路面微波除冰模拟试验设备及试验方法

技术领域

本发明涉及道路微波除冰技术领域，具体涉及一种路面微波除冰模拟试验设备及试验方法。

背景技术

传统的路面除冰方法主要是使用化学药剂和机械除冰，这些方法不仅存在环境污染和道路损坏等问题，而且对行车安全影响较大。采用微波除冰技术，可以快速高效地去除道路结冰，提高路面通行能力和交通安全。并且微波除冰具有操作简便、无污染等优点。因此，设计路面微波除冰试验设备十分重要。通过该设备可以进一步提高微波除冰技术的成熟度，使其能够广泛应用于实际道路冰雪天气的除冰工作中，为道路交通的安全和畅通做出贡献。

路面结冰在冬季是交通运输领域的一大难题，传统除冰方法存在环境污染、能源消耗大、除冰效率低等问题。为了实现冬季路面结冰快速清除的问题，研究者们开始关注微波除冰技术。该技术能够利用微波能量将路面表层加热，从而实现冰层-路面接触面融化，降低冻黏力使冰层从路面脱离。申请人前期申请的专利号为201911340716.5，专利名称为一种道路微波除冰路冰分离计时监测设备及方法中，公开了在使用时将试件与冰层冻结为一体，微波加热的同时开启计时器，微波加热过程中试件与冰层接触面冻黏力逐渐减小，当冻黏力小于弹簧的水平加载力时，冰层将被整体推移，直至冰层与触碰报警装置接触发声后，通过计时器记录微波加热至报警发声的时间，即为微波除冰路冰分离最佳时间。该专利突破了原有设备无法测定除冰最佳时间的瓶颈，随着不断研究发现，目前现有的路面微波除冰模拟设备均与实际道路微波除冰形式存在一定差异，导致试验所得成果与实际情况不吻合。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种路面微波除冰模拟试验设备，能更真实的模拟路面微波除冰设备在除冰过程中冰层与路面分离问题。

本发明提供了一种路面微波除冰模拟试验设备，包括弹性推动件、触碰式报警装置和模拟试件，其特征在于，所述模拟试件包括第一段、试验段和第二段，所述第一段和第二段对称设置，所述试验段位于所述第一段和第二段之间，第一段、试验段和第二段自下而上均依次包括路面试件以及冰层，所述弹性推动件和触碰式报警装置分别位于所述试验段的两侧且与冰层位置对应，所述弹性推动件上设有插片，所述插片能沿路面试件的上表面穿入加热分离后的冰层与所述路面试件之间且与触碰式报警装置接触。

较佳地，所述试验段与第一段和第二段可拆卸连接，所述试验段与第一段和第二段上的冰层一体成型。

较佳地，所述试验段的数量为多个，多个试验段可拆卸连接，且位于两端的试验段还分别与所述第一段和第二段可拆卸连接。

较佳地，还包括模拟试件承载座；所述第一段、试验段和第二段均位于所述模拟试件承载座上，所述第一段和第二段均为燕尾结构，且对称分布与所述试验段的两侧，模拟试件承载座上设有与所述第一段和第二段形状匹配的限位件，所述第一段和第二段位于所述限位件内。

较佳地，所述弹性推动件包括至少一个套筒，各套筒内均沿水平方向固定在安装支架上，套筒内设有推板，推板与安装支架之间通过弹簧连接，插片固定在推板的另一侧。

较佳地，所述套筒为多个，各套筒内的弹簧和插片之间均设有压力传感器，所述压力传感器与数据存储单元信号连接。

较佳地，还包括微波设备承载架，所述微波设备承载架的中部预留开口，所述开口与所述试验段正对；所述微波设备承载架包括底座、承载台以及升降柱，所述承载台位于所述底座的上方，所述模拟试件承载座设于所述底座上，所述承载台包括四个带缺口的承载板，所述四个带缺口的承载板通过伸缩件首尾相接形成中部具有开口的平台；所述承载板还上设有用于限制微波设备位移的限位块，各承载板均通过升降柱与底座连接。

较佳地，所述路面试件和冰层的接触面上设有多个温度采集单元，所述温度采集单元信号连接有控制中心，所述多个温度采集单元用于采集试验过程中路面试件和冰层接触面的温度。

较佳地，所述模拟试件承载座包括高度可调的支撑柱和承载盘，所述支撑柱的下端固定在底座上，所述承载盘和高度可调的支撑柱的顶部还设有角度调节组件。

本发明还公开了上述一种路面微波除冰模拟试验设备的试验方法，以微波加热设备开始加热时计时，随着加热的进行，所述插片穿过冰水混合层与触碰式报警装置接触并发出报警声后结束计时，该计时时间段作为微波加热后冰层与路面分离所需时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的路面微波除冰模拟试验设备在使用时能够尽可能的还原实际路面情况。突破了原有微波除冰设备中试验与实际情况不相符的技术瓶颈，更准确的测得微波除冰效率。

本发明通过对模拟试件结构的优化，将试验段设置在第一段和第二段之间，第一段和第二段不仅作为模拟试件与模拟试件承载座的连接部位，保证整个模拟试件在试验过程中的稳定性，还能够模拟微波照射区域外的路面及其上的冰层；本发明中第一段、第二段以及试验段的冰层是一体成型的冰层，用来模拟大面积冰层在接受微波照射后与路面发生分离的真实情形，使得试验设备模拟的冰层与路面的分离更符合实际情况，同时本发明通过测定插片贯穿冰层与路面的界面处冰水混合物层的时间，能够使测定的冰层与路面的分离时间不受冰层自身重量等外在因素的影响，更准确的反应微波照射条件下冰层与路面的分离情况，也使得冰层与路面分离时间的测定更准确。

本发明模拟试验设备能满足试件结构、材料、冰层厚度、微波功率、风雨条件、路面坡度等各种情况下的试验研究，能够通过试验室环境还原实际路面影响微波除冰效率的各种因素，测定实际路面微波除冰效率受到的各种因素的影响程度。本发明模拟试验设备不仅能够考虑微波源的稳定性和功率输出，还能够考虑微波功率、波导口距离、路面结构以及环境因素等条件下的微波除冰效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明模拟试件的结构示意图；

图4为本发明模拟试件与弹性推动件及触碰式报警装置的位置示意图；

图5为本发明弹性推动件的结构示意图。

附图标记说明：

1.模拟试件承载座，101.支撑柱，102.承载盘，2.弹性推动件，21.套筒，22.推板，23.弹簧，24.插片，3.触碰式报警装置，4.模拟试件，41.第一段，42.试验段，43.第二段，5.微波设备承载架，51.底座，52.承载台，521.承载板，522.伸缩件，523.限位块，53.升降柱，6.路面试件，7.冰层，9.限位件，10.开口，11.滑移挡板，12.安装支架。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

本实施例是基于前期研究，为了使路面微波除冰模拟设备与实际道路微波除冰形式更贴近，以便于更真实的模拟实际情况，避免试验成果与实际情况不吻合的情况出现。

发明人研究发现，路面结冰面积往往很大，而在实际操作中，路面微波除冰设备的作用范围有限，也就是说该有限范围内的冰层与路面在分离过程中还会受到微波照射冰层外周未被微波照射部分冰层的作用力。同时现有的用于测定除冰最佳时间的试验设备、试验试件都是小面积的冰层试样，检测冰层与试件分离的时间是以整个冰层与试件分离的时间，实际上该时间也会受到其他因素的影响，导致测定的时间与实际情况并不完全吻合，例如，在斜坡面上，当冰层质量越大，随着微波加热的进行，冰层与路面的冻黏力减小，在重力作用与弹性推板的双重作用下，冰层与路面发生相对位移，且冰层质量越大，则重力越大，沿斜坡下滑的速度越快，用时越少，而在水平路段，冰层质量越大，则在固定弹簧复位时的反作用下与用时越长，因此对于路面试件的结构和材质相同而冰层质量不同的情况，冰层从加热至触碰报警器的时间并不能真实反应微波照射后冰层与路面实际的分离情况，因此本实施例对试验设备进行了再次优化，提高了试验结果与实际情况的吻合度。

参照图1和图2，本实施例提供的一种路面微波除冰模拟试验设备，包括弹性推动件2、触碰式报警装置3和模拟试件4，所述模拟试件4固定于所述模拟试件承载座1上，所述弹性推动件2和触碰式报警装置3分别位于所述模拟试件4相对的两侧，本实施例对模拟试件4进行了优化，参照图3和图4，本实施例的模拟试件4包括第一段41、试验段42和第二段43，所述第一段41和第二段43对称设置，所述试验段42位于所述第一段41和第二段43之间，第一段41、试验段42和第二段43自下而上均依次包括路面试件6以及冰层7，且所述试验段42与第一段41和第二段43上的冰层7一体成型，本实施例中的模拟试件4中的第一段41和第二段43能够模拟非微波照射区域的路面及其上的冰层，且第一段41和第二段43与试验段42的冰层为一体成型的。试验时仅对试验段42的区域进行加热即可；

本实施例的所述弹性推动件2和触碰式报警装置3分别位于所述试验段42的两侧且与冰层7位置对应，所述弹性推动件2上设有插片24，所述插片24能沿路面试件6的上表面穿入加热分离后的冰层7与所述路面试件6之间且与触碰式报警装置3接触。本实施例中以微波加热设备开始加热时计时，随着微波加热的进行，所述插片24穿过冰水混合层与触碰式报警装置3接触后结束计时，该时间段作为微波加热后冰层与路面分离所需时间。由于在微波加热过程中，通过路面层吸热使得路面与冰层之间的冰受热后逐渐融化，因此路面与冰层的界面处会由固体冰向并会混合物转化，而插片24能够随着冰的融化穿过冰层与路面之间的冰水混合区域与触碰式报警装置3接触并产生报警，该过程中，冰层7因受到两侧未照射区域的冰层的牵引而悬空，本实施例中插片24的移动能够更真实的反应冰层与路面分离情况，因此以插片24的移动贯穿冰层与路面界面层的时间作为反映冰层与路面分离时间的参考能够使得试验结果与真实情况更吻合。

作为另一优选实施例，本实施例的所述试验段42与第一段41和第二段43的路面试件6可拆卸连接，所述冰层7覆盖于可拆卸连接后的各段路面试件6的上方，也就是说本实施例中的第一段41和第二段43与试验段42的路面试件6可以是三个独立的个体，试验时，可以通过更换试验段42的方式，实现不同材料的路面试件与冰层在微波加热后的分离情况研究，更具体的，作为示例，可以将第一段41和第二段43与试验段42拼接好后，对其接缝部分进行密封处理后置于适合的模具中，并注入适量的水，以使第一段41和第二段43与试验段42的表面形成一体的具有一定厚度的冰层。

作为另一示例，本实施例中所述试验段42的数量为多个，多个试验段42可拆卸连接，且位于两端的试验段42还分别与所述第一段41和第二段43可拆卸连接，作为示例，在试验段42的两端分别设置纵向燕尾槽和纵向燕尾滑块，且相邻试验段42间能够通过纵向燕尾槽和纵向燕尾滑块实现可拆卸连接；用于同时对多个不同试验段进行同步试验，不仅能够提高试验效率，更重要的是能够实时观测不同试验段在相同微波加热条件下的冰层与路面的分离情况。作为更优选的方式，可以在微波设备承载架5上设置图像采集单元或摄像单元，用于对试验过程中的实时情况进行记录，以便后期研究。

作为优选实施例，还包括模拟试件承载座1；所述第一段41、试验段42和第二段43均位于所述模拟试件承载座1上，第一段41和第二段43为燕尾结构，所述模拟试件承载座1上设有与所述第一段41和第二段43形状匹配的限位件9，所述第一段41和第二段43位于所述限位件9内，本实施例的第一段41和第二段43为燕尾结构可以更好的与模拟试件承载座1上的限位件9形成限位配合，避免试验过程中模拟试件4的滑移导致插片24贯穿冰层与路面界面层的时间受到影响。

参照图5，本实施例的所述弹性推动件2包括至少一个套筒21，各套筒21内均沿水平方向，套筒21内设有推板22，推板22与安装支架12之间通过弹簧23连接，插片24固定在推板22的另一侧，安装支架12固定在模拟试件承载座1或底座51上。试验前，弹簧23处于压缩状态，当微波照射使得冰层与路面界面层的冰融化，推板22能够在弹簧23的恢复作用下带动插片24向冰层与路面的界面层插入，套筒21能起到限位作用，对插片24的运动方向形成导向，插片24随着冰的融化不断向前推进，直至穿透试验段42后与触碰式报警装置3接触并触发触碰式报警装置3报警。插片24的长度以满足完成贯穿试验段42的宽度方向即可。

作为优选方式，本实施例插片24和触碰式报警装置3的高度可调，以方便在不同试验情况下调整至最佳位置，具体的可以将安装支架12设计为高度可调的结构，插片24可以是多个，能够反映不同区域的情况，作为优选方式，为了消除插片24对热量传递的影响，插片24的导热系数与路面试件的导热系数相近，作为另一优选方式，触碰式报警装置3的位置可调，能够远离或靠近模拟试件4，在方便进行计时的基础上方便模拟试件4的拆装。

作为优选实施例，所述套筒21为多个，各套筒21内的弹簧23和插片24之间均设有压力传感器，所述压力传感器与数据存储单元信号连接，比如压力传感器可以连接计算机，实时显示压力变化并存储压力监测数据。通过检测插片24在穿过冰层与路面界面层的过程中瘫痪23的压力变化来研究多个细分位置处冰层的融化情况。

参照图1和图2，本实施例增设了微波设备承载架5，所述微波设备承载架5的中部预留开口10，所述开口10与所述试验段42正对，本实施例的微波设备承载架5包括底座51、承载台52以及升降柱53，所述承载台52位于所述底座51的上方，所述模拟试件承载座1设于所述底座51上，本实施例中，承载台52可以跟随升降柱53进行高度调节，本实施例的升降柱53可以是任何一种可以实现高度调节功能的升降结构，比如液压升降柱，电动升降柱或人工调节的升降柱等，所述承载台52包括四个带缺口的承载板521，所述四个带缺口的承载板521通过伸缩件522首尾相接形成中部具有开口10的平台，开口10的形状不限于矩形，也可以是圆形或椭圆形等，其大小以满足作为波导散发口实现对试件的照射目的即可；作为示例，所述开口10上设有用于调节开口10大小的滑移挡板11。所述承载板521还上设有用于限制微波设备位移的限位块523，限位块523也可以替换为其他能够实现微波设备与承载板521固定的构件，比如微波设备与承载板521采用螺栓连接的方式，或者其他卡设的方式，本实施例的限位块523设计在微波设备四周，是结构简单，成本较低的方式之一，各承载板521均通过升降柱53与底座51连接，且承载板521与升降柱53顶部通过万向球头连接，能够满足在升降柱53升高时，承载板521与升降柱53之间的夹角变化，同时伸缩件522与承载板521的连接端采用铰接的方式，使得伸缩件522能够适应承载板521的坡度变化。由于本实施例中各承载板521可以通过各自下方连接的升降柱53进行调节，因此可以在测试过程中，通过调节微波设备承载架的升降柱53改变承载板521的横坡、纵坡，以此来改变微波照射冰层7时的角度。

作为优选方式，微波设备承载架5上还可以设置喷水喷雾装置以及小型鼓风机通过橡胶导管作为水流或水雾的传播通道将水或水雾输送至喷头，喷头固定在微波设备承载架5或模拟试件承载座1上，且位于拟试件4的上方，用于在微波除冰过程中打开喷水喷雾装置以及小型鼓风机，模拟不同环境条件下微波除冰的效率。

作为优选方式，所述路面试件6和冰层7的接触面上设有多个温度采集单元，所述多个温度采集单元用于采集试验过程中路面试件6和冰层7接触面的温度。能够实时检测路面与冰层界面处的温度变化，以便于为后期的研究提供依据。温度采集单元可以是热电偶，温度传感器等能够检测温度的器件，可以是在试件制作时预埋进去，为了不影响弹出插片的运动，温度采集单元的顶面与路面平齐或预埋在距离路面上表面1-5mm处，也能够较为准确的反应界面温度变化。作为优选方式，所述路面试件14自上而下设有多个温度采集单元，上下相邻的温度采集单元的间距为5-10mm。用于监测在微波加热过程热量的传输深度，以便于通过对路面的结构及材料进行调整优化，使得热量集中于路面层，能够更有利于冰层与路面的高效分离。

所述模拟试件承载座1包括高度可调的支撑柱101和承载盘102，所述支撑柱的下端固定在底座51上，所述承载盘102和高度可调的支撑柱的顶部还设有角度调节组件。具体的，角度调节组件为设置在高度可调的支撑柱101和承载盘102之间的万向球头，且万向球头外侧还设有用于对万向球头进行位置锁定的锁紧件，使得承载盘102能够调整并固定在不同角度。通过调节模拟试件承载座1的高度，改变微波波导口距离冰层7的距离，通过调节承载盘与地面的角度，可以模拟坡面路段的冰层与路面在微波加热过程中的分离情况。需要说明的是，作为优选方式安装支架12设置在承载盘102上，或者能够进行角度调整，以使得插片24的平面能够与冰层与路面界面层的平面正对且平行。

本发明还提供了上述路面微波除冰模拟试验设备的试验方法，是以微波加热设备开始加热时计时，随着加热的进行，所述插片穿过冰水混合层与触碰式报警装置3接触并发出报警声后结束计时，该计时时间段作为微波加热后冰层与路面分离所需时间。

通过本实施例的上述装置及方法能够从试验室内得到除冰效率，其中包含九种常见变量：冰层结构、屏蔽方式、微波功率、波导口距离、初始温度、冰层厚度、风雨环境、路面坡度；

进一步采用仿真模拟软件，同时模拟模型材料属性、电磁感应加热以及风、雨等环境因素，建立多因素的有限元分析模型；

通过试验结果对模型进行修正，分别对比试验结果与模拟结果，调整模型参数，最终确定模型；

最后通过得到的模型，能够对试验室难以实现的环境条件进行模拟，例如不同海拔高度条件下的除冰效率(变量主要包括大气压强、空气密度等)，并通过模拟得到综合条件下的不同大气压强路面除冰效率修正系数；

综合除冰效率海拔高度修正系数

因此，基于本实施例的试验装置及试验方法并结合有限元分析模型，能够对试验室难以实现的环境条件进行真实模拟。

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。