足尺路面加速加载控制系统及试验研究

足尺路面加速加载控制系统及试验研究
管志光1，2 ，林明星1* ，王旭光2 ，张吉卫2
（ 1． 山东大学机械工程学院，山东 济南 250061； 2． 山东交通学院工程机械系，山东 济南 250023）
摘要： 自行研制了足尺路面加速加载试验设备，介绍了控制系统的硬件组成并进行了路面实验。控制系统采用
CAN 总线技术，通过变频器矢量控制方法实现路面加速加载设备的单方向循环式加载，利用该设备能够短时间内
GUAN Zhi-guang1，2 ，LIN M ing-xing1* ，WANG Xu-guang2 ，ZHANG Ji-w ei2
（ 1． School of M echanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China； 2． Department of M echanical Engineering，Shandong Jiaotong University，Jinan 250023，China）
收稿日期： 2010-10-25 基金项目： 交通部联合科技攻关项目（ 2009353337500） ； 山东省交通厅基金资助项目（ 2008Y024（ 1） ） 作者简介： 管志光（ 1980 － ） ，男，山东单县人，博士研究生，主要研究方向为机电系统检测，诊断与控制． E-mail： gzgw yp@ 163． com * 通讯作者： 林明星（ 1966 － ） ，男，山东栖霞人，教授，博士生导师，主要研究方向为机械系统智能控制与动态检测技术．
加速加载试验设备在运行中采用循环式单方向加 载。当加载小车正向运行至安装在机架上的加载传 感器时，数字量控制电路板检测到该信号后经过处 理输出到 PLC，控制液压缸活塞杆伸长使加载小车 外钢轮和上轨道接触，使设备重力反作用于加载小 车，从而作用于路面，实现了对路面的加载； 当加载 小车运行至卸载传感器时，控制液压缸活塞杆缩回， 加载小车与路面不接触。为了实现加载小车在运行 过程中速度连续可调，驱动电机采用 PLC 与变频器 控制，若 PLC 模拟量模块检测到设备运行速度过 小，则 PLC 控制变频器使电机速度增大，反之使电 机速度降低，加载小车控制电路如图 3 所示。
产生车辙和疲劳破坏，为道路设计、生命周期内的破坏机理研究、施工及验收以及新技术，新材料的应用提供了可
靠的实验数据。通过路面加 速 加 载 实 验，研 究 车 辆 荷 载、行 驶 速 度 和 轮 胎 胎 压 对 路 面 结 构 的 应 变 关 系 。 结 果 表
明： 在行车荷载作用下，沥青面层底部动应变响应呈拉压应变交变状态； 当胎压、荷载和速度发生变化时，沥青面
用大功率的直线电机，机械结构复杂，需采用水冷和 风冷散热方式，电效率低。
1 路面加速加载设备控制系统
为了真实地模拟重载车辆在道路上的行驶状 况，在综合研究现有路面加速加载试验设备的基础 上，自行研制了循环式单方向加载的足尺路面加速 加载试验设备，如图 1 所示［14］。路面加速加载试验 设备主体机架由钢结构焊接而成［15］，具有较强的刚 性和稳定性，可靠性高。设备在运行中采用主动轮、 从动轮双轮组碾压，效率较单轴碾压大大提高，与路 面的实际使用状况一致； 加载轴荷采用液压加载无 级调节方式，使系统的噪声大大降低。按下运行按 钮时，加载小车带动摆线架在自重状态下按设定正 方向运行，当经过卸载传感器时，加载小车在液压缸 控制下离开路面运行至 B 端后返回至 A 端，此过程 中加载小车一直离开路面，而后加载小车沿导轨返 回，返回时遇到加载传感器，加载小车接触路面并施 加可控的荷载，在电机驱动下向 B 端运行，当经过 卸载传感器时，加载小车离开路面运行至 B 端后返 回，如此往复，实现了循环单方向加载运行。路面加 速加载试验设备是一个复杂的系统工程，该设备体 积庞大，数据采集系统之间网络关系复杂，为简化布 线、减少故障、灵活配置系统，控制系统采用了 CAN 总线技术，通过变频器矢量控制方法实现路面加速 加载设备的单方向循环式加载。本文首先对该设备 控制系统进行分析研究，然后利用该设备，进行了标 准路段的实验。
0 引言
自 20 世纪 50 年代起，由于运输车辆快速增长、 载重量不断提高，多数工业国家开始大量投资新建、 改扩建道路［1］。为了降低施工和维护成本，在道路
设计施工初期应充分考虑道路的生命周期，从而优 化道路性能指标。传统的取样室内实验方法不能真 实地模拟车辆在道路上的实际运行状况，而采用野 外长期观测实验来评价现有道路的方法尽管具有一 定的实效性，但因试验路段的数据采集周期太长，断 面 应 力 变 化 数 据 的 准 确 性 、真 实 性 、实 用 性 和 实 时
我国路面 早 期 破 坏 形 式 主 要 有 拥 包、车 辙、裂 缝、泛油、路面沉陷、水损坏等［3-4］，张志清等采用动 力学分析方法得出在重载作用下，路面结构的表面 易产生较大拉应力，超载使弯沉和应力急剧增大，造 成路 面 结 构 早 期 破 坏［5］； 陈 湘 华 对 拥 包、车 辙、裂 缝、泛油等路面损坏形式及破坏机理进行了详细介 绍［6］； 赵娟 对 沥 青 路 面 后 期 水 损 坏 现 象 进 行 了 分 析［7］。但这些分析有的是建立在理论上的，缺乏实 验数据，有 的 分 析 是 建 立 在 长 期 观 察、调 研 的 基 础 上，造成大量财力人力的浪费。而路面加速加载试 验系统采用 可 控 轴 载 的 快 速 加 载 方 式［8-11］，能 够 在 较短时间内加速道路损坏，分析道路生命周期内的 破坏机理，从而为道路的设计、施工及验收以及新技 术，新材料的应用提供依据。利用路面加速加载试 验系统快速模拟车辆在不同道路上的实际运行状 况，根据实验数据，分析评估、验证和改进路面结构 设计，改进路面工程模型，改进路面结构、路面材料 和施工工艺，提高道路建设的针对性、科学性和有效 性。路面加速加载设备在 20 世纪 80 年代开始在澳 大利亚和新西兰投入应用。近年来，国内外部分单 位对路面加速加载试验系统进行了研究和探索。作 为商品的设备，世界上只有南非、美国、澳大利亚等 国家少量生 产［12］，但 其 机 械、电 气 等 方 面 的 技 术 经 济指标存在较大差异。根据国内外的调研，路面加 速加载试验产品可分为如下 3 类［13］： （ 1 ） ALF 式， 加速加载装置在一组钢轨上做往复运动，系统结构 复杂，加载效率较低。（ 2） HVS 式，采用往复直线运 动方式加载，利用电气制动方式进行制动，启动电流 大。（ 3） M LS 系统，采用循环加载方式，电气驱动采
图 1 路面加速加载试验设备 Fig． 1 ALT facility
第5 期
管志光，等： 足尺路面加速加载控制系统及试验研究
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图 2 路面加速加载试验设备控制系统框图 Fig． 2 Control system chart of ALT
1. 1 加载小车控制 为了真实模拟车辆在路面上的实际运行状况，
Abstract： The facility of the full-scale highw ay accelerated loading testing （ ALT ） w as developed，w hich has selfow ned intellectual property． The control system w as studied and designed for the full-scale ALT facility，and the pavement experiment w as analyzed． The ALT control system adopted CAN bus，w hich can improve reliability． The circulating-type and single direction loading can be realized by vector-control of the inverter． The tested pavement can produce rutting and mild fatigue in a compressed time period，w hich can help analyze the failure mechanism of the life cycle and can also offer reference for road design，construction and acceptance． The relationship of dynamic pavement response w ith load，speed and tire pressure w as researched using the facility． The results show ed that there w as not only tensile strain but also compressive strain at the bottom of the asphalt layer． Furthermore，the variation of tensile strain w as bigger than compressive strain，w hile the change trend reduced w ith the speed increasing． Key words： full-scale； highw ay accelerated loading testing（ ALT） ； CAN bus； load； strain
2 路面加速加载实验
2. 1 试验路段 本课题试验路段采用山东交通学院按高速公路
标准 设 计 的 一 段 试 验 路 面。本 试 验 段 在 4 m 宽、 15 m长的试验路槽内施工，可减少试槽较窄时槽壁对 路面应力分布状况的影响［16］，路面结构如图 4 所示。
层底部拉应变较压应变变化大，但随着速度的提高，变化趋势逐渐变小。
关键词： 足尺； 路面加速加载； CAN 总线； 荷载； 应变
中图分类号： TH39
Hale Waihona Puke Baidu
文献标志码： A
Research on control system and test of full-scale highw ay accelerated loading testing
路面加速加载试验设备控制系统需要实现的功 能有（ 1） 加载小车控制； （ 2） 数据采集、显示。路面 加速加载试验设备是复杂的、工作环境恶劣的典型 机电液一体化大型工程机械，其控制系统之间网络 关系复杂，为简化布线、减少故障、灵活地配置系统， 控制系统采用了 CAN 总线技术，该控制系统的结 构框图如图 2 所示。
行参数可以通过控制柜处显示屏显示，也可以通过
上位机显示。
表 1 CAN 节点标识符 Table 1 CAN node identifier
节点名称
标识符
运行速度 碾压压力 数字量控制 环境温度 工作温度
10101010101 10101010110 10101010100 10101010111 10101010000
第 41 卷 第 5 期 Vol． 41 No． 5
山 东 大 学 学 报 （ 工 学 版） JOURNAL OF SHANDONG UNIVERSITY （ ENGINEERING SCIENCE）
文章编号： 1672-3961（ 2011） 05-0121-06
2011 年 10 月 Oct． 2011
E-mail： mxlin2000@ 163． com
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山 东 大 学 学 报 （ 工 学 版）
第 41 卷
性差，试验路段的投资太大，其实验结果的应用严重 滞后，难以满足道路建设和交通发展的需要。而且 由于我国地域辽阔，地质、自然气候条件及经济水平 千差万别［2］，道路建设材料、施工工艺有较大差异， 造成设计、施工、验收等方面的不确定性，使道路寿 命与预期相差甚远，从而造成道路建设资金的巨大 浪费。