CN103983568A - 一种沥青混合料试件加速磨光试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青混合料试件加速磨光试验方法，以在磨光试验的同时判断材料的抗滑耐磨性能。包括独立的路面材料和磨光材料，通过牵引部使路面材料与磨光材料相互摩擦，其特征在于：在实施摩擦的试验过程中检测牵引部的牵引力，根据摩擦时间和试验过程中所述牵引力变化量的比值来评价所述材料的抗滑耐磨性能。上段所述的评价是指利用固定范围内牵引力变化来量化材料的抗滑耐磨性能，建立牵引力变化量与材料的抗滑耐磨性能之间的逻辑关系，以便技术人员更加准确、便捷、直观的了解材料的相关性能，具有显著的技术意义。

Description

一种沥青混合料试件加速磨光试验方法

技术领域

本发明涉及一种借助于测定材料的物理性质来分析或评价材料的方法。

背景技术

路面抗滑性能的评价指标主要分为当前抗滑性能和抗滑耐久性两个方面。路面表面抗滑能力评价指标的测定方法及设备直接决定着评价的准确性、代表性及工作效率，也影响着路面使用性能的评价。针对公路使用管理中人身安全第一位的原则，车辆的高速行驶对路面抗滑安全性提出了严格的要求。反映路面抗滑能力的重要技术指标是路面的摩擦系数值,因此如何真实合理的测定和评价路面的摩擦系数值是必须明确界定的问题。

目前公路路面抗滑性能衰减实验普遍存在历时较长、实际行车条件难以准确模拟等缺点，对路面抗滑性能衰减方面的研究工作相对较少，切实可行的室内试验方法与评价方法也相应缺乏，现有技术中的加速加载试验机只能实现磨光这一过程，无法直接判断路面材料的抗滑耐磨性能。

发明内容

本发明意在提供一种沥青混合料试件加速磨光试验方法，以在磨光试验的同时判断材料的抗滑耐磨性能。

专利方案：本方案中的一种沥青混合料试件加速磨光试验方法，包括独立的路面材料和磨光材料，通过牵引部使路面材料与磨光材料相互摩擦，其特征在于：在实施摩擦的试验过程中检测牵引部的牵引力，根据摩擦时间和试验过程中所述牵引力变化量的比值来评价所述材料的抗滑耐磨性能。

上段所述的评价是指利用固定范围内牵引力变化来量化材料的抗滑耐磨性能，建立牵引力变化量与材料的抗滑耐磨性能之间的逻辑关系，以便技术人员更加准确、便捷、直观的了解材料的相关性能，具有显著的技术意义。

滑动摩擦力与物体所受压力大小及接触面的粗糙程度有关。在往返运动下，路面材料试件表面被磨光，粗糙度下降，试件的摩擦系数降低。在固定时间内，不同材质的路面材料被磨光的程度不同，最终反映到牵引部施加的牵引力的不同，可根据牵引力降低程度或者牵引力变化量比值的大小评判路面材料的抗滑耐磨性能。根据大量试验，确定一个降低界限，为路表面快速“选材”定出一个评价标准。或者规定一个牵引力的降低界限，不同路面材料达到此界限时需要花费的时间不同，根据时间的长短评判路面材料的抗滑耐磨性能。

进一步：路面材料和磨光材料结合面的垂直方向施加有配重压力。路面材料和磨光材料之间的所受压力可根据增减配重来调控。

进一步：路面材料固定设置，磨光材料在曲柄连杆机构的驱动下直线往复运动与路面材料相互动摩擦，所述牵引部驱动曲柄连杆机构中的曲柄旋转，连杆上设有用于检测其轴向牵引力的传感器。

上述方案能够模拟行车对路面作用的加速加载磨光试验，提出通过测力传感器一步到位地测出试件表面的摩擦力的试验方法，快速精准地研究路面抗滑性能衰减情况，解决了以往磨光实验中无法实时测算材料抗滑耐磨性能的缺陷，提供了具体的易于再现的技术方案。

附图说明

图1为本发明实施例中路面加速磨光磨耗仪的示意图；

图2为曲柄连杆系统的示意图；

图3为试件在磨光磨耗运动过程中的简单受力分析图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

一、仪器测试原理

路面加速磨光磨耗仪示意图如图1所示，包括配重块、测试试件、磨光试件、测试试件固定机构和位于测试试件下方的磨光试件固定机构，该磨光试件固定机构通过电机驱动且可相对测试试件固定机构进行往复运动。还包括依次连接电动升降系统、升降台以及测试试件固定机构，升降台下部中心通过连接杆螺栓连接有与测试试件固定机构相适应的卡槽，升降台与测试试件固定机构之间卡接有弹性元件，配重块与升降台上部螺栓连接。卡槽与连接杆之间设置有第一拉压式测力传感器，测试试件固定机构与卡槽滑动连接，第一拉压式测力传感器用于检测测试试件与磨光试件之间的摩擦力。磨光试件固定机构与电机之间设置有第二拉压式测力传感器，用于检测电机施加在磨光试件固定机构上的牵引力。

磨光材料试件在中心曲柄连杆的驱动作用下做往返运动，路面材料试件固定不动，两者之间产生相对运动，存在滑动摩擦力，同时使用传感器来检测磨光材料试件所受牵引力。

（1）首先解析磨光材料试件的运动学方程。

在中心曲柄连杆机构中，磨光材料试件作直线往复运动，连杆作平面运动，曲柄作圆周旋转运动，且假定其作等速转动。设r为曲柄半径，l为连杆长度，λ为曲柄连杆比（λ=r/l），x为磨光材料试件位移（左止点位置为起点），v为磨光材料试件运行速度，a为磨光材料试件运行加速度，φ为曲柄转角，β为连杆摆角，ω为曲柄角速度。则有：

x=r+l-rcosφ-lcosβ                               式(1)            

sinβ=λsinφ                                  式(2)                      

整理式(1)、式(2)得出变量为φ的磨光材料试件的位移表达式：

x=r[(1+1/λ)-cosφ-(1-λ ² sin ² φ) ^1/2 /λ]                        式(3)

又圆周运动角速度方程为：  

φ=ωt                                     式(4)

将式(4)带入式(3)并对t求导，可得磨光材料试件运行速度表达式：

v=rω[sinφ+(λ/2)sin2φ(1-λ ² sin ² φ) ^-1/2 ]                     式(5)

对位移公式二次求导可得磨光材料试件运行加速度表达式：

a=rω ² {cosφ+λ[cos2φ(1-λ ² sin ² φ)+(λ ² /4)sin ² 2φ](1-λ ² sin ² φ) ^-3/2 }       式(6)

将式(6)无量纲化后得：

a ^* =a/(rω ² )=cosφ+λ[cos2φ(1-λ ² sin ² φ)+(λ ² /4)sin ² 2φ](1-λ ² sin ² φ) ^-3/2      式(7)

对于一般曲柄连杆λ＜1/3，式(7)可简化成：

a ^* =cosφ+λcos2φ                              式(8)

（2）其次分析磨光材料试件的简单受力情况，如图3所示。

磨光材料试件在磨光磨耗运动过程中，作直线往复运动，主要受到牵引力F _牵引力 cosβ、滑动摩擦力f _摩擦力 、自身重力G与配重施加的压力F _压力 的作用。在摩擦力及其他阻力的作用下，系统的机械能损耗，并随着时间机械能逐渐减少，往复运动的幅度也逐渐减小，待到机械能耗尽之时，往复运动就停下来了，此时施加周期性的牵引力作用于运动部件，牵引力对运动部件做功，补偿运动部件的能量损耗，使运动部件持续地往返运动下去。

受迫振动稳定后，试件的受力情况为：

F _牵引力 cosβ-f _摩擦力 =ma                            式(9)

f _摩擦力 =μ(mg+F _压力 )                            式(10)

将式(8)、式(10)代入式(9)可得：

F _牵引力 cosβ-μ(mg+F _压力 )=m(cosφ+λcos2φ)                 式(11)

将曲柄转角φ换算为连杆摆角β可得：

F _牵引力 cosβ-μ(mg+F _压力 )=m{[1-(1/λ ² )sin ² β] ^1/2 +λ[1-(2/λ ² )sin ² β]}     式(12)

其中：-arcsin(λ)≤β≤arcsin(λ)

二、评价方法

滑动摩擦力与物体所受压力大小及接触面的粗糙程度有关。在往返运动下，路面材料试件表面被磨光，粗糙度下降，试件的摩擦系数降低，所以μmg项是逐渐降低的。物体所受压力可根据增减配重来调控。

对公式F _牵引力 cosβ-μ(mg+F _压力 )=m{[1-(1/λ ² )sin ² β] ^1/2 +λ[1-(2/λ ² )sin ² β]}进行分析，可得出以下两种情况：

（1）当中心曲柄连杆驱动系统在一个周期内施加恒定的力时，磨光材料试件作变速度运动。由于磨光材料试件的运动为一周期性的受迫运动，其存在加速度数值不为零与为零的情况，加速度数值为零的情况并入第（2）条讨论，这里讨论加速度数值不为零的情况。

①       F _压力 一定时，μ减小→在下一个周期的同一个位置处F _牵引力 表现为减小；

②       F _压力 减小，μ减小→F _牵引力 减小

③       F _压力 增大时，μ减小→F _牵引力 或增大或减小或不变

（2）在一个周期内，当中心曲柄连杆驱动系统施加周期性变化的力时，磨光材料试件在往返运动的各个单向运动中作匀速运动。此时加速度数值始终为零，力的方程式为F _牵引力 cosβ=μ(mg+F _压力 )。

在周期性往返匀速过程中，由于路面材料试件被磨光，μ降低，为了保持匀速运动，F _牵引力 除了随中心曲柄连杆驱动系统承受周期性变化的力外，还有如下变化。

④       F _压力 一定时，μ减小→F _牵引力 减小

⑤       F _压力 减小，μ减小→F _牵引力 减小

⑥       F _压力 增大时，μ减小→F _牵引力 或增大或减小或不变

针对①②③来说，加速度不为零，受力情况为F _牵引力 cosβ-f _摩擦力 =ma，可用以模拟变速度下路面的抗滑耐磨性能。

针对①④来说，当F _压力 一定时，μ始终是减小的，则不同运动周期内同一点的F _牵引力 也是逐渐降低的。在固定时间内，不同材质的路面材料被磨光的程度不同，最终反映到驱动施加的F _牵引力 的不同及其变化速率的不同，可根据F _牵引力 的降低程度及快慢评判路面材料的抗滑耐磨性能及其变化规律。根据大量试验，确定一个降低界限，为快速“选材”定出一个评价标准。或者规定一个F _牵引力 的降低界限，记录达到此界限时不同路面材料需要花费的时间，根据时间的长短评判路面材料的抗滑耐磨性能。

针对②③⑤⑥来说，改变配重的大小，可随意变换F _压力 的大小，用以模拟不同交通荷载对抗滑性能的影响。

上述①②③④⑤⑥亦可根据试验温度、配重荷载、电机输出功率、喷水状况等条件的不同，分别模拟路面温度、交通荷载、行车速度、路面积水状况等对路面材料抗滑耐磨性能的影响及变化规律。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (3)

1.一种沥青混合料试件加速磨光试验方法，包括独立的路面材料和磨光材料，通过牵引部使路面材料与磨光材料相互摩擦，其特征在于：在实施摩擦的试验过程中检测牵引部的牵引力，根据摩擦时间和试验过程中所述牵引力变化量的比值来评价所述材料的抗滑耐磨性能。

2.根据权利要求1所述的一种沥青混合料试件加速磨光试验方法，其特征是：路面材料和磨光材料结合面的垂直方向施加有配重压力。

3.根据权利要求1所述的一种沥青混合料试件加速磨光试验方法，其特征是：路面材料固定设置，磨光材料在曲柄连杆机构的驱动下直线往复运动与路面材料相互动摩擦，所述牵引部驱动曲柄连杆机构中的曲柄旋转，连杆上设有用于检测其轴向牵引力的传感器。