熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)車RAP加熱均勻性分析

曹源文，黃興生，李 成，吳 鵬，仇曉駿

(1. 重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 浙江美通筑路機(jī)械股份有限公司，浙江 海寧 314400)

0 引 言

根據(jù)交通運(yùn)輸部于2020年11月19日公布的數(shù)據(jù)，截至2019年末，我國公路養(yǎng)護(hù)里程495.31萬公里，占公路總里程98.8%。大量瀝青路面的養(yǎng)護(hù)，必然會產(chǎn)生大量舊瀝青混合料。舊瀝青混合料的再利用，有助于減少對不可再生資源的依賴，不僅有利于環(huán)境保護(hù)，而且能降低路面養(yǎng)護(hù)成本[1-2]。因此，圍繞熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)車展開的研究成為了瀝青路面養(yǎng)護(hù)的重要研究方向，又由于養(yǎng)護(hù)車的攪拌加熱技術(shù)關(guān)系到RAP的加熱均勻性，是影響熱再生瀝青混合料質(zhì)量的關(guān)鍵因素，所以針對熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)車RAP加熱均勻性的研究，成為熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)車關(guān)鍵技術(shù)研究內(nèi)容。

SONG Fuqiang等[3]通過建立環(huán)形多孔燃燒器的數(shù)值模型，數(shù)值分析數(shù)據(jù)與其之前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)十分吻合，發(fā)現(xiàn)徑向增加孔或軸向減少孔能提高燃燒火焰穩(wěn)定性；SHI Junrui等[4]建立了二維多孔燃燒器的物理模型，根據(jù)離散顆粒交錯(cuò)排列方式對CO2和CH4進(jìn)行了孔級模擬，模擬結(jié)果與ZENG Hongyu等[5]根據(jù)數(shù)學(xué)模型的預(yù)測結(jié)果基本相同，發(fā)現(xiàn)在CH4燃料中加入一定量的CO2能減少CO2凈排放而不降低熱值；B.B.TELTAGEV等[6]根據(jù)有限元法建立了多層瀝青路面瞬態(tài)溫度分布模型，借助MATLAB對瀝青路面溫度分布進(jìn)行了仿真；王計(jì)敏等[7]、劉輝等[8]、陳是楠[9]、CHEN Shinan 等[10]、SHI Junrui等[11]各自研究了燃燒器的不同布置方式對加熱效果或加熱效率的影響。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有較為成熟的加熱方式。根據(jù)MA Yuetan等[12]的研究，瀝青混合料加熱均勻與否直接影響著RAP質(zhì)量的好壞，也間接影響著RAP的生產(chǎn)率，而這方面的研究成果及專著尚不多見。

依托浙江美通MTL5140熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)車，根據(jù)離散單元法和傳熱學(xué)理論，借助離散元軟件EDEM仿真和實(shí)際施工現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方式，分析了攪拌加熱裝置增加三葉片螺旋攪拌刀前后的混合料溫度場分布和加熱速度，并與原始攪拌加熱裝置進(jìn)行了對比分析，提出的增加三葉片螺旋攪拌刀，能夠有效改善熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)車RAP的加熱均勻性，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

1 理論分析及模型建立

1.1 理論分析

以熱再生AC-13瀝青混合料為例，瀝青用量為4.5%～7.0%，在攪拌加熱過程中，可以近似看作純混合料剛體顆粒之間的運(yùn)動(dòng)和傳熱。因此，把瀝青混合料假設(shè)為剛體顆粒的組合，根據(jù)離散單元法基本理論和牛頓第二定律，每個(gè)顆粒的形心運(yùn)動(dòng)方程可描述為：

(1)

F=FC+FL+Fg

(2)

根據(jù)兩個(gè)顆粒間的相對位移即可根據(jù)方程組(3)求解兩個(gè)顆粒之間的法相作用力和切向作用力：

(3)

瀝青混合料可當(dāng)作無數(shù)各向同性的顆粒組成，根據(jù)傅里葉定律式(4)可知，單位時(shí)間內(nèi)傳熱量與傳熱面積和溫度成正比。根據(jù)熱量計(jì)算式(5)可知，增大導(dǎo)熱率或增加傳熱面積或增大傳熱溫差均可增大傳熱量：

(4)

式中：Q′為傳熱速率；k為比例常數(shù)；T為導(dǎo)熱點(diǎn)溫度；x為導(dǎo)熱點(diǎn)x坐標(biāo)；A為傳熱面積。

Q=pSΔt

(5)

式中：Q為傳熱量；p為導(dǎo)熱率；S為傳熱面積；Δt為傳熱溫差。

1.2 熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)車攪拌加熱裝置結(jié)構(gòu)分析

熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)車主要由汽車底盤、瀝青箱、舉升裝置、進(jìn)出料裝置、攪拌加熱裝置、除塵裝置、以及固定裝置等組成。如圖1，攪拌加熱裝置包含傳動(dòng)裝置、熱風(fēng)通道、RAP攪拌鍋、燃燒器、進(jìn)料裝置、攪拌裝置、出料裝置、底部燃燒室等。

1—傳動(dòng)裝置；2—熱風(fēng)通道；3—RAP攪拌鍋；4—燃燒器； 5—進(jìn)料裝置；6—攪拌裝置；7—出料裝置；8—底部燃燒室圖1 熱再生養(yǎng)護(hù)車攪拌加熱裝置Fig. 1 Mixing and heating device of hot recycled asphalt pavement maintenance vehicle

根據(jù)浙江美通MTL5140熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)車建立了簡化的攪拌加熱裝置如圖2，加熱裝置直徑為1 700 mm，深度為500 mm。攪拌裝置為漸變分布的五鏟爪式結(jié)構(gòu)，其中心沒有攪拌結(jié)構(gòu)。因此，加熱裝置中心突出一個(gè)直徑377 mm，高285 mm的圓柱體，不僅會減少攪拌加熱裝置的容量，而且會增加加熱裝置的制造難度。

1—RAP；2—入料斗；3— 出料門；4—出料斗； 5—RAP攪拌鍋；6—原始五鏟爪式攪拌裝置圖2 原始攪拌加熱裝置Fig. 2 Original stirring and heating device

1.3 添加三葉片螺旋攪拌刀加熱裝置模型建立

劉明智[13]和梁慶慶等[14]研究了瀝青路面的抗滑性能，給出了參考擺式摩擦系數(shù)為60左右。經(jīng)過式(6)、式(7)計(jì)算得出摩擦角約為30.9°：

φ=arctanf

(6)

(7)

式中：φ為摩擦角；f為摩擦系數(shù)；K為擺式摩擦系數(shù)。

考慮到尺寸及制造難易程度，筆者分析了外圓螺旋升角為30°和35°的情況。由計(jì)算式(8)計(jì)算出葉片螺距，三葉片螺旋攪拌刀主要參數(shù)如表1，幾何模型如圖3。

P=2πRtanθ

(8)

式中：P為螺距；R為螺旋半徑；θ為螺旋升角。

表1 三葉片螺旋攪拌刀主要參數(shù)Table 1 Main parameters of three blade spiral stirring knife

圖3 三葉片螺旋攪拌刀Fig. 3 Three-blade spiral stirring knife

將三葉片螺旋攪拌刀安裝在攪拌裝置軸心位置，隨之取代加熱裝置中心突出的圓柱體，既增加了攪拌加熱裝置容量，也降低了加熱裝置制造難度。改進(jìn)后的攪拌加熱裝置如圖4。

1—RAP；2—入料斗；3— 出料門；4—出料斗； 5—RAP攪拌鍋；6—增加三葉片螺旋攪拌刀的攪拌裝置圖4 增加三葉片螺旋攪拌刀的攪拌加熱裝置Fig. 4 Stirring and heating device with three blade spiral stirring knife

2 瀝青混合料溫度場仿真及加熱均勻性分析

2.1 計(jì)算方法與邊界條件設(shè)置

根據(jù)瀝青混合料攪拌加熱實(shí)際情況，對仿真模型給出如下假設(shè)：

1) 瀝青混合料是由不可壓縮的顆粒組成。

2) 加熱過程中瀝青混合料的物理性質(zhì)(密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、摩擦系數(shù)等)不變。

3) 混合料和攪拌加熱機(jī)構(gòu)間為無滑移Hertz-Mindlin接觸模型。

4) 比熱容倍率C=20，所有顆粒比熱容縮小20倍以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

將前述三維實(shí)體模型導(dǎo)入EDEM軟件中，按表2設(shè)置材料參數(shù)，按表3設(shè)置部件參數(shù)。

表2 EDEM材料參數(shù)Table 2 EDEM material parameters

表3 EDEM部件參數(shù)Table 3 EDEM component parameters

根據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》確定熱再生AC-13瀝青混合料中礦料級配如表4，瀝青混合料是由不同粒徑的同種材料顆粒，顆粒的CATIA模型如圖5，最大幾何長度為16 mm。導(dǎo)入EDEM中用球形單元填充，顆粒大小為用戶自定義設(shè)置，如圖6。

圖5 混合料顆粒三維Fig. 5 3D view of mixture particle

圖6 EDEM顆粒設(shè)置Fig. 6 EDEM particle setting

2.2 攪拌加熱裝置仿真結(jié)果及加熱均勻性分析

2.2.1 求解器設(shè)置與后處理

時(shí)間步的時(shí)域積分設(shè)置為歐拉形式，固定時(shí)間步長為3e-05 s，總仿真時(shí)間為227.5 s，每0.1 s自動(dòng)保存計(jì)算數(shù)據(jù)，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5.5倍最小球形單元半徑，即18.27 mm，一共9 721 600個(gè)網(wǎng)格，開啟CPU和GPU并行計(jì)算。計(jì)算完成后，通過File>Export>Results Data導(dǎo)出csv格式的顆粒平均溫度數(shù)據(jù)。

2.2.2 瀝青混合料加熱溫度變化分析

將前述所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中繪制如圖7的不同結(jié)構(gòu)攪拌加熱裝置的溫度變化折線圖。

圖7 不同結(jié)構(gòu)仿真溫度變化折線Fig. 7 Simulation temperature change polyline of different structures

由圖7可知，把相同質(zhì)量的熱再生瀝青混合料加熱到160 ℃，原始攪拌加熱裝置用時(shí)152 s，30°螺旋攪拌刀攪拌加熱裝置用時(shí)149 s，35°螺旋攪拌刀攪拌加熱裝置用時(shí)138 s。表明改進(jìn)后的攪拌加熱裝置能縮短混合料加熱時(shí)間。

為進(jìn)一步分析混合料溫度分布情況，將混合料攤鋪在一個(gè)理想絕熱的5 000 mm×5 000 mm的地面上，將該區(qū)域分割為10×10共100個(gè)區(qū)域，不同結(jié)構(gòu)攪拌加熱裝置的混合料區(qū)域分割如圖8～圖10，再分別導(dǎo)出每個(gè)區(qū)域的平均溫度數(shù)據(jù)。

圖8 原始裝置混合料區(qū)域分割示意Fig. 8 The division of the original device mixture area

圖9 30°葉片混合料區(qū)域分割示意Fig. 9 The division of the 30-degree blade mixture area

圖10 35°葉片混合料區(qū)域分割示意Fig. 10 The division of the 35-degree blade mixture area

根據(jù)式(9)和式(10)計(jì)算得出不同結(jié)構(gòu)攪拌加熱裝置的平均溫升和溫度方差如表5。

(9)

(10)

式中：Tm為平均溫升；Ti為第i時(shí)刻溫度；S2為方差；M為溫度平均值；xn為第n個(gè)溫度值。

表5 不同結(jié)構(gòu)溫度仿真數(shù)據(jù)Table 5 Temperature simulation data of different structures

由圖7～圖10和表5可知，在攪拌加熱相同時(shí)間、相同質(zhì)量的RAP時(shí)，原始攪拌加熱機(jī)構(gòu)平均每分鐘溫度升高46.26 ℃，除以比熱容倍率C后，平均每分鐘升高2.31 ℃；與之相比，30°和35°葉片的攪拌加熱裝置平均每分鐘RAP溫度升高分別為46.84 ℃和48.43 ℃，除以比熱容倍率C后，平均每分鐘升高分別為2.34 ℃和2.42 ℃。表明增加三葉片螺旋攪拌刀的攪拌裝置有更快的RAP加熱速度，平均加熱效率提升分別為1.26%和4.70%。原始攪拌裝置的RAP溫度方差為9.04，增加30°螺旋攪拌刀和35°螺旋攪拌刀的RAP溫度方差分別為8.62和8.37，分別降低4.65%和7.41%。表明改進(jìn)后的攪拌機(jī)構(gòu)能提升RAP溫度分布均勻性，且更大的螺旋升角，有更好的RAP溫度分布。

3 試驗(yàn)對比分析

對改進(jìn)后的35°葉片攪拌加熱裝置進(jìn)行試制，并與原始攪拌加熱機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)對比。試驗(yàn)采用同一種RAP，在同一天完成試驗(yàn)，以此控制一致的外界氣溫、混合料含水量等外界影響因素。試驗(yàn)時(shí)每隔3 min 記錄一次MTL5140熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)車車載溫度表所顯示的混合料溫度；出料時(shí)每隔15 s用手持紅外溫度傳感器測量并記錄一次出料口混合料溫度。將車載溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，修正水分蒸發(fā)引起的溫度下降，繪制的不同結(jié)構(gòu)攪拌加熱裝置試驗(yàn)RAP溫度變化折線如圖11。

圖11 不同結(jié)構(gòu)試驗(yàn)RAP溫度變化折線Fig. 11 Experimental RAP temperature change line chart of different structures

再根據(jù)二次多項(xiàng)式以最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，改進(jìn)前后擬合多項(xiàng)式分別為式(11)和式(12)，繪制的不同結(jié)構(gòu)攪拌加熱裝置試驗(yàn)RAP溫度變化擬合曲線如圖12。根據(jù)式(9)和式(10)計(jì)算得出平均溫升和出料時(shí)的溫度方差如表6。

P1(x)=42.341 4+2.185 0x+0.012x2

(11)

P2(x)=18.869 0+2.948 9x+0.009x2

(12)

圖12 不同結(jié)構(gòu)試驗(yàn)RAP溫度擬合曲線Fig. 12 Experimental RAP temperature fitting curve of different structures

表6 不同結(jié)構(gòu)RAP溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Experimental data of RAP temperature of different structures

由圖10、圖11和表6可知，在攪拌加熱相同質(zhì)量的RAP時(shí)，原始攪拌機(jī)構(gòu)平均每分鐘RAP溫度升高2.09 ℃；與之相比，改進(jìn)后的攪拌加熱機(jī)構(gòu)平均每分鐘RAP溫度上升2.72 ℃，有更快的RAP加熱速度，平均加熱效率提升29.73%。原始攪拌裝置的RAP溫度方差為6.83；增加35°螺旋攪拌刀的RAP溫度方差為6.16，降低9.81%。表明改進(jìn)后的攪拌機(jī)構(gòu)能提升RAP溫度分布均勻性。

4 結(jié) 論

分析研究了熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)車RAP加熱均勻性，通過EDEM仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，對比分析了原始攪拌加熱裝置和增加三葉片螺旋攪拌刀的攪拌加熱裝置的RAP溫度場分布和加熱速度變化規(guī)律，并得出以下結(jié)論：

1) 增加三葉片螺旋攪拌刀的攪拌加熱裝置加熱均勻性更好，RAP溫度方差由原始攪拌加熱裝置的6.83降低到增加螺旋葉攪拌刀攪拌加熱裝置的6.16，RAP溫度場分布更加均勻。增加35°螺旋攪拌刀的攪拌加熱裝置加熱效率也比原始攪拌加熱裝置提升29.73%。

2) 隨著三葉片螺旋攪拌刀螺旋葉片外圓螺旋升角的增加，攪拌加熱裝置的加熱均勻性隨之變好，RAP溫度方差由30°螺旋葉片攪拌刀攪拌加熱裝置的8.62降低到35°螺旋攪拌刀攪拌加熱裝置的8.37；相比于原始攪拌加熱裝置加熱效率的提升，由30°螺旋葉片攪拌刀攪拌加熱裝置的1.26%增加到35°螺旋攪拌刀攪拌加熱裝置的4.70%。

3) 考慮到攪拌加熱裝置的尺寸及制造難易程度，建議采用外圓螺旋升角為35°的三葉片螺旋攪拌刀，從而達(dá)到提高RAP加熱均勻性和加熱速度的目的。