摘 要:
為解決瀝青路面易出現(xiàn)裂縫、老化嚴重以及就地?zé)嵩偕^程中施工加熱慢等問題,提出了一種往復(fù)式瀝青路面就地?zé)嵩偕訜岬姆椒?,并基于有限差分法對瀝青路面恒功率加熱傳熱模型進行求解,對往復(fù)加熱過程中瀝青路面各點加熱提前時間、加熱總時間及各層溫度場進行了研究。研究結(jié)果表明:往復(fù)式加熱各點加熱提前的時間與加熱車的速度有一定的關(guān)系;當(dāng)速度提高3倍后,各點加熱的總時間基本沒有減少,但是提高了工作效率;各層的溫度場也基本達到就地?zé)嵩偕囊蟆?/p>
關(guān)鍵詞: 瀝青路面;往復(fù)式加熱;傳熱模型;溫度場;就地?zé)嵩偕?/p>
0 引言
就地?zé)嵩偕菍r青路面進行加熱 [1-2],待其達到一定溫度后耙松銑刨,加入新瀝青、再生劑等攪拌,攤鋪、壓實后形成新的瀝青路面瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。張德育 [3] 等人利用 ABAQUS 軟件模擬對瀝青路面溫度場的影響因素進行研究,提出了卡羅泰康就地?zé)嵩偕鷻C組的理想加熱方式。顧海榮 [4] 等人對單步法和多步法進行了對比研究,提出多步法加熱施工工藝。胡兵華 [5] 利用對熱風(fēng)加熱過程進行仿真模擬計算,發(fā)現(xiàn)采用間歇加熱方式加熱瀝青路面能得到較好的再生質(zhì)量。張琿 [6] 利用 MATLAB 軟件對連續(xù)恒功率加熱與間歇加熱進行了數(shù)值模擬,提出了連續(xù)變功率加熱工藝來彌補前兩種加熱的不足。
綜上所述,大多數(shù)學(xué)者對就地?zé)嵩偕难芯慷际腔趩纬淌郊訜岬臓顟B(tài)下,對往復(fù)式加熱瀝青路面就地?zé)嵩偕芯可跎?。本文基于有限差分法對瀝青路面?zhèn)鳠崮P瓦M行求解,研究了往復(fù)式加熱過程中路面提前加熱時間、加熱總時間、各層溫度場,有效提高了就地?zé)嵩偕墓ぷ餍始肮?jié)能。
1 往復(fù)式加熱概述
瀝青路面熱再生機組一般配置 3 臺加熱機,每臺加熱機設(shè)計有前、中、后 3 塊加熱板,加熱板之間設(shè)計有保溫板,施工過程中,3 臺加熱機協(xié)同工作。瀝青路面熱再生機組工作時沿著一個確定的方向單程進行工作,進行就地?zé)嵩偕?。往?fù)式加熱是瀝青路面熱再生機組是機組前進一段距離,又倒退一段距離,再前進一段距離,又倒退一段距離的重復(fù)過程,直至完成就地?zé)嵩偕H鐖D 1 所示。
2 往復(fù)式加熱路面提前加熱時間的計算
通過分析加熱機加熱過程可知,前進過程為加熱機向左行駛,倒退過程為加熱機為向右行駛。第一臺車有加熱板 1 號、2 號、3 號三塊,第一臺車前進一段時間后又會倒退一段的距離 ,其倒退的距離與其第一臺車和第二臺車的速度有關(guān)。在整個倒退的過程中第一臺車與第二臺車保持2m。通過對第一臺車的運動過程進行分析,可以得到倒退距離的公式如下:
式中:vi 表示第一臺車的速度,v 0 表示第二臺車的速度,在一般的情況下取 3m/min,由此計算出第一臺車的速度與第一臺車倒退距離的關(guān)系。由式(1)可知,隨著加熱車速度的不斷增加,倒退的距離增加的程度逐漸減慢,到后期趨于不變。若實際加熱過程中速度過大,會造成加熱不均勻等現(xiàn)象,因此在實際加熱過程中應(yīng)該合理選擇第一臺車速度,使瀝青路面第一次加熱的時間提前。
進一步分析加熱行駛過程,可以看出各段提前的時間都不同,故采取分段的處理方法來計算瀝青路面第一次加熱的提前時間,其公式如下:
式中:v i 表示第一臺車的速度,單位為 m/min;v 0 表示第二臺車的速度,后續(xù)取 v 0=3m/min;l 為車的總長,取 l=14.2 m;x 為第一臺車距離出發(fā)點距離,單位為 m。通過分析表達式可以看出,提前的時間與第一臺車的速度及距離出發(fā)點的距離有關(guān)。選取第一臺車的速度分別為 6m/min、9m/min、12m/min、15m/min、18m/min,利用軟件 MATLAB計算瀝青路面第一次加熱的提前時間,如圖 2 所示。
由圖 2 可知,瀝青路面第一次加熱提前時間與加熱機距離出發(fā)點距離都不同。前進一個車位時,提前時間隨著距離出發(fā)點距離的增加而增加,增加趨勢隨著速度增加越來越快,但增加程度逐漸變慢。距離出發(fā)點一個車位后,提前時間呈現(xiàn)周期性逐漸增加,隨著速度增加周期逐漸減少。因此在實際加熱過程選擇合適的速度,可以提前瀝青路面第一次加熱時間。
3 往復(fù)式加熱時瀝青路面加熱的總時間
由于各區(qū)域加熱和散熱的時間不同,故采用分段分次的方法來進行計算加熱的總時間。第一臺車的運行速度不同,其加熱的總時間不同,以第一臺車的速度為 9m/min進行分析計算,為簡化計算,分析第一次向左前進一個車位各段的加熱的總時間如下:
利用 MATLAB 對加熱過程各段的加熱時間進行計算,發(fā)現(xiàn)加熱機第一次向左前進行的過程中,越往左其加熱的總時間越短,有一段加熱總時間相等是由于保溫層的存在。分析向右倒退過程可知,在靠近最左端其加熱的總時間最短,其所處的位置與加熱的總時間是相關(guān)的。
對第一臺加熱機的整個加熱過程進行分析,并把各加熱過程的總加熱時間,進行疊加得到第一臺加熱機加熱過程的總時間,此時第一臺加熱機停在剛好 3 個車位的位置。將第一臺加熱機保持 3 m/min 的速度行駛的加熱時間進行計算,并與提前后的加熱時間進行對比,如圖 3 所示。
由圖 3 可知,當(dāng)?shù)谝慌_加熱機停在三個車位時,距離前兩個車位的距離剛好呈現(xiàn)一個周期。在前半個車位的總加熱時間逐漸增加,到達半個車位時一直保持不變。但因該加熱機在第三個車位的時候停止,故其保持不變的區(qū)間發(fā)生變化,加熱時間逐漸減少和前半個車位形成對稱。
其保持不變化的區(qū)間與其停止的位置有關(guān),當(dāng)其停止位置向右移動時,其保持加熱的時間不變的區(qū)間也會增加,因此在加熱過程中應(yīng)合理選擇停止加熱的位置,防止各部分出現(xiàn)加熱不均勻的情況。相比速度為 3m/min 時,其速度提高了三倍,中間部分的加熱時間都是一樣的。在 3m/min 時前期都保持不變,后期都是由于加熱機停止,其加熱板之前存在保護層造成各位置的加熱時間不同。速度提高后其中間有一段的加熱的總時間還是一樣的,只是有些部分加熱的時間縮短。
4 往復(fù)式加熱路面溫度場的研究
基于傳熱學(xué)建立瀝青路面的傳熱模型,采用加熱板加熱瀝青路面時,極少量熱能會沿著加熱機邊緣向四周擴散。假設(shè)中間部分的水平方向的溫度梯度為零,大量熱能將沿著路面深度方向傳遞,可將傳熱過程認為是沿深度方向的一維傳熱。以加熱板正下方中間區(qū)域的瀝青路面為研究對象,視其為無限大固體,假設(shè)瀝青路面材料均勻、連續(xù),路面材料的傳熱系數(shù)、密度、比熱容為常數(shù),無內(nèi)熱源,建立瀝青路面的熱傳導(dǎo)方程如下:
式中:?T/?t 表示溫度隨時間的變化率;?T/?z 表示物體沿 z 方向的溫度變化率;α 為熱擴散系數(shù)。
4.2 往復(fù)式加熱溫度場分析
采用有限差分法,對瀝青路面恒功率加熱傳熱模型求解,用 MATLAB 編程對往復(fù)式加熱過程中的溫度場進行分析。將加熱功率設(shè)為 45000W,瀝青路面導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為 1.61W/m·K,比熱容設(shè)為 900 J/kg·K,密度設(shè)為 2516 kg/m3,瀝青路面初始溫度設(shè)為 18℃。為進一步比較往復(fù)式加熱的優(yōu)勢,選擇兩種不同加熱方式在起點處各層的溫度場進行對比,如圖4所示。
對典型點的加熱溫度場進行分析可知,隨著距離起點的位置變遠,其加熱的次數(shù)逐漸增加,并趨于穩(wěn)定。分析認為,由于瀝青路面熱再生加熱機是先前進一段距離,又倒退一段距離,使得瀝青路面加熱的次數(shù)也增加。在第一臺加熱機行駛過去之后,瀝青路面表面的溫度均超過 180℃,符合就地?zé)嵩偕囊?,進一步說明往復(fù)式加熱的可行性。
從圖 4 可知,瀝青路面在第一臺加熱機加熱過后,往復(fù)式加熱比單程式加熱的時間短。采用往復(fù)式加熱方式,基本可以滿足瀝青路面熱再生的溫度要求,集齊往復(fù)式、恒功率間歇加熱的優(yōu)點,有效提高了熱再生的工作效率。其采用恒功率加熱,為此在后續(xù)研究中則需考慮功率的匹配問題。
5 結(jié)語
本文基于往復(fù)式加熱法對瀝青路面就地再生進行研究,該加熱方式集齊往復(fù)式、恒功率間歇加熱的優(yōu)點,大大提高了就地?zé)嵩偕墓ぷ餍?。對往?fù)式加熱過程進行仿真試驗,得到隨著第一臺加熱機車速度的不斷增多,就地再生加熱機倒退距離增加的逐漸減慢,到后期趨于穩(wěn)定,其速度與倒退的距離有關(guān),應(yīng)該合理的選擇加熱機的速度。往復(fù)式加熱加熱機的行駛速度比單程行駛速度提高,但是瀝青路面各點的加熱時間并沒有減少,通過往復(fù)式加熱可以提高施工的工作效率。
基于有限差分法,對往復(fù)加熱過程中瀝青路面恒功率加熱傳熱模型的溫度場進行求解。研究結(jié)果表明,各層的溫度基本符合就地?zé)嵩偕囊螅M一步說明就地?zé)嵩偕目尚行浴?/p>
參考文獻:
[1] 牛文廣 . 瀝青路面就地?zé)嵩偕夹g(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展歷程 [J]. 中外公路 , 2019, 39(5): 50-59
[2] 解睿,張江勇,顧海榮.瀝青路面就地?zé)嵩偕b備與加熱技術(shù)[J]. 工程機械與維修 , 2019, 284(1): 49-54
[3] 張德育 , 黃曉明 , 馬濤 , 等 . 瀝青路面就地?zé)嵩偕訜釡囟葓瞿M分析 [J]. 東南大學(xué)學(xué)報 ( 自然科學(xué)版 ), 2010, 40(6): 82-87
[4] 顧海榮 , 董強柱 , 梁奉典 , 等 . 多步法就地?zé)嵩偕に囍械臑r青路面加熱速度 [J]. 中國公路學(xué)報 , 2017, 30(11): 170-176
[5] 胡兵華 . 山區(qū)國省干線瀝青路面就地?zé)嵩偕┕み^程溫度場分析與控制研究 [D]. 重慶 : 重慶交通大學(xué) , 2015
[6] 張琿 . 瀝青路面加熱過程中的傳熱分析與試驗研究 [D]. 西安 :長安大學(xué) , 2017.
本文首發(fā)于《工程機械與維修》。原創(chuàng)作者:楊靈 1, 歐誼 2,高子渝 2 ,張江勇 3,燕鐸 3,1. 臨滄公路局鳳慶公路分局,云南臨滄 675900,2. 長安大學(xué)公路養(yǎng)護裝備國家工程實驗室,陜西西安 710054,3 江蘇集萃道路工程技術(shù)與裝備研究所有限公司,江蘇徐州 221004。