（载运工具运用工程专业论文）转运车沥青混合料温度变化规律研究.pdf

摘要 由于沥青混合料在运输和卸料过程中热量流失的不均衡而产生明显的温度 差异从而使沥青混合料产生温度离析，当用存在温度离析的沥青混合料铺筑路面 时，温度较低的沥青混合料不能被压实，导致路面密实度不均匀，从而使路面产 生较高的空气间隙率和粗糙度。这将导致路面的结构破坏，预期寿命缩短，同时 也使汽车的燃料消耗和轮胎磨损增大，行车安全和行车效果也大打折扣。为了铺 筑出高质量的沥青路面，延长路面的使用寿命，减少路面维修费用，必须减少沥 青混合料的温度离析。 本课题从施工工艺出发，在自卸车与沥青摊铺机之间增设一台沥青混合料转 运车，对沥青混合料进行储存和二次搅拌，并将二次搅拌好的混合料匀速地输送 到摊铺机料斗中，保证摊铺机摊铺过程中的供料均匀和受力平衡。本论文针对沥 青混合料在转运车入料、运输、存储、再搅拌4 种工作模式下，与转运车之间、 外界环境之间以及沥青混合料不同部分之间的热量交换机理进行了分析，并分别 建立了4 种工作模式下沥青混合料的热力学方程，并采用有限差分法对其进行了 求解。找出了导致沥青混合料在转运车内热量损失的主要因素，针对这些因素在 转运车结构方面对沥青混合料提出了几点保温措施。同时，为了提高转运车智能 化程度，对沥青混合料在转运车里的温度变化过程进行可视化仿真，用于指导现 场施工和转运车设计。 关键词：温度离析；热量交换机理； 热力学方程；有限差分法 a b s t r a c t t e m p e r a t u r es e g r e g a t i o ni s t h en o n u n i f o r md i s t r i b u t i o no fd i s p r o p o r t i o nt h a t q u a n t i t yo fh e a tl o s sd u r i n ga s p h a l tm i x t u r ei st r a n s p o r t e da n dd i s c h a r g e d 1 0 w e r t e m p e r a t u r em i x t u r ei sc o m p a c t e ds ot h a tr o a ds u r f a c eh a sa s y m m e t r i cs o l i d ，m o r e a i rc l e a r a n c ea n dh i g h e rr o u g h n e s sw h e na s p h a l tm i x t u r eo ft e m p e r a t u r e s e g r e g a t i o n i s p a v e dm a t t h er e s u l t i n gp a v e m e n t e x h i b i t s p o o r s t r u c t u r a la n dt e x t u r a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dh a sas h o r t e rl i f ee x p e c t a n c y a tt h es a m et i m e ，t h er e s u l t i n g m a k e sa u t o m o b i l ec o n s u m em o r ef u e la n dm a k e st y r ea b r a s i o nb e c o m eb i g g e ra n d h a sa ne f f e c to nt r a f f i cs a f e t y p r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t ht e m p e r a t u r es e g r e g a t i o na r e s e r i o u s t h e i re l i m i n a t i o ni se s s e n t i a lt ot h ep r o d u c t i o no fh i g hq u a l i t yp a v e m e n t t h et a s ko ft h i sp a p e ri sr e s e a r c h i n gt h em a t e r i a lt r a n s f e rv e h i c l es e t t i n g b e t w e e nat i p p e ra n dap a v e r ，w h i c hd e p o s i t sa n dm i x e sa s p h a l tc o n c r e t ea g a i n ，t o i m p r o v i n gt h eu n i f o r m i t i e so ft h e m a t e r i a l sa n dt h e i rt e m p e r a t u r e s ，s e n d i n gt h e m i x t u r e st ot h ep a v e ra tac o n s t a n tv e l o c i t y ，a n de n s u r i n gt h eu n i f o r m i t i e so ft h e m i x t u r e sa n dt h es t e a d i n e s so fo p e r a t i n gf o r c ei nt h ep r o c e s so fp a v i n g t h r o u g h a n a l y z i n gq u a n t i t y o fh e a te x c h a n g eo ua s p h a l tm i x t u r ew i t hm a t e r i a lt r a n s f e r v e h i c l ea n do u t e re n v i r o n m e n t s ，e v e r yp a r to fa s p h a l tm i x t u r e f o u re n e r g e t i c s e q u a t i o n so fa s p h a l tm i x t u r ea b o u tf o u rw o r km o d e s a r ef o u n dw h i l ea s p h a l tm i x t u r e i se n t e r e d ，t r a n s p o r t e d ，d e p o s i t e da n dm i x e da s p h a l tc o n c r e t ea g a i ni nt h em a t e r i a l t r a n s f e rv e h i c l e a d o p t i n gl i m i t e dd i f f e r e n c ew a yt os o l u t i o ne n e r g e t i c se q u a t i o n s c a u s a t i o n st h a tr e s u l ti na s p h a l tm i x t u r eq u a n t i t yo fh e a tl o s i n ga r ef o u n do u t b r i n g f o r w a r daf e wh e a tp r e s e r v a t i o nm e a s u r e so fa s p h a l tm i x t u r eo i lm a t e r i a lt r a n s f e r v e h i c l ec o n f i g u r a t i o n p r o c e s so ft e m p e r a t u r ec h a n g i n gi ss i m u l a t e d t h er e s u l t i n g m a yg u i d a n c es p o tc o n s t r u c t i o na n dm a t e r i a lt r a n s f e rv e h i c l ed e s i g n k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r es e g r e g a t i o n ；q u a n t i t yo f h e a te x c h a n g e ；e n e r g e t i c s e q u a t i o n ；l i m i t e dd i f f e r e n c ew a y 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名御名孝鸟 日期：7 疳年午月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 前鹕 弘札 日期：仍醪年碑月猡日 日期：硝年4 月；。日 1 1 研究背景 第一章绪论 沥青混合料是用适量的沥青材料与一定级配的矿质集料经过充分拌和而形 成的混合物。它是一种粘一弹一塑性材料，它不仅具有良好的力学性质，而且具 有一定的高温稳定性和低温柔韧性。沥青路面是沥青材料作结合料粘接矿料或混 合料修筑面层和垫层所组成的路面结构”1 。沥青路面的路面平整，无接缝，丽具 有一定的粗糙度；路面减振、吸声、无强烈反光，有利于行车安全；沥青混合料 施工方便，不需要养护，能及时开放交通，且能再生利用；此外沥青面层使用沥 青混合料，因而增强了矿料间的粘接力，提高了混合料的强度和稳定性，使路面 的使用质量和耐久性都得到提高。因此，沥青混合料广泛用于高速公路、干线公 路和城市道路路面。据统计我国已建或在建的高速公路路面9 0 以上采用沥青混 合料路面。与水泥路面相比，沥青路面具有下列优点“m 儿”： 1 、表面无接缝、行车舒适。 2 、有高度的减振性，可使汽车快速行驶，平稳而低噪声，特别适应于交通 发展的需要。 3 、足够的力学强度，因而沥青路面能很好地承受车辆的载葡。 5 、稳定的弹性和塑性变形能力，不象水泥路面容易造成断板，因而能承受 应变而不破坏。 4 、与汽车轮胎的附着力好，可保证行车安全。 5 、不扬尘，且容易清扫和冲洗。 6 、维修工作比较筒单，沥青路面可再生利用。 由于沥青路面有上述优点，因而获得越来越广泛的利用。五十年代以来，各 国修建沥青路面的数量迅猛增长，所占比重很大，如美国的公路网中，9 3 公路 里程为沥青路面，因此美国在2 0 世纪8 0 年代提出a a s h t o 路面设计方法，指 出沥青路面的设计使用寿命可达到2 0 年，实际使用寿命至少为8 1 2 年”1 。这 是由于随着路龄的增长，沥青逐渐老化，沥青混合料的抗温度裂缝能力，抗疲劳 破坏能力，抗水破坏和抗松散能力逐渐减弱，沥青面层的破坏现象会逐渐增多， 因而影响了沥青路面的使用寿命。随着近年来的不断研究和设计方法的改进，沥 青路面的期望使用寿命能够达5 0 年甚至更长”3 。 世界各国的经验表明，精心设计、精心生产和精心铺筑的热拌沥青混合料能 够提供一种使用性能优良和使用时间长( 耐久性好) 的沥青面层，它需要的养护 工作和费用很少。 我国高速公路沥青路面使用时间还不长，至今还没有一个对沥青路面使用期 限的判断标准或指标，因而很难判断其实际使用期限。但我国沥青路面早期破损 即路面在竣工后通车不久或一、两年内出现多处或大面积裂缝、破损的现象特别 严重。某高速公路通车仅九个月，沥青面就出现破坏现象；不到一年，由于大面 积破坏严重，不得不将路面铣刨后重铺”1 。经验表明，沥青混合料的不均匀性和 压实温度过低是影响路面使用寿命的两个主要原因哺3 。生产的沥青混合料不均匀 性是由多方面原因引起的，有不同规格原材料颗粒组成变异性大的原因，有拌和 工厂管理方面的原因，有运输和现场摊铺管理方面的原因，也有施工工艺上的原 因，同时导致物料离析和温度离析阻1 。压实温度过低的原因是由于沥青混合料在 运输过程中沥青混合料向外散发热量而造成碾压温度过低。 1 2 国内外相关问题研究现状 1 2 1 国外相关问题研究现状 众所周知，沥青混合料的性状对温度是非常敏感的，为保证路面的质量，要 求沥青混合料在摊捕作业时具有一定的压实温度。德国的s a m 规范中，规定用 马歇尔试验沥青混合料设计时的压实温度为1 3 5 ( 2 5 c “”。沥青混合料温度离 图1 1摊铺机受料斗中热拌混 合料的温度剖面和个别点的温度 图1 2 摊铺机后面摊 铺层后面的温度状况 析指原来经过充分搅拌，温度均匀的沥青混合料，经过某一过程后，温度出现较 大的差异的现象( 如图l l 、图1 2 ) ，有的部分的温度高于压实温度，有的部分 的温度低于压实温度“。物料离析会降低路面的摊铺质量己引起人们的密切关 注，但温度离析的危害却尚未引起人们的重视。实际上，温度离析和压实温度过 低的危害比单纯的物料离析要严重得多，也是造成路面摊铺质量差的主要原因。 温度离析是美国的s t e v c a r e a d 于1 9 9 6 年夏季在研究华盛顿州沥青路面周期性 离析问题的原因和可以解决的方案时首先提出的“，他在论文中提出“当沥青 2 路面受这种周期性离析现象困扰时，上覆层的预期寿命( 约1 2 1 5 ) 可能减半。 没有方法能够预测哪一个工程将受到周期性离析的影响。在施工过程中也不会显 露出来今后可能产生什么问题，但是竣工通车后约2 年，那些暗中为害的问题就 暴露出来了。”他随后又写道：周期性离析问题与从沥青混合料拌和厂将混合料 运送到铺筑现场过程中沥青混合料的温度差别有关，铺筑之前，热拌沥青混合料 的温度差别导致施工过程中铺筑层产生潜在的破坏。温度差别破坏从装有热拌混 合料的自卸车向摊铺机卸料开始。如果所装的混合料发生了温度差别，卸料时， 料车顶面温度低的料落在摊铺机受料斗的底部，此后可能有两种不同情况：一种 情况是沿料车两侧温度低的混合料被挤向摊铺机受料斗的两侧。当料车卸完料以 及摊铺机料斗中料堆接近消失时，两侧冷料向内落下并覆盖在条板输送带上混合 料的上面。如驾驶员把两边侧板翻起，则侧板里的温度较低和粗料较多的混合料 都落在条板输送带上混合料的上面。在下辆运料车尚未到达摊铺机之前，受料 斗中的剩余的料被输送到后面的分料室被整平。整平板不可能使冷的混合料与高 温混合料一样固结，在摊镝层上就会出现开裂的离析小面积( 温度差别和集料离 析破坏) 。第二种情况是，当下一辆料车到达摊铺机前并向受料斗卸料时，冷混 合料被输送到后面的分料室并被整平，整平板不可能使冷混合料与高温混合料 样固结，在摊铺层上也会出现开裂的离析小面积( 温度差别破坏) 。由于每一辆 料车都可能产生这种离析，周期性的破坏现象也就变得频繁了。 a s t e e 公司j d o nb r o c k 博士研究指出：由于沥青混合料在运输和卸料过程 中热量流失的不均衡而产生明显的温度差异，摊铺到路面时，局部区域的物料温 度甚至低于沥青混合料的所需的压实温度，低温混合料不能被压实，从而导致熨 平板起伏，造成摊铺机表面的不平整“。一些较冷的区域的混合料还可能冷却 结块，碾压时结块物料可能会承受压路机的全部重量，而使其超载碎裂出现裂纹， 造成混合料不能碾压成型，破坏路面结构，影响路面强度。压实改性沥青混台料 需要比传统混合料更高的摊铺温度，出现温度离析的可能性更大，摊铺后的路面 质量更难得到保证。 摊铺路面的冷点还会导致路面密实度的不均匀，产生较高的空气间隙率和粗 糙度0 1 。压实温度对沥青混合料的密实度，空气率及压实度有较大的影响，压实 温度过低将使得密实度下降，空气率增大，间隙增大。表1 1 为布洛克在做试 表1 1压实温度对沥青混合料空气率的影响 压实温度 1 4 91 4 31 3 81 2 71 1 61 0 49 3 空气 16 77 17 07 68 58 29 1 率26 8 7 47 5 8 0 8 48 6 9 5 验时发现压实温度对空气率的影响。1 。因为这些空气间隙很容易让水渗透进入沥 青混合料，在冬天结冰后使沥青混合料破裂，形成路面坑洼，影响路面质量，使 路面维修费用大幅度上升，使公路寿命缩短，大概路面上覆层的寿命可能减半。 同时汽车的燃料消耗和轮胎磨损增大，行车安全和行车效果也大折扣。国外有人 对此在试验室做过对比性的疲劳断裂试验，用数据证明了上述结论的正确性“。 当摊铺料中的空气间隙增加时，试件断裂所需要的轮式试验次数显著降低。在 1 0 4 压制的试件，其寿命大约只有相当于在1 4 9 时压制的试件的1 0 2 0 ， 美国一个州的运输部研究指出，由于温度离析和压实温度过低，路面的预期寿命 可能只有设计的寿命的一半，即公路的实际寿命缩短了5 0 ，导致公路建设投 资的巨大的浪费“”。 上述因素是导致公路沥青面层水破坏、平整度水平不高的根本原因，因此已 引起社会广泛的注意，并积极探索解决的方法”“7 儿”1 。 1 、混合料的运输 混合料的运输包括自卸车的装载、运输、卸料过程。 自卸车的运输和卸料过程是造成沥青混合料温度离析和压实温度过低的主 要原因。众所周知，修筑高速公路时，除了非常靠近沥青混合料搅拌站的路段外， 图1 3 从自卸车车厢产生的热量损失 图1 4 自卸车车厢内 沥青混合料温度差别 铺筑其它路段所需沥青混合料总有一定长度的运输距离，需要一定的运输时间。 即使在炎热的夏天，气温比沥青混合料的温度也低得多，势必会通过车厢进行热 量交换( 如图1 3 ) ，且交换的三种方式( 传导、对流、辐射) 同时存在，造成混 合料的热量损失，从而引起温度下降“3 。毫无疑问，热量的损失与温度下降主要 出现在靠近车厢壁的混合料中( 如图1 4 ) ”1 。而车厢顶部的沥青混合料则与相 对运动的空气直接接触，顶层物料的热量损失和温度下降将严重得多，随着运距 的增大，运输过程中造成的热量损失也相应增大。混合料的温度越高，气温愈低， 则热量损失愈大，造成温度差异越严重，又因为沥青混合料的导热系数比较小， 4 在产生热量损失的车厢周边和车厢顶部，冷混合料有较大百分率。热量从沥青混 合料的中心部分向边缘和顶部缓慢传导，造成在自卸车的周边和顶部的沥青混合 料与中心混合料之间产生较大的温度差别。 解决办法从以下九个方面进行考虑： 混合料装入运料车时的温度 周围空气的温度 车厢是否隔温 车厢尺寸与所运混合料的吨数的关系 运距 运料车的车速 在摊铺机前等待的时间 混合料是否覆盖 交通延误 只要控制上述变量中一些可控因素，沥青混合料温度离析就会减少。 2 、摊铺机的待料 有的摊铺现场，摊铺机不能连续摊铺，常发生停机待料情况。一旦停机，摊 铺机受料斗最后剩下的少量温度已明显降低的混合料也输送到后面分料室摊铺。 这部分最后摊铺的较冷的混合料，还不能对其进行碾压，要等下一车的新混合料 摊铺下来，且摊铺机往前行驶一段距离后才能开始碾压，松散薄层混合料的温度 降低得更快，最终导致摊铺层不同位置的温度差别显著增大，因此要减少摊铺机 停机待科。 3 、热料储备仓 容积庞大的热料储备仓是最容易产生温度离析的地方。从热料储备仓的第一 次应用，工程技术人员就采取了一些措施防止离析的产生，但最详实、完整的研 究是美国德克斯州立大学于上个世纪七十年代做出的。根据他们的指导建议，人 们使用了各种各样的技术装备来减少温度离析的出现。最常用的是热料储备仓的 进料口，采用多口进料或可周向旋转进料，但效果最好的是多口进料。 通过以上措施的改进，在很大程度上减少了沥青混合料的温度离析现象和 压实温度过低现象，提高了路面质量，但是随着交通流量和载荷的不断提高，对 高速公路的路面使用性能提出了愈来愈高的要求，这些措施显然满足不了形势发 展的需要，许多发达国家在经历了大规模的公路建设以后，自2 0 世纪8 0 年代开 始进入一个大规模翻新和重建公路的新时期，如何保证重建和改建的公路能适应 未来日益增长的交通强度( 重载、高速) 的需要，使之保持良好的路况，改善路 面的平整度和提高路面的承载能力和抗滑能力已成为国外2 0 世纪8 0 年代以来公 路科技进步的一项研究重点。美国著名的s h r p 计划( 1 9 8 9 1 9 9 3 ) 就是在这样 的背景下提出来的，并取得一系列研究成果。在旎工技术方面推出了反温度离析 技术与设备，在解决沥青混合料在施工中的温度离析问题上取得了突破性的进 展。目前国外反温度离析技术与设备主要是“重新拌和螺旋机构”，就是在混合 料被摊铺之前进行某种形式的重新搅拌使其温度基本上一致，效果最好的重搅拌 螺旋是美国r o a d t e c 公司的变螺距螺旋输送器。要保持摊铺机工作的连续性，最 困难的事情是物料的供应，自卸车供料不能保证混合料的均匀性和供料的连续 性，并且会与摊铺机发生碰撞，使摊铺机力不均匀，这些因素都将影响路面的质 量。为了解决这些问题，a s t e c 公司经过探索和努力，推出其最新产品一一沥 青混合料转运车“”。这种机器载重量可达到3 0 5 0 吨，允许自卸车与摊铺机保 持一定的距离，保持固定状态的情况下将所有的混合料卸料干净。 转运车的接料口足够宽大，能保证自卸车连续不断的卸料，并通过刮板输送 器将料提升送到转运车的大料斗，料斗底部的两个变节距螺旋将料进行再搅拌后 输送到螺旋尾部，然后经过两级输送到摊铺机。运用这种新概念的转运车，能使 混合料得到再搅拌，保证摊铺机工作的连续性和工作过程中受力的均匀性，并且 允许使用更大容量的自卸车。此外，运用转运车，能够消除摊铺机受料翼板上的 粗骨料的堆积以及形成的离析一这是导致摊铺机收工路面离析现象形成主要原 因。 事实已经证明，由于这种机器的变节距螺旋的再搅拌作用，已经基本消除了 由于各种因造成的温度离析现象，其后所摊铺路面的平整光滑性已超出了大家的 想象。 1 2 2 国内相关问题研究现状 我国高速公路发展很快，从1 9 8 8 年实现零突破到2 0 0 1 年底的3 年期间，共 建成高速公路已逾2 0 0 0 0 k m 。在己通车的高速公路中，半刚性基层沥青路面( 简 称半刚性路面) 约占7 5 ，水泥混凝土路面( 简称刚性路面) 约占2 0 ，剐性 基层沥青路面( 简称刚性组合性路面) 约占3 。 根据国民经济和社会发展战略部署，为使我国公路与国民经济发展格局相适 应，交通部制订了国道主干线发展规划。计划从1 9 9 1 年起，用3 0 年左右的时间 逐步建成1 2 条长度约3 5 万公里的高速公路、 形成以公路为主体的“五纵七 横”快速、高效、安全的国道主干线系统。仅1 9 9 8 年就计划投资1 8 0 0 亿元，增 加公路里程3 3 万里，其中高速公路1 5 6 0 公里，二级公路7 4 9 7 公里，预计到2 0 2 0 年，我国公路将基本适应国民经济发展和人民生活的需要。 由于我国高速公路发展起步晚，因而对沥青路面以及沥青的性能研究较少。 在五六十年代，我国的公路主要是砂石路面，砂石料和粘土是最基本的材料。当 时，在某些城镇道路和干线公路上铺筑少量沥青路面，一般公路是轮不到的。在 6 六十年代，随着大庆油田的开发，道路渣油这种不合格的沥青材料登上历史舞台， 在这个阶段，渣油表处加石灰土基层成了最重要的路面结构形式。在短短的十余 年时间内，全国铺筑了近2 0 万公里的渣油路面，在历史上起到了非常重要的作 用。在七八十年代，胜利油田9 2 3 原油和孤岛原油的开发，使胜利炼油厂开始生 产一定符合规格的沥青，尽管沥青的含腊量甚高，质量并不好，但在当时已经是 相当不错了。八十年代中期，以京津塘高速公路建设为契机，我国开始进入了高 等级公路建设的新时期。在“重交通道路石油沥青技术要求”的倡导下，开始进 口国外的高质量沥青，石化部门开始攻关，研制符合要求的重交通道路沥青。沥 青混合料路面成为高等级公路工程崭新的结构形式，并发挥了重要作用。在这个 阶段，国家“七五”、“八五”科技攻关，对沥青路面材料、结构、施工工艺、质 量控制的研究，得到了前所未有的提高，沥青路面的整体水平和质量水平得到了 很大的提高。 为了减少沥青混合料的离析现象，提高路面质量，人们从施工工艺和设备改 造方面作了很多努力，取得了一定的效果。 1 、尽可能的采用大吨位运输车辆，形成的离析现象比中小吨位运输车辆少 得多。 2 、施工过程中摊铺机前有运料在等候卸车，即摊铺机沥青混合料运输中的 运量较摊铺速度有所富余。 3 、确保刮板输送器和螺旋布料器匀速不断地输料和布料，避免由于转速的 变化或机器的停顿造成沥青混合料的离析。 4 、在铺筑过程中保持摊铺机布料器不停转动，摊铺机两侧混合料的高度保 持不低于送料器高度三分之二。 5 、摊铺机摊铺一车料将完时，要控制摊铺机速度，关闭送料器，等下车料 倒入后再进行均匀送料和布料。 为保证沥青混合料入仓时的质量，运料时采用了配有保温装置的运输车，每 辆车的车厢在装料前必须保持干净、干燥，司机在运输途中匀速驾驶，以保证 沥青混合料骨料均匀，避免离析现象出现。当载有沥青混合料的车辆来到施工现 场后，沥青混合料被转运至配有保温料斗的施工设备中。在进行沥青混合料摊铺 前，用高压喷水对层面进行冲洗，以保持层间洁净，从而确保了沥青混合料心墙 层面间的粘结质量。待其干燥后，对层面加热至规定温度然后再开始沥青混合料 的摊铺。摊铺期间，要严格控制沥青混合料的温度和摊铺厚度，并确保中轴线不 位移。 但与国外相比，我国沥青混合料路面质量还有很大的差距，因此，研究一种 新型设备，解决沥青混合料路面施工过程中出现的温度离析现象，提高路面质量， 延长沥青混合料路面使用寿命是一个迫切的课题。因此，国家“8 6 3 计划”提出 7 开发智能化的沥青路面施工机群，首次在沥青路面旖工机群中引入转运车，针对 沥青混合料的骨料离析，温度离析和作业参数的配合进行了深入的研究，制订与 之相适应的施工工艺。通过合理- 配置和运用这些设备，最优地匹配各机的作业参 数，利用机上的智能化装置进行自动检测、自动控制、协调作业，充分发挥智能 化机群的技术优势以获得最高的作业质量。并且在追求施工质量的同时，根据工 程量，合理选择配置的各种设备、最佳的机械配套组合及相应的各单机参数，使 得整个生产工艺流程畅通，最大程度的提高主要设备的利用率，降低施工成本， 增加经济效益。机群智能化工程机械的研究使用，能大大提高我国沥青路面的质 量，延长路面使用寿命，降低使用维修成本，并能成为具有自主知识产权的设备， 带动相关产业的发展，提高我国筑路机械的国际竞争能力。 1 3 现阶段面临的问题及解决的途径 i 3 1 现阶段面临的问题 第一章可知。沥青路面有诸多的优点，是高等级公路路面结构发展方向。但 是，现行沥青路面旆工设备性能以及施i i 艺( 图1 5 ) 还不够完善，以致已竣 沥 材 图1 5 现行沥青混合料面层机械化旌工工艺流程 工的沥青路面道路还存在返工、道路寿命达不到设计要求、过早出现渗水、翻 浆、拥包、车辙、开裂、局部坑洞等病害。这导致沥青路面维护工程量大，维 护费用高。要提高沥青路面的旌工质量以达到更高的使用性能要求，应从影响 路面质量的各环节着手，采取相应措施。其中涉及施工机械方面，要开发成龙 配套的智能化沥青路面施工机械群来保证施工质量。沥青路面施工智能机群要 解决的主要问题有： 1 、混合料材料离析问题。 2 、混合料温度离析及温度下降过多闻题。 3 、作业参数控制问题，缺乏作业参数的实时检测手段。 4 、设备调度问题：机群间各单机作业配合不好。 5 、作业不连续问题：摊铺机停机待料、自卸车停车等待。 6 、碾压问题( 压路机本身作业参数问题源于骨料离析、初碾温度过低、温 度分布不均等) 。 1 3 2 解决问题的途径和方法 要解决以上问题，主要通过以下途径： 1 、在机群中，增加沥青混合料再拌和转运车 本课题从施工工艺出发，在运料自卸车与摊铺机之间增加一台沥青混合料转 运设备，对沥青混合料进行储存和再次搅拌，提高混合料的材料和温度的均匀性， 并匀速地输送到摊铺机料斗中，保证摊铺机摊铺过程中的供料均匀和受力平稳。 国外在该设备上具有很大的技术能力和国际竞争力。目前主要有沿路中料堆收集 设备和混合料再拌转运车。其中以美国a s t e c 公司的沥青混合料再拌转运车技 术最先进，市场占有率也最大，约占美国市场的5 5 和英国市场7 0 的份额。 国内在该设备研制上尚处于摸索阶段，还没有成功的范例。 2 、对机群中各机种性能进行必要的改进 要提高沥青路面施工质量，必须改进设备性能，提高单机的智能化程度并实 现整个机群的智能化作业配合，在沥青混合料拌和设备、运料车、再拌转运车、 摊铺机、压路机等机种组成的机群之间建立智能化控制中心。控制系统以各单机 生产率相互匹配和工艺的主要作业参数为控制目标，以各机的作业工艺要求为约 束条件，实现机群的智能化自动控制，确保作业连续性和各项路面施工质量指标 达到规定要求。该控制中心宜满足可选配件的形式和用户需要，以便用户有更大 的选择弹性。控制中心既可设置在拌和站，也可设置在摊铺枫上。利用微电子技 术和自动控制技术，对在线机群的运行状况进行监测和辨识，建立整个过程故 障诊断专家系统，随时可以自动检测发生故障部位及相关原因以及自动进行维修 等。 3 、对新配置的施工机群、施工工艺进行必要的调整 有了智能化的机群，还要制定相应改进的施工工艺来指导正确箍工。在沥青 路面的整个施工工艺流程中，以智能化机群为设备基础的施工工艺流程( 图1 6 ) 的主要特点是增加了一台沥青混合料再拌和转运车，及其相应的作业工艺，所推 荐的沥青混合料路面机械化施工新工艺的根本目标是最大程度地降低沥青混合 料材料离析、温度离析，并求保证摊铺的连续性。这是沥青混合料路面机械化施 工的一场革命，可使沥青混合料路面质量有一个飞跃式的提高，同时可使沥青混 合料路面长期维修费用节省约9 0 9 5 、沥青面层寿命延长约4 0 ，同时大大 提高道路的使用率，由此而创造巨大的社会效益和不可估量的经济效益。相应的 施工机械有：沥青混合料搅拌设备、运输车辆、沥青混合料转运车、沥青混合料 摊铺机、压实机械等。 9 篡；困，材料_ 吐耍五p 匝丽磊卜 沥青路面 图1 6 推荐沥青混合料面层机械化施工工艺流程 现行沥青路面施工工艺流程与智能化机群施工工艺流程的比较如下： 1 ) 、转运车对自卸车运输到工地的沥青混合料进行第二次搅拌，可在一定程 度上减少混合料的材料离析和温度离析。 2 ) 、由转运车代替自卸车对摊铺机供料，可保证摊铺机摊铺过程中的供料均 匀且受力平衡，改善摊铺机作业条件。 3 ) 、广泛采用微电子技术和自动控制技术的智能化单机，能依据自身工作状 态参数建立自我诊断系统、保证了安全性和操作舒适性。 4 ) 、将现代化设备管理思想创造性地应用到沥青混合料路面施工机群设备现 代化管理上，即以沥青混合料路面施工经营目标为依据，以施工机群设备为研究 对象，追求施工机群设备寿命周期费用最经济和设备交通效率最高为目标，应用 一系列理论方法，如系统工程学、价值工程学、设备磨损和补偿理论、设备可靠 性和维修性理论、设备监测和诊断方法等，通过一系列技术、组织措施，对施工 机群设备的物质运动和价值运动进行从规划、设计、制造、选型、购置、安装、 使用、维护、修理、改造、更新直至报废的全过程的科学管理。 1 4 研究内容及方案 1 4 1 研究内容 从以上分析可以看出转运车在现代沥青路面施工过程中对消除材料离析和 温度离析起了重大的作用。但是转运车在对沥青混合料进行运输、存储和第二次 搅拌时，沥青混合料存在着大量的热量散失，进一步造成沥青混合料的压实温度 过低，因此，很有必要对沥青混合料在转运车内入料、运输、存储、再搅拌四种 工作模式下的温度变化及分布情况迸行研究，找出影响沥青混合料热量损失的主 要因素，从而针对这些因素对转运车采用保温措施。同时为了提高转运车智能化 1 0 程度r 对沥青混合料在转运车里的温度变化过程进行可视化仿真，用于指导现场 施工和转运车设计。 1 、分析转运车对物料转运四个阶段中，沥青混合料与转运车以及外界环境 之间的热量交换过程关系，建立其热力学方程并将其转化成数学方程进行求解。 2 、建立转运车沥青混合料温度变化的可视化程序系统，模拟沥青混合料在 转运车输送全过程中的温度分布和变化情况。 3 、从结构设计、物料参数、运行参数和环境条件等方面提出对沥青混合料 的保温措旌。 1 4 2 总体研究方案 整个研究工作采用理论分析藕实验相结合的方法进行。以三一重工股份有限 公司的沥青混凝土转运车为对象，针对沥青混合料在转运车内的4 种工作模式 下，与转运车之间、与外界环境之间以及混台料不同部分之间的热交换过程，分 别建立4 种工作模式下沥青混合料温度变化的子模型，通过子模型之问的数据传 递，联接成转运车沥青混合料温度变化整体数学模型。整体数学模型建立后，编 制计算程序，输入扔始条件与边界条件，即可进行计算机求解。计算结果经转运 车现场专甑工验证后，作进一步修正，以达到能供转运车设计参考和指导现场旌工 的目的。 2 1 温度场 第二章热力学理论基础 温度的空间分布称为温度场，温度场有稳态温度场和非稳态温度场之分，如 果温度场不随时间而改变，称之为稳态温度场：反之，则称之为非稳态温度场”。 如果用r 表示泛指空间坐标，t 表示时间，丁表示温度则稳态温度场和非稳态温 度场的数学表达式为： t f ( r ) t - f ( r ，f ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 同一时刻，空间内由温度相同的点构成的面称为等温面。稳态温度场的等温面与 时间无关，而非稳态温度场的等温面随着时间不同而变化。 沿等温面的法线方向的温度变化率最火，称为温度梯度，及符号g r a d t 表示， 取等温面的外法线方向作为温度梯度的正方向“。在直角坐标系中温度梯度的 表达式为 纠d r = 罢“茜，+ 詈七 式中： i ，k 表示x ，y ，z 方向上的单位向量。 2 2 热量传递三种基本方式 ( 2 3 ) 热量传递作为最常见的物理现象之，也是一种非常复杂的物理现象。研究 复杂问题的有效手段是将复杂问题按一定的原则分类，使其分解成多个简单的问 题，在获得求解这些简单问题的方法后，原复杂问题的求解就变得容易了。将传 热进行分类的一个基本原则是按热量传递的不同机理，即热量以何种方式或何种 运动形式进行传递。经过大量归纳总结，人们发现按传热的不同机理，可将传热 划分成三种基本方式：热传导、热对流和热辐射n ”。一个复杂的传热问题可以 采用这三种基本传热方式两两组合的形式传递热量，或者三者同时都有的形式传 递热量。 2 2 1 导热( 热传导) 传导是热量从物体的高温部分向同物体的低温部分的传递，或者从个高 温物体向另一个与其接触的低温物体的传递“”。传导过程发生在分子一级，物 体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运 动而产生的热量传递称之为导热( 或称为热传导) 。 在宏观范围内，热流密度q ( 即垂直于热流方向上每单位面积所传递的热量) 正比于温度梯度，导热现象的规律已总结成傅立叶定律： q ( r ，f ) - 一, a g r a d t ( r ，f ) 一- a v t ( r ，f ) ( 2 4 ) 式中： q 热流密度，a 是比例系数，称为热导率，又称为导热系数，它是材料 的一个物性参数；t ( r ，t ) 为温度函数；v 为矢量微分算符，温度梯度是垂直于等 温面的向量。 负号表示热量传递方向与温度升高方向相反，热流密度矢量g 实际上代表了 在温度梯度最大的方向上热( 热能) 流。则式2 3 可写成： q o m 甜) 一一n 罢一弘等一舰誓 ( z 5 ) 批删啦 在处理导热问题时，通常较方便的引进另一个与导热系数有关的参数，这就是导 温系数口1 2 1 ( 又称为热扩散系数) ： 口；三( 2 6 ) 口= 一 z o ， 比 式中：p 是密度；c 是比热。 如上所述，只要在介质中存在一定的温度差就会发生热量的传递。 2 2 1 1 热传导微分方程 傅立叶定律揭示了物体中任一位置处热流密度与该处温度梯度之间的关系， 如果把能量守恒定律与傅立叶定律结合起来，就可以得到导热方程。导热方程是 所有导热过程所必须遵守的约束方程，可以以积分方程或微分方程的形式表示。 热传导微分方程在直角坐标系下的表达式为： 粤+ 粤+ 粤三竺 ( 2 7 ) 舭 妙d z 口o t 2 2 2 对流 对流是指由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间发生相对位移，冷、热 流体相互掺混所引起的热量传递过程。“。对流仅发生在流体中，而且由于流体 中的分子同时在进行着不规则的热运动，因而对流必然伴随有导热现象，它与从 一个边界向运动流体的传热有关，或者与通过运动流体内一个流体平面的传热有 关。假若流体是由泵、风机、风扇或某种类似设备引起的，这样的传热过程称为 受迫对流或强制对流。如果流体的运动是由于传熟本身产生的密度差异而引起 的，这样的传热过程称作为自由对流或自然对流。 对流换热的基本计算式是牛顿冷却公式： 流体被加热时：q - ( l l ) ( 2 8 ) 流体被冷却时： 鼋一a ( t l ) ( 2 9 ) 式中：q 为热流密度；l 为壁面温度；r ，为流体温度；h 为表面传热系数。 表面传热系数的大小与换热过程中的许多因素有关。它不仅取决于流体的物 性( a ，p ，c 等) 以及换热表面的形状、大小而且还与流速有密切的关系“。 有些特殊情况，此时的 决定于温度差r l l 。例如，如果物体表面温 度很高，足以使其周围的液体沸腾，矗将随丁2 而变化；在自然对流情况中， 将 随丁的较低次方改变，典型的为a t x 或r j 。在这些情况下式2 8 、式2 9 仍然 成立。 在壁面处，流体的速度为零，热量的传递以导热的形式进行。因此在y - 0 处 ( 这里的y 是指垂直于流动方向的坐标) ，我们可以对该流体应用傅立叶定律： 口一a 等k ( 2 1 0 ) 将式2 1 0 与牛顿冷却公式2 8 或2 1 0 联立得： 。a ( 。) k j l 一一二! l 瓦一 ( 2 1 1 ) 盟( 2 1 2 ) i ? 一l 这样，就把对流换热表面传热系数与流体的温度场联系起来，不论是分析 解法、数值解法还是实验法都要用到它“”。分析解法和数值解法求解中，第一 类边界条件与第二类边界条件的已知量是不同的。在第一类边界条件中壁面温度 是已知的，分析求解的目的是确定壁面法向的温度变化率( 。) i ，。：在第二边 界条件中壁面换熟的热流密度是已知的，相应的( 。) | ，。是已知的，分析求解 的目的是确定壁面温度瓦。朝。“。 由于本文是采用数值模拟的方法来求解温度场的分布情况，所以在这里对边 界层的概念就不再介绍了。 2 2 3 热辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射 能，其中因热的原因而发出辐射的现象称为热辐射”“。 自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其它物体 】4 发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的 热量传递一辐射换热。当物体与周围环境处于热平衡时，辐射换热量等于零，但 这是动态平衡，辐射与吸收仍在不停的进行。 导热、对流这两种热量传递方式只在有物质存在的条件下才能实现，而热辐 射可以在真空中传递，而且实际上在真空中辐射能的传递最有效。这是热辐射区 别于导热、对流辐射的基本特点。当两个物体被真空隔开时，例如地球与太阳之 闯，导热与对流都不会发生，只能进行辐射换热。辐射换热区别于导热、导热换 热的另一个特点是，它不仅产生能量的转移，而且还拌随着能量形式的转换，即 发射时从热量转换为辐射能，而吸收对又从辐射能转换为热能。 实验表明，物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射与吸收 本领也不一样。在探索热辐射规律的过程中，一种称作绝对黑体( 简称黑体) 的 理想物体的概念具有重要意义，黑体的吸收本领和辐射本领在同温度的物体中是 最大的3 。 黑体在单位时间内发出的热辐射热量由斯忒藩一玻耳兹曼定律揭示： 击一a n 4( 2 1 3 ) 式中：丁为黑体的热力学温度；a 为辐射表面积；仃为斯忒藩一玻耳兹曼常量， 通常说的黑体辐射常数，它是个自然常数。 一切实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑体。实际物体辐射热流量的计 算可以采用斯忒藩一玻耳兹曼定律的经验修正形式1 2 l i 。 西一叫o t 4( 2 1 4 ) 式中；称为物体的发射率，其值总是小于1 ，它与物体的种类及表面状态有关。 斯忒藩一玻耳兹曼定律又称为四次方定律，是辐射换热计算的基础。以上分 别讨论了导热、对流、热辐射三种传递热量的基础方式。在实际问题中，这些方 式往往不是单独出现的，它们相互关联，因此，在分析实际热量过程中时，要分 清有哪些热量传递方式在起作用，这是求解热传递问题的根本所在。 2 3 热传导方程的定解条件 导热方程是导热过程温度场的普遍性描述，其解是热传导问题的通解。也就 说，一切导热过程中的温度分布都必须满足导热方程。对于具体问题而言，导热 方程还必须满足导热过程的特定条件，只有如此，温度场才是确定的，此类条件 称为定解条件。导热问题的定解条件包括：几何条件、物理条件、时间条件和边 界条件四个方面的内容“。下面分别对其进行讨论： 2 3 1 几何条件 几何条件说明物体的形状和大小，它确定了所研究问题的空间区域，对坐标 系的选择起决定作用“。坐标系的选择应与物体的几何形状相适，使导热微分 方程中的变量尽可