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高速动态弯沉仪的研制回顾与创新评价
发布日期:2017/2/13

高速动态弯沉仪的研制回顾与创新评价

李孝兵2,孙成来2,武丽丽1,2

1.交通运输部公路科学研究所,北京 1000882.北京市路兴公路新技术有限公司,北京 100088

 

摘要:“高速移动式弯沉检测技术与装备研发”被列入“十二五”交通运输重大科技专项“新一代公路基础设施维护关键技术、重大装备与示范(一期)”之中,并成为2014年交通运输科技十大重点推进方向之一。该项目运用电一体化集成设计技术成功研制的最高时速达100Km/h的路面弯沉检测装备,具有测量速度快、安全性好、检测效率高,经济效益及社会效益都十分显著的特点,推广应用价值广泛。

关键词:路面;弯沉;快速检测;多普勒测振

1引言

经历了连续4年的艰苦攻关,北京市路兴公路新技术有限公司的高速激光弯沉仪项目组圆满完成了交通运输部科技司及西部项目中心招标的科研课题,获得了科技司、西部办、评审专家组、业主单位、检测单位的一致好评,为公路技术状况评定数据的科学采集提供了高效实用的专业装备。经过数万公里的实际检测验证,检测结果可以为公路行业提供可信赖的数据依据,被列入2015年交通运输建设科技成果首推项目。

路面弯沉是表征路面结构强度的重要技术指标,是施工验收及路面评价和养护管理必须检测的重要项目。随着公路建设的快速发展,我国公路总里程迅速提高,公路信息化工作已全面实施。公路基础数据的采集离不开高效、先进的自动化数据采集设备。以拉克鲁瓦弯沉仪(Lacroix Deflectograph)和落锤式弯沉仪(FWD)的测试效率已远远不能满足我国现有公路保有量条件下的试验检测需求。为了快速地获得公路的路面结构强度指标,公路检测人员急需一种能快速检测路面弯沉指标的设备。

截止2014年底,全国公路总里程446.39万公里,公路养护里程435.38万公里,占公路总里程97.5%,全国高速公路车道里程49.56万公里。而我国目前路面强度检测设备的检测速度仅为5km/h,照此计算结果见表1


1 我国公路路面强度检测统计表

 

高速公路车道里程:49.56万公里

养护公路里程:435.38万公里

检测比例:50%

24.78万公里

217.69万公里

检测效率:5km/h*8h/day

6195天(约17年)

54422.5天(约149年)

检测费用:600yuan/km

1.5亿元

13亿元

参考表1计算,即使全国有100台设备同时运行,仅仅对高速公路进行一次普查,也需要超过2个月的时间。如果对养护公路也进行一次普查,则需要100台车连续工作544天。而且检测过程中,由于检测设备低速运行,在高等级公路上严重干扰交通,并给检测人员带来安全风险。

2项目领域研究开发现状

上个世纪末,作为交通运输部的公路科技核心支撑机构,交通运输部公路科学研究院启动了路面高效自动化检测装备的体系化研制工作。遵循“引进、消化、吸收、改进、创新”的发展路线,先后完成了具有自主知识产权的路面平整度、抗滑、几何线形、车辙、破损及强度的自动化检测设备的研制、定型、生产、推广和普及。在所有的路面关键指标的自动化检测设备中,除强度检测外,其它各项指标的检测作业都达到了20~100km/h的检测速度,能够随车流完成,消除了检测作业对正常社会交通的干扰。但是强度检测,因其检测方法和条件的特殊要求,一直停留在低于5~6km/h的水平上,成为公路技术检测的一大瓶颈。尤其在高等级公路条件下,车速快、流量大,低速检测给正常社会交通带来严重的负面影响,也给检测工作带来潜在的安全风险。

由于路面强度检测效率一直没有大幅度的提升,全面、大规模的网级路面弯沉检测在同一最不利季节内完成存在一定的技术困难,导致公路技术状况评定体系出现技术瓶颈。为暂时解决这一突出矛盾,《公路技术状况评定标准》中推荐采用路面结构强度预测方法,利用平整度和破损状况对路面结构强度进行预测,以此完成包含结构强度在内的路面技术性能评定。

然而,在通过对一些道路的实测数据结果分析来看,预测模型推演出来的路面结构强度与实际检测的路面结构强度相关性较差,甚至部分情况下出现完全不相关的情况,以平整度和破损状况指标作为预测路面结构强度的方法还有待进一步检验和完善。

从上世纪80年代开始国外就启动了路面弯沉高速检测方法研究。具有代表性的有瑞典国家公路管理局RDTRoad Deflection Tester);美国联邦高速公路管理局的RWD (Rolling Wheel Deflectometer);丹麦GreenWood 公司的TSD (Traffic-Speed Deflectograph)等。此类设备是在标准荷载作用下真实记录路面受力变形情况,非接触式测量路面弯沉,并能以正常行驶速度连续检测,是路面弯沉检测技术的重要发展方向。经过多年的研制和试验,以丹麦GreenWood公司测量路面变形速度为原理的TSD系列逐渐脱颖而出。

随着我国运营公路里程快速增加,国内需要国外的先进技术,国外看到了中国的巨大市场,国家开始采购国外设备以弥补技术装备的不足。但是进口设备昂贵的价格以及低效率的售后服务、与我国公路规范的差异,严重阻碍了国外新技术、新产品在国内的推广应用。2012年,交通运输部公路科学研究院立项进口的一台国外原装产品,在经历了长达两年的报批、通关、调试、培训后,目前仍未能产生直接效益。拥有自主知识产权的新技术、新装备的研发、推广、普及成为亟待解决的问题。

北京市路兴公路新技术有限公司,作为交通运输部公路科学院的二级企业,一直承担着公路快速、高效检测设备的科技产品研发与推广工作,从七五开始,连续进行了横向力系数测试车、自动弯沉仪、颠簸累积仪等路面快速检测设备的科研攻关工作。

3项目工作的实施与开展

20107月,抓住“十二五”科研规划的机会,路兴公司向交通运输部公路科学研究院提交了“新一代弯沉快速检测技术装备研发”的立项申请,公路院将本项目提交到部科技司并获得立项,于2011年初启动项目实施工作。

高速移动式弯沉检测技术与装备研发项目组通过对我国的公路建设情况、路基路面弯沉检测需求和自然条件进行调研,同时也对新型的非接触式的激光多普勒测速仪以及测控技术进行相关调查、整理和分类,在此基础上对项目技术方案的创新性、可靠性、经济性和安全性进行研究,分析总结了高速移动弯沉检测系统方案的可行性。并完成了相关的研究、试验、验证与认证工作。

3.1高速移动式路面弯沉检测计算模型研究

承载检测车后轮前方沿行车方向上布置若干个激光多普勒测速仪,通过布置弯沉盆内的激光多普勒测速仪测量指定位置的路面变形速率,弯沉盆之外的激光多普勒测速仪作为一个基准测量,分析不同位置上激光多普勒测速仪的数据,准确测量出因加载车造成的路面垂直微小波动(0.01 mm0.6 mm),通过计算得到路面真实的弯沉值。我们在弯沉盆内布置3个测速仪(1#2#3#),在弯沉盆外布置1个测速仪(4#)。其中,激光多普勒测速仪在承载检测车的承载梁上的位置(如图1所示)。利用这样一种结构,结合相应的数学模型算法,即可计算出所测位置的路面弯沉盆拟合曲线,求函数极值,可得路面弯沉值。


 





1激光多普勒测速仪布置图

3.2 激光多普勒测速仪标定方法研究

通过分析激光多普勒测速仪的检测信号特性,激光多普勒测速仪在安装过程中,要有一定的夹角θ,才可以通过激光多普勒测速仪获得有效的路面变形速度信号。经理论计算,激光多普勒测速仪的空间几何角度与理论设计的角度存在微小的偏差,对激光测振仪的输出速度值有较大的影响(如表2所示)。

2 光多普勒测速仪的空间几何角度与理论设计的角度的偏差影响

角度偏差

实际偏差角度

实际弯沉速度

偏差弯沉速度

影响比例

0.005

2.005

0.002

0.002546

27.3%

0.001

2.001

0.002

0.001650

17.5%

0.0005

2.0005

0.002

0.001825

8.75%

0.0001

2.0001

0.002

0.001965

1.75%

由表2可以看出,角度偏差超过0.5°‰造成的结果误差就将接近10%。如何通过有效的方法标定激光多普勒测速仪与承载体之间的空间几何角度是决定项目成败的关键技术。本项目研究了路面预埋加速度计标定空间几何角度法、静态标定空间几何角度法、实测角度标定法等多种手段,实现了对传感器偏移角度的准确标定。

3.3 高速移动式承载检测车的设计研究

高速移动式弯沉检测装备采用的是牵引车牵引厢式挂车结构模式。为消除牵引车动力荷载对测量路面变形的影响,弯沉测试点应距牵引车后轮的距离大于3.6m,以避免在测量过程中因距离过短,影响弯沉盆的测量结果,故承载检测车的轴距7400mm

考虑到承载检测车在70Km/h的速度条件下以100kN作为标准轴重在公路上高速进行路面弯沉检测,路面表面的变形会相应的减少。为保证在高速行驶条件下,轴荷能够对路面进行有效加载,我们特地将荷载设计为可移动式,在承载检测车检测工作时,荷载移到靠近后轴的位置处,保证轴载为最大的130KN;在承载检测车非作业状态下,荷载移到远离后轴的位置处,保证轴载为标准轴载100KN,同时可以作为贝克曼梁检测的标准车。

3.4 承载钢梁总成设计研究

测量共梁是高速移动式弯沉检测设备的关键装置,主要包括承载体钢梁、钢梁悬挂支撑装置和隔震气弹簧、以及在钢梁上安装的若干个多普勒激光传感器和测量元件(包括加速度仪、光纤陀螺仪和激光测距仪等)。所有的测量仪都排列在一侧车轮中间轨迹上面。

路面表面的变形速率是由4个以上激光多普勒传测速仪测得,其安装位置距离载荷轮前方的中心分别为100mm300mm750 mm3600mm,其中第一、第二、第三激光多普勒测速仪用于测量路面变形速率,第四激光多普勒测速仪为参考对照激光器,其数据相对地不会受到载荷轮的影响。

3.5数据采集修正系统的选型分析

3.5.1激光多普勒测速仪的原理性研究

激光多普勒测速仪是基于多谱勒频移原理的激光非接触式振动测量传感器,这一测速仪是国际上最新发展起来的用于快速测量路面弯沉指标的传感器,也是目前世界上公认的测量路面动态弯沉的最佳设备。

激光多普勒测速仪主要由激光传感器(含高性能光学镜头)、控制处理器和连接线组成。该仪器的特点为:非接触测量、无附加质量影响;测量表面无需处理;抗干扰能力强;实时输出动态特性;极大的动态范围,极高的精度和灵敏度;极低频率或者极高频率测量。通过该系统可以精确测得激光传感器与被测地面间的相对速度。

3.5.2惯性修正系统研究

在高速移动弯沉检测系统中,由于路面的颠簸和车身震动,会造成承载激光多普勒传感器的钢梁的震动,从而影响激光多普勒传感器的测试精度。在本套检测系统中,采用了三个加速度传感器和三个光纤陀螺仪组成的惯性系统,实时监测承载钢梁在行驶过程中的运动状态和偏转角度,记录测试数据,用于后期在对弯沉计算时进行相关修正。

3.5.3车辆荷载与行驶速度测量系统研究

根据高速移动弯沉检测装备的计算模型得知,行驶在路面的承载车的动荷载以及行驶速度对测量路面弯沉有一定的影响,分析研究精确测量车辆动荷载与行驶速度,可有效的提高路面弯沉的测量精度。

3.6数据采集处理软件的开发

高速移动式弯沉检测装备的系统软件分四大部分:系统配置、系统标定、检测,处理。

1)系统配置部分完成对数据采集装置的配置。

2)在系统进行测试前,需要对各计量元件进行标定。主要标定的内容包括:激光多普勒测速仪空间几何角度标定、惯性修正系统标定,距离标定,温度标定,动荷载标定,激光位移传感器标定。

3)前面各项准备工作完成后,系统就可以进行实际检测了。系统为使用方便,有意将界面进行简化,所有检测中需要用到的操作都放在了同一个主界面上。提高了易用性

4)在本系统数据后处理程序中,提供了各种参数的设置入口,并允许用户对结果输出的方式进行设定。在输出结果中,除提供处理后的代表弯沉数据外,系统还提供了:合格判定、奇异点列表、各评价段的平均值、标准差等各项细节数据,便于后续工作的进一步开展。

3.7系统的试验与结果分析

经过1年多的设计与生产,项目成果之一的挂车总成顺利开始进行路试。通过大量的路面试验与结果分析,一方面验证了系统相关设计模型的正确性和有效性,另一方面,在试验的过程中不断发现并解决问题,提高了系统整体的稳定性。

基于高速移动式弯沉检测装备的特点、测量目的和使用环境,检测装备进行了以下几个方面的试验内容:

1)速度适应能力:项目需要解决的关键问题是检测效率与施工安全的问题。能够在正常通行状态下完成检测,对交通流的影响最小,作业施工最安全。我们对设备在15~100Km/h的速度条件下进行了实际测试,结果稳定,效果良好;

2)速度变异性:由于设备的工作环境为不同道路等级、不同交通状况的道路条件,因此检测设备应具有一定的速度条件适应能力,即允许一定的测量速度变换范围,保证测量值的变化幅度在可控区间,速度变异系数不超过5%

3)准确度等级检验:检验整装设备的测量准确度,要求测量准确度不低于0.01mm

4)重复性检验:在重复性条件下(包括测量程序、人员、仪器、环境等),对标准试验路段进行连续多次测量、比较,计算变异系数,要求不超过5%

5)稳定性检验:检验装备随时间保持稳定测量能力的过程,在消除温度等环境条件影响的前提下,整套装备的稳定性需达到偏差不超过5%的要求;

6)耐久性能测试:检验装备连续工作时间的能力,要求连续工作时间应不小于10个小时。

4结语

201474日,由交通运输部技术专家组完成了项目技术验收;2014123日,交通运输部科技司对课题成果进行了技术鉴定,鉴定成果为国内领先;20151127日,交通运输部将“高速移动式弯沉检测技术与装备”列入2015年度交通运输建设科技成果推广目录。高速动态弯沉仪运用光电一体化集成设计技术成功研制的最高时速达100Km/h的路面弯沉检测装备获得以下技术创新与装备创新:

1)攻克了高速行驶状态下检测系统的瞬间状态捕获技术,实现了多路系统数据的同步获取,解决了高速行驶时的检测数据准确性问题;

2)攻克了多干扰因素的归并处理技术,实现了多干扰的有效消除,解决了不同牵引车辆的适用性问题;

3)攻克了高精度角度校准技术,提出了一种简便易行的角度校准方案,解决了激光器的高精度校准问题。

4研制了一种可移动式承载检测机构,通过移动自身位置,降低了环境引入误差,提高了结果准确度,确保了检测结果准确可靠。

5研制了一种车辆轴载的可调节机构解决了标定时能够减小装备车辆荷载对标定结果的影响,提高了现场作业中工程检测的准确性。

6)研制了一种光机电一体化的高速信息采集系统,结合多参数修正算法,实现了高速移动式弯沉测量。

 

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