基于EDEM的螺旋布料摊铺沥青混合料均匀性研究

曹源文,梅宇航,周世华,谢利丹,陈 作

(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; 3. 四川中烟工业有限责任公司 成都卷烟厂,四川 成都 610066)

0 引 言

沥青混合料摊铺机是沥青路面施工的主要设备,在施工过程中受到设备、物料类型、人工操作等因素特别是螺旋布料器的影响而产生摊铺离析现象[1]。离析现象将影响路面的路用性能,造成拥包、龟裂等病害过早出现,缩短沥青路面的使用寿命。为了减少摊铺离析,国内外学者对此展开了大量的研究。解睿[2]对不同条件下的沥青混合料颗粒在螺旋摊铺机内的运动情况进行了分析,得出需要从结构上改变螺旋布料器才可以减少离析;马登成等[3]针对摊铺过程中沥青混合料的力学性质和运输机制提出了变螺径螺距螺旋布料器的设计方案, 这种变螺径螺距的结构虽可以在一定程度上改善摊铺均匀性,但缺点是难以互换,无法实现量产; DAI Qingli等[4]将沥青混合料的微观力学模型用有限元等效网络结构表示。虽然有限元软件可以模拟沥青混合料的部分特性,但是有限元软件难以表现沥青混合料间的滑动,不适用于分析颗粒的离析。郑健龙等[5]利用ANSYS软件研究沥青混合料流体力学行为及变形特性,其将混合料视为流体,主要反映沥青在摊铺和压实过程中温度的变化,对于摊铺均匀性难以分析;石琪慧[6]利用EDEM进行搅拌沥青混合料仿真,并分析搅拌均匀性影响因素。EDEM是全球首个多用途离散元素法建模软件,可用于工业中颗粒处理及其生产设备的生产过程仿真和分析。研究者可以利用EDEM软件轻松快速地建立颗粒的实体模型,并完成颗粒的参数化设置。H.KIM[7]用EDEM方法建立了模拟仿真模型,并根据模拟沥青混合料混凝土的断裂来分析其断裂性能;任飞[8]利用离散元对螺旋输送过程中沥青混合料的级配离析问题进行了研究。可以看出,虽然针对沥青混合料均匀性的研究逐渐增多,但对于摊铺过程中螺旋布料器的结构参数与工作参数之间的合理设计匹配问题探究较少。

在沥青混合料摊铺过程中,随着螺旋叶片的旋转,混合料颗粒受到轴向力与圆周力的作用,使得不同大小粒径的混合料颗粒运动规律不统一。在螺旋布料器中,颗粒大小不同受力不同,颗粒所处位置不同,运动速度不同等因素都可能导致沥青混合料离析,从而影响摊铺均匀性。因此螺旋布料器的螺距、螺径、料位系数等结构参数和工作参数的合理设计与匹配对摊铺均匀性的影响极为显著。笔者将建立与实际情况相同的摊铺机摊铺路面模型,针对不同螺径、螺距及料位系数等因素利用离散元法对螺旋布料器摊铺均匀性进行研究,提出了质量占比离异系数Sc作为均匀性评价指标。针对不同螺径、螺距和料位系数各相关参数进行仿真,得到Sc的关系变化曲线,最后利用数字图像技术开展了摊铺均匀性工程实测结果分析。结果表明仿真分析的摊铺均匀性规律与工程实测的均匀性规律具有较好的一致性。

1 螺旋布料器三维实体模型建立

1.1 参数设置

在Solid Works软件中建立某型号摊铺机螺旋布料器的简化三维实体模型,由于螺旋布料器是相互独立的左右对称模型,只考虑螺旋布料器的右半边对其进行仿真分析。将其装配完成后导入EDEM软件中进行参数化设置,得到三维实体模型如图1。

图1 三维实体模型Fig. 1 3D solid model

1.2 求解设置

在EDEM仿真软件中对三维实体和颗粒材料属性进行设置,并将各材料间表面能接触模型设置为Hertz-Mindlin,碰撞接触设置为Hertz-Mindlin with JKR。在软件中设置Factory模块以此来产生混合料颗粒,并对沥青混合料颗粒进行参数设置以及摊铺机螺旋布料器的运动设置。以AC-25来模拟混合料中不同粒径大小颗粒的质量占比进行求解设置。不同粒径大小的颗粒尺寸分别为26.5、19、16、13.2、9.5 mm。将摊铺在基层上的沥青混合料从左到右分成8个区域。最左边为沥青混合料的进料口,最右边为出料口。摊铺机沥青混合料颗粒示意如图2。

图2 摊铺机沥青混合料颗粒示意Fig. 2 Schematic diagram of paver asphalt mixture particles

2 质量占比离异系数Sc的确定

根据1.2节将路面分成的8个区域,统计出各个区域里不同粒径沥青混合料颗粒的密度、体积、数量,用以计算不同粒径沥青混合料颗粒的总质量。从而得到各个区域不同粒径沥青混合料颗粒的质量占比。将各个区域不同粒径颗粒与级配中对应粒径颗粒的质量占比进行对比,得出不同粒径颗粒质量占比差值。若差值绝对值越小,则此区段的沥青混合料均匀性越好,摊铺质量也越好。

将每个区域内不同粒径颗粒质量占比与级配中对应粒径颗粒质量占比差值绝对值求和,将此绝对值之和定义为质量占比离异系数Sc,以Sc来表示每个区域的摊铺均匀性。Sc越小代表着该区域的沥青路面摊铺均匀性越好,Sc越大代表着该区域的沥青路面摊铺均匀性越差。具体计算方法如式(1)～式(4):

(1)

式中:βi为实际级配中不同粒径颗粒质量占比;αi为每个仿真区域内不同粒径颗粒质量占比。

(2)

mi=ρVi

(3)

式中:ρ为颗粒的密度;Vi为不同粒径颗粒的体积。

(4)

式中:mi为不同粒径颗粒的质量;ni为每个区域内不同粒径颗粒的数量;M为每个区域内颗粒质量总和。

3 摊铺均匀性仿真分析

3.1 螺径对均匀性的影响

分别对480、420、360 mm螺径参数的螺旋布料器进行仿真,仿真后得到不同粒径大小颗粒的分布图像。通过EDEM软件仿真分析后得到摊铺后的沥青混合料,将其分为大小相同的8个区域。其中,螺径为420 mm的仿真结果如图3。

从仿真分析结果可以直观地得到,经过螺旋布料器搅拌摊铺后的沥青混合料颗粒出现了不同程度的离析现象。对于3个不同螺径的摊铺结果,粒径大小为26.5 mm的大颗粒均在螺旋布料器的进出料口出现了不同程度的堆积现象;粒径大小分别为19、16、13.2 mm的中等大小颗粒在3种情况下均分布较均匀;粒径大小为9.5 mm的小颗粒在不同位置出现了堆积现象,360 mm螺径情况下9.5 mm小颗粒堆积现象最明显。总体看来,螺径为420 mm情况下的摊铺均匀性最佳。

扫描电子显微镜（EVO18型），德国ZEISS公司；场发射透射电子显微镜（JEM-2100F型），日本电子株式会社；冷冻超薄切片机（UC6-FC6型），德国Leica公司；X-射线衍射仪（X’Pert PRO型），荷兰Panlytical公司；小角X射线散射系统（SAXSess型），奥利地Anton Paar公司；分子磷屏成像系统（Cyclone型），美国Perkin Elmer公司；同步热分析仪（STA449 F3型），德国NETZSCH/耐驰公司。

根据仿真结果统计出不同粒径大小的颗粒数量、体积、密度等数据,由式(1)～式 (4)计算出不同粒径大小沥青混合料在不同区域的质量大小,以及质量占比离异系数Sc。不同螺径条件下质量占比离异系数Sc与各个横向区域的关系如图4。

图4 Sc随横向区域变化情况Fig. 4 Line chart of Sc changing with horizontal area

在3种不同螺径条件下,分别计算不同区域的质量占比离异系数Sc之和,如图5。

图5 Sc值之和随螺径变化情况Fig. 5 Line chart of the sum of Sc value changing with the screw diameter

由图3～图5可以得出,经不同螺径的螺旋布料器摊铺后,沥青混合料的质量占比离异系数Sc也会不同,摊铺的离析程度和均匀性都不同。根据摊铺仿真结果可以看出:在螺旋布料器进出料口的离析程度较大,其Sc也越大,均匀性较差;在沥青路面的中间部分离析程度较小,Sc也越小,均匀性较好;出料口区域的Sc是整个区域最大的,其均匀性最差。对于中间区域,在360 mm螺径情况下,Sc大概在0.066～0.082之间;在420 mm螺径情况下,Sc大概在0.057～0.082之间;在480 mm螺径情况下,Sc大概在0.058～0.088之间。由此可以得出,螺径为420 mm的螺旋布料器对于中间部分的摊铺均匀性最好。对于离析程度最大的出料口,360 mm螺径情况下,Sc=0.19;420 mm螺径情况下,Sc=0.099;480 mm螺径情况下,Sc=0.12。由此可知,也是420 mm螺径的摊铺均匀性最好。

3.2 螺距对均匀性影响

分别对320、280、240 mm螺距参数的螺旋布料器进行仿真,得到不同粒径大小颗粒的分布情况。其中,螺距为280 mm的仿真结果如图6。

统计各个仿真结果中的颗粒分布数据并按照式(1)～式(4)计算Sc,计算结果如图7。

图7 Sc随横向区域变化情况Fig. 7 Sc changing with horizontal area

在3种不同螺距条件下,分别计算不同区域的质量占比离异系数Sc之和,结果如图8。

图8 Sc值之和随螺距变化情况Fig. 8 The sum of Sc value changing with the pitch

由图7可以看出,在螺旋布料器进出料口处Sc值最大,离析程度最大,均匀性最差;在中间部分Sc值较小,均匀性较好。对于中间区域,在240 mm螺距情况下,Sc大概在0.071～0.086之间;在280 mm螺距情况下,Sc大概在0.057～0.069之间;在320 mm螺距情况下,Sc大概在0.065～0.087之间。由此可以得出,螺距为280 mm的螺旋布料器对于中间部分的摊铺均匀性最好。对于离析程度较大的进出料口,240 mm螺距情况下,Sc约为0.10;280 mm螺距情况下,Sc约为0.093;320 mm螺距情况下,Sc约为0.094。280 mm和320 mm螺距情况下的均匀性均比较好。从图8也可看出,螺距为280 mm时,整体Sc值也最小。

3.3 料位系数对均匀性的影响

分别对1/2、2/3、1料位系数的螺旋布料器进行仿真,得到不同粒径大小颗粒的分布情况。其中,料位系数为1的仿真结果如图9。

图10 Sc随横向区域变化情况Fig. 10 Sc changing with horizontal area

在3种不同料位系数条件下,分别计算不同区域的Sc之和,结果如图11。

图11 Sc值之和随料位系数变化情况Fig. 11 The sum of Sc value changing with the material level coefficient

由图10可以得出,在螺旋布料器进出口处Sc值较大,离析程度较大,均匀性较差;中间部分Sc值较小,离析程度较小,均匀性也较好。对于中间区域,在1/2料位系数情况下,Sc大概在0.076～0.11之间;在2/3料位系数情况下,Sc大概在0.057～0.077之间;在1料位系数情况下,Sc大概在0.059～0.065之间。由此可以得出,料位系数为1时,中间部分的摊铺均匀性最好。对于离析程度较大的进出料口,1/2料位系数情况下,Sc约为0.244 57;2/3料位系数情况下,Sc约为0.142 47;1料位系数情况下,Sc约为0.099 24。由此可知,也是料位系数为1时均匀性最好。由图11也可得出,在料位系数为1时,Sc之和最小,即整体均匀性最好。

4 摊铺均匀性工程实测结果分析

4.1 采集方案

在光线充足,高度为600 mm的条件下对高速公路摊铺路面进行了图像采集。采集的图像实际尺寸为565 mm×565 mm,采集方案如图12。

图12 沥青路面图像采集Fig. 12 Asphalt pavement image acquisition

摊铺现场车道宽度为7 m,由于摊铺机的对称性,在3.5 m宽度路面上采集图像,将横向路面分为6组,随着摊铺机的前进,每一组采集46张图像。总共采集6×46=276张图像,如图13。

图13 摊铺路面采集图像示意Fig. 13 Schematic diagram of image collection of paving road

4.2 图像处理

实地采集得到的图像如图14;根据加权平均值法对采集的图像进行灰度化二值图像处理,再对其降噪滤波、去除干扰像素点等处理后得到沥青混合料路面的二值图像如图15。

图14 沥青混合料路面采集图像Fig. 14 Asphalt mixture pavement collection image

图15 处理后沥青混合料二值图像Fig. 15 Binary image of the treated asphalt mixture

4.3 实测结果分析

基于数字图像颗粒的四边静矩分析,对分档集料颗粒的四边静矩离异系数根据级配进行加权来评价摊铺沥青混合料图像中集料颗粒的均匀性。根据AC-25沥青混合料级配可得到各档颗粒的权重分别为0.25、0.17、0.19、0.28、0.11。最终得到基于数字图像技术的摊铺AC-25沥青混合料静矩离异系数Cv<11.4% 时无离析;在Cv=11.4%～25.0%时为轻微离析;Cv=25.0%～38.0%为中等离析;Cv>38.0%时为严重离析[9]。将采集图像处理后计算加权四边静矩离异系数Cv,结果如图16。

图17 值随横向区段变化情况Fig.17 value changing with the horizontal section

图18 不同横向区段的Sc值变化情况Fig. 18 Sc value changing in different horizontal sections

5 结 论

1)基于EDEM离散元法,采用Hertz-Mindlin with JKR模型对沥青路面不同路段的颗粒分布和颗粒质量占比进行了计算分析,提出了采用质量占比离异系数Sc作为摊铺均匀性评价指标。

2)对螺旋布料器的结构参数和工作参数进行了仿真分析,得出螺径、螺距、料位系数分别为420 mm、280 mm、1时摊铺均匀性最佳,离析最小。同时也得出,在螺旋布料器的进料口处离析较小,均匀性较好;中间区域均匀性最佳;出料口处均匀性较差。

3)开展了工程试验,利用先进的数字图像处理技术,进行了摊铺后图像的采集和处理,获取的静矩离异系数散点图和折线图结果表明,在横向方向的摊铺均匀性规律与仿真分析的均匀性规律具有较好的一致性。