CN110579438A - 一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，包括动态剪切流变仪主机、上夹具和下夹具；上夹具包括连接轴、旋转平板和橡胶滑块，连接轴垂直设置在旋转平板的上方且连接轴的下端与旋转平板固定连接，橡胶滑块设置在旋转平板的下方上且与旋转平板固定连接，连接轴与旋转主轴设置在同一直线上且连接轴的上端与旋转主轴的下端可拆卸连接。本发明还公开了该动态剪切流变仪沥青路面摩擦系数测试装置的使用方法。本发明可以稳定准确地测试出实际车辆快速行驶时的与沥青路面之间的摩擦系数。

Description

一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置及使用方法

技术领域

本发明涉及道路安全检测技术领域，尤其是涉及一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置及使用方法。

背景技术

在正式铺筑道路之前，验证拟选沥青混合料的抗滑性能是保障使用过程中道路安全的重要技术手段。相比于铺筑试验路，室内试件有着体积小，易成型的优点。目前对于沥青路面摩擦系数常采用摆式仪进行测定，但摆式仪测试变异性大，且只提供在低速下的测试，无法反映实际车辆快速行驶时的与沥青路面之间的摩擦系数。

动态剪切流变仪，用于测定老化或未老化沥青(改性或未改性沥青) 在5-85℃温度范围内线粘弹性性质的仪器，该仪器通过作用已知扭矩来测量试样的复数剪切模量和相位角，配合相应软件可进行应变控制(测量其应力)和应力控制(测量其应变)，试验结果可用来确定沥青抵抗车辙和疲劳的能力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其可以稳定准确地测试出实际车辆快速行驶时与沥青路面之间的摩擦系数。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：包括动态剪切流变仪主机、上夹具和下夹具；

所述动态剪切流变仪主机包括旋转主轴和固定主轴，所述上夹具的上端与旋转主轴的下端可拆卸连接，所述下夹具设置在上夹具的正下方且用于固定待测沥青混合料试件，所述下夹具的下端与固定主轴的上端可拆卸连接；

所述上夹具包括连接轴、旋转平板和橡胶滑块，所述连接轴垂直设置在旋转平板的上方且连接轴的下端与旋转平板固定连接，所述橡胶滑块设置在旋转平板的下方上且与旋转平板固定连接，所述连接轴与旋转主轴设置在同一直线上且连接轴的上端与旋转主轴的下端可拆卸连接。

上述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述橡胶滑块的数量为多个且结构相同，多个所述橡胶滑块间隔均匀布设在同一个圆的周上，所述圆所在的平面与旋转平板的下表面相平行，所述圆的圆心位于连接轴的旋转中心线上。

上述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述上夹具还包括弹簧片和固定连接板，所述弹簧片的一端通过固定连接板可拆卸安装在旋转平板的下表面上，所述橡胶滑块上表面与弹簧片另一端的下表面固定连接。

上述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述上夹具还包括加固平台，所述加固平台设置在旋转平板中部的正上方，所述加固平台与旋转平板固定连接，所述连接轴的下端与加固平台的中部固定连接。

上述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述旋转平板的形状为圆盘形。

上述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述橡胶滑块的数量为三个且所述三个橡胶滑块的形状均为扇形，所述上夹具还包括第一螺栓，所述固定连接板的中部开设有第一通孔，所述弹簧片与固定连接板连接的一端上开设有与第一通孔对应的第二通孔，所述第一螺栓依次穿过第二通孔和第一通孔将弹簧片和固定连接板均固定在旋转平板上。

上述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述下夹具包括下连接轴、夹具本体和紧固螺丝，所述下连接轴设置在夹具本体的下方且下连接轴的上端与夹具本体的下部固定连接，所述夹具本体上开设有能够将待测沥青混合料试件的一部分容纳在其中的试件固定槽，所述紧固螺丝与夹具本体螺纹连接且紧固螺丝的螺纹端能够穿过试件固定槽的侧壁伸入试件固定槽内。

上述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述试件固定槽的形状为圆柱状，所述试件固定槽的中心线与下连接轴旋转中心线相重合且所述述试件固定槽的直径大于所述橡胶滑块所在圆的最大外径。

上述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述上夹具的上端与旋转主轴的下端通过弹簧联轴器可拆卸连接。

本发明还公开了一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、接通动态剪切流变仪主机的电源、气源，启动动态剪切流变仪；

步骤二、测量橡胶滑块的弧长尺寸、内半径尺寸和外半径尺寸，将橡胶滑块用胶水贴到弹簧片的端部底面，将弹簧片通过第一螺栓固定在固定连接板上；

步骤三、将上夹具通过弹簧联轴器安装在旋转主轴的下端，将下夹具安装在固定主轴的上端；

步骤四、将室内成型的沥青混合料试件切割成下夹具可容纳的尺寸，作为待测试件放入过试件固定槽，再通过紧固螺丝将待测试件固定可靠；

步骤五、在动态剪切流变仪控制面板上设置动态剪切流变仪测试参数，所述参数包括：实验温度、旋转主轴的旋转速度和旋转主轴施加的垂直荷载；

步骤六、开始测试，并记录测试过程中的扭矩，使用扭矩、依据步骤二中测得的橡胶滑块尺寸反算橡胶滑块与待测试件接触时的切向力，计算该切向力与垂直荷载的比值，即为橡胶滑块与待测试件接触之间的摩擦系数。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的上夹具设置有橡胶块和弹簧片的结构，弹簧片在压力作用下在竖向发生位移，这样有利于橡胶块嵌入到室内试件的表面纹理中；此外，还能减少橡胶块滑动时由于室内试件部分纹理凸出高度不同引起的跳跃现象，这样会使得摩擦系数的测试结果更加稳定和准确。

2、本发明中采用连接轴杆、弹簧联轴器和加固平台这样的结构，如果遇到室内试件表面粗糙度不同的情况，采用这样的结构可以使得橡胶块施加在室内试件上的力能够分布均匀。

3、实验人员利用动态剪切流变仪上的本发明对室内试件摩擦系数的测定，能够用于精确区别不同抗滑性能的沥青混合料。

4、本发明中下螺纹轴杆与动态剪切流变仪的底座可拆卸连接，可以更换下夹具以进行其他类型的实验。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明上夹具的结构示意图。

图3为本发明上夹具的仰视图。

图4为本发明下夹具的结构示意图。

图5为本发明积分计算过程分选示意图。

附图标记说明:

1-1—旋转主轴； 1-2—固定主轴； 2—上夹具；

2-1—连接轴； 2-2—旋转平板； 2-3—橡胶滑块；

2-4—弹簧片； 2-5—固定连接板； 2-6—加固平台；

2-7—第一螺栓； 2-8—第一通孔； 2-9—第二通孔；

2-10—弹簧联轴器； 3—下夹具； 3-1—下连接轴；

3-2—夹具本体； 3-3—紧固螺丝； 3-4—试件固定槽。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明的方案，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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应该属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序和这先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包括了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的哪些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或者设备固有的其它步骤或单元。

如图1至图3所示，本实施例提供了一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其包括动态剪切流变仪主机、上夹具2和下夹具3；所述动态剪切流变仪主机包括旋转主轴1-1和固定主轴1-2。动态剪切流变仪，是用于测定老化或未老化沥青(改性或未改性沥青)在5-85℃温度范围内线粘弹性性质的仪器，其可控制旋转主轴1-1带动夹具对样品施加扭矩，同时通过传感器测量旋转主轴1-1通过夹具对样品施加的扭矩，通过光学编码器测量产生的应变或转速；再配合相应软件可进行应变控制(测量其应力) 和应力控制(测量其应变)，试验结果可用来确定沥青抵抗车辙和疲劳的能力。

所述上夹具2的上端与旋转主轴1-1的下端可拆卸连接，所述下夹具 3设置在上夹具2的正下方且用于固定待测沥青混合料试件，所述下夹具 3的下端与固定主轴1-2的上端可拆卸连接；

所述上夹具2包括连接轴2-1、旋转平板2-2和橡胶滑块2-3，所述连接轴2-1垂直设置在旋转平板2-2的上方且连接轴2-1的下端与旋转平板 2-2固定连接，所述橡胶滑块2-3设置在旋转平板2-2的下方上且与旋转平板2-2固定连接，所述连接轴2-1与旋转主轴1-1设置在同一直线上且连接轴2-1的上端与旋转主轴1-1的下端固定连接。

动态剪切流变仪可控制其旋转主轴1-1的转速，进而带动旋转平板2-2 下端的橡胶滑块2-3在待测沥青混合料试件表面以接近车辆实际速度滑行，同时动态剪切流变仪可以测得橡胶滑块2-3底部的切向应力对圆心的力矩大小，通过积分计算可以准确地获取到待测沥青混合料试件的摩擦系数。

其中，当橡胶滑块2-3的形状均为扇形且数量为三个时，其具体计算过程如下：如图5所示，已知橡胶滑块的几何尺寸：r₂,r₁,及橡胶滑块对应的圆心角为φ，假设橡胶滑块底面的摩擦系数为μ，均布在橡胶滑块底面的压应力大小为σ,设该橡胶滑块内部的一个微小单元距离圆心的距离是r，偏斜的角度是高度为dr，那么这个微小单元的尺寸为这个微小单元受到的压力为受到的切向力为微小单元上的切向力对圆心的力矩大小就为那么整个橡胶滑块底部的切向应力对圆心的力矩大小为

三个个橡胶块底部的切向应力对圆心的力矩大小为

这个力矩的大小由动态剪切流变仪直接测试得到，可以记为τ；建立两者之间的等式，得到

垂直荷载可由动态剪切流变仪测试时设定为F，由于3个橡胶滑块的面积总和为：那么把这些参数带进公式中,其中的未知数只有一个，就是μ，因此，可以求出μ，

本实施例中，所述橡胶滑块2-3的数量为多个且结构相同，多个所述橡胶滑块2-3间隔均匀布设在同一个圆的周上，所述圆所在的平面与旋转平板2-2的下表面相平行，所述圆的圆心位于连接轴2-1的旋转中心线上。

如图2所示，所述上夹具2还包括弹簧片2-4和固定连接板2-5，所述弹簧片2-4的一端通过固定连接板2-5固定安装在旋转平板2-2的下表面上，所述橡胶滑块2-3上表面与弹簧片2-4另一端的下表面固定连接。

上夹具设置有弹簧片2-4，可以通知旋转主轴1-1对连接轴2-1施加一个向下的力，连接轴2-1又将力传递给旋转平板2-2，旋转平板2-2再将力传递给固定连接板2-5，固定连接板2-5将力传递给弹簧片2-4，弹簧片2-4 在力的作用下发生弹性变形，这样有利于橡胶块1更容易得嵌入到室内试件的表面纹理中；此外，还能橡胶滑块2-3滑动时由于室内试件部分纹理凸出高度不同引起的跳跃现象，这样会使得摩擦系数的测试结果更加稳定和准确。

如图2所示，所述上夹具2还包括加固平台2-6，所述加固平台2-6 设置在旋转平板2-2中部的正上方，所述加固平台2-6与旋转平板2-2固定连接，所述连接轴2-1的下端与加固平台2-6的中部通过螺纹固定连接。

如图3所示，其特征在于：所述旋转平板2-2的形状为圆盘形。

如图3所示，所述橡胶滑块2-3的数量为三个且所述三个橡胶滑块2-3 的形状均为扇形，所述上夹具2还包括第一螺栓2-7，所述固定连接板2-5 的中部开设有第一通孔2-8，所述弹簧片2-4与固定连接板2-5连接的一端上开设有与第一通孔2-8对应的第二通孔2-9，所述第一螺栓2-7依次穿过第二通孔2-9和第一通孔2-8将弹簧片2-4和固定连接板2-5均固定在旋转平板2-2上。

如图1和图4所示，所述下夹具3包括下连接轴3-1、夹具本体3-2 和紧固螺丝3-3，所述下连接轴3-1设置在夹具本体3-2的下方且下连接轴 3-1的上端与夹具本体3-2的下部固定连接，所述夹具本体3-2上开设有能够将待测沥青混合料试件的一部分容纳在其中的试件固定槽3-4，所述紧固螺丝3-3与夹具本体3-2螺纹连接且紧固螺丝3-3的螺纹端能够穿过试件固定槽3-4的侧壁伸入试件固定槽3-4内。

本实施例中的下夹具3结构简单，试件更换方便，其与动态剪切流变仪主机可拆卸连接，需要测试沥青线粘弹性性质时，只需要将上夹具2和下夹具3拆卸下来，换上相应的工装即可，不影响动态剪切流变仪其它功能的正常使用。

如图1所示，所述试件固定槽3-4的形状为圆柱状，所述试件固定槽 3-4的中心线与下连接轴3-1旋转中心线相重合且所述述试件固定槽3-4 的直径大于所述橡胶滑块2-3所在圆的最大外径。

如图1所示，所述上夹具2的上端与旋转主轴1-1的下端通过弹簧联轴器2-10可拆卸连接。

本申请还公开了一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、接通动态剪切流变仪主机的电源、气源，启动动态剪切流变仪；

步骤二、测量橡胶滑块2-3的弧长尺寸、内半径尺寸和外半径尺寸，将橡胶滑块2-3用胶水贴到弹簧片2-4的端部底面，将弹簧片2-4通过第一螺栓2-7固定在固定连接板2-5上；

步骤三、将上夹具2通过弹簧联轴器2-10安装在旋转主轴1-1的下端，将下夹具3安装在固定主轴1-2的上端；

步骤四、将室内成型的沥青混合料试件切割成下夹具3可容纳的尺寸，作为待测试件放入过试件固定槽3-4，再通过紧固螺丝3-3将待测试件固定可靠；

步骤五、在动态剪切流变仪控制面板上设置动态剪切流变仪测试参数，所述参数包括：实验温度、旋转主轴1-1的旋转速度和旋转主轴1-1施加的垂直荷载；

步骤六、开始测试，并记录测试过程中的扭矩，使用扭矩、依据步骤二中测得的橡胶滑块2-3尺寸反算橡胶滑块2-3与待测试件接触时的切向力，计算该切向力与垂直荷载的比值，即为橡胶滑块与待测试件接触之间的摩擦系数。

本发明的工作原理为：实验开始前，将上夹具2和下夹具3和下夹具安装在动态剪切流变仪主机上，将待测沥青混合料试件放置在试件固定槽 3-4内并通过紧固螺丝3-3将试件固定好。

然后设置动态剪切流变仪主机的参数，首先，启动动态剪切流变仪主机，旋转主轴1-1带动上夹具2向下运动，使得橡胶滑块2-3与待测沥青混合料试件上表面相接触，并通过旋转主轴1-1给橡胶滑块2-3施加一定的压力；其次，旋转主轴1-1带动上夹具2转动，橡胶滑块2-3在待测沥青混合料试件上表面上摩擦滑行，动态剪切流变仪主机会自动记录此时，旋转主轴1-1输出的扭矩、旋转主轴1-1的转速及旋转主轴1-1对橡胶滑块2-3施加的压力信息。通过积分技术可以获取待测沥青混合料试件表面准确的摩擦系数值。也可将计算过程通过程序让动态剪切流变仪自行计算。

在实验过程中需要控制待测沥青混合料试件的温度，我们可以通过空气对流、接触换热等方法将待测沥青混合料试件的温度控制在实验需求的温度范围内，一般实验要求温度控制在-20℃-60℃。

计算摩擦系数的方法如下：如图5所示，在本发明被投入进行实验之前，利用量尺测量出橡胶滑块2-3中小圆弧所在圆的半径r₁和所述橡胶块1中大圆弧所在圆的半径r₂；用量角器测量出橡胶滑块2-3的圆心角

将r₁、r₂和代入公式中得出S，S表示3个橡胶块1的面积总和。

设定垂直荷载为F，将S和F代入公式中计算得出σ，σ表示橡胶滑块2-3施加到室内试件表面的压应力，垂直荷载F是在实验时由动态剪切流变仪设定。

将测量得到的r₁,r₂,计算得到的σ，以及由动态剪切流变仪测试得到的τ代入公式得出μ，则μ就是实际车辆快速行驶时与沥青路面之间的摩擦系数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：包括动态剪切流变仪主机、上夹具(2)和下夹具(3)；

所述动态剪切流变仪主机包括旋转主轴(1-1)和固定主轴(1-2)，所述上夹具(2)的上端与旋转主轴(1-1)的下端可拆卸连接，所述下夹具(3)设置在上夹具(2)的正下方且用于固定待测沥青混合料试件，所述下夹具(3)的下端与固定主轴(1-2)的上端可拆卸连接；

所述上夹具(2)包括连接轴(2-1)、旋转平板(2-2)和橡胶滑块(2-3)，所述连接轴(2-1)垂直设置在旋转平板(2-2)的上方且连接轴(2-1)的下端与旋转平板(2-2)固定连接，所述橡胶滑块(2-3)设置在旋转平板(2-2)的下方上且与旋转平板(2-2)固定连接，所述连接轴(2-1)与旋转主轴(1-1)设置在同一直线上且连接轴(2-1)的上端与旋转主轴(1-1)的下端可拆卸连接。

2.按照权利要求1所述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述橡胶滑块(2-3)的数量为多个且结构相同，多个所述橡胶滑块(2-3)间隔均匀布设在同一个圆的周上，所述圆所在的平面与旋转平板(2-2)的下表面相平行，所述圆的圆心位于连接轴(2-1)的旋转中心线上。

3.按照权利要求2所述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述上夹具(2)还包括弹簧片(2-4)和固定连接板(2-5)，所述弹簧片(2-4)的一端通过固定连接板(2-5)可拆卸安装在旋转平板(2-2)的下表面上，所述橡胶滑块(2-3)上表面与弹簧片(2-4)另一端的下表面固定连接。

4.按照权利要求3所述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述上夹具(2)还包括加固平台(2-6)，所述加固平台(2-6)设置在旋转平板(2-2)中部的正上方，所述加固平台(2-6)与旋转平板(2-2)固定连接，所述连接轴(2-1)的下端与加固平台(2-6)的中部固定连接。

5.按照权利要求4所述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述旋转平板(2-2)的形状为圆盘形。

6.按照权利要求5所述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述橡胶滑块(2-3)的数量为三个且所述三个橡胶滑块(2-3)的形状均为扇形，所述上夹具(2)还包括第一螺栓(2-7)，所述固定连接板(2-5)的中部开设有第一通孔(2-8)，所述弹簧片(2-4)与固定连接板(2-5)连接的一端上开设有与第一通孔(2-8)对应的第二通孔(2-9)，所述第一螺栓(2-7)依次穿过第二通孔(2-9)和第一通孔(2-8)将弹簧片(2-4)和固定连接板(2-5)均固定在旋转平板(2-2)上。

7.按照权利要求1至5中任意一项权利要求所述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述下夹具(3)包括下连接轴(3-1)、夹具本体(3-2)和紧固螺丝(3-3)，所述下连接轴(3-1)设置在夹具本体(3-2)的下方且下连接轴(3-1)的上端与夹具本体(3-2)的下部固定连接，所述夹具本体(3-2)上开设有能够将待测沥青混合料试件的一部分容纳在其中的试件固定槽(3-4)，所述紧固螺丝(3-3)与夹具本体(3-2)螺纹连接且紧固螺丝(3-3)的螺纹端能够穿过试件固定槽(3-4)的侧壁伸入试件固定槽(3-4)内。

8.按照权利要求7所述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述试件固定槽(3-4)的形状为圆柱状，所述试件固定槽(3-4)的中心线与下连接轴(3-1)旋转中心线相重合且所述述试件固定槽(3-4)的直径大于所述橡胶滑块(2-3)所在圆的最大外径。

9.按照权利要求8所述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置，其特征在于：所述上夹具(2)的上端与旋转主轴(1-1)的下端通过弹簧联轴器(2-10)可拆卸连接。

10.一种如权利要求1所述的一种动态剪切流变仪摩擦系数测试装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、接通动态剪切流变仪主机的电源、气源，启动动态剪切流变仪；

步骤二、测量橡胶滑块(2-3)的弧长尺寸、内半径尺寸和外半径尺寸，将橡胶滑块(2-3)用胶水贴到弹簧片(2-4)的端部底面，将弹簧片(2-4)通过第一螺栓(2-7)固定在固定连接板(2-5)上；

步骤三、将上夹具(2)通过弹簧联轴器(2-10)安装在旋转主轴(1-1)的下端，将下夹具(3)安装在固定主轴(1-2)的上端；

步骤四、将室内成型的沥青混合料试件切割成下夹具(3)可容纳的尺寸，作为待测试件放入过试件固定槽(3-4)，再通过紧固螺丝(3-3)将待测试件固定可靠；

步骤五、在动态剪切流变仪控制面板上设置动态剪切流变仪测试参数，所述参数包括：实验温度、旋转主轴(1-1)的旋转速度和旋转主轴(1-1)施加的垂直荷载；

步骤六、开始测试，并记录测试过程中的扭矩，使用扭矩、依据步骤二中测得的橡胶滑块(2-3)尺寸反算橡胶滑块(2-3)与待测试件接触时的切向力，计算该切向力与垂直荷载的比值，即为橡胶滑块与待测试件接触之间的摩擦系数。