热再生沥青路面养护车RAP加热均匀性分析

曹源文，黄兴生，李 成，吴 鹏，仇晓骏

(1. 重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074； 2. 浙江美通筑路机械股份有限公司，浙江 海宁 314400)

0 引 言

根据交通运输部于2020年11月19日公布的数据，截至2019年末，我国公路养护里程495.31万公里，占公路总里程98.8%。大量沥青路面的养护，必然会产生大量旧沥青混合料。旧沥青混合料的再利用，有助于减少对不可再生资源的依赖，不仅有利于环境保护，而且能降低路面养护成本[1-2]。因此，围绕热再生沥青路面养护车展开的研究成为了沥青路面养护的重要研究方向，又由于养护车的搅拌加热技术关系到RAP的加热均匀性，是影响热再生沥青混合料质量的关键因素，所以针对热再生沥青路面养护车RAP加热均匀性的研究，成为热再生沥青路面养护车关键技术研究内容。

SONG Fuqiang等[3]通过建立环形多孔燃烧器的数值模型，数值分析数据与其之前的试验数据十分吻合，发现径向增加孔或轴向减少孔能提高燃烧火焰稳定性；SHI Junrui等[4]建立了二维多孔燃烧器的物理模型，根据离散颗粒交错排列方式对CO2和CH4进行了孔级模拟，模拟结果与ZENG Hongyu等[5]根据数学模型的预测结果基本相同，发现在CH4燃料中加入一定量的CO2能减少CO2净排放而不降低热值；B.B.TELTAGEV等[6]根据有限元法建立了多层沥青路面瞬态温度分布模型，借助MATLAB对沥青路面温度分布进行了仿真；王计敏等[7]、刘辉等[8]、陈是楠[9]、CHEN Shinan 等[10]、SHI Junrui等[11]各自研究了燃烧器的不同布置方式对加热效果或加热效率的影响。目前，国内外已经有较为成熟的加热方式。根据MA Yuetan等[12]的研究，沥青混合料加热均匀与否直接影响着RAP质量的好坏，也间接影响着RAP的生产率，而这方面的研究成果及专著尚不多见。

依托浙江美通MTL5140热再生沥青路面养护车，根据离散单元法和传热学理论，借助离散元软件EDEM仿真和实际施工现场试验相结合的方式，分析了搅拌加热装置增加三叶片螺旋搅拌刀前后的混合料温度场分布和加热速度，并与原始搅拌加热装置进行了对比分析，提出的增加三叶片螺旋搅拌刀，能够有效改善热再生沥青路面养护车RAP的加热均匀性，具有工程应用价值。

1 理论分析及模型建立

1.1 理论分析

以热再生AC-13沥青混合料为例，沥青用量为4.5%～7.0%，在搅拌加热过程中，可以近似看作纯混合料刚体颗粒之间的运动和传热。因此，把沥青混合料假设为刚体颗粒的组合，根据离散单元法基本理论和牛顿第二定律，每个颗粒的形心运动方程可描述为：

(1)

F=FC+FL+Fg

(2)

根据两个颗粒间的相对位移即可根据方程组(3)求解两个颗粒之间的法相作用力和切向作用力：

(3)

沥青混合料可当作无数各向同性的颗粒组成，根据傅里叶定律式(4)可知，单位时间内传热量与传热面积和温度成正比。根据热量计算式(5)可知，增大导热率或增加传热面积或增大传热温差均可增大传热量：

(4)

式中：Q′为传热速率；k为比例常数；T为导热点温度；x为导热点x坐标；A为传热面积。

Q=pSΔt

(5)

式中：Q为传热量；p为导热率；S为传热面积；Δt为传热温差。

1.2 热再生沥青路面养护车搅拌加热装置结构分析

热再生沥青路面养护车主要由汽车底盘、沥青箱、举升装置、进出料装置、搅拌加热装置、除尘装置、以及固定装置等组成。如图1，搅拌加热装置包含传动装置、热风通道、RAP搅拌锅、燃烧器、进料装置、搅拌装置、出料装置、底部燃烧室等。

1—传动装置；2—热风通道；3—RAP搅拌锅；4—燃烧器； 5—进料装置；6—搅拌装置；7—出料装置；8—底部燃烧室图1 热再生养护车搅拌加热装置Fig. 1 Mixing and heating device of hot recycled asphalt pavement maintenance vehicle

根据浙江美通MTL5140热再生沥青路面养护车建立了简化的搅拌加热装置如图2，加热装置直径为1 700 mm，深度为500 mm。搅拌装置为渐变分布的五铲爪式结构，其中心没有搅拌结构。因此，加热装置中心突出一个直径377 mm，高285 mm的圆柱体，不仅会减少搅拌加热装置的容量，而且会增加加热装置的制造难度。

1—RAP；2—入料斗；3— 出料门；4—出料斗； 5—RAP搅拌锅；6—原始五铲爪式搅拌装置图2 原始搅拌加热装置Fig. 2 Original stirring and heating device

1.3 添加三叶片螺旋搅拌刀加热装置模型建立

刘明智[13]和梁庆庆等[14]研究了沥青路面的抗滑性能，给出了参考摆式摩擦系数为60左右。经过式(6)、式(7)计算得出摩擦角约为30.9°：

φ=arctanf

(6)

(7)

式中：φ为摩擦角；f为摩擦系数；K为摆式摩擦系数。

考虑到尺寸及制造难易程度，笔者分析了外圆螺旋升角为30°和35°的情况。由计算式(8)计算出叶片螺距，三叶片螺旋搅拌刀主要参数如表1，几何模型如图3。

P=2πRtanθ

(8)

式中：P为螺距；R为螺旋半径；θ为螺旋升角。

表1 三叶片螺旋搅拌刀主要参数Table 1 Main parameters of three blade spiral stirring knife

图3 三叶片螺旋搅拌刀Fig. 3 Three-blade spiral stirring knife

将三叶片螺旋搅拌刀安装在搅拌装置轴心位置，随之取代加热装置中心突出的圆柱体，既增加了搅拌加热装置容量，也降低了加热装置制造难度。改进后的搅拌加热装置如图4。

1—RAP；2—入料斗；3— 出料门；4—出料斗； 5—RAP搅拌锅；6—增加三叶片螺旋搅拌刀的搅拌装置图4 增加三叶片螺旋搅拌刀的搅拌加热装置Fig. 4 Stirring and heating device with three blade spiral stirring knife

2 沥青混合料温度场仿真及加热均匀性分析

2.1 计算方法与边界条件设置

根据沥青混合料搅拌加热实际情况，对仿真模型给出如下假设：

1) 沥青混合料是由不可压缩的颗粒组成。

2) 加热过程中沥青混合料的物理性质(密度、比热容、导热系数、摩擦系数等)不变。

3) 混合料和搅拌加热机构间为无滑移Hertz-Mindlin接触模型。

4) 比热容倍率C=20，所有颗粒比热容缩小20倍以节省计算时间。

将前述三维实体模型导入EDEM软件中，按表2设置材料参数，按表3设置部件参数。

表2 EDEM材料参数Table 2 EDEM material parameters

表3 EDEM部件参数Table 3 EDEM component parameters

根据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》确定热再生AC-13沥青混合料中矿料级配如表4，沥青混合料是由不同粒径的同种材料颗粒，颗粒的CATIA模型如图5，最大几何长度为16 mm。导入EDEM中用球形单元填充，颗粒大小为用户自定义设置，如图6。

图5 混合料颗粒三维Fig. 5 3D view of mixture particle

图6 EDEM颗粒设置Fig. 6 EDEM particle setting

2.2 搅拌加热装置仿真结果及加热均匀性分析

2.2.1 求解器设置与后处理

时间步的时域积分设置为欧拉形式，固定时间步长为3e-05 s，总仿真时间为227.5 s，每0.1 s自动保存计算数据，网格尺寸设置为5.5倍最小球形单元半径，即18.27 mm，一共9 721 600个网格，开启CPU和GPU并行计算。计算完成后，通过File>Export>Results Data导出csv格式的颗粒平均温度数据。

2.2.2 沥青混合料加热温度变化分析

将前述所得数据导入到MATLAB中绘制如图7的不同结构搅拌加热装置的温度变化折线图。

图7 不同结构仿真温度变化折线Fig. 7 Simulation temperature change polyline of different structures

由图7可知，把相同质量的热再生沥青混合料加热到160 ℃，原始搅拌加热装置用时152 s，30°螺旋搅拌刀搅拌加热装置用时149 s，35°螺旋搅拌刀搅拌加热装置用时138 s。表明改进后的搅拌加热装置能缩短混合料加热时间。

为进一步分析混合料温度分布情况，将混合料摊铺在一个理想绝热的5 000 mm×5 000 mm的地面上，将该区域分割为10×10共100个区域，不同结构搅拌加热装置的混合料区域分割如图8～图10，再分别导出每个区域的平均温度数据。

图8 原始装置混合料区域分割示意Fig. 8 The division of the original device mixture area

图9 30°叶片混合料区域分割示意Fig. 9 The division of the 30-degree blade mixture area

图10 35°叶片混合料区域分割示意Fig. 10 The division of the 35-degree blade mixture area

根据式(9)和式(10)计算得出不同结构搅拌加热装置的平均温升和温度方差如表5。

(9)

(10)

式中：Tm为平均温升；Ti为第i时刻温度；S2为方差；M为温度平均值；xn为第n个温度值。

表5 不同结构温度仿真数据Table 5 Temperature simulation data of different structures

由图7～图10和表5可知，在搅拌加热相同时间、相同质量的RAP时，原始搅拌加热机构平均每分钟温度升高46.26 ℃，除以比热容倍率C后，平均每分钟升高2.31 ℃；与之相比，30°和35°叶片的搅拌加热装置平均每分钟RAP温度升高分别为46.84 ℃和48.43 ℃，除以比热容倍率C后，平均每分钟升高分别为2.34 ℃和2.42 ℃。表明增加三叶片螺旋搅拌刀的搅拌装置有更快的RAP加热速度，平均加热效率提升分别为1.26%和4.70%。原始搅拌装置的RAP温度方差为9.04，增加30°螺旋搅拌刀和35°螺旋搅拌刀的RAP温度方差分别为8.62和8.37，分别降低4.65%和7.41%。表明改进后的搅拌机构能提升RAP温度分布均匀性，且更大的螺旋升角，有更好的RAP温度分布。

3 试验对比分析

对改进后的35°叶片搅拌加热装置进行试制，并与原始搅拌加热机构进行试验对比。试验采用同一种RAP，在同一天完成试验，以此控制一致的外界气温、混合料含水量等外界影响因素。试验时每隔3 min 记录一次MTL5140热再生沥青路面养护车车载温度表所显示的混合料温度；出料时每隔15 s用手持红外温度传感器测量并记录一次出料口混合料温度。将车载温度数据导入MATLAB中，修正水分蒸发引起的温度下降，绘制的不同结构搅拌加热装置试验RAP温度变化折线如图11。

图11 不同结构试验RAP温度变化折线Fig. 11 Experimental RAP temperature change line chart of different structures

再根据二次多项式以最小二乘法对数据进行拟合，改进前后拟合多项式分别为式(11)和式(12)，绘制的不同结构搅拌加热装置试验RAP温度变化拟合曲线如图12。根据式(9)和式(10)计算得出平均温升和出料时的温度方差如表6。

P1(x)=42.341 4+2.185 0x+0.012x2

(11)

P2(x)=18.869 0+2.948 9x+0.009x2

(12)

图12 不同结构试验RAP温度拟合曲线Fig. 12 Experimental RAP temperature fitting curve of different structures

表6 不同结构RAP温度试验数据Table 6 Experimental data of RAP temperature of different structures

由图10、图11和表6可知，在搅拌加热相同质量的RAP时，原始搅拌机构平均每分钟RAP温度升高2.09 ℃；与之相比，改进后的搅拌加热机构平均每分钟RAP温度上升2.72 ℃，有更快的RAP加热速度，平均加热效率提升29.73%。原始搅拌装置的RAP温度方差为6.83；增加35°螺旋搅拌刀的RAP温度方差为6.16，降低9.81%。表明改进后的搅拌机构能提升RAP温度分布均匀性。

4 结 论

分析研究了热再生沥青路面养护车RAP加热均匀性，通过EDEM仿真和试验验证，对比分析了原始搅拌加热装置和增加三叶片螺旋搅拌刀的搅拌加热装置的RAP温度场分布和加热速度变化规律，并得出以下结论：

1) 增加三叶片螺旋搅拌刀的搅拌加热装置加热均匀性更好，RAP温度方差由原始搅拌加热装置的6.83降低到增加螺旋叶搅拌刀搅拌加热装置的6.16，RAP温度场分布更加均匀。增加35°螺旋搅拌刀的搅拌加热装置加热效率也比原始搅拌加热装置提升29.73%。

2) 随着三叶片螺旋搅拌刀螺旋叶片外圆螺旋升角的增加，搅拌加热装置的加热均匀性随之变好，RAP温度方差由30°螺旋叶片搅拌刀搅拌加热装置的8.62降低到35°螺旋搅拌刀搅拌加热装置的8.37；相比于原始搅拌加热装置加热效率的提升，由30°螺旋叶片搅拌刀搅拌加热装置的1.26%增加到35°螺旋搅拌刀搅拌加热装置的4.70%。

3) 考虑到搅拌加热装置的尺寸及制造难易程度，建议采用外圆螺旋升角为35°的三叶片螺旋搅拌刀，从而达到提高RAP加热均匀性和加热速度的目的。