0 引言

我国高原冻土面积约215万km²，约占我国国土总面积21.5%，高原寒区的公路由于恶劣的养护环境和复杂的气候条件，导致公路养护任务艰巨^[1-2]。调研发现高原寒区公路养护存在问题如下：(1)高原寒区常年环境温度低，传统热沥青养护法要求把沥青混合料加热到160~180 ℃之间才可使用，这个办法虽然养护效果好，但在高原寒区把沥青混合料加热到这个范围比较困难、加热效率低下，不符合当前公路养护快速、及时的要求；(2)目前国内热沥青综合养护车普遍价格昂贵，对使用者专业能力要求较高，维修难度大，在高原寒区普及困难；(3)高原寒区人烟稀少，养护线路长，养护资金不足等问题，大部分公路养护段只能放弃热沥青养护办法，选择冷补料进行公路的日常养护，高原地区环境温度低，采用冷补料养护施工后，冷补料碾压破乳后水分不易蒸发，压实效果差，新修补的路面由于残留水分过多，随着气温降低和升高，容易产生冻融再次破坏，因此存在养护质量难以保证等问题^[3-6]。

本研究针对高原寒区公路养护存在的问题，设计一种乳化沥青冷补料加热搅拌装置，对传统施工工艺进行改进，施工前通过加热搅拌装置将乳化沥青冷补料充分加热和拌和，确保冷补料卸入待修补区域时具有一定温度，之后再将处理过的冷补料卸入修补区域压实，解决高原寒区公路养护质量差、养护效率低的问题。

1 加热搅拌装置设计 1.1 加热搅拌装置方案设计

公路养护车混合料搅拌装置按搅拌方式不同分为强制式和自落式搅拌两种。强制式搅拌通过旋转叶片对混合料进行搅拌，自落式依靠混合料在旋转滚筒内自行跌落实现搅拌。本研究加热过程中同时对冷补料进行搅拌、考虑结构简单因素，所以搅拌方式采用强制式，实现设计要求，此方案具有容易实现冷补料加热、维修方便、安全可靠、综合成本低和施工周期短等优点^[7-8]。

1.2 加热搅拌装置结构设计

搅拌装置结构设计简图如图 1所示，搅拌装置结构参数如表 1所示, 搅拌装置采用强制搅拌和加热带加热的方式。电机1通过减速装置驱动搅拌叶片4转动搅拌，通过液压缸15驱动搅拌装置顺时针转动120°至卸料板13位置卸料。搅拌设备上设计加料斗5，加料斗5固定在支架2上面，加料斗不随搅拌装置旋转。当搅拌装置在图示位置时，通过加料斗5把新料加入搅拌装置，搅拌装置的右侧靠里面安装配电柜11，配电柜11上面有显示和控制温度的温控仪，以及控制加热和搅拌电机的空开，保温层采用保温性能较好的玻璃纤维。

2 加热搅拌装置恒温控制系统设计

考虑成本因素，设计在搅拌的过程中即对冷补料进行加热，即冷补料的搅拌和加热在同一设备中进行，这样不但可以保证冷补料的充分拌和，而且缩短了施工周期。乳化沥青冷补料在高原寒区施工的最佳温度一般在40~50 ℃之间，为避免加热过程中温度过高造成沥青老化，对加热搅拌装置进行恒温控制^[9-11]。

图 2为恒温控制原理图，表 2为所选温度传感器的参数。整个系统由空开、温控制仪、继电器、加热装置和温度传感器等部分组成。其中，搅拌和加热各采用一个空气断路开关控制，为了监测加热搅拌过程中乳化沥青冷补料的温度，在搅拌设备内安装pt100温度传感器，为了安全和保温，在搅拌装置的外壁再加装保护壁和隔温层。实现如下功能：当温度高于50 ℃时，自动断电停止加热，当温度低于40 ℃时，接通电源给乳化沥青冷补料加热(为方便在不同温度和季节使用，冷补料的加热温度范围，可根据环境和季节温度在温控仪上调整)。此外，此装置可在行驶过程中加热和预热，缩短了施工准备时间。

温控仪选择兴化市某仪表生产的XMT-7512型智能温控仪，图 3所示为恒温控制接线图，A，B，C，D，E为继电器的5个接线口，加热带和继电器控制电路串联，继电器2的两个公共接线柱接温控仪上面的报警接线柱6和7；继电器1接常开触点，继电器2接常闭触点，温控仪上面的1和2接电源。

3 搅拌参数计算

(1) 搅拌转速计算

按照强制搅拌过程中混合料不产生离析作为边界条件，得到搅拌过程中混合料与搅拌设备的摩擦力F_f要大于混合料所产生的离心力P^[8]：

(1)

式中，F_f=Gf；G为叶片上混合料重量；f为摩擦系数；。

故：，取f=0.62。即可得到：n < ；R为搅拌设备的内径。

(2) 搅拌装置最小壁厚

(2)

式中，δ_m为最小壁厚; D为搅拌装置的内径; h为搅拌装置的高度；g为重力加速度，取g=9.8m/s²；γ为沥青比重，取γ=1 t/m³；σ_s为搅拌装置材料的屈服极限；φ为搅拌螺旋角度。

(3) 搅拌电机功率计算

① 搅拌过程中需要总的搅拌力

(3)

式中，G为搅拌设备的有效容积；ρ为沥青混合料的密度，取ρ为800 kg/m³；f为沥青混合料和搅拌设备之间的摩擦系数，取f为0.68，g=9.8 m/s²。

② 搅拌轴的扭矩

(4)

式中R为搅拌最大旋转半径；

③ 搅拌功率

(5)

式中，n为搅拌机转速，n=60V/2πR；η为传动效率。

由式(3)~(5)推出搅拌电机功率计算公式：

(6)

式中，G为搅拌设备的有效容积；V为搅拌设备最大线速度；η为传动效率。

根据以上计算，初选搅拌装置的参数如表 3所示。

4 加热搅拌装置CFX仿真

(1) 加热搅拌仿真数学模型

CFX是由英国AEA Technology公司开发，是一种实用流体工程分析工具，用于模拟流体流动、传热、多相流、化学反应、燃烧等问题。目前被航空航天、旋转机械、能源、石油化工、环保等领域广泛使用^[12]。

本研究根据加热搅拌过程实际工况，仿真过程中，忽略温度变化对乳化沥青冷补料密度、比热容和导热系数的影响，设置这些参数为常数，将交接壁面定义为无滑移边界。工作过程中搅拌叶片以一定速度转动，使乳化沥青冷补料均匀受热。加热搅拌设备内既有乳化沥青冷补料又有空气，乳化沥青冷补料流动为湍流，因此选取k-ε湍流模型，其中k为湍动能，ε为湍动能耗散^[13-18]。

k-ε模型中的动量方程为：

(7)

式中，U为动量；t为时间；ρ为密度；B为体积总和；μ_eff为有效黏度，μ_eff=μ+μ_t；p′为修正压力，。

其中，中的k和ε可通过(8)和(9)求解。

(8)

(9)

(10)

式中，C_μ，C_ε1，C_ε2，σ_k和σ_ε均为常数。k为湍动能；ε为湍动能耗散；P_k为黏性力和浮力的湍流产物；P_kb为浮力项；μ_t为湍流黏度, 取模型常量：C_μ=1.3，C_ε1=1.5，C_ε2=1.9，σ_k=1，σ_ε=1.4。

仿真中的热量传输模型选为热焓模型，能量守恒的数学方程为：

(11)

式中，E为动能；t为时间；力矢量；为速度矢量；ρ为流体密度；为热通量矢量；黏性剪切力；为单位质量流体总能量的变化率；为单位时间内热传导获得的能量；p为压力；为单位时间内黏性切应力做功；为辐射热。

(2) 仿真前处理

利用搅拌装置结构设计参数，设定搅拌叶片螺距400 mm，通过PROE建立搅拌装置满载工作下的三维模型。

为了简化建模过程，对模型进行适当简化，忽略支架、加料斗、出料口等部分，只建立搅拌叶片、搅拌轴、冷补料等工作部分的三维模型，考虑到模型结构不复杂，故采用自动划分网格办法进行网格划分，最终得到11 374个单元，49 096个节点，网格划分结果如图 4所示^[12]。

按照表 1和表 4，对模型的分析域、边界条件和初始状态等参数进行设置，然后进行非稳态模拟，利用CFX中表达式功能，定义加热时间、热通量、搅拌速度为Input Parameter输入变量，并且输入3者的初值。热源位于搅拌设备1/2半圆底面(表 4中的热源面)，热源面积为0.8 m²，热通量初值10 000 W/m²。

此外，冷补料的密度为2 200 kg/m³，质量为80 kg，冷补料比热容为2 kJ/(kg·℃)，空气的密度1.29 kg/m³，空气的比热容1 kJ/(kg·℃)。

(3) CFX仿真结果

CFX仿真求解，得到瞬态结果的速度矢量图 5，由图 5可知，搅拌叶片转动加速冷补料受热均匀和流动，当初始转速为20 rev/min时，冷补料的最大流动速度为1 m/s，图 6为加热温度变化云图，由图 6可知加热过程温度变化。

(4) 仿真结果分析和参数选择

通过响应曲面法，按照表 5定义4个输入变量的范围。利用表达式max=maxVal(T)@liao、min=minVal(T)@liao和Temperature=[max+min]/2，设置输出变量为加热冷补料的输出温度，求解得到加热时间、搅拌速度、热通量、叶片厚度和输出温度之间的关系，如图 7~图 8所示。

由图 7可知，当叶片厚度为10 mm时，温度最高。由图 8可知，温度随着热通量的增大而增大。

图 9为温度-转速-时间三者之间的关系，由图 9可知，转速影响搅拌过程中物质的流动，转速变化会影响温度波动。随着加热时间的增大，温度有较大的增高。

根据以上Response Surface响应曲面结果，选取所设计搅拌设备的叶片厚度为10 mm，选取转速为30 r/min，搅拌设备加热功率等于热通量乘热源面积0.8 m²，因此选加热功率为8 kW。此时，将80 kg的冷补料加热到50 ℃的时间为25 min，满足施工快速性要求。

5 现场试验和试验验证

为了验证加热搅拌装置设计是否合理与加热仿真的结果，将设计的加热搅拌装置做成样机，并在青海省格尔木市的改装现场试验验证。图 10为样机试验图，图中空气短路开关2为加热和搅拌电机控制开关，温控仪1可以显示和设置控制温度的范围，搅拌电机4为搅拌提供动力，6为配电柜，7为继电器。

试验取混合料质量为80 kg，初始温度5 ℃，试验时间25 min，样机加热功率8 kW，记录仿真和试验过程温度变化如图 11所示。仿真过程设定环境温度为定值，而试验过程中受现场温度低和风速等因素影响，仿真和试验曲线略有差异，但基本相符，由此表明仿真结果能够为加热搅拌装置的设计提供参考。

6 结论

(1) 针对高原寒区公路养护存在的问题，提出采用热拌乳化沥青冷补料的方案，本方案对混合料加热温度远低于传统热沥青施工温度160~180 ℃，缩短了养护过程加热混合料的准备时间，提高了施工效率。

(2) 理论计算以强制搅拌过程中混合料不产生离析作为边界条件，并通过CFX仿真结果，最终确定搅拌叶片为30 r/min，此转速下混合料不产生离析且流动性和受热均匀性较好。

(3) 根据设计要求，对热拌乳化沥青冷补料加热搅拌装置的恒温控制系统构成、工作原理、工作参数等进行设计、计算和仿真，并根据设计结果生成加热搅拌装置样机，通过在青海省格尔木市改装现场对样机试验验证，表明所设计的加热搅拌装置结构和参数选取合理。