【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及空气污染实验测试，尤其涉及一种轮地耦合作用产尘试验系统及方法。
技术介绍
1、机动车轮胎与地面相互作用导致的粉尘是引起城市空气污染的重要来源，容易降低视野能见度、导致尘肺病、污染周边环境等危害，严重影响城市空气质量和人民的生命健康，制约了“健康中国”的落实。轮胎碾压路面土体是路面扬尘产生的根源。在这个过程中，汽车是主体，路面是客体。因此，机动车行驶扬尘防控的根本途径就是从产尘的主客体出发，寻求抑制粉尘产生的方法和技术。
2、揭示道路产尘机理是实现道路扬尘源头治理的关键一环。轮地相互作用是道路产尘的根本原因，但现阶段国内外对轮地相互作用的研究及实验测试系统主要用于反映车辆行驶性能及轮胎性能，同时所研究的路面也多集中在混凝土、沥青等混合材料刚性路面，对土质路面的研究比较缺乏。这严重制约了道路粉尘防治技术的应用于发展。因此深入研究轮地作用过程中粉尘产生机理对于源头高效防控道路扬尘，改善我国城市空气质量，保障居民身心健康，贯彻落实“健康中国”战略都具有重要意义。因此，本专利技术提出一种轮地耦合作用产尘试验系统及方法以从地面力学角度揭示轮地作用产尘机理。
技术实现思路
1、针对上述不足，提供一种轮地耦合作用产尘试验系统及方法。解决了现有轮地作用实验平台无法测量轮地相互作用下粉尘产生特性的瓶颈，实现了轮地相互作用全过程的动态观察并从力学角度揭示了轮地相互作用的产尘机理，可为道路粉尘治理提供了关键理论，为研发道路空气污染防治技术提供理论支撑与科技基础。
2、
3、本专利技术提供一种轮地耦合作用产尘试验系统及方法，包括单轮测试系统(1)、传动系统(2)、土槽平整系统(3)、粉尘监测系统(4)、控制系统(5)以及土槽(6)；
4、所述单轮测试系统(1)包括测试车轮(1-2)、转向电机(1-3)、六维f/t传感器(1-4)、前进电机(1-5)、扭矩传感器(1-6)、电动缸1(1-7)、位移传感器(1-8)、荷载支架(1-9)；其中电动缸1(1-7)位于测试车轮(1-2)正上方，将垂直荷载施加在荷载支架(1-9)上，荷载支架(1-9)与车轮圆心通过法兰(1-10)连接，同时在电动缸1(1-7)与荷载支架(1-9)连接处装设转向电机(1-3)与六维f/t传感器(1-4)，位移传感器(1-8)位于电动缸1(1-7)顶部，前进电机(1-5)与测试轮胎(1-2)一侧圆心相连，两者之间装设扭矩传感器(1-6)，单轮测试系统(1)整体固定在移动支架(1-1)中，通过移动支架(1-1)与传动系统(2)相连；所述电动缸1(1-7)可以通过液压实现竖向方向的位移，垂直荷载范围为：0-10kn，电动缸1(1-7)在抬起时通过拆卸荷载支架(1-9)与测试车轮的连接法兰(1-10)进行测试轮胎的更换；所述荷载支架(1-9)为十字形结构，连接电动缸侧为长方形平板其宽度与电动缸1(1-7)直径相等为30cm，两垂直板与轮胎轮毂圆心通过法兰(1-10)连接，垂直板长20cm，顶板长度40cm，在水平方向上前后装有圆弧结构的轮胎挡板(1-11)，通过移动把手(1-12)将圆弧轮胎挡板分为上下两层，当把手放下时，圆弧挡板底部(1-11)与轮胎圆心高度一致；
5、所述传动系统(2)包括传动电机(2-1)、同步带(2-2)、传动轮(2-3)、固定卡槽(2-4)、移动导轨(2-5)、移动卡槽(2-6)，其中传动电机(2-1)位于轮胎移动方向，通过旋转轴与传动轮(2-3)连接；四个传动轮(2-3)位于土槽(6)四个主支架(6-3)侧，两条同步带(2-2)位于土槽(6)长边侧，与土槽长度一致并与传动轮(2-3)连接，通过传动轮(2-3)的转动实现同步带(2-2)的移动；所述固定卡槽(2-4)与移动卡槽(2-6)焊接相连，位于移动支架(1-1)底部，固定卡槽(2-4)为长方体凹槽，同步带(2-2)穿过中空凹槽，通过螺丝与固定卡槽(2-4)凹槽盖片固定，移动卡槽(2-6)为长方体卡槽，其宽度与移动导轨(2-5)相等，移动卡槽(2-6)通过卡扣与移动导轨(2-5)相连，最终通过同步带(2-2)的移动带动移动支架(1-1)移动，从而控制测试轮胎(1-2)的滑转率；
6、所述土槽平整系统(3)通过固定支架(3-1)焊接单轮测试系统(1)的移动支架(1-1)，采用平板结构对实验土体进行平整，平板支架(3-3)通过电动缸2(3-2)与固定支架(3-1)连接；平整板(3-4)通过螺栓(3-6)与平整支架(3-3)连接，可实现平整板(3-4)与异型槽(3-5)的更换，电动缸2(3-2)通过上下移动调整平整板(3-4)角度，在单轮测试系统(1)进行测试时，抬高平整板(3-4)，在复位移动支架(1-1)时同步平整土体；所述土槽(6)采用四立柱式，高1m，长2m，宽0.8m，土壤厚度可达0.5m，土壤四面由长方体亚克力板(6-2)组成，其高度为0.6m，底部则是钢底板以保证土槽承压能力同时安设了六个钢结构立柱支架(6-1)，保证整个实验系统的水平及稳固运行，顶部两侧长边移动导轨(2-5)与四个支撑柱(6-3)同样为长方体钢结构；
7、所述粉尘监测系统(4)包括粉尘采集装置(4-1)、粉尘浓度传感器(4-2)、采样支架(4-3)、风扇(7)、高速摄像仪(4-4)以及拍摄支架(4-5)，其中所述采样支架(4-3)为长方体，高度与轮胎高度相等，宽度与土槽宽度相等，通过平板将采样支架(4-3)分为上下两层，采样支架(4-3)与移动支架(1-1)通过螺丝(4-7)连接；所述粉尘采集装置(4-1)与粉尘浓度传感器(4-2)放置于采样支架(4-3)上层对轮胎前进时产生的粉尘进行采样，可根据需要选择放置；所述高速摄像仪(4-4)一台位于轮胎轮毂测，一台可以放置于采样支架下层平台，从侧方与后方拍摄轮地接触产尘过程与车辙形成过程，侧方高速摄像仪(4-4)安设于扁平悬臂拍摄支架(4-5)，拍摄支架(4-5)顶部通过法兰与移动支架(1-1)悬梁连接，悬臂底部通过旋钮(4-6)与高速摄像机固定，方便调整前后拍摄位置；所述风扇(7)由转向电机(7-1)与扇叶(7-2)构成，位于传动电机(2-1)一侧，水平位置与轮胎圆心一致，为平台提供外部风流；土槽两侧长亚克力板(6-2)等距挖开三个孔槽以装设分布式光纤传感器(4-8)通过数据线与控制系统连接(5)；
8、所述控制系统(5)由控制箱(5-1)、工控机(5-2)、电脑(5-3)组成；前进电机(1-5)、传动电机(2-1)、电动缸1、2通过数据线与控制箱(5-1)连接，控制箱(5-1)通过处理工控机(5-2)传输的工况参数对垂直荷载、传动电机扭矩、轮胎速度进行调整；工控机(5-2)通过采集传输的扭矩参数、压力参数、应力应变参数等，再将各参数传至电脑(5-3)中的集成式测试软件将数据可视化。
9、进一步的，所述的亚克力板(6-2)在各面上在沿横向方向按固定距离布置开孔，开孔直径最大为2cm，光纤分布传感器数据线通过开孔连接至工控机(5本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种轮地耦合作用产尘试验系统及方法，包括单轮测试系统(1)、传动系统(2)、土槽平整系统(3)、粉尘监测系统(4)、控制系统(5)以及土槽(6)；其特征在于：所述单轮测试系统(1)包括测试车轮(1-2)、转向电机(1-3)、六维F/T传感器(1-4)、前进电机(1-5)、扭矩传感器(1-6)、电动缸1(1-7)、位移传感器(1-8)、荷载支架(1-9)；其中电动缸1(1-7)位于测试车轮(1-2)正上方，将垂直荷载施加在荷载支架(1-9)上，荷载支架(1-9)与车轮圆心通过法兰(1-10)连接，同时在电动缸1(1-7)与荷载支架(1-9)连接处装设转向电机(1-3)与六维F/T传感器(1-4)，位移传感器(1-8)位于电动缸1(1-7)顶部，前进电机(1-5)与测试轮胎(1-2)一侧圆心相连，两者之间装设扭矩传感器(1-6)，单轮测试系统(1)整体固定在移动支架(1-1)中，通过移动支架(1-1)与传动系统(2)相连；所述电动缸1(1-7)可以通过液压实现竖向方向的位移，垂直荷载范围为：0-10KN，电动缸1(1-7)在抬起时通过拆卸荷载支架(1-9)与测试车轮的连接法兰(1
2.根据权利要求1所述的一种轮地耦合作用产尘试验系统及方法，其特征在于：所述固定支架(3-1)位于移动支架中部悬梁，通过法兰与电动缸2(3-2)一侧连接，电动缸2(3-2)另一侧与平整支架(3-3)通过柱状圆环连接；所述平整板(3-4)长度与土槽宽度一致，能完全覆盖土槽顶部，平整支架(3-3)前部开有螺孔(3-6)，可装设异型槽(3-5)以改变实验土壤表面平整度。
3.根据权利要求1所述的一种轮地耦合作用产尘试验系统及方法，其特征在于：所述高速摄像仪(4-4)分辨率达1280×1024，最高采集速度达100000fps，最小曝光时间100ns，拍摄区域根据需要可调整，但主体应将轮地接触点包含在内；所述风扇(7)位于传动电机(2-1)一侧，最高风速为15m/s，通过数据线与工控机连接，方便进行数字化控制；拍摄的图片直接传输至电脑，可通过Matlab软件对图像进行后处理，突出显示粉尘、车辙、轮地作用接触角变化，其中轮地作用接触角计算公式为：
4.根据权利要求1所述的一种轮地耦合作用产尘试验系统及方法，其特征在于：所述粉尘监测系统(4)具有优秀拓展性，采样支架(4-3)可进行拆卸，同时将外部分析装置如：PIV、PDPA等，通过螺丝将激光发生器等采样装置装设在移动支架上，实现粉尘速度、运移的三维尺度测量。
5.根据权利要求1所述的一种轮地耦合作用产尘试验系统及方法，其特征在于：所述工控机(5-2)采用DSP数字控制主控芯片，集测量、控制、传输功能于一体，采用神经元自适应PID控制算法，实现实验参数的全数字控制，采用8路24bi高精准数据采集通道，采集数据更加准确、稳定、可靠，控制箱(5-1)增加了外部手动控制单元，通过控制箱(5-1)LED显示屏以及旋钮可以手动对各工况参数进行调整。
6.根据权利要求1所述的一种轮地耦合作用产尘试验系统及方法，其特征在于：所述集成式测试软件通过与数据线连接工控机(5-2)，可在电脑上对工况参数、实验操作步骤进行调整，基于SED技术与神经元自适应控制算法，通过预设操作步骤实现平台的全数字化控制；同时对实验过程中的数据实现实时显示并自动进行可视化处理，实现了时间-位移、时间-负荷等多种试验曲线的实时显示，其所用轮地相互作用力学基本模型为：
7.根据权利要求1-5所述的一种轮地耦合作用产尘试验系统的使用方法，其特征在于：所述测...
【技术特征摘要】
1.一种轮地耦合作用产尘试验系统及方法，包括单轮测试系统(1)、传动系统(2)、土槽平整系统(3)、粉尘监测系统(4)、控制系统(5)以及土槽(6)；其特征在于：所述单轮测试系统(1)包括测试车轮(1-2)、转向电机(1-3)、六维f/t传感器(1-4)、前进电机(1-5)、扭矩传感器(1-6)、电动缸1(1-7)、位移传感器(1-8)、荷载支架(1-9)；其中电动缸1(1-7)位于测试车轮(1-2)正上方，将垂直荷载施加在荷载支架(1-9)上，荷载支架(1-9)与车轮圆心通过法兰(1-10)连接，同时在电动缸1(1-7)与荷载支架(1-9)连接处装设转向电机(1-3)与六维f/t传感器(1-4)，位移传感器(1-8)位于电动缸1(1-7)顶部，前进电机(1-5)与测试轮胎(1-2)一侧圆心相连，两者之间装设扭矩传感器(1-6)，单轮测试系统(1)整体固定在移动支架(1-1)中，通过移动支架(1-1)与传动系统(2)相连；所述电动缸1(1-7)可以通过液压实现竖向方向的位移，垂直荷载范围为：0-10kn，电动缸1(1-7)在抬起时通过拆卸荷载支架(1-9)与测试车轮的连接法兰(1-10)进行测试轮胎的更换；所述荷载支架(1-9)为十字形结构，连接电动缸侧为长方形平板其宽度与电动缸1(1-7)直径相等为30cm，两垂直板与轮胎轮毂圆心通过法兰(1-10)连接，垂直板长20cm，顶板长度40cm，在水平方向上前后装有圆弧结构的轮胎挡板(1-11)，通过移动把手(1-12)将圆弧轮胎挡板分为上下两层，当把手放下时，圆弧挡板底部(1-11)与轮胎圆心高度一致；所述转向电机(1-3)为管柱式，在电动缸1(1-7)抬起时，转向电机(1-3)通过荷载支架(1-9)上部齿轮控制轮胎方向；所述六维f/t传感器(1-4)位于电动缸1(1-7)下方，通过齿轮与转向电机(1-3)连接并与控制系统(5)通过传输线连接，实现荷载数据的实时传输；所述前进电机(1-5)最高可达1500r/min，使车轮前进速度最高可达10km/h，所述扭矩传感器(1-6)采用非旋转扭矩测量，通过数据线与数据采集系统连接，实时传输扭矩数据；所述位移传感器(1-8)位于电动缸1(1-7)顶部，与数据记录系统通过数据线连接，实时记录测试轮胎在垂直方向的位移量。
2.根据权利要求1所述的一种轮地耦合作用产尘试验系统及方法，其特征在于：所述固定支架(3-1)位于移动支架中部悬梁，通过法兰与电动缸2(3-2)一侧连接，电动缸2(3-2)另一侧与平整支架(3-3)通过柱状圆环连接；所述平整板(3-4)长度与土槽宽度一致，能完全覆盖土槽顶部，平整支架(3-3)前部开有螺孔(3-6)，可装设异型槽(3-5)以改变实验土壤表面平整度。
3.根据权利要求1所述的一种轮地耦合作用产尘试验...
【专利技术属性】
技术研发人员：王和堂，韩涵，谭江龙，王豪杰，王儒杰，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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