一种自稳调控路基对流换热的方法与流程

本发明涉及冻土工程技术领域，尤其涉及一种自稳调控路基对流换热的方法。

背景技术：

在我国青藏高原、东北等多年冻土区，通过长期的演化、发展和变化，形成了厚达几米、甚至十几米、各具形态的厚层地下冰。随着气候环境的变化、人类工程活动的影响，会导致冻土和地下冰退化和融化，从而导致各种工程灾害的产生，对各种重大工程建筑稳定性产生重要影响。

通过保护冻土工程措施的采用，主动冷却冻土基础，是保证冻土工程长期安全运营、稳定的关键途径。而在这些措施中，有效调控冻土工程的对流换热过程，是保护冻土基础重要的工程措施的一个类型。该类措施通过有效促进冬季或夜晚低温环境条件下基础与外界环境的换热过程，有效抑制暖季或白天高温环境条件下基础的换热过程，由此达到冷能在路基内部的不断存储、冻土地温的不断降低、基础稳定性不断增强的目的。

面对国家“十三五”战略规划的出台，青藏高速公路即将面临修筑，但是，高速公路与普通公路相比，普通公路与铁路相比冻土问题都更为突出。已有研究表明（俞祁浩等.我国多年冻土区高速公路修筑关键问题研究.中国科学（技术科学），2014，44（4）:425~432），由于黑色路面的强烈吸热、沥青路面隔水和阻止水分蒸发散热的影响，使得相同条件下公路路基的吸热强度是铁路的3倍多，且路基吸热的主要途径，主要集中在路堤的中心部位，并难以向周围冻土散热。而高速公路与普通公路相比,更加剧了该种现象的出现。当公路路基宽度增加约1倍时，路堤底面的吸热强度增加约0.6倍，路基吸热进一步聚集在路基的中心部位，由此产生更加明显的“聚热效应”，并导致冻土更加快速的退化。面对更高的技术标准、更宽的公路路面，高速公路与冻土之间的热作用更加显著，在多年冻土区修筑高速公路将会面对更为突出的冻土问题和修筑技术难题。由于传热途径、强度等方面的根本改变，通过青藏铁路等获得的成功经验、先进技术难以在青藏高速公路建设中直接应用。

虽然，现有相近技术对通风管的对流换热进行了调控，但是，青藏高原高寒极端自然环境，特殊工程条件，都对通风管调控风门的稳定性、风门的敏感性、风门安装和运维过程的便利性等都提出了更高的要求，现有一些技术难以完全满足工程实际需要。如：俞祁浩（俞祁浩，常小晓，钱进.一种通风管重力平衡式的对流控制风门：中国，201020278498.5[p]，2011-3-9），由于液压体系等装置全部安放于风门之上，过重的重量不利风门的长期稳定；同时，由于液体较轻，引起的不同方向的扭矩较小，也难以有效、稳定开启、或关闭风门。又如：俞祁浩（俞祁浩，程国栋，何乃武.用于路基中通风管隔热传冷控制开关：中国，200520004195.3[p]，2006-9-13），俞祁浩（俞祁浩，程国栋，马魏.路基的荷载式液压自动温控通风装置：中国，03218744.0[p]，2004-8-18）设计的液压系统，在青藏高原极端环境下难以有效工作。因此，亟需多角度研发能够满足工程实际的对流调控风门，满足多年冻土区高速公路建设需要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、安装方便、稳定性高的自稳调控路基对流换热的方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种自稳调控路基对流换热的方法，其特征在于：该方法是指首先在风门的中部设置转轴，然后在所述转轴上设置限位器，最后在所述转轴的中心设置重力平衡杆；所述重力平衡杆包括内装有波纹管的封闭的壳体；所述波纹管内填充满水，其一端通过固定件固定于所述壳体上，其另一端通过行程放大器与重力平衡块相接，该重力平衡块沿轴向通过弹簧固定于所述壳体上。

所述重力平衡杆包括内装有波纹管的封闭的壳体；所述波纹管的一端通过固定件固定于所述壳体上，其另一端沿轴向通过弹簧固定于所述壳体上；所述波纹管内填充满水，并放置重力杆，该重力杆的一端与所述波纹管的顶端固定，其另一端自由移动。

所述壳体与所述波纹管的材质均为金属或塑料。

所述重力平衡块与所述重力杆均是指金属或石材。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单、安装方便。

本发明与现有技术相比，仅为重力平衡杆与风门的组合，结构简单，制作便利、安装和维护方便。

2、稳定性高。

首先，本发明自稳重力控制单元，自成封闭体系，不受外界极端恶劣环境侵蚀和破坏影响，工作寿命大幅增加；其次，通过金属重力平衡块的使用，可以在不同程度上，放大开启或关闭风门扭转力矩的作用，由此增大风门控制单元动作、动力的强度，并增加动作完成后，维持风门所处状态的稳定性，以避免高原大风产生的不利影响。

3、动作简便，灵敏性高。

本发明通过重力平衡杆内部重心的变化，直接推动风门开启、或关闭，动作简便，由此避免通过中间物质转换或动力转换造成的不利影响。同时，金属构件可以灵敏感应外界温度的变化，及时在设定温度条件下完成规定动作。

4、对通风管空气流动影响小。

由于重力平衡杆主要沿通风管的轴向分布、且横截面很小，在通风管开启状态下，所占通风管横截面积比例较其它技术更小，对通风管空气流动影响进一步得到有效降低。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的侧视图。

图2为本发明的主视图。

图3为本发明中重力平衡杆结构i示意图。

图4为本发明中重力平衡杆结构ii示意图。

图中：1—风门2—转轴3—重力平衡杆4—固定件5—波纹管6—重力平衡块7—弹簧8—行程放大器9—重力杆10—限位器。

具体实施方式

实施例1如图1~3所示，一种自稳调控路基对流换热的方法，该方法是指首先在风门1的中部设置转轴2，然后在转轴2上设置限位器10，最后在转轴2的中心设置重力平衡杆3。

重力平衡杆3包括内装有波纹管5的封闭的壳体；波纹管5内填充满水，其一端通过固定件4固定于壳体上，其另一端通过行程放大器8与重力平衡块6相接，该重力平衡块6沿轴向通过弹簧7固定于壳体上。

壳体与波纹管5的材质均为金属或塑料。重力平衡块6是指金属或石材。

本发明中风门1是指可以感应环境温度变化，并且在环境温度变化达到设定温度条件情况下，自动开启或关闭风门1的装置。

本发明工作原理：

风门1的开启或关闭，主要通过自稳重力平衡杆3进行控制。自稳重力平衡杆3的动力来源于平衡杆重心相对于风门1轴心两侧、不同位置形成的不同扭矩。

风门1的开启过程。在重力平衡杆3内，密闭的金属或塑料波纹管5内充满水并且密封。随着环境季节或环境温度的不断下降，当温度低于0℃，波纹管5内水体会发生的冻结。在冻结过程中，由于水体的冻结会发生9%体积的膨胀，受波纹管5径向的限制作用，水——冰相变过程中发生膨胀的体积，只能使得波纹管5沿轴向膨胀、伸长。波纹管5一端与重力平衡杆3外壳相固定，另一端可以自由移动，在膨胀、伸长过程中，会带动与之相连重力平衡块6沿轴向滑动和偏移。由此，导致整体重力平衡杆3重心沿轴向进行位移和改变。当重力平衡杆3合适、放置在风门1轴心上时，在此过程中，重力平衡杆3的重心就由相对风门1轴心的一侧，移动到相对轴心的另一侧。由此，相对轴心产生了相反的力矩，会使得风门1向相反方向发生旋转，并旋转达到风门1水平限位器10限制位置，达到在负温环境条件下开启风门1的目的。

风门1关闭过程。随着环境温度的升高，并高于0℃的条件下，波纹管5内的冰体发生融化、体积收缩，以及在波纹管5弹性作用下，波纹管5会沿径向发生长度的缩短。在波纹管5拉力以及弹簧7推力的作用下，重力平衡块6向另外方向发生移动和偏移。并导致重力平衡杆3的重心由相对风门1轴心的一侧，移动恢复到原来的另一侧。在相反力矩作用下，风门1向相反方向发生旋转，并旋转达到风门1垂直限位器10限制位置，达到正温环境条件下关闭风门1的目的。

在上述的波纹管5和重力平衡块6之间放置有行程放大器8，行程放大器8的一端固定于封闭外壳、并可自由旋转。距离旋转轴心近的一侧与波纹管5相接，远的一侧与重力平衡块6相接。由此使得波纹管5的行程得到放大，并加大重力平衡块6的移动距离，达到更有效控制的目的。

实施例2如图1、图2、图4所示，一种自稳调控路基对流换热的方法，该方法是指首先在风门1的中部设置转轴2，然后在转轴2上设置限位器10，最后在转轴2的中心设置重力平衡杆3。

重力平衡杆3包括内装有波纹管5的封闭的壳体；波纹管5的一端通过固定件4固定于壳体上，其另一端沿轴向通过弹簧7固定于壳体上；波纹管5内填充满水，并放置重力杆9，密封良好。该重力杆9的一端与波纹管5的顶端固定，其另一端自由移动。

壳体与波纹管5的材质均为金属或塑料。重力杆9是指金属或石材。

本发明中风门1是指可以感应环境温度变化，并且在环境温度变化达到设定温度条件情况下，自动开启或关闭风门1的装置。

本发明工作原理：

在实施例1的工作原理基础上，随着波纹管5内部水的冻结、伸长，或随着波纹管5内部冰的融化、缩短，内部的重力杆9，随之移动，由此造成整个重力平衡杆3中心的变化，由此产生，开启或关闭风门1的扭力，开启或关闭风门1。