曹源文,梅宇航,周世華,謝利丹,陳 作

(1. 重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院,重慶 400074; 2. 浙江美通筑路機(jī)械股份有限公司,浙江 海寧 314400; 3. 四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 成都卷煙廠(chǎng),四川 成都 610066)

0 引 言

瀝青混合料攤鋪機(jī)是瀝青路面施工的主要設(shè)備,在施工過(guò)程中受到設(shè)備、物料類(lèi)型、人工操作等因素特別是螺旋布料器的影響而產(chǎn)生攤鋪離析現(xiàn)象[1]。離析現(xiàn)象將影響路面的路用性能,造成擁包、龜裂等病害過(guò)早出現(xiàn),縮短瀝青路面的使用壽命。為了減少攤鋪離析,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了大量的研究。解睿[2]對(duì)不同條件下的瀝青混合料顆粒在螺旋攤鋪機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了分析,得出需要從結(jié)構(gòu)上改變螺旋布料器才可以減少離析;馬登成等[3]針對(duì)攤鋪過(guò)程中瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)和運(yùn)輸機(jī)制提出了變螺徑螺距螺旋布料器的設(shè)計(jì)方案, 這種變螺徑螺距的結(jié)構(gòu)雖可以在一定程度上改善攤鋪均勻性,但缺點(diǎn)是難以互換,無(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn); DAI Qingli等[4]將瀝青混合料的微觀力學(xué)模型用有限元等效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表示。雖然有限元軟件可以模擬瀝青混合料的部分特性,但是有限元軟件難以表現(xiàn)瀝青混合料間的滑動(dòng),不適用于分析顆粒的離析。鄭健龍等[5]利用ANSYS軟件研究瀝青混合料流體力學(xué)行為及變形特性,其將混合料視為流體,主要反映瀝青在攤鋪和壓實(shí)過(guò)程中溫度的變化,對(duì)于攤鋪均勻性難以分析;石琪慧[6]利用EDEM進(jìn)行攪拌瀝青混合料仿真,并分析攪拌均勻性影響因素。EDEM是全球首個(gè)多用途離散元素法建模軟件,可用于工業(yè)中顆粒處理及其生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程仿真和分析。研究者可以利用EDEM軟件輕松快速地建立顆粒的實(shí)體模型,并完成顆粒的參數(shù)化設(shè)置。H.KIM[7]用EDEM方法建立了模擬仿真模型,并根據(jù)模擬瀝青混合料混凝土的斷裂來(lái)分析其斷裂性能;任飛[8]利用離散元對(duì)螺旋輸送過(guò)程中瀝青混合料的級(jí)配離析問(wèn)題進(jìn)行了研究?？梢钥闯?雖然針對(duì)瀝青混合料均勻性的研究逐漸增多,但對(duì)于攤鋪過(guò)程中螺旋布料器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)之間的合理設(shè)計(jì)匹配問(wèn)題探究較少。

在瀝青混合料攤鋪過(guò)程中,隨著螺旋葉片的旋轉(zhuǎn),混合料顆粒受到軸向力與圓周力的作用,使得不同大小粒徑的混合料顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律不統(tǒng)一。在螺旋布料器中,顆粒大小不同受力不同,顆粒所處位置不同,運(yùn)動(dòng)速度不同等因素都可能導(dǎo)致瀝青混合料離析,從而影響攤鋪均勻性。因此螺旋布料器的螺距、螺徑、料位系數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)的合理設(shè)計(jì)與匹配對(duì)攤鋪均勻性的影響極為顯著。筆者將建立與實(shí)際情況相同的攤鋪機(jī)攤鋪路面模型,針對(duì)不同螺徑、螺距及料位系數(shù)等因素利用離散元法對(duì)螺旋布料器攤鋪均勻性進(jìn)行研究,提出了質(zhì)量占比離異系數(shù)Sc作為均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)。針對(duì)不同螺徑、螺距和料位系數(shù)各相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真,得到Sc的關(guān)系變化曲線(xiàn),最后利用數(shù)字圖像技術(shù)開(kāi)展了攤鋪均勻性工程實(shí)測(cè)結(jié)果分析。結(jié)果表明仿真分析的攤鋪均勻性規(guī)律與工程實(shí)測(cè)的均勻性規(guī)律具有較好的一致性。

1 螺旋布料器三維實(shí)體模型建立

1.1 參數(shù)設(shè)置

在Solid Works軟件中建立某型號(hào)攤鋪機(jī)螺旋布料器的簡(jiǎn)化三維實(shí)體模型,由于螺旋布料器是相互獨(dú)立的左右對(duì)稱(chēng)模型,只考慮螺旋布料器的右半邊對(duì)其進(jìn)行仿真分析。將其裝配完成后導(dǎo)入EDEM軟件中進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置,得到三維實(shí)體模型如圖1。

圖1 三維實(shí)體模型Fig. 1 3D solid model

1.2 求解設(shè)置

在EDEM仿真軟件中對(duì)三維實(shí)體和顆粒材料屬性進(jìn)行設(shè)置,并將各材料間表面能接觸模型設(shè)置為Hertz-Mindlin,碰撞接觸設(shè)置為Hertz-Mindlin with JKR。在軟件中設(shè)置Factory模塊以此來(lái)產(chǎn)生混合料顆粒,并對(duì)瀝青混合料顆粒進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以及攤鋪機(jī)螺旋布料器的運(yùn)動(dòng)設(shè)置。以AC-25來(lái)模擬混合料中不同粒徑大小顆粒的質(zhì)量占比進(jìn)行求解設(shè)置。不同粒徑大小的顆粒尺寸分別為26.5、19、16、13.2、9.5 mm。將攤鋪在基層上的瀝青混合料從左到右分成8個(gè)區(qū)域。最左邊為瀝青混合料的進(jìn)料口,最右邊為出料口。攤鋪機(jī)瀝青混合料顆粒示意如圖2。

圖2 攤鋪機(jī)瀝青混合料顆粒示意Fig. 2 Schematic diagram of paver asphalt mixture particles

2 質(zhì)量占比離異系數(shù)Sc的確定

根據(jù)1.2節(jié)將路面分成的8個(gè)區(qū)域,統(tǒng)計(jì)出各個(gè)區(qū)域里不同粒徑瀝青混合料顆粒的密度、體積、數(shù)量,用以計(jì)算不同粒徑瀝青混合料顆粒的總質(zhì)量。從而得到各個(gè)區(qū)域不同粒徑瀝青混合料顆粒的質(zhì)量占比。將各個(gè)區(qū)域不同粒徑顆粒與級(jí)配中對(duì)應(yīng)粒徑顆粒的質(zhì)量占比進(jìn)行對(duì)比,得出不同粒徑顆粒質(zhì)量占比差值。若差值絕對(duì)值越小,則此區(qū)段的瀝青混合料均勻性越好,攤鋪質(zhì)量也越好。

將每個(gè)區(qū)域內(nèi)不同粒徑顆粒質(zhì)量占比與級(jí)配中對(duì)應(yīng)粒徑顆粒質(zhì)量占比差值絕對(duì)值求和,將此絕對(duì)值之和定義為質(zhì)量占比離異系數(shù)Sc,以Sc來(lái)表示每個(gè)區(qū)域的攤鋪均勻性。Sc越小代表著該區(qū)域的瀝青路面攤鋪均勻性越好,Sc越大代表著該區(qū)域的瀝青路面攤鋪均勻性越差。具體計(jì)算方法如式(1)～式(4):

(1)

式中:βi為實(shí)際級(jí)配中不同粒徑顆粒質(zhì)量占比;αi為每個(gè)仿真區(qū)域內(nèi)不同粒徑顆粒質(zhì)量占比。

(2)

mi=ρVi

(3)

式中:ρ為顆粒的密度;Vi為不同粒徑顆粒的體積。

(4)

式中:mi為不同粒徑顆粒的質(zhì)量;ni為每個(gè)區(qū)域內(nèi)不同粒徑顆粒的數(shù)量;M為每個(gè)區(qū)域內(nèi)顆粒質(zhì)量總和。

3 攤鋪均勻性仿真分析

3.1 螺徑對(duì)均勻性的影響

分別對(duì)480、420、360 mm螺徑參數(shù)的螺旋布料器進(jìn)行仿真,仿真后得到不同粒徑大小顆粒的分布圖像。通過(guò)EDEM軟件仿真分析后得到攤鋪后的瀝青混合料,將其分為大小相同的8個(gè)區(qū)域。其中,螺徑為420 mm的仿真結(jié)果如圖3。

從仿真分析結(jié)果可以直觀地得到,經(jīng)過(guò)螺旋布料器攪拌攤鋪后的瀝青混合料顆粒出現(xiàn)了不同程度的離析現(xiàn)象。對(duì)于3個(gè)不同螺徑的攤鋪結(jié)果,粒徑大小為26.5 mm的大顆粒均在螺旋布料器的進(jìn)出料口出現(xiàn)了不同程度的堆積現(xiàn)象;粒徑大小分別為19、16、13.2 mm的中等大小顆粒在3種情況下均分布較均勻;粒徑大小為9.5 mm的小顆粒在不同位置出現(xiàn)了堆積現(xiàn)象,360 mm螺徑情況下9.5 mm小顆粒堆積現(xiàn)象最明顯。總體看來(lái),螺徑為420 mm情況下的攤鋪均勻性最佳。

掃描電子顯微鏡（EVO18型），德國(guó)ZEISS公司；場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（JEM-2100F型），日本電子株式會(huì)社；冷凍超薄切片機(jī)（UC6-FC6型），德國(guó)Leica公司；X-射線(xiàn)衍射儀（X’Pert PRO型），荷蘭Panlytical公司；小角X射線(xiàn)散射系統(tǒng)（SAXSess型），奧利地Anton Paar公司；分子磷屏成像系統(tǒng)（Cyclone型），美國(guó)Perkin Elmer公司；同步熱分析儀（STA449 F3型），德國(guó)NETZSCH/耐馳公司。

根據(jù)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)出不同粒徑大小的顆粒數(shù)量、體積、密度等數(shù)據(jù),由式(1)～式 (4)計(jì)算出不同粒徑大小瀝青混合料在不同區(qū)域的質(zhì)量大小,以及質(zhì)量占比離異系數(shù)Sc。不同螺徑條件下質(zhì)量占比離異系數(shù)Sc與各個(gè)橫向區(qū)域的關(guān)系如圖4。

圖4 Sc隨橫向區(qū)域變化情況Fig. 4 Line chart of Sc changing with horizontal area

在3種不同螺徑條件下,分別計(jì)算不同區(qū)域的質(zhì)量占比離異系數(shù)Sc之和,如圖5。

圖5 Sc值之和隨螺徑變化情況Fig. 5 Line chart of the sum of Sc value changing with the screw diameter

由圖3～圖5可以得出,經(jīng)不同螺徑的螺旋布料器攤鋪后,瀝青混合料的質(zhì)量占比離異系數(shù)Sc也會(huì)不同,攤鋪的離析程度和均勻性都不同。根據(jù)攤鋪仿真結(jié)果可以看出:在螺旋布料器進(jìn)出料口的離析程度較大,其Sc也越大,均勻性較差;在瀝青路面的中間部分離析程度較小,Sc也越小,均勻性較好;出料口區(qū)域的Sc是整個(gè)區(qū)域最大的,其均勻性最差。對(duì)于中間區(qū)域,在360 mm螺徑情況下,Sc大概在0.066～0.082之間;在420 mm螺徑情況下,Sc大概在0.057～0.082之間;在480 mm螺徑情況下,Sc大概在0.058～0.088之間。由此可以得出,螺徑為420 mm的螺旋布料器對(duì)于中間部分的攤鋪均勻性最好。對(duì)于離析程度最大的出料口,360 mm螺徑情況下,Sc=0.19;420 mm螺徑情況下,Sc=0.099;480 mm螺徑情況下,Sc=0.12。由此可知,也是420 mm螺徑的攤鋪均勻性最好。

3.2 螺距對(duì)均勻性影響

分別對(duì)320、280、240 mm螺距參數(shù)的螺旋布料器進(jìn)行仿真,得到不同粒徑大小顆粒的分布情況。其中,螺距為280 mm的仿真結(jié)果如圖6。

統(tǒng)計(jì)各個(gè)仿真結(jié)果中的顆粒分布數(shù)據(jù)并按照式(1)～式(4)計(jì)算Sc,計(jì)算結(jié)果如圖7。

圖7 Sc隨橫向區(qū)域變化情況Fig. 7 Sc changing with horizontal area

在3種不同螺距條件下,分別計(jì)算不同區(qū)域的質(zhì)量占比離異系數(shù)Sc之和,結(jié)果如圖8。

圖8 Sc值之和隨螺距變化情況Fig. 8 The sum of Sc value changing with the pitch

由圖7可以看出,在螺旋布料器進(jìn)出料口處Sc值最大,離析程度最大,均勻性最差;在中間部分Sc值較小,均勻性較好。對(duì)于中間區(qū)域,在240 mm螺距情況下,Sc大概在0.071～0.086之間;在280 mm螺距情況下,Sc大概在0.057～0.069之間;在320 mm螺距情況下,Sc大概在0.065～0.087之間。由此可以得出,螺距為280 mm的螺旋布料器對(duì)于中間部分的攤鋪均勻性最好。對(duì)于離析程度較大的進(jìn)出料口,240 mm螺距情況下,Sc約為0.10;280 mm螺距情況下,Sc約為0.093;320 mm螺距情況下,Sc約為0.094。280 mm和320 mm螺距情況下的均勻性均比較好。從圖8也可看出,螺距為280 mm時(shí),整體Sc值也最小。

3.3 料位系數(shù)對(duì)均勻性的影響

分別對(duì)1/2、2/3、1料位系數(shù)的螺旋布料器進(jìn)行仿真,得到不同粒徑大小顆粒的分布情況。其中,料位系數(shù)為1的仿真結(jié)果如圖9。

圖10 Sc隨橫向區(qū)域變化情況Fig. 10 Sc changing with horizontal area

在3種不同料位系數(shù)條件下,分別計(jì)算不同區(qū)域的Sc之和,結(jié)果如圖11。

圖11 Sc值之和隨料位系數(shù)變化情況Fig. 11 The sum of Sc value changing with the material level coefficient

由圖10可以得出,在螺旋布料器進(jìn)出口處Sc值較大,離析程度較大,均勻性較差;中間部分Sc值較小,離析程度較小,均勻性也較好。對(duì)于中間區(qū)域,在1/2料位系數(shù)情況下,Sc大概在0.076～0.11之間;在2/3料位系數(shù)情況下,Sc大概在0.057～0.077之間;在1料位系數(shù)情況下,Sc大概在0.059～0.065之間。由此可以得出,料位系數(shù)為1時(shí),中間部分的攤鋪均勻性最好。對(duì)于離析程度較大的進(jìn)出料口,1/2料位系數(shù)情況下,Sc約為0.244 57;2/3料位系數(shù)情況下,Sc約為0.142 47;1料位系數(shù)情況下,Sc約為0.099 24。由此可知,也是料位系數(shù)為1時(shí)均勻性最好。由圖11也可得出,在料位系數(shù)為1時(shí),Sc之和最小,即整體均勻性最好。

4 攤鋪均勻性工程實(shí)測(cè)結(jié)果分析

4.1 采集方案

在光線(xiàn)充足,高度為600 mm的條件下對(duì)高速公路攤鋪路面進(jìn)行了圖像采集。采集的圖像實(shí)際尺寸為565 mm×565 mm,采集方案如圖12。

圖12 瀝青路面圖像采集Fig. 12 Asphalt pavement image acquisition

攤鋪現(xiàn)場(chǎng)車(chē)道寬度為7 m,由于攤鋪機(jī)的對(duì)稱(chēng)性,在3.5 m寬度路面上采集圖像,將橫向路面分為6組,隨著攤鋪機(jī)的前進(jìn),每一組采集46張圖像?？偣膊杉?×46=276張圖像,如圖13。

圖13 攤鋪路面采集圖像示意Fig. 13 Schematic diagram of image collection of paving road

4.2 圖像處理

實(shí)地采集得到的圖像如圖14;根據(jù)加權(quán)平均值法對(duì)采集的圖像進(jìn)行灰度化二值圖像處理,再對(duì)其降噪濾波、去除干擾像素點(diǎn)等處理后得到瀝青混合料路面的二值圖像如圖15。

圖14 瀝青混合料路面采集圖像Fig. 14 Asphalt mixture pavement collection image

圖15 處理后瀝青混合料二值圖像Fig. 15 Binary image of the treated asphalt mixture

4.3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

基于數(shù)字圖像顆粒的四邊靜矩分析,對(duì)分檔集料顆粒的四邊靜矩離異系數(shù)根據(jù)級(jí)配進(jìn)行加權(quán)來(lái)評(píng)價(jià)攤鋪瀝青混合料圖像中集料顆粒的均勻性。根據(jù)AC-25瀝青混合料級(jí)配可得到各檔顆粒的權(quán)重分別為0.25、0.17、0.19、0.28、0.11。最終得到基于數(shù)字圖像技術(shù)的攤鋪AC-25瀝青混合料靜矩離異系數(shù)Cv<11.4% 時(shí)無(wú)離析;在Cv=11.4%～25.0%時(shí)為輕微離析;Cv=25.0%～38.0%為中等離析;Cv>38.0%時(shí)為嚴(yán)重離析[9]。將采集圖像處理后計(jì)算加權(quán)四邊靜矩離異系數(shù)Cv,結(jié)果如圖16。

圖17 值隨橫向區(qū)段變化情況Fig.17 value changing with the horizontal section

圖18 不同橫向區(qū)段的Sc值變化情況Fig. 18 Sc value changing in different horizontal sections

5 結(jié) 論

1)基于EDEM離散元法,采用Hertz-Mindlin with JKR模型對(duì)瀝青路面不同路段的顆粒分布和顆粒質(zhì)量占比進(jìn)行了計(jì)算分析,提出了采用質(zhì)量占比離異系數(shù)Sc作為攤鋪均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2)對(duì)螺旋布料器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)進(jìn)行了仿真分析,得出螺徑、螺距、料位系數(shù)分別為420 mm、280 mm、1時(shí)攤鋪均勻性最佳,離析最小。同時(shí)也得出,在螺旋布料器的進(jìn)料口處離析較小,均勻性較好;中間區(qū)域均勻性最佳;出料口處均勻性較差。

3)開(kāi)展了工程試驗(yàn),利用先進(jìn)的數(shù)字圖像處理技術(shù),進(jìn)行了攤鋪后圖像的采集和處理,獲取的靜矩離異系數(shù)散點(diǎn)圖和折線(xiàn)圖結(jié)果表明,在橫向方向的攤鋪均勻性規(guī)律與仿真分析的均勻性規(guī)律具有較好的一致性。