一种室内模拟沥青路面吸热装置及方法与流程

本发明涉及沥青路面测试技术领域，具体是一种室内模拟沥青路面吸热装置及方法。

背景技术：

沥青混凝土路面是我国高速公路的主要路面结构形式，占全部路面形式的90％以上,但是沥青路面的车辙现象严重影响了沥青路面的性能。车辙主要在夏季高温时产生，为降低车辙的出现率，近年来，很多学者和研究人员在进行沥青路面的降温技术研究，而这需要在最不利情况下进行沥青路面在降温措施前后的吸热实验。

由于研究要求、时间以及天气的限制，沥青路面的吸热实验只能在夏季的晴好天气下进行，降低了实验的效率。针对这种现状，很多研究人员开发了在室内模拟沥青路面在晴好天气下吸热的装置，基础模拟的是在室内情况下用日光灯模拟太阳光，然后将四块沥青车辙板置于日光灯下进行吸热试验，这种模拟实验虽然能够使沥青进行吸热，但是却存在几大缺点：

(1)日光灯是固定不动的，也就是模拟实验中没有考虑到太阳光的照度变化以及太阳光的入射角度变化，使四块车辙板不能受热均匀，存在偏差较大，即使实验后四块车辙板的温度取平均值，也是没有多大意义的；

(2)日光灯的功率没有进行合理的计算，不能较为准确地模拟沥青路面在太阳光下的吸热量：

(3)沥青车辙板周边没有隔热设施，车辙板易进行热传导，受周围环境影响大；

(4)实验中，只有用车辙板模拟沥青路面的吸热情况，没有考虑不同路面结构和不同道路结构对沥青路面的温度影响，使实验模拟的环境过于单一和太过理想化。

2012年，长安大学的程承在硕士论文《热反射型沥青路面涂料制备与性能评价》中提出了一种室内降温效果测试平台，此装置对以上提到的基础模拟进行了改善。该试验台主要由试件装配区和太阳模拟光源两部分组成。装配区可以模拟多种面层结构，主要采用黄土进行填充并捣实。采用反射型红外灯模拟太阳光源，置于试验台上部，可通过支架调节照射高度，以便可以通过多次调整后达到试件表面均匀受热目的。

但是这种模拟也有以下不足：

(1)试件装配区可以模拟不同的面层结构，但是没有考虑其他路面结构层对路面温度的影响；

(2)模拟太阳光源没有考虑太阳光的照度和入射角度，虽然可通过支架调节亮度，但是沥青受热情况却不同于在日光下，使沥青表面受热不均；

(3)采用的反射型红外灯模拟太阳光源，红外灯的功率没有进行计算，在不同的温度下，沥青升温速度不同，沥青内部有关温度的系数也不同，实验中应尽量接近太阳光源，提高数据的准确性；

(4)所述的室内降温效果测试平台外部没有整体的保温措施，大的温差情况下，即使沥青外部有高密度泡沫，沥青温度还是受到影响。

通过以上分析可知，现有的模拟装置考虑的条件过于单一和模拟的准确度较低，不能准确地反应沥青路面的吸热情况。因此，我们需要一种考虑多种条件和模拟范围更广的室内模拟沥青路面吸热装置，来进一步提升实验数据的准确性。

技术实现要素：

根据以上的分析，为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种室内模拟沥青路面吸热装置及方法，本发明能够解决现在模拟沥青路面吸热实验的考虑条件单一、应用范围较窄、以及模拟不够准确的问题。

一种室内模拟沥青路面吸热装置，包括太阳运动模拟部分、用于模拟不同形式路面结构的道路结构模拟部分和用于驱动太阳运动模拟部分转动的驱动与校核部分，太阳运动模拟部分包括从动齿轮、组合日光灯、日光灯支架和开关，从动齿轮的转轴固定设置，组合日光灯通过日光灯支架固定在从动齿轮上并能够与从动齿轮同步转动，开关与组合日光灯连接，用于控制组合日光灯的照射功率，道路结构模拟部分设置在组合日光灯处于最高点时的正下方，从动齿轮、组合日光灯、日光灯支架和道路结构模拟部分均设置在保温箱内，驱动与校核部分能够将从动齿轮每24小时驱动旋转一周。

所述驱动与校核部分包括机械钟表和步进电机，步进电机的电机轴上安装有主动齿轮，且电机轴与机械钟表的分盘连接，主动齿轮与从动齿轮啮合。

所述道路结构模拟部分包括承装箱，承装箱内设置有若干个道路结构模拟区，道路结构模拟区的上表面水平且水平高度与从动齿轮的转轴同高，各道路结构模拟区之间通过隔热区分隔。

所述道路结构模拟区的个数为2-4个。

所述隔热区的材质为隔热泡沫。

所述承装箱的底部设置有方便移动的车轮，承装箱的一个侧板设置为便于道路模拟区装卸的可活动形式。

所述组合日光灯包括若干个日光灯，每个日光灯上均连接有开关。

所述组合日光灯包括三盏日光灯，每盏日光灯的功率为400-500瓦。

所述从动齿轮上在日光灯支架的中心对称位置设置有配重重物，日光灯支架与组合日光灯整体相对于从动齿轮轴心产生的扭矩与配重重物相对于从动齿轮轴心产生的扭矩相等。

一种室内模拟沥青路面吸热方法，包括如下步骤：

步骤一，驱动与校核部分驱动从动齿轮转动，转动速率为从动齿轮每24小时旋转一周；

步骤二，当组合日光灯随从动齿轮同步转动至用于模拟不同形式路面结构的道路结构模拟部分的上方时，随着组合日光灯在道路结构模拟部分上方位置的变化，通过开关控制组合日光灯的照射功率来模拟一天之内随着太阳对地面入射角度的变化而使地面受到不同的照射强度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的室内模拟沥青路面吸热装置通过太阳运动模拟部分、用于模拟不同形式路面结构的道路结构模拟部分和用于驱动太阳运动模拟部分转动的驱动与校核部分，从动齿轮的转轴固定设置，组合日光灯通过日光灯支架固定在从动齿轮上并与从动齿轮同步转动，通过从动齿轮和组合日光灯能够模拟太阳与地球之间的相对运动；

通过开关能够控制组合日光灯的照射功率，因此能够模拟太阳在一天之内随着对地面入射角度的变化地面所受的照射强度也是变化的；

从动齿轮、组合日光灯、日光灯支架和道路结构模拟部分均设置在保温箱内，能够保护实验装置，同时也可以进一步防止沥青路面与外部环境的热交换，保证了模拟时，模拟的更加仿真；

驱动与校核部分能够将从动齿轮每24小时驱动旋转一周，因此能够模拟沥青路面在晴好天气下9点到17点的吸热情况，照射时间符合太阳实际对路面的照射情况，因此本发明的装置能够解决现在模拟沥青路面吸热实验的考虑条件单一、应用范围较窄、以及模拟不够准确的问题。

进一步的，驱动与校核部分包括机械钟表和步进电机，步进电机的电机轴上安装有主动齿轮，且电机轴与机械钟表的分盘连接，主动齿轮与从动齿轮啮合，通过步进电机驱动主动齿轮，进一步驱动从动齿轮转动，步进电机与机械钟表的分盘连接且同步转动，通过机械钟表显示的时间，能够反应主动齿轮或者从动齿轮是否出现了故障，故可以进行齿轮的校核，以及反映从动齿轮是否按照正常的时间进行转动。

进一步的，道路结构模拟部分中的道路结构模拟区的上表面水平且水平高度与从动齿轮的转轴同高，因此能够模拟太阳照射底面的实际情况，能够准确模拟日出日落的情形；同时各道路结构模拟区之间通过隔热区分隔，因此防止了车辙板易进行热传导，受周围环境影响大的缺陷。

进一步的，道路结构模拟区的个数为2-4个，因此能够同时进行不同路面结构或者不同道路结构的沥青路面吸热试验模拟，应用范围更广。

进一步的，承装箱的一个侧板设置为便于道路模拟区装卸的可活动形式，因此能够进行内部道路材料的更换，方便实验的进行。

进一步的，组合日光灯包括若干个日光灯，每个日光灯上均连接有开关，因此能够通过开关开控制日光灯开关的个数，能够模拟一天之中由于太阳入射角的不同，地面所受的光照强度不同。

进一步的，从动齿轮上在日光灯支架的中心对称位置设置有配重重物，日光灯支架与组合日光灯整体相对于从动齿轮轴心产生的扭矩与配重重物相对于从动齿轮轴心产生的扭矩相等，将配重重物和组合日光灯支架固定在同一直径方向，能够抵消组合日光灯对齿轮运动产生额外的阻力或动力。

因此本发明的装置能够方便、准确地模拟不同道路结构的沥青路面在晴好天气下的吸热情况，以协助进行沥青路面的降温技术研究和沥青路面的降温实验。

【附图说明】

图1(a)为本发明的正视图，图1(b)为本发明的侧视图，图1(c)为本发明的俯视图；

图2为本发明的驱动与校核部分示意图；

图3为本发明的组合日光灯与开关的连接示意图；

图4为本发明的组合日光灯和日光灯支架的连接图；

图5为本发明的法兰旋转轴的示意图；

图6(a)为本发明的承装箱关闭时的正视图，图6(b)为本发明的承装箱打开时的右视图，图6(c)为本发明的承装箱的俯视图。

其中：1-从动齿轮、2-主动齿轮、3-组合日光灯、4-开关、5-配重重物、6-电机轴、7-保温箱、8-机械钟表、10-法兰旋转轴、11-承装箱、12-钢板、13-日光灯支架、14-车轮、15-分盘、16-扣手、17-道路结构模拟区、18-隔热区、19-日光灯、20-步进电机、21-从动齿轮辐条。

【具体实施方式】

下面结合附图介绍一下具体实施方式。

如图1(a)-图6(c)所示，本发明的室内模拟沥青路面吸热装置，包括太阳运动模拟部分、用于模拟不同形式路面结构的道路结构模拟部分和用于驱动太阳运动模拟部分转动的驱动与校核部分，太阳运动模拟部分包括从动齿轮1、组合日光灯3、日光灯支架13和开关4，从动齿轮1的转轴固定设置，组合日光灯3通过日光灯支架13固定在从动齿轮1上并与从动齿轮1同步转动，开关4与组合日光灯3连接，用于控制组合日光灯3的照射功率，道路结构模拟部分设置在组合日光灯3处于最高点时的正下方，从动齿轮1、组合日光灯3、日光灯支架13和道路结构模拟部分均设置在保温箱7内，驱动与校核部分能够将从动齿轮每24小时驱动旋转一周；

本发明的驱动与校核部分包括机械钟表8和步进电机20，步进电机20的电机轴6上安装有主动齿轮2，且电机轴6与机械钟表8的分盘15连接，主动齿轮2与从动齿轮1啮合；道路结构模拟部分包括承装箱11，承装箱11的底部设置有方便移动的车轮14，承装箱11内设置有若干个道路结构模拟区17，道路结构模拟区17的上表面水平且水平高度与从动齿轮1的转轴同高，各道路结构模拟区17之间通过隔热区18分隔，承装箱11的一个侧板设置为便于道路模拟区装卸的可活动形式。

如图6(c)所示，本发明的道路结构模拟区17的个数为4个，隔热区18的材质为隔热泡沫。

本发明的组合日光灯3中设置若干盏日光灯19，每个日光灯19上均连接有开关，每盏日光灯19的功率为400-500瓦。

如图1(a)和图1(c)所示，从动齿轮1上在日光灯支架13的中心对称位置设置有配重重物5，日光灯支架13与组合日光灯3整体相对于从动齿轮轴心产生的扭矩与配重重物5相对于从动齿轮轴心产生的扭矩相等。

通过本发明的装置进行室内模拟沥青路面吸热方法，包括如下步骤：

步骤一，驱动与校核部分驱动从动齿轮1转动，转动速率为从动齿轮1每24小时旋转一周；

步骤二，当组合日光灯3随从动齿轮1同步转动至用于模拟不同形式路面结构的道路结构模拟部分的上方时，随着组合日光灯3在道路结构模拟部分上方位置的变化，通过开关4控制组合日光灯3的照射功率来模拟一天之内随着太阳对地面入射角度的变化而使地面受到不同的照射强度。

在模拟过程中，通过保温箱7对整个装置进行保温，防止沥青路面与外部环境的热交换，使模拟更加仿真。

实施例

本实施例中，将室内模拟沥青路面吸热装置的太阳运动模拟部分、驱动与校核部分、道路结构模拟部分均放在玻璃质的保温箱7里，主要模拟的是沥青路面在晴好天气下9点到17点的吸热情况；

太阳运动模拟部分包括从动齿轮1、组合日光灯3、日光灯支架13、从动齿轮辐条21、配重重物5、法兰旋转轴10、开关4，钢板12，组合日光灯3由三盏日光灯19组成，每只功率为400瓦，组合日光灯3固定在日光灯支架13上，日光灯支架13固定在从动齿轮1上，从动齿轮1转轴(即法兰旋转轴10)固定在钢板12上，钢板12固定设置，从动齿轮1和驱动与校核部分的主动齿轮2齿轮啮合，配重重物5与日光灯支架13在同一直径方向上，日光灯3在从动齿轮1的带动下模拟太阳对地球的相对运动的轨道，在组合日光灯3的端部分别有接线接到开关4，在开关4上有三个小开关，可以进行日光灯打开或关闭的数量选择；

驱动与校核部分包括主动齿轮2、机械钟表8和步进电机20，步进电机20的输出轴为电机轴6，机械钟表8具有分盘15，其中，太阳模拟系统和驱动与校核系统由主动齿轮2和从动齿轮1靠齿轮链接起来，主动齿轮2和钟表8的分盘15以及电机20靠电机轴6固定连接在一起，进而带动从动齿轮1和分盘15即机械钟表8转动。

道路结构模拟系统可以模拟不同形式的路面结构，以及不同的道路结构，道路结构模拟系统包括承装箱11、承装箱11中设置道路结构模拟区17和隔热区18，承装箱11带有四个车轮14，在承装箱11正面的上部两边各有一个扣手16，从而使承装箱11的正面可以通过扣手拉开或合上，方便模拟道路结构的装卸，所述的承装箱11由不锈钢材质制作，内部分为四部分，每部分包括道路结构模拟区17和隔热区18，隔热区18由隔热泡沫制作。

组合日光灯3中每盏灯的功率为400瓦，组合日光灯3的操作方法根据以下进行确定：

在2016年8月26日、8月28日两日，晴好天气下，将尺寸为30cm*30cm*5cm的车辙板在9:00-17:00每隔半小时进行一次计数，温度取平均值，所测得的沥青温度如表1和表2，其中，表1为2016年8月26日沥青路面温度变化，表2为2016年8月28日沥青路面温度变化：

表1

表2

从表1和表2的数据发现，除表2中9:00和11:00有些突变外，在夏季晴好天气下，沥青的温度从9:00到15:00呈上升趋势，且从9:00-10:00大致呈直线增长，在10:00-11:00呈另一个直线增长趋势，在11:00-12:00增长最快，而在夏季12:00时太阳光入射强度最强，12：00过后太阳入射强度稍有下降，15：00过后，温度增长的斜率下降。因此，经过实验，选择的组合日光灯3的每盏灯日光灯19为400瓦，在9:00时打开一盏，10:00时在打开一盏，11:30时再加一盏，此时组合日光灯3的3盏日光灯全打开，12:30时关掉一盏，15:00关掉一盏，17：00关掉最后一盏。

机械钟表8每次试验时最好调到实验模拟的起始时间，按照模拟的日照时间8个小时进行实验，实验时，可按时与其它表上时间进行校核，以确保实验装置的正常工作。

从动齿轮1选择直尺圆柱齿轮，齿轮模数为1，压力角为20°，分布圆直径根据以下确定：

地球自转一圈是24h，那么太阳相对地球，假设地球不转，则太阳相对地球转动一圈也是24h，根据主动齿轮2和分盘15靠电机轴6连接，则分盘15和从动齿轮1的运动是同步的，则从动齿轮1的齿数确定为24×60＝1440个，齿轮模数取1，分度圆直径为1440mm，即从动齿轮外径为1440mm，外半径为720mm，内径取1200mm，内半径为600mm，从动齿轮1辐条的体积为a×b×c＝2×1×60＝120cm³，从动齿轮1辐条数量为8根。

主动齿轮2选择直尺圆柱齿轮，齿轮模数为1，压力角为20°，齿数为60个，分度圆直径为60mm，即主动齿轮2直径为60mm，半径为30mm。

道路结构模拟区17由车辙板边长决定，车辙板边长取300mm，考虑到允许误差，道路结构模拟区17的边长为310mm，隔热区18的泡沫，每边厚度为60mm，底部厚度经计算决定，承装箱11边长由道路结构模拟区17的边长和隔热区18的厚度决定，取为860mm，从动齿轮1的轴心距地面770mm，钢板12为30mm厚的钢板。

在进行沥青路面的吸热实验时，钟表8、主动齿轮2、从动齿轮1的动力来源于步进电机20，在步进电机20的作用下主动齿轮2、分盘15和从动齿轮1运动起来，其中步进电机20的参数计算如下：

如上所述：从动齿轮1外径为1440mm，外半径r₂为720mm,内径为1200m,内半径r₂'为600mm,从动齿轮1厚度为2cm，齿数为1440，则E₂为1440。主动齿轮2直径为60mm，齿数为60，则E₁为60，半径r₁为30mm，从动齿轮1辐条的体积为120cm³，从动齿轮1辐条为8根，从动齿轮1和主动齿轮2材料为赛刚，密度为1.42g/cm³。

则：主动齿轮2质量m₁为：2×π×3²×1.42＝0.08Kg/cm³，从动齿轮1质量m₂为：2×π×(72²-60²)×1.42+8×120×1.42＝15.49Kg/cm³。

主动齿轮2的转动惯量：

从动齿轮1的转动惯量：

将各齿轮的转动惯量折算到电机轴上：

其中i为传动比：

由于计算时将钟表分盘的转动惯量忽略不计，可以将算得的转动惯量放大，以提高精确性，因此，取转动惯量为0.015Kg·m²，由于负载的惯量除以电机的惯量在5～10之间，因此，电机负载选择在0.0015Kg·m²～0.003Kg·m²。

因轮上负载几乎为0，故可忽略不计，但启动瞬间仍需一个力矩将齿轮带动，存在启动加速，因齿轮转速：设启动时间为1s，则力矩

步进电机参数计算：

由于主动齿轮2的转速为即0.02°/s，选取步进电机的步距角为1.8°，驱动器位64细分，则64细分后每个脉冲转：

脉冲频率为：则即每1.4s给一个脉冲。

由(M为扭矩，P为功率，n为转速)

则

综上：取安全系数K＝1.2，则

则电机参数为：电机负载选择在0.0015Kg·m²～0.003Kg·m²，力矩大于等于0.006N·mm，选取步进电机的步距角为1.8°，驱动器位64细分，每1.4s给一个脉冲,电机功率为2.094×10^-6MW。

如图1(a)至图6(c)所示，太阳模拟系统能够避免太阳光照度和入射角度的影响，在模拟实验时，计算好道路结构的厚度，并将实验的道路结构模型夯实碾压好，放入道路结构模拟区17中，并将温度传感器安装在车辙板上，如图6(b)，打开承装箱11的扣手16，将道路结构模拟区17和隔热区18一起放入承装箱11中，其中，道路结构模拟区17的顶面要与从动齿轮1的轴心在同一平面方向垂直，如达不到，则提前在模拟的道路结构下方垫入泡沫，以进一步保证模拟沥青路面吸热实验的准确性。由于基层对路面表面的温度有影响，且随着深度的增长，影响越来越小，路基对路面温度的影响微乎其微，因此在本发明中只模拟垫层以上的道路部分，即基层和面层。

如图1，将装配好的承装箱11推到日光灯3正下方，以保证沥青吸热的均匀性，将日光灯调到上午九点钟方向，并将钟表8的时间调到九点，以方便校核装置的工作情况。打开步进电机20，令钟表8工作，以及主动齿轮2和从动齿轮1进行运动。实验中，根据上文所述的日光灯操作方法进行操作，期间每个半小时进行温度的记录。

下面详细叙述本发明工作的实例：

为实验更精确，在2016年8月26日、8月28日，采用表1和表2中使用的车辙板进行实验，为实验具有对比性，道路结构模拟区17只用车辙板模拟沥青路面部分，没有进行基层的模拟。按照上述的操作过程，实验结果如表3和表4所示，其中表3为2016年8月26日室内模拟沥青路面吸热试验沥青温度变化情况，表4为2016年8月28日室内模拟沥青路面吸热试验沥青温度变化情况：

表3

表4

由表3和表1对比得知，沥青温度主要在10:00、13:00和17:00有较为显著的变化，但是变化均在两三度内；表4和表2进行对比分析可得，沥青温度主要在10:30、11:30、16:00和16:30有明显变化，但是变化范围也是在三度以内，所以实验的结果具有一定的可靠和准确性。

与现有技术中提到的两种模拟装置相比，本发明具有如下有益效果：

从动齿轮1在步进电机20的间接带动下运动，可以近似模拟太阳对地球的相对运动，考虑了太阳光的入射角度和车辙板的受热均匀问题；从动齿轮1和分盘15间接连接在一起，当钟表的时间出现问题时，可以反应主动齿轮2或者从动齿轮1出现了故障，故可以进行齿轮的校核；组合日光灯3可以通过开关4根据晴好天气下太阳光的强度在不同时间选择几盏日光灯进行照射，进一步准确的模拟了太阳光发出的热量。

承装箱11有四个车轮14，承装箱11的内部有四个区域，且有隔热区18，可以进行不同路面结构或者不同道路结构的沥青路面吸热试验模拟，并且可以同时进行2-4组路面结构进行试验，应用范围更广，实验数据更准确。

承装箱11的正面通过扣手16可以进行内部道路材料的更换，方便实验的进行。

玻璃质的保温箱7可以保护实验装置，同时也可以进一步防止沥青路面与外部环境的热交换。