公路层间剪应力检测实验平台研制与应用

霍亚光，高 扬，宋绪丁，惠记庄

（1.长安大学现代工程训练中心，陕西 西安 710018；2.西安科技大学机械工程学院，陕西 西安 710061；3.长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）

1 引言

长安大学公路学院交通工程专业和工程机械学院机械设计制造及其自动化专业（公路机械化施工与管理方向）等交通工程类专业的学生毕业后，大多数从事公路与城市道路工程的结构设计、施工及监理等相关行业，而公路施工后进行抽样检测、判断施工质量是其必不可少的专业技能，目前还没有专门的实验设备对学生进行实验教学。为此，设计开发了一套公路层间剪应力检测实验平台，使学生不用前往施工现场，在实验室即可完成路面圆柱状马歇尔试样层间剪应力测试。

2 实验平台的工作原理

公路较容易发生的一种病害是沥青路面的推移，由其是在重载、长大纵坡等不利条件下更容易发生，而路面推移病害产生的主要原因就是公路层间的粘接力不足，面层和基层之间在行车载荷水平力的作用下出现推移[1-6]。为了检测公路面层和基层之间粘接层剪应力的大小，设计并制作了一种公路层间剪应力检测实验平台，该检测实验平台由步进电机、减速机构、传动螺杆、力传感器、推力机构和挡座等部件组成。步进电机通过减速机构与传动螺杆一端相连接，传动螺杆另一端与推力机构之间固定设置有力传感器，力传感器可以检测到试样断裂时所需剪应力，并将检测到的剪应力上传至上位机[7-9]，其工作原理简图，如图1 所示。

图1 实验平台工作原理简图Fig.1 Working Principle Diagram of Testing Platform

3 实验平台的机械结构设计

根据公路层间剪应力检测实验平台的工作原理，设计该实验平台的机械结构，其示意图，如图2 所示。检测实验平台实物图，如图3 所示。实验平台工作时[10]，首先将试样10 放置在推杆9 和挡板11 之间，步进电机1 正向转动，通过电机带轮2、同步带3 和蜗杆带轮4 带动蜗杆5 正向转动，蜗杆5 通过涡轮6 驱动螺杆7 向右移动，从而带动固定安装在螺杆7 右端的压力传感器8 和推杆9 向右移动，带动剪切头10 向右移动，直至剪切头10 与挡板12 配合将试样11 从结合面处剪断。在此过程中，压力传感器8 不断将剪应力数据传输至控制系统，控制系统将剪应力数据以波形图的形式在显示器上显示出来，并可将实验数据和波形图保存在储存器上。

图2 实验平台结构示意图Fig.2 Structure Diagram of Testing Platform

图3 检测实验平台实物图Fig.3 Physical Map of Testing Platform

4 实验平台的软件测试系统设计

本实验平台的控制核心选用MSP430 单片机，MSP430 单片机可以实时采集和传输压力传感器的压力信号，并对采集的信号进行放大和滤波处理[11-13]。经过处理的压力信号，通过MSP430 单片机传输至上位机，上位机接收压力信号后，对其进行计算，并在显示器上进行显示，在储存器上进行存储。同时MSP430 单片机生成脉冲信号从而控制步进电机运转，测试系统结构框图，如图4 所示。该实验平台控制系统的开发平台为LabVIEW，其前面板采用人机交互式操作界面[14-15]，控制系统操作界面，如图5 所示。通过操作界面实验人员可以设置显示器上的坐标，根据实际需要设置坐标单位。同时，通过操作界面还可以设置步进电机的转速，并根据实验过程对步进电机进行停止和复位操作。在实验过程中，检测结果会实时以波形图的形式在显示器上显示。当实验完成后，操作人员可以对实验数据和波形图进行保存。

图4 控制系统结构框图Fig.4 Structure Diagram of Control System

图5 控制系统操作界面Fig.5 Operation Interface of Control System

5 实验流程设计

为了使该检验实验标准化和规范化，保证实验数据的准确性，并在实验过程中有效保护实验人员的人身安全，同时有效保护实验平台的设备安全，故而设计如下标准化实验流程。

5.1 准备检测用马歇尔试样

马歇尔试样的直径101.6mm，直径误差范围控制在±0.2mm。为方便检测，马歇尔试样的总高度控制在100mm 左右，其中基层和面层均为50mm，基层和面层高度误差范围控制在±1mm。马歇尔试样可以使用取芯钻头在已经施工完毕的待检测公路上直接钻取，也可以使用马歇尔试样模具直接制作。

5.2 实验前准备工作

进行实验前，应该首先确定实验环境温度为（15～35）℃之间，温度过高或过低均会导致实验结果出现偏差。正式实验开始之前，应该使该实验平台空运行一次，查看实验平台运行是否正常。空运行结束后，点击操作界面“坐标设置”按钮，设置显示器上的坐标，并将该实验平台的各项参数归零。

5.3 放置试样

将准备好的马歇尔试样的一端放置在挡板内，另一端放置在推杆前端的剪切头内，控制马歇尔试样基层和面层的结合面正对实验平台的切口位置，偏差不应大于0.5mm。如果偏差过大，将导致实验数据误差较大。

5.4 开始实验并记录数据

确保各项准备工作就绪之后，便可开始进行实验。如图2 所示，启动电源开关，步进电机1 正向转动，实验平台各传动机构带动推杆9 前端的剪切头10 向右移动，当剪切头10 与马歇尔试样的上端接触产生相互作用力时，压力传感器8 就开始向上位机输出剪应力信号，剪应力信号经过处理后，即可实时显示在显示器上。当被检测马歇尔试验彻底断裂后，剪应力数据曲线图将完整的以波形图的形式显示出来。依次点击控制面板上的“保存数据”和“保存图像”按钮，即可将实验数据和剪应力波形图保存在储存器上。

5.5 关机

当实验数据和剪应力波形图被保存后，点击操作界面的“清除图像”按钮，清除剪应力波形图。然后点击操作界面的“电机复位”按钮，使步进电机1 反向转动，带动推杆9 前端的剪切头10向左移动复位。复位完成后，关闭电源开关。

6 实验结果分析

为了检验该实验平台的实际使用效果，在25℃室温环境下，选择某一马歇尔试样为实验对象进行实验，试样层间结合面材料为环氧沥青。在实验过程中，实验平台运行平稳可靠，完全满足实验的各项要求。试样的剪应力数据曲线图，如图6 所示。由该曲线图可知，实验平台所测得的剪应力曲线光滑连续，曲线上没有突变信号，所得实验数据基本可靠。

图6 剪应力数据曲线图Fig.6 Shear Stress Data Curve

7 结论

针对长安大学交通运输类本科生，设计开发了一套公路层间剪应力检测实验平台进行实验教学。经实验证明，该实验平台对公路层间剪应力的检测结构准确可靠，完全能够满足相关专业学生实验教学的要求，为其公路施工检测专业技能的培养奠定了良好的基础。