（机械电子工程专业论文）沥青路面微波加热再生建模技术研究.pdf

摘要沥青路面微波加热再生建模技术研究摘要沥青路面因具有行车舒适、维护方便等特点，而广泛应用于高等级公路及桥梁建设，由于受到行车荷载和自然环境等因素的影响，在投入使甩后常常会出现各种病害，如裂缝、坑槽、麻面、车辙和波浪等，如何对沥青路面进行高质量维修是迫切需要解决的问题。目前公路养护广泛采用的现场红外线辐射加热能快速修复病害路面，却很容易出现沥青料表层焦化而里层未软化现象。而采用微波加热可克服这一缺陷，因为在微波加热过程中，在高频交变电磁场的作用下，分子剧烈运动并摩擦碰撞，产生大量的热量，从而实现电能与物料热能的转化，可达到混合料内外部同时受热的效果，具有加热迅速、穿透深、可控制性强等特点。本文以研制基于微波加热的沥青路面养护车为目的、以提高沥青混合料再生质量和电磁辐射效率为出发点，综合运用电磁学、传热传质学和逆向工程等学科知识，对沥青路面加热再生关键模型的构建进行了研究，建立了电磁模型、传热模型、多电场耦合模型和能效评价模型，并研究了温度控制策略。该研究体系为微波养护工程车的开发提供了雄厚的理论基础，为阵列式微波加热墙的研制提供了设计依据。本文主要工作如下：l 微波加热再生电磁建模应用麦克斯韦方程研究了辐射加热器内电场，根据惠更斯原理建立了微波加热装置的辐射电场数学模型，根据辐射方向性理论提出了电磁优化模型，建立了基于天线e 面及h 面长度的设计准则，确定了喇叭长度与其口面长度的几何设计关系。实验测出了口面温度场分布并进行了计算机模拟，进行了变色硅胶加热对比实验，结果验证了电磁模型及电磁优化设计的正确性。利用a n s o f th f s s对喇叭天线进行了建模并输入求解条件，获得了短长喇叭的e 面、h 面增益及总增益，为微波加热装置设计奠定了可靠的理论基础。2 微波加热再生传热分析分析了沥青路面微波再生的换热形式及其热平衡，求解了对流换热系数及辐射换热发射率，建立了加热区域内外的导热微分方程，采用交替方向显( a d e ) 格式研究了传热模型的数值解法。对导热模型进行了降维处理，根据介质的电磁损耗机理确定了内热源强度，从实验角度求解了电场强度的数值。从理论角度建立了导热边界条件数学模型；并提出利用实验数据反求拟合边界条件。对传热模型利用m a t l a b 偏微分方程工具箱进行了模拟求解，结果发现加热过程中的热量传递是非线性的，必须准确控制加热时间以保证修补质量，模拟的温度场分布可指导加热器的设计和施工工艺的选择。最后根据能量转化原理对不同加热器辐射下的沥青混合料的吸热状况进行评估。3 微波加热再生能效评价根据b 样条建模理论建立了加热器再生沥青混合料效果评价模型。采用最小二乘法求解出最佳基函数系数，从而拟合离散温度数据的逼近曲线，实现误差数据的去除与插补。将沥青混合料进行网格划分，分别测量各网格的温度值，将各温度测点的坐标值参数化为标准序列，利用b 样条模型及其矩阵表达形式建立了离散温度场的重构模型。对建立的温度场重构模型进行数学分析，获得温度场在加热区域的分布，求解得到不同的温度分布概率，实现了热再生效果的评价，通过计算散乱点与拟合曲面的距离分析了模型的精度；通过对建立的连续型温度分布模型进行均值求解获得不同结构形式的辐射加热器的能量利用情况，从而对加热器的辐射效率进行评价。4 微波加热再生能效控制从三个方面研究了材料参数、电磁参数及其它不确定因素对加热的温度分布的影响。考虑材料及电场的物理性质对纵向温度场的影响，将沥青料热再生简化成有内热源的渗透性平板传热问题，解出了纵向温度控制方程并求得了精确的温度解。通过对纵向温度场的计算机模拟分析，发现圃流面积比、介电常数对纵向温度的分布影响不大，而介电损耗因子及最大场强值影响着温度的均匀性。东南大学博士学位论文考虑不同的加热方式和加热器件对运行过程中温度分布的影响，通过加热实验获得的温度场的比较分析，发现2 m 2 1 0 磁控管在改善温度均匀性和节约能源方面均优于2 m 2 1l 、采用间隙为o 5 分钟的加热方式可以改善热再生效果。考虑特殊天气情况下传质对加热能效的影响，建立了基于多孔介质理论的传质模型，并对传质速度和能量吸收率进行模拟。5 多源多腔微波加热电磁耦合建模建立了多源多腔微波加热电磁耦合模型及耦合方向性分布模型。采用无源二端口网络分析了二元耦合时的电磁互耦阻抗矩阵；利用传输线理论分析了耦合对电磁反射的影响机理及散射参量。将天线的辐射口面分解成若干面元，利用单个天线单元的辐射场的矢量叠加求解耦合后天线的辐射场，分别建立了二元、三元及多元的辐射干扰模型。重点研究了耦合作用对天线辐射方向性的影响，建立了h 面和e 面方向性系数的耦合模型，通过仿真讨论了耦合后方向性系数和加热器距离及天线结构尺寸的关系，分析研究给阵列式微波加热墙的设计提供了坚实的理论基础。6 微波加热再生养护工程车开发确定了养护工程车的总体设计方案及加热系统的关键部件设计方法。着重分析了辐射喇叭天线的设计方法和微波发生器的原理，探讨了基于截止特性和阻抗特性的防微波泄漏的设计原理并设计出一种防泄漏装置。设计出了微波加热系统框图和电路图，开发了多源多腔阵列式喇叭天线辐射墙和控制系统，完成了养护工程车的样车试制。提出了改善温度场均匀性及提高能效是开发养护工程车的关键问题，建立了沥青路面微波养护工程车开发的组织架构。关键词：工程机械；微波加热再生；电磁模型；传热模型；能效评价；能效控制；电磁耦合i ia b s l r a c tr e s e a r c ho nt h em o d e l i n gt e c h n o l o g yo fh o tr e c y c l i n gi na s p h a l tp a v e m e n t ss u b j e c t e dt om i c r o w a v eh e a t i n ga b s t r a c ta s p h a l tp a v e m e n t sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nc o n s t r u c t i n gh i 曲- q u a l i t yr o a d sa n db r i d g e sf o rc o m f o r td r i v i n ga n dc o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e d u et on a t u r a le n v i r o n m e n ta n dh e a v yt r a f f i cl o a d ，v a r i o u sf o r m s o ff u n c t i o n a ld a m a g e s ，s u c h 弱c r a c k , r o l l g hs u r f a c e ，p i ta n dg r o o v e ，b l e e d i n g , a r eo c c u r r e di n e v i t a b l yi na s p h a l tp a v e m e n t s n i sr e q u i r e sp r o m p tr e p a i ra n dm a i n t e n a n c et or e s t o r et h en o r m a lf u n c t i o no fp a v e m e n t s h o wt or e a l i z eh i g h q u a l i t ym a i n t e n a n c eu r g e n t l yn e e d st ob es o l v e d a l t h o u g hi n f r a r e dh o tr e c y c l i n gc a nr a p i d l yr e p a i rt h ed a m a g e dp a v e m e n t s , s o m ep r o b l e m ss u c ha se o k i n gs u r f a c ea n du n s o f t e n e di n n e rl a y e rm a ye a s i l yo c c u r h o w e v e r , a d o p t i n gm i c r o w a v eh e a t i n gc a nc o n q u e rt h i sd e f e c t d u r i n gm i c r o w a v eh e a t i n g , m o l e c u l e sm o v ev i o l e n t l ya n di m p a c tw i t he a c ho t h e ru n d e rt h ea c t i o no fh i g hf r e q u e n c ya l t e r n a t i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l d al o to fh e a ti sp r o d u c e da n dt r a n s f o r i l l a t i o nb e t w e e ne l e c t r i ce n e r g ya n dt h e r m a le n e r g yo fm a t e r i a li sr e a l i z e d 1 1 1 i sk i n do fh e a t i n gc a l lm a k ei n t e r n a la n de x t e r n a lm a t e r i a lh o ts i m u l t a n e o u s l ya n dh a st h ev i r t u e so fr a p i dh e a t i n g , d e e pp e n e t r a t i o n ，e x c e l l e n tc o n t r o l l a b i l i t y ,e ta 1 a r o u n dt h ed e v e l o p m e n to fm a i n t e n a n c ee n g i n e e r i n ga u t o m o b i l e sf o ra s p h a l tp a v e m e n t s ，t h em o d e l so fh o tr e c y c l i n gi na s p h a l tp a v e m e n t sa r er e s e a r c h e di no r d e rt oi n c r e a s er e c y c l i n gq u a l i t yo fa s p h a l tp a v e m e n t s e l e c t r o m a g n e t i c s ，h e a tt r a n s f e rt h e o r ya n dr e v e r s ee n g i n e e r i n ge t c a r ea p p l i e dt os t u d ye l e c t r o m a g n e t i s mm o d e l ，h e a tt r a n s f e rm o d e l ，m u l t i p l ee l e c t r i cf i e l dc o u p l i n gm o d e la n dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls t r a t e g i e si nt h ep a p e r 田l er e s e a r 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ld e d u c t i o na n de x p e r i m e n t a lr e v e r s e t h et e m p e r a t u r ef i e l di sa c h i e v e db yi i i东南大学博士学位论文s o l v i n gh e a tt r a n s f e rm o d e lt h r o u g hm a t l a bp d et o o l b o x t h er e s u l t si n d i c a t et h a th e a tt r a n s f e rd u r i n gm i c r o w a v eh e a t i n gi sn o n l i n e a ra n dh e a t i n gt i m em u s tb ec o n t r o l l e dt og u a r a n t e er e p a i rq u a l i t y t h es i m u l a t i o np r o v i d e sg u i d a n c ei nt h ed e s i g no fh e a t i n gd e v i c ea n dc o n s t r u c t i o np r o c e s s a tl a s te n d o t h e r m i cs t a t u so fa s p h a l tm i x t u r e si nr a d i a t i o no fd i f f e r e n th e a t e r si se v a l u a t e db a s e do nt h e o r yo fe n e r g yc o n v e r s i o n 3e f f i c i e n c ye v a l u a t i o nf o rm i c r o w a v eh e a t i n gr e c y c l i n ge f f i c i e n c ye v a l u a t i o nm o d e lf o rm i c r o w a v er e c y c l i n ga s p h a l tm i x t u r e si nd i f f 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c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no fa r r a yh e a t i n gw a l l 6d e v e l o p m e n to fm a i n t e n a n c ee n g i n e e r i n ga u t o m o b i l e ss u b j e c t e dt om i c r o w a v er e c y c l i n gt h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m eo fm a i n t e n a n c ee n g i n e e r i n ga u t o m o b i l e sa n ds t r u c t u r ed e s i g nm e t h o do fm a i np a r t sa r er e s e a r c h e d t h ed e s i g ni d e ao fh o r na n t e n n aa n dp r i n c i p l eo fm i c r o w a v eg e n e r a t o ra r ea n a l y z e d m i c r o w a v es h i e l d i n gb a s e do nc u t - o f fa n di m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c si sd i s c u s s e da n dam i c r o w a v es h i e l d i n gd e v i c ei sd e s i g n e d t h es y s t e mb l o c kd i a g r a ma n dc i r c u i td i a g r a ma r ed e v e l o p e df o rm i c r o w a v eh e a t i n gd e v i c e m u l t i c a v i t ym i c r o w a v eh e a t i n gw a l la n di t sc o n t r o ls y s t e ma r er e s e a r c h e d i ti si va b s t r a c tp u tf o r w a r dt h a ti n c r e a s i n gu n i f o r m i t yo ft e m p e r a t u r ef i e l d sa n de n e r g ye f f i c i e n c ya r et h ek e yp r o b l e m so fd e v e l o p i n gm a i n t e n a n c ee n g i n e e r i n ga u t o m o b i l e s o r g a n i z a t i o ns t r u c t u r ef o r t h ed e v e l o p m e n to fm a i n t e n a n c ee n g i n e e r i n ga u t o m o b i l e ss u b j e c t e dt om i c r o w a v er e c y c l i n gi se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：e n g i n e e r i n gm a c h i n e r y ；m i c r o w a v eh e a t i n gr e c y c l i n g ；e l e c t r o m a g n e t i cm o d e l ；h e a tt r a n s f e rm o d e l ；e f f i c i e n c ye v a l u a t i o n ；e f f i c i e n c yc o n t r o l ；e l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n gv东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：爱逦亟竺日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。研究生躲娅导师虢迎日期川7j )第一章绪论第1 章绪论近年来我国公路建设发展迅速，公路总里程位居世界第一，其中高速公路通车里程超过5 万公里，位居世界第二。高速公路的主要结构形式是沥青路面，由于受到行车荷载和自然环境等因素的影响，其在投入使用后常常会出现各种各样的病害，如裂缝、坑槽、麻面、车辙和波浪掣卜列，如不及时修复，不仅造成经济损失和安全隐患，而且影响交通的社会形象和可持续发展，公路养护已成为公路建设中的关键部分。目前公路现场养护技术主要分为现场冷再生和现场热再生【3 1 。现场冷再生先确定修补面积，切割破碎并清除废料，然后采用拌和好的热沥青混合料填充切割后的旧沥青路面经碾压成型。这种修补方式在新旧料间形成了弱接缝，在高压重载情况下容易造成了修补路面的二次破坏，已经不能适应形势发展的需要。而现场热再生采用加热装置在现场将破损沥青路面加热至施工温度，再添加一定的新沥青料，然后再摊铺压实的工艺方法。该方法将沥青路面现场修补中的旧沥青混合料得到充分再生利用，不仅可以显著缓解沥青供求矛盾，还可以节约大量矿料，减少开采，保护生态环境；同时实现了新旧沥青料的无缝对接，结合强度高，延长了路面的使用寿命，克服了冷再生的固有缺陷，提高了沥青路面养护质量，冷熟再生工艺对比如图1 1 所示。因此现场热再生已成为当前公路养护的主流技术，日益受到重视，本课题引入微波加热实现沥青路面现场再生的方法。加入新沥青混合料碾压成型形成冷接缝( 3 ) 修补后断面图a 冷再生修补工艺加入新沥青混合料接平无接缝( 3 ) 修补后断面图图1 - 1 冷热再生工艺对比1 1 沥青路面微波加热技术背景1 1 1 1 1 现场热再生加热方式的选择b 热再生修补工艺沥青混合料的生产、储运和使用都要进行加热，使之达到一定的温度。所以采用合适的加热方式，对保证沥青的质量、节省能源、降低生产成本和提高社会效益都有着重要意义。在过去的研究中，许多沥青混合料加热方式得到应用，主要有明火加热、水加热、重燃油加热、燃气加热、太阳能加热、导热油加热、红外加热、微波加热等1 4 1 。通过对各种沥青加热方法进行研究和分析发现只有红外加热和微波加热适合沥青路面现场再生。为了找出最适合于沥青路面现场热再生的加热手段，需要对两种加热方式作一下对比。红外辐射到物体上后，物体将对辐射能量吸收、透射和反射，吸收部分能量将使物体温度升高，东南人博学位* 文如图i - 2 所示”l 。红外加热沥青混合料就是基于红外线的这一物理特性。用这种热辐射上激化沥青的分子，使沥青分子运动加剧而选到加热的日的。光谱分析表明，各种路坩沥青混合料均能较好地吸收红外辐射。这种加热方式加热速度快，通常使用屯源一般与明火预热或太阳能预热配套使用。但是红外加热通过对沥青路面的表面辐射使热量以热传导的方式传到内部。这样不可避免地会出现表面温度过高而内部沥青料还未软化的情况，不但降低了路面养护质量，而且污染了环境。微波加热是一种全新的热能技术，与传统加热不同，微波加热不需要外部热源，而是向被加热材料内部辐射微波电磁场推动其可动粒子运动，使之相互碰撞摩擦而生热实现了电能与物料热能的转化，如图i - 3 所示。微波加热不同于红外加热的外部热源通过热传导方式由表及里地对沥青料加热，而是由辐射到沥青料内部的电磁场产生功率损耗而对沥青料加热，属于体积加热方式可选到混台料内外部同时受热的效果。因此该方法可以克服红外加热方式带来的温度不均及表面焦化的缺点，且比红外加热范围广，穿透能力强”，。表1 - 1 为红外线和微波加热效果对比与微波加热工艺原则因而微波加热较红外加热方式具有加热迅速、穿透深、可控制性强的特点。近年米利用微波进行路面热再生已经引起了关注，美国已经应用该技术进行沥青路面再生，而国内尚未进行系统研究微被热再生技术必将成为公路养护技术的重点研究方向。金属阿火焰面进气管削卜2 红外辐射原理：3 ：3 3 ：3 ：0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0圈l o 微波加热原理表1 - 1 红外线与微波加热效果对比与微波工艺原则物料状况红外加热微波加热微波加热工艺原则预热时间长短较长几乎不需要预热时问温升状态表层升温在先里层升温高表层不易结硬壳温升梯度与方向犬，由物料里层指较小，由物料表层指均温时间短向表层向里层热量传递方式表面热传导透射物料中转换整体加热热量吸收与介质特性关系有关密切有关园物而异1 1 2 沥青路面微波加热再生原理，擞波具有选择性加热的特点。在微波能的作用下，不同的材料所袭现出的加热反应是不尽相同的。对良导体，微波进入后