本实用新型属于多年冻土路基维护领域，特别涉及多年冻土场地宽幅路基的维护。
背景技术：
尽管世界上在多年冻土区修筑铁路已有近百年历史，但目前运营线路的病害率仍在30%左右。如：俄罗斯，20世纪70年代建成的第二条西伯利亚铁路1994年调查的线路病害率达27.5%，运营近百年的第一条西伯利亚铁路1996年调查的线路病害率为40.5%；我国东北多年冻土区铁路病害率达40%。因事物本身的复杂性，不少长期困扰多年冻土区路基工程的棘手技术问题迄今尚未解决，其中路基的沉降变形是公路、铁路工程的主要病害。如大兴安岭北某段公路年沉陷量达51cm～61cm，某段铁路一般年沉降量为27cm～40cm、降水量较大年份可达50cm～100cm，哈尔滨牙林线K74处年沉降量86cm、日最大沉陷量高达3cm；青藏公路80%病害由路基沉陷引起。
青藏铁路是世界上海拔最高与线路最长的高原铁路，由青海西宁至西藏拉萨，全长1956km。长期工程实践表明，青藏铁路成败的关键在路基，路基的关键在冻土，冻土的关键在高温（年平均地温高于-1.0℃）高含冰量（体积含冰量大于20%）冻土。青藏铁路格尔木－拉萨段全长1142km，海拔4000m以上路段965km，穿越高原多年冻土区长达632km。在632km高原多年冻土区沿线中，高温多年冻土区路段275km，高含冰量多年冻土区路段221km，高温高含冰量重叠路段134km。与高纬度地区多年冻土相比，青藏高原多年冻土具有温度高、含冰量高、厚度薄、稳定性差和局地差异强烈、力学稳定性极差等特点，加之工程扰动造成冻土环境的重大改变和全球气候变暖的影响，导致青藏铁路通车不到两个月多年冻土区部分路段便出现路基下沉与开裂现象；通车一年高温高含冰量冻土路段多处工后累计沉降量加大且无收敛趋势；青藏铁路通车十年不断补碴、抬道使道床厚度甚至达到1.7m以上，部分处理措施效果有限，高温高含冰量冻土造成路基稳定性、行车安全问题日渐凸显。
青藏高速公路全长约1100公里，该高速公路项目由于多年冻土地区高速公路修筑技术的支撑保障体系不够至今没有开工建设。青藏高速的主要核心问题是多年冻土，还需要控制作为整体结构的公路路面的变形。与青藏铁路相比，多年冻土区青藏高速公路建设将面临更为复杂的科学与技术问题，一则是因为沥青路面强吸热效应，且是封闭路面条件；二是全幅或宽幅沥青路面下部年均热流将增加57%，其下部多年冻土退化将加快62%，若考虑气候变化的影响，高速公路下部冻土退化还将被放大。三是青藏工程走廊内重大工程构筑物较为密集，构筑物群之间具有较强的相互热影响，特别是对高山峡谷区段。因此，多年冻土区青藏高速公路建设将会面临前所未有的挑战。
故此，对多年冻土路基沉降控制措施的研究势在必行。其中通风管路基是一种积极保护冻土的工程措施，运用于青藏铁路多年冻土区的路基建设，效果良好，但当前通风管路基还存在不合理，不科学等问题，主要体现在：
1）夏季通风管相当于热空气的流通通道，对保护冻土非常不利；
2）通风管在设置高度一般要高出地面一定距离，高度过低会使水流进入通风管，影响降温性能，并导致一定的沉降变形；
3）通风管容易受自然风砂影响，堵塞管口导致功能失效；
4）现有通风管属于被动通风，受制于自然风向、风速和设置高度等因素，且通风管越长效果越差，对尺度较铁路大5倍左右的高速公路路基冷却效果非常有限。
鉴于上述，本专利以青藏高速公路多年冻土路基沉降控制为应用背景，发明一种适用于多年冻土宽幅路基的主动通风降温装置，致力于为多年冻土路基建设提供一种新思路。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于：提出一种适用于多年冻土路基的活塞式主动通风降温装置，解决传统通风管路基通风效率低、容易受堵塞失效、安装模式单一、适应面窄，无法运用于多年冻土场地宽幅路基的问题，特别是高速公路，有效控制高温冻土高速公路路基沉降。
本实用新型目的通过下述技术方案来实现：
一种适用于多年冻土路基的活塞式主动通风降温装置，包括通风管、抽气筒装置、空心柱、追风装置和风能转换装置；空心柱固定于路基旁，具有进气端和出气端，其由上下两节通过偏航轴承转动连接组成，且上下两节能够在水平面相对转动，通风管埋设于路基中，其出气口与空心柱的进气端连通；抽气筒装置设于空心柱内，位于其进气端与风能转换装置之间，包括活塞、活塞杆和单向阀机构，活塞设于空心柱内并与活塞杆连接，活塞杆上下运动时带动活塞沿空心柱内上下运动，单向阀机构包括设于活塞与进气端之间的单向进气阀，单向进气阀限制空心柱内气体只能从进气端往活塞方向单向流动，活塞上对应设有只允许空心柱内气体往活塞外单向流动的单向出气阀；风能转换装置和追风装置分设于空心柱上节两侧，追风装置包括尾翼和连接杆，风能转换装置包括扇叶、传动轴和转动环，尾翼通过连接杆连接空心柱上节带动其上扇叶随风向相对空心柱下节转动并始终保持扇叶正对风向，转动环竖直设于空心柱内，传动轴穿过空心柱连接外部的扇叶和内部的转动环，扇叶转动时通过传动轴带动转动环同轴竖直转动，活塞杆上端与转动环转动连接，下端与活塞球铰接，转动环自转时通过活塞杆带动活塞沿空心柱内上下运动。
本实用新型中，由于追风装置具有尾翼，在空气流体作用下，其始终保持沿空气流动方向，因此追风装置自动跟随风向，始终保持风能转换装置的扇叶面朝来风方向，最大限度地利用风能。自然风带动扇叶转动，扇叶的转动通过传动轴带动转动环在竖直面内自转，而转动环的自转进一步带动抽气筒装置的活塞杆及活塞在空心柱里往复动作，由于单向阀机构限制空气只能从空心柱进气端往活塞外流动，因此，抽气筒装置始终进行抽气动作，源源不断地将空气从通风管里抽出，因而外部空气也不断地从通风管的进气口进入，再从出气口进入抽气筒装置的进气端，形成对通风管的持续不断的主动通风。
本实用新型采用主动通风，不会受制于自然风向、风速和设置高度等因素，且即使通风管很长也具有良好效果，对尺度较铁路大5倍左右的高速公路路基也有良好的冷却效果。
作为选择，空心柱的出气端为偏航轴承，抽气筒装置的活塞和单向进气阀设于空心柱下节，活塞杆一端连接活塞，另一端穿过偏航轴承与设于空心柱上节的转动环连接。该方案中，活塞杆通过活塞将空气抽入单向进气阀上方，最后从偏航轴承钢珠缝隙处排出外界。
作为选择，单向进气阀包括连通空心柱进气端和出气端的通气通道，以及设于通气通道内的轻质球、弹簧和挡气板，挡气板包括靠进气端一侧的进气挡板和靠出气端一侧的出气挡板，进气挡板封堵通气通道内腔并设有进气孔，出气挡板封堵通气通道内腔并设有出气孔；进出气挡板之间设有轻质球和弹簧，轻质球大小与进气孔匹配能够封堵进气孔，弹簧设于轻质球与出气孔之间对轻质球持续施加封堵进气孔的弹力。作为进一步选择，通气通道成Z字形，包括相连通的上部竖直段、中部水平段和下部竖直段，轻质球、弹簧和挡气板均设于中部水平段。该方案中，当抽气筒装置的活塞杆带动活塞远离单向进气阀运动而抽气时，在负压作用下，空气从进气挡板的进气孔进入，并压迫轻质球向出气孔一侧移动（此时弹簧受压缩），放开对进气孔的封堵，空气随之从出气挡板经出气孔流出，最后进入单向进气阀与活塞之间空腔；而当抽气筒装置的活塞杆带动活塞靠近单向进气阀运动而打气时，在弹簧回复伸张时的弹力以及空气正压作用下，轻质球恢复对进气孔的封堵，空气受压从活塞的单向出气阀流出，完成抽气过程。
作为选择，空心柱进气端还设有封堵进气端的挡片。该方案中，在暖季时，可选择通过挡片封堵进气端，避免夏季通风管内热空气的流通，同时将寒季储存的冷量，储存在通风管内。
作为进一步选择，还包括地温与气温监测系统，地温与气温监测系统包括设于通风管内的用于检测地基温度的地温检测装置，以及位于路基外部的用于检测空气温度的气温检测装置，挡片由地温与气温监测系统控制动作，在气温高于地温指定温度时控制挡片封堵进气端，在气温低于地温指定温度时控制挡片开启进气端。该方案中，可以通过地温与气温监测系统实现挡片的自动控制。其优点在于，一方面能够保证本主动通风降温装置在高温停止工作，在低温持续排气；另一方面有效的规避因关闭进气端而造成排气装置长时间处于负压工作，容易造成装置损坏的问题。
作为选择，通风管在路基中弯曲分布。
作为进一步选择，通风管单层或多层分布，竖直或水平分布，布置在路基本体内或者植入路基下季节冻融层。
作为选择，通风管的进气口为向下弯管。本方案中，通风管进气口为向下弯管，使得通风管不会受自然风砂影响而堵塞管口导致功能失效。
作为选择，还包括支座，空心柱固定在支座上由支座支撑。
前述本实用新型主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本实用新型可采用并要求保护的方案；且本实用新型，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本实用新型方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本实用新型所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本实用新型的有益效果：
1)本实用新型结构简单、合理、成本较低，施工简单等优点；
2)本实用新型不受自然风的局限，能够对多年冻土路基进行主动通风降温，特别适用于多年冻土场地宽幅路基；
3)本实用新型由于能够实现主动通风，对多年冻土路基的降温效果更佳，路基能在寒季储存更多的冷量，冻的程度更深，能延缓在暖季冻土路基的融沉；
4)本实用新型由于能够实现主动通风，所以通风管安装的安装方式及安装高度不受局限；
5)本实用新型由于通风管的安装方式不受局限，通风管弯曲任意分布，在暖季通风管停止作用，挡片封闭管口，管内空气形成了空气间层，减缓热交换，起到隔热作用；
6)本实用新型由于通风管的安装方式不受局限，通风管可根据路基与地面的相对高度等路基场地实际情况来调整安装高度；通风管进气端为向下弯管，可防止雨水，蛇虫，砂石等进入堵塞管道，减少人工清理成本；
7)本实用新型中的抽气筒根据打气筒原理改装而成，原理成熟，模型简单，较现有通风管路基具有更高的通风效率，通风更稳定，风程更远，为主动通风能不受通风路径空间的限制；
8)本实用新型中的抽气筒装置中的活塞采用球铰接与活塞杆相连，能时活塞往返运动时始终与空心管平行，不会产生对管壁的左右方向压力。
9)本实用新型由于利用青藏高原丰富的风能，能带动风扇快速转动，产生大量的机械能；
10)本实用新型采用追风装置，使风扇转动平面始终垂直于风向，能够最大限度利用风能；
11)本实用新型利用风能装置中利用风车带动带柄铆固环转动，带柄铆固环带动活塞往返运动，偏航轴承始终具有追风作用。
12）本实用新型安装地温与气温监测系统，能在高温状态下通过挡片闭合通风管，低温状态下接通通风管。
附图说明
图1是本实用新型实施例的立体结构示意图；
图2是本实用新型实施例的空心柱的内部结构示意图；
图3是本实用新型实施例的抽气筒装置的剖视结构示意图；
图4是本实用新型实施例的偏航轴承的立体结构示意图；
图5是本实用新型实施例的追风装置和风能转换装置的装配示意图；
图6是本实用新型实施例的通风管水平铺设的俯视示意图；
图7是本实用新型实施例的通风管竖直多排铺设的示意图；
图8是本实用新型实施例的通风管水平多层铺设的示意图；
其中1为通风管、2为抽气筒装置、3为空心柱、4为追风装置、5为风能转换装置、6为支座、7为上节、8为下节、9为偏航轴承、10为路基、11为出气口、12为活塞、13为活塞杆、14为单向进气阀、15为尾翼、16为连接杆、17为扇叶、18为传动轴、19为转动环、20为通气通道、21为轻质球、22为弹簧、23为进气挡板、24为出气挡板、25为进气孔、26为出气孔、27为进气口、28为挡片、29为地温检测装置、30为气温检测装置。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本实用新型。
参考图1所示，一种适用于多年冻土路基的活塞式主动通风降温装置，包括通风管1、抽气筒装置2、空心柱3、追风装置4和风能转换装置5，还包括支座6，空心柱3固定于路基旁，由支座6支撑固定，具有进气端和出气端，其由上下两节7、8通过偏航轴承9转动连接组成，且上下两节7、8能够在水平面相对转动，偏航轴承9包括内、外环，以及内、外环之间的滚珠，外环和下面的空心柱3下节8是整体，而内环则与上部空心柱3上节7通过螺栓固定。通风管1埋设于路基10中，其出气口11与空心柱3的进气端连通。
参考图2-5所示，抽气筒装置2设于空心柱3内，位于其进气端与风能转换装置5之间，包括活塞12、活塞杆13和单向阀机构，活塞12设于空心柱3内并与活塞杆13连接，活塞杆13上下运动时带动活塞12沿空心柱3内上下运动，单向阀机构包括设于活塞12与进气端之间的单向进气阀14，单向进气阀14限制空心柱3内气体只能从进气端往活塞12方向单向流动，活塞12上对应设有只允许空心柱3内气体往活塞12外单向流动的单向出气阀；风能转换装置5和追风装置4分设于空心柱3上节7两侧，追风装置4包括尾翼15和连接杆16，风能转换装置5包括扇叶17、传动轴18和转动环19，尾翼15通过连接杆16连接空心柱3上节7带动其上扇叶17随风向相对空心柱3下节8转动并始终保持扇叶17正对风向，转动环19竖直设于空心柱3内，传动轴18穿过空心柱3连接外部的扇叶17和内部的转动环19，扇叶17转动时通过传动轴18带动转动环19同轴竖直转动，活塞杆13上端与转动环19转动连接，下端与活塞12球铰接，转动环19自转时通过活塞杆13带动活塞12沿空心柱3内上下运动。空心柱3的出气端为偏航轴承9，抽气筒装置2的活塞11和单向进气阀12设于空心柱3下节，活塞杆13一端连接活塞12，另一端穿过偏航轴承9与设于空心柱3上节7的转动环19连接。
参考图3所示，单向进气阀14包括连通空心柱3进气端和出气端的通气通道20，以及设于通气通道20内的轻质球21、弹簧22和挡气板，挡气板包括靠进气端一侧的进气挡板23和靠出气端一侧的出气挡板24，进气挡板23封堵通气通道20内腔并设有进气孔25，出气挡板24封堵通气通道20内腔并设有出气孔26；进出气挡板23、24之间设有轻质球21和弹簧22，轻质球21大小与进气孔25匹配能够封堵进气孔25，弹簧22设于轻质球21与出气孔26之间对轻质球21持续施加封堵进气孔25的弹力。如附图所示，通气通道20优选成Z字形，包括相连通的上部竖直段、中部水平段和下部竖直段，轻质球21、弹簧22和挡气板均设于中部水平段。
参考图6-8所示，通风管1的进气口27为向下弯管，通风管1在路基10中弯曲分布，通风管1可以单层也可以多层分布，可以竖直也可以水平分布，可以布置在路基本体内也可以植入路基下季节冻融层。在通风管1出气口11连接的空心柱3进气端还可以进一步设有封堵进气端的挡片28。还可以进一步设有地温与气温监测系统，地温与气温监测系统包括设于通风管1内的用于检测地基温度的地温检测装置29，以及位于路基10外部挡片28处的用于检测空气温度的气温检测装置30，挡片28由地温与气温监测系统控制动作，在气温高于地温指定温度时控制挡片28封堵进气端，在气温低于地温指定温度时控制挡片28开启进气端。此外，当开启进气端时，挡片28处还可以设置滤网保护，避免雨水，砂石等进入。
本实用新型的工作过程为：
由于追风装置4具有尾翼15，在空气流体作用下，其始终保持沿空气流动方向，因此追风装置4自动跟随风向，始终保持风能转换装置5的扇叶17面朝来风方向，最大限度地利用风能。自然风带动扇叶17转动，扇叶17的转动通过传动轴18带动转动环19转动，转动环19的自转进一步带动抽气筒装置2的活塞杆13及活塞12在空心柱3里往复动作，由于单向阀机构限制空气只能从空心柱3进气端往活塞12外流动，因此，抽气筒装置2始终进行抽气动作，源源不断地将空气从通风管1里抽出，因而外部空气也不断地从通风管1的进气口27进入，再从出气口11进入空心柱3的进气端，形成对通风管1的持续不断的主动通风。
在抽气筒装置2中，当活塞杆13带动活塞12远离单向进气阀14运动而抽气时，在负压作用下，空气从进气挡板23的进气孔25进入，经过轻质球21时压迫轻质球21向出气孔26一侧移动（此时弹簧22受压缩），放开对进气孔25的封堵，空气随之从出气孔26经通气通道20流出，最后进入单向进气阀14与活塞12之间空腔；而当抽气筒装置2的活塞杆13带动活塞12靠近单向进气阀14运动而打气时，在弹簧22回复伸张时的弹力以及空气正压作用下，轻质球21恢复对进气孔25的封堵，空气受压从活塞12的单向出气阀流出，完成抽气过程。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。