度高、接缝少、具有一定的弹性等优点，但随着时间推移，沥青路面会发生劣化。特别是在高强度高负荷的碾压下沥青路面发生硬化和疲劳损坏的几率变大，导致其寿命减少[1]。

如何在较短的时间内，模拟数年甚至数十年路面的碾压情况，来检验路面质量是当前社会科学发展亟需解决的问题。国外研制了多类型的路面检测设备，模拟车辆车轮碾压路面的情况，可以在短时间内模拟数年内该路面实际的交通流量，可为检测路面状态、分析路面生命周期内的破坏机理和优化道路性能指标提供依据。

路面加速加载实验设备可分为环道式、直道可移动式和固定轨道式三类[2]。

1.1 环道式路面加速加载实验设备

法国路桥实验中心研制的环道路面加速加载实验设备，采用四臂系统加载，分为内外两个环道，实验最高速度为100km/h，最大轴荷为15t。该设备占地面积大，尺寸大[3]。

东南大学环道式路面加速加载设备采用双臂加载系统。加载臂的末端安装有加载轮，最大轴荷10t，实验最高速度60km/h，环境温度范围25-60℃。（图1）

交通部重庆公路科学研究所环道式路面加速加载设备采用双臂双轮加载系统，最大轴荷10t，实验最高速度60km/h，环境温度范围25-60℃。（图2）

综上，环道式路面加速加载实验设备体积大、结构复杂，需要有固定的环形场地。

1.2 直线可移动式加速加载设备

澳大利亚研制的直线加速加载设备ALF，设备总长12m，单轴主动轮碾压模式，最大加载速度20km/h，最大轴荷为8t。（图3）

南非研发的重车加速加载实验设备HVS。液压加载方式，单轮或者双轮加载，最大轴载10t。（图4）

美国加速加速TxMLS实验设备，设备最大轴载19t，加载速度为20km/h，总长11m，设备含有温控单元，加载的横向宽度可调节。（图5）

南非加速加载实验设备MLS，采用多轮循环碾压模式，最大加载速度26km/h，最大轴荷15t。MLS设备加载效率高，结构相对复杂，故障率较高，维修成本高，运转噪音大。南非研制的小型加速加载实验设备MMLS，为MLS设备的缩小版，原理相同，设备可用在实验室内对路面试样进行碾压测试。最高速度26km/h，最大轴荷2.5kN。（图6）

1.3 固定轨道式加速加载设备

西班牙固定轨道式加速加载实验系统CEDEX，设备在实际道路上进行测试，加载载荷范围为11t-15t，最高运行速度60km/h。实验路面的温度和湿度的可控。（图7）

综上，现有的加速加载设备的体积较为庞大，设备转场的难度较大。价格均在千万元以上。实验环境模拟单一，难以满足当前交通荷载和复杂环境条件下的需要。设备均为国外产品。因此，亟需结构简单，体积小，可模拟多种环境的加速加载设备。

2  ALT-R100路面实验设备系统

ALT-R100回转式路面加速加载实验设备由山东交通学院自主研发，三轮单向循环加载方式，能在较短的时间完成大量路面碾压次数，模拟实际交通荷载及环境对路面的破坏情况。回转式加速加载设备如图8所示。

2.1 ALT-R100系统结构

ALT-R100回转式加速加载系统的外形尺寸为3360mm×2120mm×2526mm;设备的实验轮数为3个，最大轮载1t，最大运行加载速度为38km/h，碾压长度为1000mm。

回转式路面加速加载实验系统主要由柴油发动发电系统、机架、回转架、主传动系统、支腿总成、加载轮总成、环控系统、电控柜等部分组成。

2.2 ALT-R100系统工作原理

系统为电力驱动模式，采用一台大功率的柴油发动机带动发电机产生电能，驱动设备运转。发动发电机组为：潍柴悦动力HQ20kW柴油发电系统，额定输出电压400/220V，输出电流36A。

三个加载轮安装在回转架末端，通过电机带动回转架在机体内转动，三个加载轮依次与待测路面接触，完成碾压动作。调节电机的转速可改变碾压速度。轮胎对于路面所施加荷载的调节方式有三种分别为：调节轮胎气压、调节机架高度和调节碾压轮气囊的压力。机架高度的调节是通过安装在四个支腿上的步进电机进行调整。实验运行过程中，当某个碾压轮运行到测试路面时，立柱支腿上的称重传感器测量出支腿承受的压力，从而计算出加载的压力。通过这种方法，可实时测量加载压力和載荷的标定。设备电气系统实现主轴电机控制，步进电机控制，实时测量加载压力，工作温度、环境温度，记录加载次数并显示。

系统的核心控制节点为PLC控制器，PLC主要根据按钮开关控制信息实现主轴电机、步进电机等执行部件的电气控制，实现加载设备的启动、停止、点动等操作。在设备运行过程中，利用磁电转速传感器、压力传感器、模拟量输出模块采集信号，PLC对采集信号进行计算、处理，然后将计算结果通过串行通信接口传送到显示电路。显示电路根据接收到的数据实时显示加载次数、加载压力、运行速度、环境温度、工作温度等信息。

回转式路面加速加载设备具有如下优点：

①带有环境控制单元，耦合多种情况，可模拟高低温、雨淋、强紫外线照射等环境。②加载方式灵活。加载轮采用充气轮胎，单向行驶，可以模拟不同胎压、车速下的路面加载情况，更加切合实际。③体积较小、重量较轻、运输方便，既可用于室内实验，也可用于现场实验。

3  结语

回转式路面加速加载设备属于小型的加速加载设备。具有设备规格小、质量小、运输方便等优点，既可以用于现场足尺沥青路面的实验，亦可以用于室内的路面结构模型实验，能够很好的解决大型足尺加速加载设备的不足之处。带有的自行走功能，可以轻松地实现设备转场移动。配备的环境模拟单元，可模拟多种复杂环境（高温，低温，强紫外线，淋雨等）。能够高效、准确的完成路面加速加载性能实验研究。

参考文献：

[1]李伟.纤维增强封层技术在公路沥青路面养护中的应用研究[D].重庆交通大学，2011.

[2]周文欢.路面加速加载设施优选对策研究[D].长安大学，2011.

[3]王勋.基于加速加载实验的高寒地区沥青路面疲劳性能研究[D].山东交通学院，2020.