基于EDEM的螺旋布料攤鋪瀝青混合料均勻性研究

2023-09-09 02:13:44曹源文梅宇航周世華謝利丹

重慶交通大學學報(自然科學版) 2023年7期

曹源文,梅宇航,周世華,謝利丹,陳作

(1. 重慶交通大學機電與車輛工程學院,重慶 400074; 2. 浙江美通筑路機械股份有限公司,浙江海寧 314400; 3. 四川中煙工業有限責任公司成都卷煙廠,四川成都 610066)

0 引言

瀝青混合料攤鋪機是瀝青路面施工的主要設備,在施工過程中受到設備、物料類型、人工操作等因素特別是螺旋布料器的影響而產生攤鋪離析現象[1]。離析現象將影響路面的路用性能,造成擁包、龜裂等病害過早出現,縮短瀝青路面的使用壽命。為了減少攤鋪離析,國內外學者對此展開了大量的研究。解睿[2]對不同條件下的瀝青混合料顆粒在螺旋攤鋪機內的運動情況進行了分析,得出需要從結構上改變螺旋布料器才可以減少離析;馬登成等[3]針對攤鋪過程中瀝青混合料的力學性質和運輸機制提出了變螺徑螺距螺旋布料器的設計方案, 這種變螺徑螺距的結構雖可以在一定程度上改善攤鋪均勻性,但缺點是難以互換,無法實現量產; DAI Qingli等[4]將瀝青混合料的微觀力學模型用有限元等效網絡結構表示。雖然有限元軟件可以模擬瀝青混合料的部分特性,但是有限元軟件難以表現瀝青混合料間的滑動,不適用于分析顆粒的離析。鄭健龍等[5]利用ANSYS軟件研究瀝青混合料流體力學行為及變形特性,其將混合料視為流體,主要反映瀝青在攤鋪和壓實過程中溫度的變化,對于攤鋪均勻性難以分析;石琪慧[6]利用EDEM進行攪拌瀝青混合料仿真,并分析攪拌均勻性影響因素。EDEM是全球首個多用途離散元素法建模軟件,可用于工業中顆粒處理及其生產設備的生產過程仿真和分析。研究者可以利用EDEM軟件輕松快速地建立顆粒的實體模型,并完成顆粒的參數化設置。H.KIM[7]用EDEM方法建立了模擬仿真模型,并根據模擬瀝青混合料混凝土的斷裂來分析其斷裂性能;任飛[8]利用離散元對螺旋輸送過程中瀝青混合料的級配離析問題進行了研究。可以看出,雖然針對瀝青混合料均勻性的研究逐漸增多,但對于攤鋪過程中螺旋布料器的結構參數與工作參數之間的合理設計匹配問題探究較少。

在瀝青混合料攤鋪過程中,隨著螺旋葉片的旋轉,混合料顆粒受到軸向力與圓周力的作用,使得不同大小粒徑的混合料顆粒運動規律不統一。在螺旋布料器中,顆粒大小不同受力不同,顆粒所處位置不同,運動速度不同等因素都可能導致瀝青混合料離析,從而影響攤鋪均勻性。因此螺旋布料器的螺距、螺徑、料位系數等結構參數和工作參數的合理設計與匹配對攤鋪均勻性的影響極為顯著。筆者將建立與實際情況相同的攤鋪機攤鋪路面模型,針對不同螺徑、螺距及料位系數等因素利用離散元法對螺旋布料器攤鋪均勻性進行研究,提出了質量占比離異系數Sc作為均勻性評價指標。針對不同螺徑、螺距和料位系數各相關參數進行仿真,得到Sc的關系變化曲線,最后利用數字圖像技術開展了攤鋪均勻性工程實測結果分析。結果表明仿真分析的攤鋪均勻性規律與工程實測的均勻性規律具有較好的一致性。

1 螺旋布料器三維實體模型建立

1.1 參數設置

在Solid Works軟件中建立某型號攤鋪機螺旋布料器的簡化三維實體模型,由于螺旋布料器是相互獨立的左右對稱模型,只考慮螺旋布料器的右半邊對其進行仿真分析。將其裝配完成后導入EDEM軟件中進行參數化設置,得到三維實體模型如圖1。

圖1 三維實體模型Fig. 1 3D solid model

1.2 求解設置

在EDEM仿真軟件中對三維實體和顆粒材料屬性進行設置,并將各材料間表面能接觸模型設置為Hertz-Mindlin,碰撞接觸設置為Hertz-Mindlin with JKR。在軟件中設置Factory模塊以此來產生混合料顆粒,并對瀝青混合料顆粒進行參數設置以及攤鋪機螺旋布料器的運動設置。以AC-25來模擬混合料中不同粒徑大小顆粒的質量占比進行求解設置。不同粒徑大小的顆粒尺寸分別為26.5、19、16、13.2、9.5 mm。將攤鋪在基層上的瀝青混合料從左到右分成8個區域。最左邊為瀝青混合料的進料口,最右邊為出料口。攤鋪機瀝青混合料顆粒示意如圖2。

圖2 攤鋪機瀝青混合料顆粒示意Fig. 2 Schematic diagram of paver asphalt mixture particles

2 質量占比離異系數Sc的確定

根據1.2節將路面分成的8個區域,統計出各個區域里不同粒徑瀝青混合料顆粒的密度、體積、數量,用以計算不同粒徑瀝青混合料顆粒的總質量。從而得到各個區域不同粒徑瀝青混合料顆粒的質量占比。將各個區域不同粒徑顆粒與級配中對應粒徑顆粒的質量占比進行對比,得出不同粒徑顆粒質量占比差值。若差值絕對值越小,則此區段的瀝青混合料均勻性越好,攤鋪質量也越好。

將每個區域內不同粒徑顆粒質量占比與級配中對應粒徑顆粒質量占比差值絕對值求和,將此絕對值之和定義為質量占比離異系數Sc,以Sc來表示每個區域的攤鋪均勻性。Sc越小代表著該區域的瀝青路面攤鋪均勻性越好,Sc越大代表著該區域的瀝青路面攤鋪均勻性越差。具體計算方法如式(1)～式(4):

(1)

式中:βi為實際級配中不同粒徑顆粒質量占比;αi為每個仿真區域內不同粒徑顆粒質量占比。

(2)

mi=ρVi

(3)

式中:ρ為顆粒的密度;Vi為不同粒徑顆粒的體積。

(4)

式中:mi為不同粒徑顆粒的質量;ni為每個區域內不同粒徑顆粒的數量;M為每個區域內顆粒質量總和。

3 攤鋪均勻性仿真分析

3.1 螺徑對均勻性的影響

分別對480、420、360 mm螺徑參數的螺旋布料器進行仿真,仿真后得到不同粒徑大小顆粒的分布圖像。通過EDEM軟件仿真分析后得到攤鋪后的瀝青混合料,將其分為大小相同的8個區域。其中,螺徑為420 mm的仿真結果如圖3。

從仿真分析結果可以直觀地得到,經過螺旋布料器攪拌攤鋪后的瀝青混合料顆粒出現了不同程度的離析現象。對于3個不同螺徑的攤鋪結果,粒徑大小為26.5 mm的大顆粒均在螺旋布料器的進出料口出現了不同程度的堆積現象;粒徑大小分別為19、16、13.2 mm的中等大小顆粒在3種情況下均分布較均勻;粒徑大小為9.5 mm的小顆粒在不同位置出現了堆積現象,360 mm螺徑情況下9.5 mm小顆粒堆積現象最明顯。總體看來,螺徑為420 mm情況下的攤鋪均勻性最佳。

掃描電子顯微鏡（EVO18型），德國ZEISS公司；場發射透射電子顯微鏡（JEM-2100F型），日本電子株式會社；冷凍超薄切片機（UC6-FC6型），德國Leica公司；X-射線衍射儀（X’Pert PRO型），荷蘭Panlytical公司；小角X射線散射系統（SAXSess型），奧利地Anton Paar公司；分子磷屏成像系統（Cyclone型），美國Perkin Elmer公司；同步熱分析儀（STA449 F3型），德國NETZSCH/耐馳公司。

根據仿真結果統計出不同粒徑大小的顆粒數量、體積、密度等數據,由式(1)～式 (4)計算出不同粒徑大小瀝青混合料在不同區域的質量大小,以及質量占比離異系數Sc。不同螺徑條件下質量占比離異系數Sc與各個橫向區域的關系如圖4。

圖4 Sc隨橫向區域變化情況Fig. 4 Line chart of Sc changing with horizontal area

在3種不同螺徑條件下,分別計算不同區域的質量占比離異系數Sc之和,如圖5。

圖5 Sc值之和隨螺徑變化情況Fig. 5 Line chart of the sum of Sc value changing with the screw diameter

由圖3～圖5可以得出,經不同螺徑的螺旋布料器攤鋪后,瀝青混合料的質量占比離異系數Sc也會不同,攤鋪的離析程度和均勻性都不同。根據攤鋪仿真結果可以看出:在螺旋布料器進出料口的離析程度較大,其Sc也越大,均勻性較差;在瀝青路面的中間部分離析程度較小,Sc也越小,均勻性較好;出料口區域的Sc是整個區域最大的,其均勻性最差。對于中間區域,在360 mm螺徑情況下,Sc大概在0.066～0.082之間;在420 mm螺徑情況下,Sc大概在0.057～0.082之間;在480 mm螺徑情況下,Sc大概在0.058～0.088之間。由此可以得出,螺徑為420 mm的螺旋布料器對于中間部分的攤鋪均勻性最好。對于離析程度最大的出料口,360 mm螺徑情況下,Sc=0.19;420 mm螺徑情況下,Sc=0.099;480 mm螺徑情況下,Sc=0.12。由此可知,也是420 mm螺徑的攤鋪均勻性最好。

3.2 螺距對均勻性影響

分別對320、280、240 mm螺距參數的螺旋布料器進行仿真,得到不同粒徑大小顆粒的分布情況。其中,螺距為280 mm的仿真結果如圖6。

統計各個仿真結果中的顆粒分布數據并按照式(1)～式(4)計算Sc,計算結果如圖7。

圖7 Sc隨橫向區域變化情況Fig. 7 Sc changing with horizontal area

在3種不同螺距條件下,分別計算不同區域的質量占比離異系數Sc之和,結果如圖8。

圖8 Sc值之和隨螺距變化情況Fig. 8 The sum of Sc value changing with the pitch

由圖7可以看出,在螺旋布料器進出料口處Sc值最大,離析程度最大,均勻性最差;在中間部分Sc值較小,均勻性較好。對于中間區域,在240 mm螺距情況下,Sc大概在0.071～0.086之間;在280 mm螺距情況下,Sc大概在0.057～0.069之間;在320 mm螺距情況下,Sc大概在0.065～0.087之間。由此可以得出,螺距為280 mm的螺旋布料器對于中間部分的攤鋪均勻性最好。對于離析程度較大的進出料口,240 mm螺距情況下,Sc約為0.10;280 mm螺距情況下,Sc約為0.093;320 mm螺距情況下,Sc約為0.094。280 mm和320 mm螺距情況下的均勻性均比較好。從圖8也可看出,螺距為280 mm時,整體Sc值也最小。

3.3 料位系數對均勻性的影響

分別對1/2、2/3、1料位系數的螺旋布料器進行仿真,得到不同粒徑大小顆粒的分布情況。其中,料位系數為1的仿真結果如圖9。

圖10 Sc隨橫向區域變化情況Fig. 10 Sc changing with horizontal area

在3種不同料位系數條件下,分別計算不同區域的Sc之和,結果如圖11。

圖11 Sc值之和隨料位系數變化情況Fig. 11 The sum of Sc value changing with the material level coefficient

由圖10可以得出,在螺旋布料器進出口處Sc值較大,離析程度較大,均勻性較差;中間部分Sc值較小,離析程度較小,均勻性也較好。對于中間區域,在1/2料位系數情況下,Sc大概在0.076～0.11之間;在2/3料位系數情況下,Sc大概在0.057～0.077之間;在1料位系數情況下,Sc大概在0.059～0.065之間。由此可以得出,料位系數為1時,中間部分的攤鋪均勻性最好。對于離析程度較大的進出料口,1/2料位系數情況下,Sc約為0.244 57;2/3料位系數情況下,Sc約為0.142 47;1料位系數情況下,Sc約為0.099 24。由此可知,也是料位系數為1時均勻性最好。由圖11也可得出,在料位系數為1時,Sc之和最小,即整體均勻性最好。

4 攤鋪均勻性工程實測結果分析

4.1 采集方案

在光線充足,高度為600 mm的條件下對高速公路攤鋪路面進行了圖像采集。采集的圖像實際尺寸為565 mm×565 mm,采集方案如圖12。

圖12 瀝青路面圖像采集Fig. 12 Asphalt pavement image acquisition

攤鋪現場車道寬度為7 m,由于攤鋪機的對稱性,在3.5 m寬度路面上采集圖像,將橫向路面分為6組,隨著攤鋪機的前進,每一組采集46張圖像。總共采集6×46=276張圖像,如圖13。

圖13 攤鋪路面采集圖像示意Fig. 13 Schematic diagram of image collection of paving road

4.2 圖像處理

實地采集得到的圖像如圖14;根據加權平均值法對采集的圖像進行灰度化二值圖像處理,再對其降噪濾波、去除干擾像素點等處理后得到瀝青混合料路面的二值圖像如圖15。

圖14 瀝青混合料路面采集圖像Fig. 14 Asphalt mixture pavement collection image

圖15 處理后瀝青混合料二值圖像Fig. 15 Binary image of the treated asphalt mixture

4.3 實測結果分析

基于數字圖像顆粒的四邊靜矩分析,對分檔集料顆粒的四邊靜矩離異系數根據級配進行加權來評價攤鋪瀝青混合料圖像中集料顆粒的均勻性。根據AC-25瀝青混合料級配可得到各檔顆粒的權重分別為0.25、0.17、0.19、0.28、0.11。最終得到基于數字圖像技術的攤鋪AC-25瀝青混合料靜矩離異系數Cv<11.4% 時無離析;在Cv=11.4%～25.0%時為輕微離析;Cv=25.0%～38.0%為中等離析;Cv>38.0%時為嚴重離析[9]。將采集圖像處理后計算加權四邊靜矩離異系數Cv,結果如圖16。