[发明专利]沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置及方法

权利要求书

1.沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置，由实验平台、加载系统、温度控制系统和计算机控制系统组成，其特征在于计算机控制系统控制温度系统对沥青试件养护及实验过程控温，实验过程中计算机控制系统控制加载系统对沥青试件进行动态旋转剪切加载。

2.根据权利要求1所述的沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置，其特征在于实验平台（20）由试模（13）、沥青试件（6）、夹具（11）、固定轴（3）、旋转轴（8）、轴承座（10）、扭矩传感器及编码器（2）、温控箱（14）、温度编码器（5）、微型气泵（12）、伺服放大器（7）、伺服电机（19）和减速箱（16）组成，试模（13）由两个圆柱型硬质材料制成，试模（13）用于将沥青试件（5）夹在中间，夹具（11）夹在试模（13）两端；夹具（11）的一端与固定轴（3）为可拆卸固定连接，夹具（11）的另一端与旋转轴（8）为可拆卸固定连接；旋转轴8的一端与夹具（11）为可拆卸固定连接，另一端与减速箱（16）的输出轴为可拆卸固定连接；旋转轴（8）可沿轴线方向移动，以便于试件的安装；固定轴（3）的一端与夹具（11）为可拆卸固定连接，另一端与扭矩传感器及编码器（2）为可拆卸固定连接；旋转轴（8）和固定轴（3）通过各自的轴承座（10）固定在实验平台（20）上；温控箱（14）的两侧留有与旋转轴（8）和固定轴（3）匹配的圆形孔，固定轴（3）与旋转轴（8）通过圆形孔穿透温控箱（14），温控箱（14）固定在实验平台（20）的两个轴承座（10）之间，形成一个相对密闭、保温的温控箱（14）；温控箱（14）与旋转轴（8）之间留有缝隙，以便于旋转轴（8）的旋转，温控箱（14）留有可开启安装试件的门；扭矩传感器及编码器（2）固定在实验平台（20）上；扭矩传感器及编码器（2）用于测量沥青试件（6）所承载的扭矩，用于校验伺服加载的输出扭矩。

3.根据权利要求1或2所述的沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置，其特征在于加载系统由伺服放大器（7）、伺服电机（19）、减速箱（16）、可编程逻辑控制器（9）及联轴器（15）组成，计算机控制系统（1）控制可编程逻辑控制器（9）对伺服放大器（7）发射脉冲，伺服放大器（7）在计算机控制系统（1）的控制下通过可编程逻辑控制器（9）发送的脉冲控制伺服电机（19）；可供选择的加载方式有应力控制、应变控制，应力控制对应于伺服放大器（7）的扭矩控制，应变控制对应于伺服放大器（7）的位置控制；减速箱（16）位于伺服电机（19）前端配合伺服电机（19）使用；其中伺服电机（19）具有自定位编码系统，联轴器（15）用于连接旋转轴（8）与减速箱（16）的输出轴。

4.根据权利要求1或2所述的沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置，其特征在于温度控制系统由高低温实验箱（21）、沥青试件养护架（22）、温控箱（14）、温度传感器（4）、温度编码器（5）和微型气泵（12）组成，其中沥青试件养护架（22）固定在高低温实验箱（21）中，温控箱（14）固定在实验平台（20）上；沥青试件（6）、试模（13）及夹具（11）位于温控箱（14）中，温控箱（14）通过进气管（18）和出气管（17）与高低温试验箱（21）连通，在进气管（18）和出气管上（17）分别安装微型气泵（12），在微型气泵（12）的作用下，温控箱（14）、进气管（18）、出气管（17）和高低温箱（21）之间形成可循环的气流系统；温度传感器（4）放置在温控箱（14）中；温度编码器（5）两端分别连接温度传感器（4）和计算机控制系统（1）；微型气泵（12）固定在实验平台（20）上。

5.根据权利要求２所述的沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置，其特征在于试模（13）由石材、钢材、耐高温塑料或其他材料制成，用以测试沥青胶结料与不同材料的黏结界面破坏性能。

6.根据权利要求1所述的沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置，其特征在于实验方法如下：

1）制备试件：按照沥青及沥青混合料实验规程测定沥青的密度，采用质量控制法制备试件，将沥青放入烘箱中按照沥青实验规程加热，计算沥青试件（6）的体积和质量，两个试模（13）之间缠上几圈胶带粘纸，在浇筑前10分钟放进烘箱预热，分开试模（13），保证胶带纸在其中一个上，将加热好的沥青直接浇筑在带胶带纸的试模（13）上，此过程用精度为0.1mg的电子秤控制质量使质量偏差在±3%以内，然后盖上另一个试模（13），用压平装置压平，待沥青试件（6）在室温冷却后测量用游标卡尺测量其厚度记录，制备试件过程中注意沥青试件（6）不要产生气泡；

2）养护试件：高低温实验箱21设置到目标温度，浇筑好的沥青试件（6）及试模（13）在室温冷却1个小时，放入沥青试件养护架（22）中进行试件的养护，养护一小时后进行实验；

3）实验参数设置：通过计算机控制系统（1）设定沥青试件（6）基本尺寸参数、实验的目标温度、实验结束条件(持续测量的最短时间和最小检测扭矩值)；通过计算机控制系统（1）设置疲劳加载方式，设置振荡函数，本发明提供了正弦、余弦、T型、三角形、矩形和其它多种振荡函数供选择；

4）控温系统启动：通过计算机控制系统（1）启动微型气泵（12）使进气管（18）、出气管（17）、温控箱（14）、高低温试验箱（21）开始工作，同时计算机控制系统1接收温度传感器（4）和温度编码器（5）采集的数据，开始温度监测；

5)试件安装：计算机控制系统（1）提示温控箱（14）温度满足实验要求，将沥青试件（6）及试模（13）从沥青试件养护架（22）上取出，用夹具（11）安装在固定轴（3）和旋转轴（8）上，实验者通过计算机控制系统（1）确认沥青试件6安装完毕；

6）实验阶段：

步骤1：计算机控制系统1根据温度传感器（4）和温度编码器（5）自动监测温控箱（14）的温度，当满足目标实验温度一定时间后将自动提示实验开始；

步骤2：加载系统按照计算机控制系统（1）设定的实验目标参数驱动旋转轴（8）按设定振荡函数旋转，从而对沥青试件（6）施加剪切作用；

步骤3：计算机控制系统（1）实时采集扭矩传感器及编码器（2）和温度传感器（4）、温度编码器（5）采集的动态信息并保存，计算机控制系统（1）通过伺服放大器（7）中实时读取加载的扭矩，转动的角位移并保存，直至沥青试件（6）振荡疲劳破坏为止，达到实验结束条件(满足最短实验时间和检测到最小扭矩)，其中扭矩传感器及编码器（2）采集的扭矩信息用于校验从伺服放大器（7）读取的加载扭矩；

步骤4：根据伺服放大器（7）输出的加载扭矩、转动角位移和沥青试件（6）基本尺寸参数(半径、厚度)等自动计算振荡剪切疲劳破坏过程中随时间变化的剪应变、剪应力，同时完成屏幕图形绘制；

步骤5：计算机控制系统1提示取出沥青试件（6）并查验振荡疲劳破坏形态，实结束。