一种低温沥青路面覆冰激光扫描除冰试验平台及其除冰试验方法

本发明具体涉及一种低温沥青路面覆冰激光扫描除冰试验平台及其除冰试验方法，属于涉及道路工程、低温环境模拟与激光加载试验。

背景技术：

1、寒冷地区道路表面易受到降雪、降雨冻结、融雪再冻结等因素影响而结冰。道路覆冰会显著降低路面附着系数，导致车辆打滑甚至交通事故，严重影响了交通安全。因此，高效的除冰技术一直是冬季道路养护的重要研究方向。

2、现有道路除冰方式主要包括机械除冰、化学融冰剂除冰和热融除冰等方法。这些方式虽然具备一定的除冰效果，但都存在一些局限。例如，机械除冰可能对路面表层造成机械损伤，化学融冰剂长期使用可能对道路结构及周边环境产生不利影响，而部分热融除冰方式则存在能耗较高或作业效率受限等问题。因此，探索更加高效、可控且环境友好的除冰技术具有重要意义。

3、激光除冰是一种利用激光能量对冰层或冰—路界面进行局部加热，使冰层发生融化、裂纹扩展或界面脱粘的非接触式除冰方法。近年来，国内外已公开部分激光除冰相关专利和技术方案，但现有研究和装备主要面向输变电线路、架空接触网、飞行器表面、风电叶片等工程结构，重点解决远距离能量传输、覆冰区域识别、扫描机构设计及现场作业安全等问题，其目标多为工程应用装备的开发与现场除冰效率提升。

4、相比之下，针对激光功率、扫描速度、扫描路径、聚焦位置以及环境温度等因素对除冰效果影响规律的系统研究相对较少。现有装置通常缺乏标准化试件定位结构和可重复恢复的空间坐标体系，难以满足实验室条件下开展高重复性、多参数对比试验的需求。同时，已有研究多数在常温环境或自然环境条件下进行，试验环境容易受到外界气温及覆冰状态变化影响，难以实现环境条件的稳定控制。

5、对于沥青路面覆冰而言，冰层厚度、冰—路界面状态以及路面材料特性均与环境温度密切相关，激光除冰效果还会受到激光输出参数和扫描运动参数的共同影响。若仅采用室温条件下的临时试验或人工移动激光头进行辐照，难以保证不同试验组之间温度条件、激光作用位置和扫描轨迹的一致性，从而影响试验结果的重复性与可比性。

6、因此，有必要构建一种低温环境下沥青路面覆冰试件可编程扫描式激光除冰试验平台，在受控低温环境中实现环境温度、激光输出参数和扫描运动参数的协同控制，为沥青路面激光除冰机理研究、参数优化、除冰效果评价以及相关装备研发提供稳定、可重复的试验条件。

技术实现思路

1、为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种低温沥青路面覆冰激光扫描除冰试验平台及其除冰试验方法，以解决上述问题。

2、一种低温沥青路面覆冰激光扫描除冰试验平台及其除冰试验方法，包括低温环境件、承载框架、三轴龙门平移台、激光加载件、水冷循环件、控制件，低温环境件内置有承载框架，承载框架上设置有三轴龙门平移台，三轴龙门平移台上设置有激光加载件，水冷循环件设置在激光加载件上，控制件与激光加载件通信连接；

3、激光加载件包括光纤激光器、激光头、激光头用夹具、输出光纤，三轴龙门平移台上滑动设置有激光头用夹具，激光头用夹具上设置有激光头，输出光纤的一端设置在激光头上，输出光纤的另一端设置有光纤激光器，激光头上设置有水冷循环件。

4、作为优选方案：低温环境件包括低温环境箱、箱门、观察窗、试件用底座，低温环境箱上设置有箱门，箱门上设置有观察窗，低温环境箱内置有承载框架，低温环境箱的底部设置有试件用底座，试件用底座上设置有框架定位标记，试件用底座上设置有车辙板试件定位标记，试件用底座上设置有马歇尔试件定位标记，试件用底座表面还设置激光头作用平面域标记。

5、作为优选方案：承载框架包括万向滚轮、圆形地脚、框架主体、方形底座，框架主体底部的四个端角处分别设置有一个方形底座，每个方形底座上分别设置有一个万向滚轮，每个方形底座上分别螺纹连接有一个圆形地脚，圆形地脚设置在框架定位标记上，框架主体上设置有三轴龙门平移台。

6、作为优选方案：三轴龙门平移台包括位移台一、位移台二、位移台三，框架主体上端两侧分别设置有一个位移台一，位移台二的两端分别滑动设置在与其位置对应的位移台一上，位移台三的端部滑动设置在位移台二上，位移台三上滑动设置有激光头用夹具。

7、作为优选方案：水冷循环件包括循环冷水机、激光器循环水路、激光头循环水路，循环冷水机上设置有激光器循环水路，激光器循环水路设置在光纤激光器上；

8、激光头循环水路包括激光头冷却水进水管、激光头冷却水回水管，激光头上设置有激光头冷却水进水管，激光头上设置有激光头冷却水回水管，激光头冷却水进水管和激光头冷却水回水管与循环冷水机相连接。

9、作为优选方案：控制件包括总控制台、光纤激光器的控制单元、数控位移台控制箱，总控制台分别与光纤激光器和数控位移台控制箱通信连接，数控位移台控制箱设置在三轴龙门平移台上。

10、作为优选方案：输出光纤、激光头冷却水进水管、激光头冷却水回水管和可选电伴热线缆采用防磨损布套包裹成束后，防磨损布套上套装有保温层，形成低温适应性复合线路。

11、一种低温沥青路面覆冰激光扫描除冰试验方法，利用上述低温沥青路面覆冰激光扫描除冰试验平台实现，低温沥青路面覆冰激光扫描除冰试验方法为将沥青路面覆冰试件定位标记安放至组装完毕的低温沥青路面覆冰激光扫描除冰试验平台中后，设置低温环境箱内的试验温度，待试件达到预定的恒温平衡后，通过总控制台配置激光加载件的激光参数、运动参数与扫描轨迹，调整激光头至目标高度，启动光纤激光器，三轴龙门平移台带动激光头扫描试件表面，透过观察窗观测冰层并记录试验参数，扫描结束关闭激光输出后取出试件，从而完成低温沥青路面覆冰激光扫描除冰试验过程。

12、一种低温沥青路面覆冰激光扫描除冰试验平台的除冰试验方法，低温沥青路面覆冰激光扫描除冰试验方法包括以下步骤：

13、s1：设备组装与定位；

14、s11：在低温环境箱外部完成承载框架、三轴龙门平移台及激光头用夹具的组装；

15、s12：将试件用底座放入低温环境箱内部，使试件用底座位于低温环境箱底面的预定区域；

16、s13：将承载框架推入低温环境箱，根据试件用底座上的框架定位标记调整承载框架的位置，使圆形地脚分别与相应框架定位标记对齐；

17、s14：随后旋下圆形地脚，使承载框架稳定支撑于试件用底座，并完成承载框架与试件用底座之间的重复定位。

18、s2：线路连接；

19、s21：输出光纤、激光头冷却水进水管、激光头冷却水回水管以及可选电伴热线缆采用防磨损包裹层包裹成束，形成低温适应性复合线路，并通过复合线路穿孔由低温环境箱内部引出至箱外；

20、s22：输出光纤与光纤激光器连接，将激光头冷却水进水管和激光头冷却水回水管与水冷循环件连接，将水冷循环件的激光器循环水路与光纤激光器主体连接；

21、s23：三轴龙门平移台的电源线和控制线通过位移台线缆穿孔引出，并连接至数控位移台控制箱；

22、s24：设置电伴热线缆，则将其连接至独立电源和独立开关；

23、s25：完成穿线后，对复合线路穿孔和位移台线缆穿孔进行密封和隔热处理。投入使用后的预留扩展穿孔同样进行密封和隔热处理；

24、s26：将总控制台分别与光纤激光器和数控位移台控制箱通信连接。

25、s3：系统检查；

26、s31：检查承载框架是否已经通过复合地脚轮稳定支撑；

27、s32：检查三轴龙门平移台的电源线和控制线连接是否正常；

28、s33：检查输出光纤的布置状态，确认输出光纤不存在小于允许弯曲半径的弯折；

29、s34：检查激光头是否安装稳固，并确认光学组件处于正常状态；

30、s35：检查水冷循环件的液位、管路连接和水流方向，确认激光器循环水路与光纤激光器主体连接正确，确认激光头冷却水进水管和激光头冷却水回水管与激光头连接正确；

31、s36：检查低温环境箱箱门、观察窗、复合线路穿孔、位移台线缆穿孔和预留扩展穿孔的密封状态。

32、s4：试件放置与恒温平衡；

33、s41：根据试验方案选择沥青路面覆冰试件；

34、s42：开启低温环境箱，并设置目标试验温度；

35、s43：将车辙板覆冰试件放置于车辙板试件定位标记，或者将马歇尔覆冰试件放置于马歇尔试件定位标记；

36、s44：完成试件放置后，关闭低温环境箱的箱门；

37、s45：使覆冰试件在低温环境箱内保持一定时间，直至试件温度和箱内环境温度达到稳定状态。

38、s5：试验参数设置与轨迹编程；

39、s51：通过总控制台设置本次试验的激光参数和运动参数；

40、s52：通过数控位移台控制箱控制系统选择预设扫描轨迹，或者输入多个轨迹节点的坐标信息和相应扫描速度，以生成用户设定的扫描路径；

41、s53：通过位移台三运动调节激光头与覆冰试件表面的相对高度，使激光聚焦于试件冰层的预设高度位置。

42、s6：激光除冰试验；

43、s61：通过控制系统驱动位移台三运动，使激光头下降至设定工作高度。启动光纤激光器的激光输出，并控制三轴龙门平移台按照预设轨迹运动，使激光头在覆冰试件表面完成扫描；

44、s62：在扫描过程中，操作人员通过低温环境箱的观察窗实时观察冰层表面的融化、裂纹产生、界面脱粘及其他状态变化；

45、s63：根据试验需要，可记录激光功率、激光工作模式、调制参数、扫描速度、扫描路径、聚焦位置、环境温度和试验持续时间。

46、s7：试验结束与后续评价；

47、s71：完成预设扫描任务后，首先关闭激光输出；

48、s72：确认光纤激光器停止出光后，开启低温环境箱的箱门，取出覆冰试件；

49、s73：若需进行下一组试验，则更换覆冰试件，并根据试验方案调整环境温度、冰层状态、激光输出参数、扫描速度、扫描路径或聚焦位置，重复上述试件放置、恒温平衡、参数设置和激光扫描步骤。

50、s8：系统停机；

51、s81：全部试验结束后，关闭激光输出并控制三轴龙门平移台回归零位或移动至安全位置；

52、s82：关闭光纤激光器；

53、s83：关闭数控位移台控制箱和总控制台；

54、s84：根据实际情况关闭低温环境箱制冷系统；

55、s85：光纤激光器关闭后，激光器循环水路水冷保持运行，待光纤激光器充分冷却，然后关闭循环冷水机。

56、本发明的有益效果在于：

57、本发明将低温环境箱、承载框架、试件用底座、三轴龙门平移台及激光头进行集成，使沥青路面覆冰试件能够在温度调节范围为−40 ℃至0 ℃的低温环境中开展激光辐照试验。通过试件用底座表面的框架定位标记、激光头作用平面域标记和试件定位标记，可以建立承载框架、三轴龙门平移台、激光头及覆冰试件之间的统一坐标关系，提高设备重复布置和试件更换后的空间一致性。

58、本发明采用三轴龙门平移台驱动激光头运动。位移台一、位移台二和位移台三行程均为400 mm，最大速度均为20 mm/s。通过位移台一和位移台二，可以实现激光头在试件表面的点、线或面扫描；通过位移台三运动，可以调节激光头与试件表面的相对高度和聚焦位置。与人工移动激光头或固定位置辐照相比，该结构能够提高扫描路径、扫描速度和作用位置的重复性。

59、本发明采用最大输出功率为3000 w的光纤激光器，支持连续输出模式、脉冲调制输出模式和外部控制模式。通过控制激光功率、激光工作模式、扫描速度、扫描路径和聚焦高度，适合开展不同能量输入条件下的精准复现式沥青路面激光除冰试验。

60、本发明采用总控制台为计算机、光纤激光器的控制单元和数控位移台控制箱构成控制系统。计算机分别与光纤激光器及数控位移台控制箱连接，使激光输出和激光头运动能够按照设定参数执行，从而减少人工操作引起的误差。

61、本发明针对低温环境下激光头运动过程中的线路布置问题，将输出光纤、激光头冷却水进水管和回水管采用防磨损布套包裹成束，并设置保温层及可选电伴热线缆，从而降低线路缠绕、磨损、过度弯折和水路冻结风险。