本实用新型涉及道路工程材料性能检测设备领域，具体涉及一种风积沙路面颗粒运动状态观测系统。
背景技术：
路面和轮胎间污染介质的存在会影响行车舒适性和安全性，目前对路面与轮胎间存在污染物时，抗滑性能的研究主要集中在雨水、冰雪等情况，较少考虑到风积沙颗粒覆盖路面的行车安全性问题。在合理选择面层材料、级配、机械操作、施工水平的条件下，路面石料间的间隙一般会形成水平方向0.5-50mm，垂直方向0.2-10mm大小的凹凸，常被称为构造深度td。在附着介质影响下，路面宏观构造被填充而导致构造深度和表面形貌的缺失，且在轮胎与路面间的污染物数量越多，胎-路实际接触面积越小，抗滑性能越差。已有研究将积水条件下的胎-路接触区域分为完全上浮区、不完全接触区、完全接触区，且充分研究了宏观构造对路表排水和高、低速状态下水流运动状态的影响。因此，为了克服现有试验仪器对积沙路面胎-沙-路实际接触与颗粒运动状态考虑不周的现状，开发出一种直观表现不同车速和积沙密度下路面颗粒的运动状态以及相应抗滑性能衰减趋势的装置显得尤为重要。
技术实现要素：
为解决以上问题，本实用新型提供一种风积沙路面颗粒运动状态观测系统，该系统结构简单，易操作实施，通过改变转盘的初始转速和风积沙密度，使用高速摄像机观测所标记风积沙颗粒在不同转盘初始速度和风积沙密度下的迁移、运动状态，利用线速度传感器和扭矩传感器获取的信息通过计算机处理得到不同风积沙密度下路面摩擦系数值的变化趋势，为观测积沙路面下颗粒的运动状态提供了新的研究方向，对探究积沙路面下胎-沙-路实际接触状态与积沙运动模式具有重要意义。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以解决。
一种风积沙路面颗粒运动状态观测系统，包括底板和计算机；其中，所述底板的底部四角对称安装有支撑腿；所述底板的上方设置有升降板，所述底板上安装有升降装置，所述升降装置用于驱动所述升降板上下移动；
所述升降板上分别固定有调频控制器和电机，所述调频控制器的信号输出端与所述电机的信号输入端电连接；所述调频控制器通过无线网与所述计算机连接；
所述电机的输出轴上竖向连接有旋转轴，所述旋转轴的下端穿过所述底板并从上往下依次设置有飞轮和转盘；所述转盘的底部通过弹簧片周向均匀安装有多个橡胶块；
所述旋转轴上分别设置有线速度传感器、转速度传感器和扭矩传感器，所述线速度传感器、转速度传感器和扭矩传感器分别通过无线网与所述计算机连接。
作为优选的，还包括摄像机，所述摄像机分别设置于所述底板的四周，所述摄像机用于观察并记录不同转盘初始转速、风积沙密度下风积沙的迁移、运动状态。
作为优选的，所述橡胶块的尺寸为3cm×3cm×2cm。
作为优选的，升降装置为电动推杆；所述电动推杆对称安装在所述底板上，所述电动推杆的伸缩杆的上端与所述升降板水平固定连接。
作为优选的，所述线速度传感器用于获取所述旋转轴竖向下落的速度信息，并将获取的旋转轴竖向下落的速度信息传递给计算机；所述扭矩传感器用于获取扭矩值信息，并将获取的扭矩值信息传递给计算机；所述计算机根据线速度传感器和扭矩传感器获取的信息计算得到橡胶块与风积沙颗粒间的摩擦系数。
作为优选的，所述转速度传感器用于获取所述转盘实时转速信息。
作为优选的，所述飞轮和转盘之间连接有弹簧。
作为优选的，所述底板上设置有弹簧阻尼器。
作为优选的，还包括车辙板，所述车辙板位于所述底板的支撑腿下方；所述车辙板上放置有不同密度的风积沙，所述风积沙上标记有颜色。
作为优选的，还包括存储器，所述线速度传感器、转速度传感器和扭矩传感器的信号输出端分别与所述存储器的信号输入端电连接。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
(1)本实用新型的风积沙路面颗粒运动状态观测系统结构简单、操作方便、直观清晰，具有可重复操作性、稳定性和准确性；通过计算机软件可改变调频控制器的工作状态，调频控制器可对电机转速进行精确控制，电机带动旋转轴进行定速转动，并能在转盘上模拟出不同的初始转速；风积沙的密度可以人为调整控制，可在实验室模拟出不同转盘初始速度、不同风积沙密度这两个变量，通过线速度传感器、扭矩传感器采集旋转轴竖向下落的速度信息和扭矩值信息，经计算机处理得到不同转盘初始转速、风积沙密度下路面摩擦系数值变化趋势，为观测积沙路面下颗粒的运动状态提供了新的研究方向，对探究积沙路面下胎-沙-路实际接触状态与积沙运动模式具有重要意义。
(2)通过在底板的底部四角安装支撑腿，使摄像机有开阔视角以保证记录的精确性。橡胶块的尺寸为3cm×3cm×2cm，可以避免橡胶块在装置运行过程中自身产生扭转剪切变形；且对橡胶块尺寸的设计以及对风积沙密度进行染色处理，可以方便通过高速摄像机记录不同转盘初始转速和风积沙密度下风积沙颗粒的迁移、运动状态，后期经计算机处理可提高观测精度，摄像机观测操作方便，直观清晰，克服现有试验仪器对风积沙路面胎-沙-路实际接触状态与积沙运动模式考虑不周的情况。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
图1是本实用新型的风积沙路面颗粒运动状态观测系统的结构示意图；
图2是图1的仰视图。
在以上图中：1底板；101支撑腿；2计算机；3升降板；4电动推杆；5电机；6调频控制器；7旋转轴；8飞轮；9转盘；901橡胶块；902弹簧片；10线速度传感器；11转速度传感器；12扭矩传感器；13摄像机；14车辙板；15风积沙；16存储器；17无线串口模块；18弹簧；19弹簧阻尼器。
具体实施方式
参考图1-2，根据本实用新型的内容的实施例所提出的一种风积沙路面颗粒运动状态观测系统，包括底板1和计算机2；其中，所述底板1的底部四角对称安装有支撑腿101；所述底板1的上方设置有升降板3，所述底板1上安装有升降装置，所述升降装置用于驱动所述升降板3上下移动；所述升降板3上分别固定有调频控制器6和电机5，所述调频控制器6的信号输出端与所述电机5的信号输入端电连接；所述调频控制器6通过无线网与所述计算机2连接；所述电机5的输出轴上竖向连接有旋转轴7，所述旋转轴7的下端穿过所述底板1并从上往下依次设置有飞轮8和转盘9；所述转盘9的底部通过弹簧片902周向均匀安装有多个橡胶块901；所述旋转轴7上分别设置有线速度传感器10、转速度传感器11和扭矩传感器12，所述线速度传感器10、转速度传感器11和扭矩传感器12分别通过无线网与所述计算机2连接。
在以上实施例中，底板1的底部四角对称安装有四根不锈钢支撑腿101，采用本实用新型的风积沙路面颗粒运动状态观测系统进行试验时，可将支撑腿101放置在铺设有风积沙15的实际路面上或者车辙板14上进行试验，铺设的风积沙15的密度可为0.25kg/m2、0.5kg/m2、0.75kg/m2、1kg/m2等，可根据实际需求对风积沙15的密度进行人为调整。线速度传感器10、转速度传感器11和扭矩传感器12获取的信息可直接传递给计算机2，也可先传递给存储器16储存起来，存储器16再通过无线串口模块17与计算机2连接，通过计算机2对获取的信息进行处理。调频控制器6通过导线与无线串口模块17连接，无线串口模块17外部通过无线网与计算机2连接；计算机2通过无线网控制调频控制器6的工作状态，实现调频控制器6对电机5转速的精确控制，电机5的输出轴通过联轴器与旋转轴7固定连接，电机5带动旋转轴7进行定速转动(旋转轴7用于模拟车辆的传动轴)，从而带动与旋转轴7固定连接的飞轮8和转盘9按照设定的转速进行转动(飞轮8和转盘9用于模拟实际车轮的转动)，能在转盘9上模拟出不同转盘初始转速v，具体如下：
其中，v为转盘初始转速，km/h；f为调频控制器频率，hz；l为以转轴至橡胶块距离为半径的圆周长，m；p为电机极对数；s为转差率。转盘初始转速v由调频控制器调节，并可通过旋转轴7上安装的转速度传感器11获取转盘实时转速信息。
转盘9的初始转速可设置为4档，分别为20km/h、30km/h、40km/h、50km/h；当转盘9的转速达到设定初始转速时，电机5停止工作；升降装置驱动升降板3向下移动，带动旋转轴7以及飞轮8、转盘9和橡胶块901向下移动，使橡胶块901与路面上的风积沙15或者与车辙板14上的风积沙15接触，此刻线速度传感器10和扭矩传感器12分别实时采集旋转轴7竖向下落的速度信息和扭矩值信息，同时升降装置停止工作，由于橡胶块901与路面或车辙板14摩擦力的作用，转盘9逐渐减速，最终停止工作，线速度传感器10和扭矩传感器12停止数据采集。线速度传感器10和扭矩传感器12采集的信息传递给存储器16储存起来，存储器16将获取的信息传递给计算机2，计算机2根据线速度传感器10和扭矩传感器12获取的信息计算得到橡胶块901与风积沙15颗粒间的摩擦系数μ，具体如下：
其中，m为扭矩传感器采集的扭矩值，n·m；m为升降板及飞轮、转盘、橡胶块、弹簧片等下落主体的质量，kg；l为以旋转轴至橡胶块距离为半径的圆周长，m；
本实用新型的风积沙路面颗粒运动状态观测系统中，通过调频控制器6可对电机5转速进行精确控制，并且可控制车辙板14上风积沙15颗粒的密度，故可在实验室模拟出不同转盘初始速度、不同风积沙密度这两个变量。在风积沙15等附着介质的影响下，路面宏观构造被填充而导致构造深度和表面形貌的缺失，且在轮胎与路面之间风积沙15颗粒密度越大，胎-路二者接触会逐渐变为胎-沙-路三者接触。转盘9带动橡胶块901下落时，橡胶块901会与风积沙15颗粒发生动摩擦，直至最后达到静摩擦值而停止转动。颗粒在动摩擦的作用下会发生嵌挤、压密、剪切、变形、破碎等力学行为。随着风积沙密度和转盘初始速度的增加，颗粒因受剪而发生迁移、弹射的概率增加。通过扭矩传感器12和线速度传感器10采集数据，经计算机2处理得到不同转盘初始速度、风积沙密度下路面的摩擦系数；然后在坐标图上分别以转盘实时转速和摩擦系数为x、y坐标，描点连线即可得到不同转盘初始转速、风积沙密度下路面摩擦系数值的变化趋势，有利于了解其抗滑性能衰减规律，进一步丰富试验结果。
参考图1，根据本实用新型的一个实施例，还包括摄像机13，所述摄像机13分别设置于所述底板1的四周，所述摄像机13用于观察并记录不同转盘初始转速、风积沙密度下风积沙15的迁移、运动状态。
在以上实施例中，底板1底部四角焊接有不锈钢支撑腿101，使摄像机13有开阔视角以保证记录的精确性。摄像机13采用四台高速摄像机13，四台高速摄像机13分别与计算机2连接。高速摄影机帧率固定在60帧/秒，有效像素为100万，最大分辨率为1280×960，大小为12μm×12μm，像素位深度为12bit，曝光时间为0.0184ms，曝光方式为帧曝光，传感器类型为cmos传感器，彩色成像。在距离车辙板14四边待测区域30cm处设有四台上述高速摄像机13，镜头高度为6cm，可通过usb数据线与计算机2连接传输拍摄数据，经premierecc处理可导出单帧图像，以便精确观测某时刻所标记颗粒的位置及运动趋势，进一步地，可框定时间区间进行连续观测和追踪，最终得到不同转盘初始转速和风积沙密度下橡胶块901与风积沙15颗粒相互接触作用时风积沙15颗粒的迁移、运动状态。
参考图2，根据本实用新型的一个实施例，所述橡胶块901的尺寸为3cm×3cm×2cm。
在以上实施例中，现有的橡胶块的尺寸一般为2cm×2cm×1cm，厚度较薄，不便于通过摄像机观察橡胶块与风积沙相互接触作用时风积沙的迁移、运动状态。为避免橡胶块901在装置运行过程中自身产生扭转剪切变形，定做三个尺寸为3cm×3cm×2cm橡胶块901，邵氏硬度为65，通过弹簧片902与转盘9相连，两两之间圆心角为120°；且采用本实用新型的橡胶块的尺寸，便于通过摄像机观察橡胶块901与风积沙15颗粒相互接触作用时风积沙15颗粒的迁移、运动状态。
参考图1，根据本实用新型的一个实施例，所述升降装置为电动推杆4；所述电动推杆4对称安装在所述底板1上，所述电动推杆4的伸缩杆的上端与所述升降板3水平固定连接。
在以上实施例中，通过电动推杆4驱动升降板3上下移动，进而带动与升降板3固定连接的旋转轴7、飞轮8、转盘9、橡胶块901以及电机5和调频控制器6一起上下移动，使转盘9在达到设定速度时，橡胶块901能与路面或者车辙板14上的风积沙15颗粒接触，便于后续试验。
根据本实用新型的一个实施例，所述飞轮8和转盘9之间连接有弹簧18。
在以上实施例中，飞轮8和转盘9之间夹有平衡连接弹簧18，用于使飞轮8和转盘9保持相对位置。
参考图1，根据本实用新型的一个实施例，所述底板1上设置有弹簧阻尼器19。
在以上实施例中，弹簧阻尼器19用于减少整个风积沙路面颗粒运动状态观测系统运行过程中的振动，保证试验稳定性以及数据测量的精确性。
参考图1，根据本实用新型的一个实施例，还包括车辙板14，所述车辙板位于所述底板1的支撑腿101下方；所述车辙板14上放置有不同密度的风积沙15，风积沙15上标记有颜色。
在以上实施例中，车辙板14用于模拟实际路面结构，车辙板14上铺设的不同密度的风积沙15，方便试验，车辙板14上覆盖有经染色标记的风积沙15颗粒，染色便于摄像机13对风积沙15的运动、迁移轨迹进行观察和记录。
以车辙板14模拟为例，本实用新型的风积沙路面颗粒运动状态观测系统工作流程为：
步骤1，使用轮碾法预制多块车辙板14，车辙板14尺寸50cm×50cm×5cm，预先对部分风积沙15颗粒进行染色处理，确保着色牢固、均匀清晰；分别在车辙板14上均匀铺设0.25kg/m2、0.5kg/m2、0.75kg/m2、1kg/m2密度的风积沙15颗粒。
步骤2，将本实用新型的风积沙路面颗粒运动状态观测系统中的支撑腿101放置在覆盖有不同密度风积沙15颗粒的车辙板14上，采用四台高速摄像机13正对风积沙15颗粒表面，安装在距离车辙板14四边待测区域30cm处，镜头高度为6cm，设置为高帧率模式、调焦校准，并使其处于待机状态。
步骤3，接通系统电源，开启调频控制器6和电机5，通过计算机2软件控制调频控制器6，使电机5驱动转盘9达到设定初始转速，电机5带动旋转轴7、飞轮8、转盘9以及橡胶块901转动，确保橡胶块901底面不接触风积沙15颗粒表面，同时开启高速摄像机13的高帧率模式，使其连续拍摄。
步骤4，待转盘9达到设定初始转速，电机5停止工作，由电动推杆4控制升降板3向下移动，使其带动旋转轴7、飞轮8、转盘9以及橡胶块901下落，使橡胶块901接触风积沙15颗粒，此刻扭矩传感器12、线速度传感器10、转速度传感器11将采集的数据传输给存储器16进行存储。
步骤5，由于车辙板14与橡胶块901间的动摩擦作用，转盘9逐渐减速，最终停止，此刻扭矩传感器12、线速度传感器10、转速度传感器11终止数据采集，高速摄像机13停止拍摄。同一转盘初始速度和风积沙密度下重复三次试验。
步骤6，计算机2对存储器16获取的扭矩传感器12、线速度传感器10采集的数据进行计算，将旋转轴7竖向下落的速度信息和扭矩信息转换为装置运行过程中橡胶块901与风积沙15颗粒间的摩擦系数，在坐标图上分别以转盘9实时转速和摩擦系数为x、y坐标，描点连线即可得到不同转盘初始转速、风积沙密度下路面摩擦系数值的变化趋势，同时可根据其离散程度判断数据是否合理。
步骤7，将高速摄像机13记录的单帧图像导入premierecc，处理可导出单帧图像，以便精确观测某时刻所标记颗粒的位置及运动趋势，进一步地，可框定时间区间进行连续观测和追踪，最终得到不同转盘初始转速和风积沙密度下橡胶块901与风积沙15颗粒相互接触作用时风积沙15颗粒的迁移、运动状态。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些改动和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
1.一种风积沙路面颗粒运动状态观测系统，其特征在于，包括底板(1)和计算机(2)；其中，所述底板(1)的底部四角对称安装有支撑腿(101)；所述底板(1)的上方设置有升降板(3)，所述底板(1)上安装有升降装置，所述升降装置用于驱动所述升降板(3)上下移动；
所述升降板(3)上分别固定有调频控制器(6)和电机(5)，所述调频控制器(6)的信号输出端与所述电机(5)的信号输入端电连接；所述调频控制器(6)通过无线网与所述计算机(2)连接；
所述电机(5)的输出轴上竖向连接有旋转轴(7)，所述旋转轴(7)的下端穿过所述底板(1)并从上往下依次设置有飞轮(8)和转盘(9)；所述转盘(9)的底部通过弹簧片(902)周向均匀安装有多个橡胶块(901)；
所述旋转轴(7)上分别设置有线速度传感器(10)、转速度传感器(11)和扭矩传感器(12)，所述线速度传感器(10)、转速度传感器(11)和扭矩传感器(12)分别通过无线网与所述计算机(2)连接。
2.根据权利要求1所述的风积沙路面颗粒运动状态观测系统，其特征在于，还包括摄像机(13)，所述摄像机(13)分别设置于所述底板(1)的四周，所述摄像机(13)用于观察并记录不同转盘初始转速、风积沙密度下风积沙(15)的迁移、运动状态。
3.根据权利要求1所述的风积沙路面颗粒运动状态观测系统，其特征在于，所述橡胶块(901)的尺寸为3cm×3cm×2cm。
4.根据权利要求1所述的风积沙路面颗粒运动状态观测系统，其特征在于，所述升降装置为电动推杆(4)；所述电动推杆(4)对称安装在所述底板(1)上，所述电动推杆(4)的伸缩杆的上端与所述升降板(3)水平固定连接。
5.根据权利要求1所述的风积沙路面颗粒运动状态观测系统，其特征在于，所述线速度传感器(10)用于获取所述旋转轴(7)竖向下落的速度信息，并将获取的旋转轴(7)竖向下落的速度信息传递给计算机(2)；所述扭矩传感器(12)用于获取扭矩值信息，并将获取的扭矩值信息传递给计算机(2)；所述计算机(2)根据线速度传感器(10)和扭矩传感器(12)获取的信息计算得到橡胶块(901)与风积沙(15)颗粒间的摩擦系数。
6.根据权利要求1所述的风积沙路面颗粒运动状态观测系统，其特征在于，所述转速度传感器(11)用于获取所述转盘(9)实时转速信息。
7.根据权利要求1所述的风积沙路面颗粒运动状态观测系统，其特征在于，所述飞轮(8)和转盘(9)之间连接有弹簧(18)。
8.根据权利要求1所述的风积沙路面颗粒运动状态观测系统，其特征在于，所述底板(1)上设置有弹簧阻尼器(19)。
9.根据权利要求1所述的风积沙路面颗粒运动状态观测系统，其特征在于，还包括车辙板(14)，所述车辙板(14)位于所述底板(1)的支撑腿(101)下方；所述车辙板(14)上放置有不同密度的风积沙(15)，所述风积沙(15)上标记有颜色。
10.根据权利要求1所述的风积沙路面颗粒运动状态观测系统，其特征在于，还包括存储器(16)，所述线速度传感器(10)、转速度传感器(11)和扭矩传感器(12)的信号输出端分别与所述存储器(16)的信号输入端电连接。
技术总结