公路層間剪應力檢測實驗平臺研制與應用

霍亞光，高 揚，宋緒丁，惠記莊

（1.長安大學現代工程訓練中心，陜西 西安 710018；2.西安科技大學機械工程學院，陜西 西安 710061；3.長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

1 引言

長安大學公路學院交通工程專業和工程機械學院機械設計制造及其自動化專業（公路機械化施工與管理方向）等交通工程類專業的學生畢業后，大多數從事公路與城市道路工程的結構設計、施工及監理等相關行業，而公路施工后進行抽樣檢測、判斷施工質量是其必不可少的專業技能，目前還沒有專門的實驗設備對學生進行實驗教學。為此，設計開發了一套公路層間剪應力檢測實驗平臺，使學生不用前往施工現場，在實驗室即可完成路面圓柱狀馬歇爾試樣層間剪應力測試。

2 實驗平臺的工作原理

公路較容易發生的一種病害是瀝青路面的推移，由其是在重載、長大縱坡等不利條件下更容易發生，而路面推移病害產生的主要原因就是公路層間的粘接力不足，面層和基層之間在行車載荷水平力的作用下出現推移[1-6]。為了檢測公路面層和基層之間粘接層剪應力的大小，設計并制作了一種公路層間剪應力檢測實驗平臺，該檢測實驗平臺由步進電機、減速機構、傳動螺桿、力傳感器、推力機構和擋座等部件組成。步進電機通過減速機構與傳動螺桿一端相連接，傳動螺桿另一端與推力機構之間固定設置有力傳感器，力傳感器可以檢測到試樣斷裂時所需剪應力，并將檢測到的剪應力上傳至上位機[7-9]，其工作原理簡圖，如圖1 所示。

圖1 實驗平臺工作原理簡圖Fig.1 Working Principle Diagram of Testing Platform

3 實驗平臺的機械結構設計

根據公路層間剪應力檢測實驗平臺的工作原理，設計該實驗平臺的機械結構，其示意圖，如圖2 所示。檢測實驗平臺實物圖，如圖3 所示。實驗平臺工作時[10]，首先將試樣10 放置在推桿9 和擋板11 之間，步進電機1 正向轉動，通過電機帶輪2、同步帶3 和蝸桿帶輪4 帶動蝸桿5 正向轉動，蝸桿5 通過渦輪6 驅動螺桿7 向右移動，從而帶動固定安裝在螺桿7 右端的壓力傳感器8 和推桿9 向右移動，帶動剪切頭10 向右移動，直至剪切頭10 與擋板12 配合將試樣11 從結合面處剪斷。在此過程中，壓力傳感器8 不斷將剪應力數據傳輸至控制系統，控制系統將剪應力數據以波形圖的形式在顯示器上顯示出來，并可將實驗數據和波形圖保存在儲存器上。

圖2 實驗平臺結構示意圖Fig.2 Structure Diagram of Testing Platform

圖3 檢測實驗平臺實物圖Fig.3 Physical Map of Testing Platform

4 實驗平臺的軟件測試系統設計

本實驗平臺的控制核心選用MSP430 單片機，MSP430 單片機可以實時采集和傳輸壓力傳感器的壓力信號，并對采集的信號進行放大和濾波處理[11-13]。經過處理的壓力信號，通過MSP430 單片機傳輸至上位機，上位機接收壓力信號后，對其進行計算，并在顯示器上進行顯示，在儲存器上進行存儲。同時MSP430 單片機生成脈沖信號從而控制步進電機運轉，測試系統結構框圖，如圖4 所示。該實驗平臺控制系統的開發平臺為LabVIEW，其前面板采用人機交互式操作界面[14-15]，控制系統操作界面，如圖5 所示。通過操作界面實驗人員可以設置顯示器上的坐標，根據實際需要設置坐標單位。同時，通過操作界面還可以設置步進電機的轉速，并根據實驗過程對步進電機進行停止和復位操作。在實驗過程中，檢測結果會實時以波形圖的形式在顯示器上顯示。當實驗完成后，操作人員可以對實驗數據和波形圖進行保存。

圖4 控制系統結構框圖Fig.4 Structure Diagram of Control System

圖5 控制系統操作界面Fig.5 Operation Interface of Control System

5 實驗流程設計

為了使該檢驗實驗標準化和規范化，保證實驗數據的準確性，并在實驗過程中有效保護實驗人員的人身安全，同時有效保護實驗平臺的設備安全，故而設計如下標準化實驗流程。

5.1 準備檢測用馬歇爾試樣

馬歇爾試樣的直徑101.6mm，直徑誤差范圍控制在±0.2mm。為方便檢測，馬歇爾試樣的總高度控制在100mm 左右，其中基層和面層均為50mm，基層和面層高度誤差范圍控制在±1mm。馬歇爾試樣可以使用取芯鉆頭在已經施工完畢的待檢測公路上直接鉆取，也可以使用馬歇爾試樣模具直接制作。

5.2 實驗前準備工作

進行實驗前，應該首先確定實驗環境溫度為（15～35）℃之間，溫度過高或過低均會導致實驗結果出現偏差。正式實驗開始之前，應該使該實驗平臺空運行一次，查看實驗平臺運行是否正常。空運行結束后，點擊操作界面“坐標設置”按鈕，設置顯示器上的坐標，并將該實驗平臺的各項參數歸零。

5.3 放置試樣

將準備好的馬歇爾試樣的一端放置在擋板內，另一端放置在推桿前端的剪切頭內，控制馬歇爾試樣基層和面層的結合面正對實驗平臺的切口位置，偏差不應大于0.5mm。如果偏差過大，將導致實驗數據誤差較大。

5.4 開始實驗并記錄數據

確保各項準備工作就緒之后，便可開始進行實驗。如圖2 所示，啟動電源開關，步進電機1 正向轉動，實驗平臺各傳動機構帶動推桿9 前端的剪切頭10 向右移動，當剪切頭10 與馬歇爾試樣的上端接觸產生相互作用力時，壓力傳感器8 就開始向上位機輸出剪應力信號，剪應力信號經過處理后，即可實時顯示在顯示器上。當被檢測馬歇爾試驗徹底斷裂后，剪應力數據曲線圖將完整的以波形圖的形式顯示出來。依次點擊控制面板上的“保存數據”和“保存圖像”按鈕，即可將實驗數據和剪應力波形圖保存在儲存器上。

5.5 關機

當實驗數據和剪應力波形圖被保存后，點擊操作界面的“清除圖像”按鈕，清除剪應力波形圖。然后點擊操作界面的“電機復位”按鈕，使步進電機1 反向轉動，帶動推桿9 前端的剪切頭10向左移動復位。復位完成后，關閉電源開關。

6 實驗結果分析

為了檢驗該實驗平臺的實際使用效果，在25℃室溫環境下，選擇某一馬歇爾試樣為實驗對象進行實驗，試樣層間結合面材料為環氧瀝青。在實驗過程中，實驗平臺運行平穩可靠，完全滿足實驗的各項要求。試樣的剪應力數據曲線圖，如圖6 所示。由該曲線圖可知，實驗平臺所測得的剪應力曲線光滑連續，曲線上沒有突變信號，所得實驗數據基本可靠。

圖6 剪應力數據曲線圖Fig.6 Shear Stress Data Curve

7 結論

針對長安大學交通運輸類本科生，設計開發了一套公路層間剪應力檢測實驗平臺進行實驗教學。經實驗證明，該實驗平臺對公路層間剪應力的檢測結構準確可靠，完全能夠滿足相關專業學生實驗教學的要求，為其公路施工檢測專業技能的培養奠定了良好的基礎。