一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法及系统

1.本发明涉及路面铣刨装备技术领域，具体为一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法及系统。


背景技术：

2.在现有的路面铣刨作业装备中，就地冷再生技术无需加热集料、可有效节约沥青用量、重复利用沥青路面回收料(reclaimed asphalt pavement, rap)，节能、环保、经济性显著，适用于大规模道路的快速修复。该技术的施工主要依赖于路面冷再生机，路面冷再生机高度集成了“铣刨-喷洒-拌和”多个功能模块，可迅速翻新旧沥青路面，实现rap的100%回收利用，减少新材料用量，并在常温下拌和，降低能耗和碳排放，极大地助力道路工程的低碳施工。其中，拌和装置是路面冷再生机的核心部件，主要由铣刨转子、喷洒系统、拌和仓等主要部件组成。路面铣刨作业装备施工作业中，铣刨转子边铣刨边拌和，再生剂的喷洒量、铣刨深度、转子转速、行进速度等都会影响施工质量。
3.现有技术中，在路面铣刨作业装备工作过程中，由于破碎、喷洒、拌和过程很难观察和检测，在施工中主要依赖操作人员的主观判断和施工经验，很难掌握颗粒破碎状况、以及再生剂喷洒状况。
4.在施工中发现，路面铣刨作业装备的各项工作参数在一定程度上会影响再生沥青路面性能，而现有技术中针对这一情况不能实现对路面铣刨作业装备的工作参数预测，给提升再生沥青路面性能带来了一定的困难。通过优化路面铣刨作业装备的运行参数，建立性能参数的预测模型，是提高旧沥青路面修复质量的有效途径。
5.性能参数预测模型的建立主要有两种方法：其一，在大量工程实测数据的基础上，结合人工智能和深度学习的方法，建立装备性能参数预测模型。其二，通过数值模拟工程装备的作业过程，获得数值模拟数据构建预测模型。总之建立预测模型离不开大量的数据，数据越真实所建立的预测模型也会越准确。数据一方面来源于工程实测数据，另一方面来源于数值模拟仿真数据。随着计算机性能的快速提升，数值模拟技术日趋发展完善，由于数值模拟试验成本低，数值模拟技术被越来越多的学者采用，要得到真实可信的数值模拟数据，需要对诸多模型参数进行标定，实现模型的工程化。因此，提出了一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法，建立了性能参数预测模型，开发了性能参数预测系统。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法及系统，通过实验室实测数据标定离散元模型参数，建立路面铣刨作业装备性能参数预测模型，并开发预测系统，实现路面铣刨作业装备性能参数预测，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法，其步骤是：s1、通过分析旧沥青路面铣刨后单独颗粒模型的特征和整体性能特征，建立工程
化旧沥青路面模型；s2、建立出路面铣刨作业装备拌和装置结构模型；s3、确定路面铣刨作业装备的性能指标和运行参数；s4、分析性能指标和运行参数之间的规律；s5、预测路面铣刨作业装备的泡沫沥青喷洒量。
8.优选的，在步骤s1中，包括如下具体步骤：s101、利用离散元相似理论确定骨料颗粒形状，虚实结合实验确定混合料级配；s102、结合实际沥青混合料试件的试验数据，利用离散元相似理论，确定工程化旧沥青混合料模型力学参数；s103、在步骤s101和s102的基础上，建立工程化旧沥青路面模型。
9.优选的，在步骤s2中，所述拌和装置结构模型包括拌和装置罩壳（901）、铣刨转子（902）、铣刨转子（902）上安装的多排刀具（903）。
10.优选的，在步骤s3中，将拌和流量、转子受力、骨料破碎情况作为路面铣刨作业装备的性能指标；将行进速度、铣刨转子转速、铣刨深度作为路面铣刨作业装备的运行参数。
11.优选的，在步骤s4中，对运行参数的因素水平进行正交试验设计，基于此，对路面铣刨作业装备的作业过程进行可视化数值模拟分析，运用控制变量法对数值模拟数据进行分析，得出运行参数对性能指标间的影响规律。
12.优选的，在步骤s4中，在大量的路面铣刨作业装备可视化作业过程数值模拟中，为了减少计算量，加快收敛速度，且能够获得较好的回归精度，运用多元非线性回归分析建立数学模型，如式（1）；
13.式中：y(x)为目标，xj为j个自变量，a、bj、c
kj
、dj为待定系数。
14.优选的，在步骤s5中，基于步骤4中得到的规律，再依据实时采集的拌和流量以及再生剂设计比例，计算出再生剂喷洒量的实时调节，再生剂喷洒量预测模型如式（5）。
[0015][0016]
式中：e为再生剂喷洒量、e为拌和流量、η为再生剂设计比例。
[0017]
本发明还提出的一种路面铣刨作业装备性能预测系统，包括运行参数输入模块、性能参数预测模块、铣刨颗粒粒径情况判断模块、注意事项提示模块。
[0018]
运行参数输入模块包括参数输入框和调整按键，通过参数输入框可输入参数值，如铣刨深度、行进速度和转子转速；通过调整按键可增加或减小参数的数值；性能参数预测模块，可预测出颗粒粘结比、拌和流量、再生剂喷洒量和平均转矩大小；铣刨颗粒粒径情况判断模块，判断出铣刨后的骨料粒径适合于多少百分比的颗粒粘结比；注意事项提示模块，分别显示路面铣刨作业装备三个运行参数的取值范围，方便用户选择。
[0019]
1、本发明通过数值模拟角度，构建了贴近工程实际的颗粒模型和旧沥青路面模
型，结合路面铣刨作业装备拌和装置，通过设置颗粒质量传感器实时监测路面铣刨作业装备作业过程的动态数据，能够对颗粒的运动规律及流动特性进行分析。
[0020]
2、本发明运用正交试验方法建立数值模拟仿真试验方案，能够探索路面铣刨作业装备作业过程中铣刨深度、行进速度、转子转速对拌和流量、转子平均转矩、颗粒粘结比的影响规律。
[0021]
3、本发明基于数值模拟仿真数据，运用非线性回归法建立路面铣刨作业装备性能参数预测模型，开发了预测系统界面，能够方便施工操作人员便捷操作。
[0022]
4、本发明提出的参数预测模型，应使颗粒粘结比控制在10~25%之间，铣刨料粒径合适，能够得到较佳的再生沥青路面性能。
[0023]
5、本发明设计出的路面铣刨作业装备性能参数预测模型。该模型对路面冷再生机性能参数颗粒粘结比、拌和流量及平均转矩的平均预测误差均在10%以内，满足工程实际使用要求。
[0024]
6、本发明能够解决路面铣刨作业过程中颗粒破碎状况和再生剂喷洒状况难掌握的难题。
[0025]
7、本发明所采用的预测模型构建思路，形成了一类路面铣刨作业装备性能参数预测方法。
附图说明
[0026]
图1 为根据本公开一个实施例的用于获得路面铣刨作业装备性能参数预测方法构建的流程图；图2 为塌落度实验室试验过程图；图3 为塌落度数值模拟试验过程图；图4 为实验室试验的骨料堆积状态图；图5 为数值模拟试验的骨料堆积状态图；图6 为单轴压缩试验过程图；图7 为劈裂试验过程图；图8 为旧沥青路面模型图；图9 为拌和装置结构模型图；图10 为拌和流量采集状态图；图11 为颗粒数量统计状态图；图12为再生剂喷洒量预测模型建立步骤的流程图；图13为路面铣刨作业装备性能参数预测系统的组成模块示意图；图14为预测系统操作界面设计图。
具体实施方式
[0027]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]
请参阅图1，本发明提出一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法，其步骤是：s1、通过分析旧沥青路面铣刨后单独颗粒模型的特征和整体性能特征，建立工程化旧沥青路面模型；s101、确定骨料颗粒形状及级配；具体为：利用离散元相似理论，对比工程实际中的颗粒形状，对沥青混合料的粗骨料和细骨料分别建立离散元颗粒模型；虚实结合，结合实验室和数值模拟的塌落度试验对比，标定出单独颗粒模型的工程化特征，包括但不限于颗粒形状、颗粒大小、颗粒配比等参数。
[0029]
经过对大量骨料颗粒的观察和分析，骨料颗粒大小与颗粒形状有一定的关系，颗粒形状大致可分为三类基本形状，分别是条状、棱锥状、板状；在骨料颗粒大小在5-30mm内，对不同粒径骨料颗粒形状分布进行虚拟、现实试验分析；如图2-3。
[0030]
如图2 为塌落度实验室试验过程；如图3为塌落数值模拟试验模拟过程；如图4-5，通过实验室和数值模拟试验对比分析堆积高度、堆积圆平均直径，两者误差分别为0.3%和0.8%，满足实际堆积情况。
[0031]
最终采用条状、棱锥状、板状三种的颗粒形状，形状颗粒比例为20%、60%、20%。
[0032]
s102、确定工程化旧沥青混合料模型力学参数；此步骤中，结合实际沥青混合料试件的试验数据，通过在edem中重现相同试验条件下单轴压缩试验和劈裂试验标定沥青混合料试件数值模拟模型参数，确定沥青混合料试件的抗压强度、抗拉强度等力学性能。
[0033]
具体为：在edem软件中建立直径100mm，高度为100mm的圆柱形试件。由于沥青混合料是集料之间通过沥青砂浆胶凝而成，因此，在edem软件中，在骨料之间添加bonding模型，将离散的骨料粘结为一个整体，采用“bond键”描述颗粒之间的粘结力，以标准滚动摩擦模型(standard rolling friction)、赫兹接触模型(hertz-mindlin with jkr)以及粘结键模型(bonding)描述沥青混合料试件本构模型。在试件顶端加一个平板来施加加载力，直到将试件破坏，如图6为单轴压缩试验过程；通过试验得出最符合沥青混合料的实际力学性能的虚拟模型参数；同样，在劈裂试验中进行再次试件建模，如图7为劈裂试验过程；劈裂试验证明所选沥青混合料模型的抗拉强度符合路面的实际受力区间范围。
[0034]
从上述步骤中标定出bonding模型参数。
[0035]
s103、建立工程化旧沥青路面模型；在步骤s101和s102的基础上，建立用于路面铣刨作业装备数值模拟的工程化路面模型，路面模型由非球型骨料颗粒组成，路面模型中颗粒形状由条状、棱锥状、板状三种形状的颗粒粘结组成，形状颗粒比例为20%、60%、20%，路面模型尺寸：长为1000mm、宽为1000mm、高为120mm。骨料的密度为2530kg/m3，泊松比为0.34。剪切模量为5e+10pa，旧沥青路面模型的抗压强度为9.51mpa，抗拉强度为3.07mpa，旧沥青路面模型如图8所示。
[0036]
s2、建立出路面铣刨作业装备拌和装置结构模型；此实施例中路面铣刨作业装备采用冷再生机为例。
[0037]
如图9所示，拌和装置结构模型包括拌和装置罩壳901、铣刨转子902、铣刨转子902
上安装的多排刀具903，其中x轴正方向为路面铣刨作业装备前进方向，y轴正方向为铣刨转子的轴向方向，z轴正方向为垂直x轴和y轴向上方向。
[0038]
s3、路面铣刨作业装备的性能指标和运行参数的确定；通过理论分析计算及施工现场调研，再从数值模拟的角度考虑，将拌和流量、转子受力、骨料破碎情况作为路面铣刨作业装备的主要性能参数评价指标，确定冷再生机的性能指标：拌和流量：如图10所示，在铣刨鼓中轴线后方的拌和仓内设置颗粒质量传感器，该颗粒质量传感器每秒通过的铣刨破碎颗粒的质量称为拌和流量；平均转矩：铣刨作业中转子所受阻力转矩的平均值；颗粒破碎情况，在edem软件中用颗粒粘结比表示，也就是在颗粒之间设置了bonding模型来描述颗粒之间的粘结力，以铣刨破碎前后颗粒间bond键数量的比值来衡量，如图11所示，在铣刨鼓后方的拌和仓内设置颗粒数量统计模块，该模块可统计出经铣刨破碎后颗粒间bond键数量，以此来衡量旧沥青路面颗粒破碎情况。
[0039]
对新型路面铣刨作业装备作业过程进行运动学分析，其中刀尖的运动轨迹由旋转运动和直线运动两部分组成，即铣刨转子转速和行进速度（运行参数），铣刨转子转速和行进速度的不同组合会改变铣刨刀具轨迹、受力方向、阻力大小等，形成不同的运行工况。冷再生机铣刨时是多个铣刨刀具在不同铣刨深度下同时作业，铣刨转子所受阻力还与铣刨深度、路面材料等有关。为此，确定冷再生机的运行参数为：行进速度；铣刨转子转速；铣刨深度。
[0040]
s4、性能指标和运行参数之间的规律分析；为深入探究运行参数之间的融合匹配规律。对铣刨深度、行进速度、转子转速这三个运行参数的因素水平进行正交试验设计。如表1所示，为运行参数匹配规律试验方案：表1 运行参数匹配规律仿真试验方案
[0041]
需要说明的是，上述表1的数据均是示例性的，本公开的范围并不仅限于此。
[0042]
运用表1的试验方案对路面铣刨作业装备的作业过程进行可视化模拟分析。通过设置颗粒质量传感器实时监测路面铣刨作业装备作业过程的动态数据，对颗粒的运动规律及流动特性进行分析。探索拌和仓内颗粒运动规律及流动特性。运用控制变量法对数值模拟数据进行分析，通过分析路面铣刨作业装备在不同铣刨深度、行进速度和不同转子转速下骨料颗粒的拌和流量、铣刨鼓转子平均转矩、颗粒粘结比的变化规律，通过分析可以明确出冷再生机三个主要运行参数对三个性能评价指标间的影响规律，如表2为运行参数匹配试验结果，表中a为铣刨深度（mm）、b为行进速度（m/s）、c为转子转速（r/s）、d为平均转矩（knm）、e为拌和流量（kg/s）、f为颗粒粘结比（%）。
[0043]
表2 运行参数匹配试验结果组数abcdef1#400.151.53.775.815.742#400.252.55.8711.18.933#400.353.57.1316.35.314#800.151.57.671726.025#800.252.54.8227.815.866#800.353.56.1238.911.667#1200.151.510.4523.126.538#1200.252.57.983818.199#1200.353.57.425612.67需要说明的是，上述表1的数据均是示例性的，本公开的范围并不仅限于此。
[0044]
在大量的路面铣刨作业装备可视化作业过程模拟中，获得铣刨深度、行进速度、转子转速与拌和流量、平均转矩、颗粒粘结比的关联性仿真数据，在此基础上，为了减少计算量，加快收敛速度，且能够获得较好的回归精度，运用多元非线性回归分析建立数学模型，
如式（1）；
[0045]
式中：y(x)为目标，xj为j个自变量，a、bj、c
kj
、dj为待定系数。
[0046]
运用该数学模型，通过多元二次非线性回归分析求得三个运行参数（铣刨深度、行进速度、转子转速）分别与平均转矩、拌和流量、颗粒粘结比的表达式如下：铣刨深度、行进速度、转子转速与平均转矩的表达式（2）：
[0047]
铣刨深度、行进速度、转子转速与拌和流量的表达式（3）：
[0048]
铣刨深度、行进速度、转子转速与颗粒粘结比的表达式（4）：
[0049]
式中，x1、x2、x3分别表示铣刨深度、行进速度、转子转速的值，y1、y2、y3分别为平均转矩、拌和流量、颗粒粘结比。
[0050]
s5、预测路面铣刨作业装备的泡沫沥青喷洒量；再生剂喷洒量预测模型建立步骤如图12所示，路面铣刨作业装备作业过程中，拌和装置内的颗粒质量动态变化，不同的运行参数影响铣刨颗粒的拌和流量，依据实时采集的拌和流量以及再生剂设计比例，计算出再生剂喷洒量的实时调节，再生剂喷洒量预测模型如式（5）。
[0051][0052]
式中：e为再生剂喷洒量、e为拌和流量、η为再生剂设计比例，再生剂喷洒量可采用泡沫沥青，实际工程施工中泡沫沥青的用量范围一般为 1.8%至 3.5%。
[0053]
在上述预测模型和预测方法的基础上，设计一种路面铣刨作业装备性能预测系统。
[0054]
本发明提出的一种路面铣刨作业装备性能预测系统，包括运行参数输入模块、性能参数预测模块、铣刨颗粒粒径情况判断模块、注意事项提示模块，运行参数输入模块包括参数输入框和调整按键，通过参数输入框可输入参数值，如铣刨深度、行进速度和转子转速；通过调整按键可增加或减小参数的数值；性能参数预测模块，可预测出颗粒粘结比、拌和流量、再生剂喷洒量和平均转矩大小；铣刨颗粒粒径情况判断模块，判断出铣刨后的骨料粒径适合于多少百分比的颗粒粘结比；如图13：当颗粒粘结比介于10%~25%之间时，铣刨后的骨料粒径较为合适；注意事项提示模块，分别显示路面铣刨作业装备三个运行参数的取值范围，方便
用户选择。
[0055]
通过调整冷再生机的运行参数，从而预测出主要性能参数，进而对rap铣刨颗粒破碎和再生剂的喷洒量进行控制，提高再生沥青路面质量。
[0056]
本实施例中基于labview软件对路面铣刨作业装备性能预测系统进行了开发，包括了底层程序框图的编写及操作界面的设计。如图14为预测系统操作界面设计图。
[0057]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法，其特征在于：其步骤是：s1、通过分析旧沥青路面铣刨后单独颗粒模型的特征和整体性能特征，建立工程化旧沥青路面模型；s2、建立出路面铣刨作业装备拌和装置结构模型；s3、确定路面铣刨作业装备的性能指标和运行参数；s4、分析性能指标和运行参数之间的规律；s5、预测路面铣刨作业装备的泡沫沥青喷洒量。2.根据权利要求1所述的一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法，其特征在于：在步骤s1中，包括如下具体步骤：s101、利用离散元相似理论确定骨料颗粒形状，虚实结合实验确定混合料级配；s102、结合实际沥青混合料试件的试验数据，利用离散元相似理论，确定工程化旧沥青混合料模型力学参数；s103、在步骤s101和s102的基础上，建立工程化旧沥青路面模型。3.根据权利要求1所述的一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法，其特征在于：在步骤s2中，所述拌和装置结构模型包括拌和装置罩壳（901）、铣刨转子（902）、铣刨转子（902）上安装的多排刀具（903）。4.根据权利要求1所述的一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法，其特征在于：在步骤s3中，将拌和流量、转子受力、骨料破碎情况作为路面铣刨作业装备的性能指标；将行进速度、铣刨转子转速、铣刨深度作为路面铣刨作业装备的运行参数。5.根据权利要求1所述的一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法，其特征在于：在步骤s4中，对运行参数的因素水平进行正交试验设计，基于此，对路面铣刨作业装备的作业过程进行可视化数值模拟分析，运用控制变量法对数值模拟数据进行分析，得出运行参数对性能指标间的影响规律。6.根据权利要求5所述的一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法，其特征在于：在步骤s4中，在大量的路面铣刨作业装备可视化作业过程数值模拟中，为了减少计算量，加快收敛速度，且能够获得较好的回归精度，运用多元非线性回归分析建立数学模型，如式（1）；
ꢀꢀ
（1）式中：y(x)为目标，x
j
为j个自变量，a、b
j
、c
kj
、d
j
为待定系数。7.根据权利要求1所述的一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法，其特征在于：在步骤s5中，基于步骤4中得到的规律，再依据实时采集的拌和流量以及再生剂设计比例，计算出再生剂喷洒量的实时调节，再生剂喷洒量预测模型如式（5）；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）式中：e为再生剂喷洒量、e为拌和流量、η为再生剂设计比例。8.一种路面铣刨作业装备性能参数预测系统，包括运行参数输入模块、性能参数预测模块、铣刨颗粒粒径情况判断模块、注意事项提示模块；运行参数输入模块包括参数输入框和调整按键，通过参数输入框可输入参数值，如铣刨深度、行进速度和转子转速；通过调整按键可增加或减小参数的数值；
性能参数预测模块，可预测出颗粒粘结比、拌和流量、再生剂喷洒量和平均转矩大小；铣刨颗粒粒径情况判断模块，判断出铣刨后的骨料粒径适合于多少百分比的颗粒粘结比；注意事项提示模块，分别显示路面铣刨作业装备的运行参数的取值范围，方便用户选择。

技术总结
本发明提出一种路面铣刨作业装备性能参数预测方法及系统，涉及路面铣刨装备技术领域，其步骤是：通过分析旧沥青路面铣刨后单独颗粒模型的特征和整体性能特征，建立工程化旧沥青路面模型；建立出路面铣刨作业装备拌和装置结构模型；路面铣刨作业装备的性能指标和运行参数的确定；性能指标和运行参数之间的规律分析；预测路面铣刨作业装备的泡沫沥青喷洒量。本发明再提出了一种路面铣刨作业装备性能预测系统，包括运行参数输入模块、性能参数预测模块、铣刨颗粒粒径情况判断模块、注意事项提示模块。通过实验室实测数据标定离散元模型参数，建立路面铣刨作业装备性能参数预测模型，并开发预测系统，实现路面铣刨作业装备性能参数预测。能参数预测。能参数预测。


技术研发人员：程海鹰 宋昌伟 范康康
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2023.08.22
技术公布日：2023/10/15