單輪式橫向力系數(shù)測試系統(tǒng)研究

1 概述

隨著公路事業(yè)的發(fā)展，道路的行車速度有很大提高，但是交通事故數(shù)量也在不斷增加。尤其是抗滑能力不足的路面在雨天路面容易滑溜，在彎道下坡路段易發(fā)生側(cè)翻追尾等事故。由于路面的抗滑性能與行車安全性密切相關(guān)，公路建設(shè)部門和養(yǎng)護(hù)管理部門越來越重視路面的抗滑性能，并將其作為高等級公路竣工驗(yàn)收及養(yǎng)護(hù)質(zhì)量檢查評定中的一項重要指標(biāo)。路面抗滑性能是指車輛輪胎受到制動時沿表面滑移所產(chǎn)生的力，是保證公路行車安全及維護(hù)必要的允許行車速度的一項重要指標(biāo)，同時該指標(biāo)也是路面設(shè)計、筑路材料、施工工藝、養(yǎng)護(hù)等各項技術(shù)水平的綜合反映，因此對抗滑性的檢測，先進(jìn)的檢測設(shè)備與技術(shù)顯得尤為重要。

2 單輪式橫向力摩擦系數(shù)測試系統(tǒng)原理和技術(shù)

2．1 橫向力摩擦系數(shù)的提出

在道路行車狀態(tài)時，由于路拱或橫坡的存在，汽車在剎車時又因各車輪的制動阻力不可能絕對相等，汽車在路面就常有橫向側(cè)滑的傾向。于是專家們考慮，在借助機(jī)械方法推動車輪轉(zhuǎn)動的同時，又給其施以附加阻力使車輪在路面滾動時產(chǎn)生一定的滑溜(即輪胎與路面發(fā)生滑動摩擦)，使兩者產(chǎn)生一個合力，即為車輪所受的橫向力，通過檢測這個力并計算其與車輪的垂直重力的比值作為路面的摩擦系數(shù)，即為橫向力系數(shù)(SFC值)，該值可以反映縱、橫兩個方向的摩擦力性能。

2．2 路面橫向力系數(shù)測定設(shè)備

2．2．1 裝載車輛

裝載車本身是一個移動載體，所有機(jī)構(gòu)均置于載體上，并讓其以一定的速度移動來完成測量，橫向力系數(shù)測試系統(tǒng)的承載車輛應(yīng)為能夠固定和安裝測試、出供水、控制和記錄等系統(tǒng)的載貨車底盤，具有在水罐滿載狀態(tài)下最高車速大于100 km/h的性能。

2．2．2 測量機(jī)構(gòu)

測量機(jī)構(gòu)包括測量輪、配重、機(jī)械懸浮導(dǎo)軌、升降裝置及橫向力傳感器等，它的功能是把兩個載有恒定配重的測量輪置于裝載車前后軸之間并成一個固定的夾角，通過控制部分自由地升降，當(dāng)測量輪下降到測量位置時，測量輪與地面接觸并自由轉(zhuǎn)動，把產(chǎn)生的橫向力傳遞至拉力傳感器上供數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理。測試輪的氣壓和磨損對測試結(jié)果均有影響，應(yīng)嚴(yán)格檢查。

2．2．3 供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)包括水罐、水泵、水路，它的功能是使測試輪前一定寬度的路面形成一條縱向濕潤帶，模擬最不利條件測得路面的橫向力系數(shù)。設(shè)備噴水的水量和位置將直接影響測試結(jié)果，因此每次檢測開始前必須檢查噴水系統(tǒng)工作狀況。

2．2．4 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及附屬部分

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括上位機(jī)、下位機(jī)、電源及距離、拉力、空氣溫度等傳感器，它的功能是把各個傳感器取得的信號加以處理并顯示、記錄、保留下來，供分析應(yīng)用;附屬部分包括標(biāo)定系統(tǒng)、上水部分及各種附件工具箱體等，為校驗(yàn)儀器及輔助供水、存放備件、工具等用。

3 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

3．1 準(zhǔn)備工作

1)每個測試項目開始前或連續(xù)測試超過1 000 km后必須按照設(shè)備使用手冊規(guī)定的方法進(jìn)行測試系統(tǒng)的標(biāo)定，記錄標(biāo)定數(shù)據(jù)并存檔。2)檢查測試車輪胎氣壓，應(yīng)達(dá)到車輛輪胎規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)氣壓。3)檢查測試輪胎磨損情況，當(dāng)其直徑比新輪胎減小達(dá)6 mm(也即胎面磨損3 mm)以上或有明顯磨損裂口時，必須立即更換新輪胎。更換的新輪胎在正式測試前應(yīng)試測2 km。4)檢測測試輪氣壓，應(yīng)達(dá)到0．35 MPa±0．02 MPa的要求。5)檢查測試輪固定螺栓應(yīng)擰緊。將測試輪放到正常測試時的位置，檢查其應(yīng)能夠沿兩側(cè)滑柱上下自由升降。6)根據(jù)測試?yán)锍痰男枰蛩藜幼⑶鍧崪y試用水。7)檢查灑水口出水情況和灑水位置應(yīng)正常;灑水位置應(yīng)在測試輪觸地面中點(diǎn)沿形式方向前方400 mm±50 mm處，灑水寬度應(yīng)為中心線兩側(cè)各不小于75 mm。8)將控制面板電源打開，檢查各項控制功能鍵、指示燈和技術(shù)參數(shù)選擇狀態(tài)應(yīng)正常。

3．2 測試步驟

1)正式開始測試前，首先應(yīng)按設(shè)備操作手冊規(guī)定的時間要求對系統(tǒng)進(jìn)行通電預(yù)熱。2)進(jìn)入測試路段前應(yīng)將測試輪胎降至路面上預(yù)跑約500 m。3)按照設(shè)備操作手冊的規(guī)定和測試路段的現(xiàn)場技術(shù)要求設(shè)置完畢所需的測試狀態(tài)。4)駕駛員在進(jìn)入測試路段前應(yīng)保持車速在規(guī)定的測試速度范圍內(nèi)，沿正常行車軌跡駛?cè)霚y試路段。5)進(jìn)入測試路段后，測試人員啟動系統(tǒng)的采集和記錄程序。在測試過程中必須及時準(zhǔn)確的將測試路段的起終點(diǎn)和其他需要特殊標(biāo)記點(diǎn)的位置輸入測試數(shù)據(jù)記錄中。6)測試車輛駛?cè)霚y試路段后，儀器操作人員停止數(shù)據(jù)采集和記錄，提升測量輪并恢復(fù)儀器各部分至初始狀態(tài)。7)操作人員檢查數(shù)據(jù)文件應(yīng)完整，內(nèi)容應(yīng)正常，否則需要重新測試。8)關(guān)閉測試系統(tǒng)電源，結(jié)束測試。

4 數(shù)據(jù)處理

4．1 SFC計算及影響因素

1)速度:對同一路段測試速度增高，在干燥狀態(tài)下橫向力系數(shù)測值隨測速的增加而增大，在水膜厚度為1．0 mm的潮濕狀態(tài)下，橫向力系數(shù)測值隨測速的增加而減小。

2)溫度:溫度變化通過對省內(nèi)各條高速公路定期觀測發(fā)現(xiàn)，路面根據(jù)季節(jié)變化，抗滑性能有著一定的規(guī)律，即摩擦系數(shù)冬高夏低，春秋居中，摩擦系數(shù)的最低值出現(xiàn)在6月～7月。一般來說，溫度每升高10℃，路面摩擦系數(shù)SFC值降低4～6。

3)水膜:路面潮濕程度車輪在有水膜的路面上行駛時，輪胎將輪胎與水膜接觸區(qū)的水從輪胎前、左、右三個方向擠出，車速越高、路面越光，輪胎與水膜接觸區(qū)的水越來不及排出，輪胎與路面石料不能充分接觸，導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低越多。

4．2 SFC值的速度修正

測試系統(tǒng)能以任意速度對路面進(jìn)行長距離連續(xù)SCRIM測試，每次攜帶的噴灑水量可供測試?yán)锍碳s55 km，測試結(jié)果符合車輛實(shí)際制動或滑溜時的情況，并且測試不影響其他車輛的正常行駛。測試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)測試速度范圍規(guī)定為50 km/h±4 km/h，其他速度條件下測試的SFC值需通過下式換算:

其中，SFC標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)測試速度下的等效SFC值;SFC測為現(xiàn)場實(shí)際測試速度條件下的SFC值;v標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)測試速度，取值50 km/h;v測為現(xiàn)場實(shí)際測試速度。

通過多種瀝青混凝土路面的現(xiàn)場試驗(yàn)得到路面橫向力系數(shù)SFC值與測試速度的相關(guān)關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果和修正量與國外研究成果和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基本一致，因此推薦為國內(nèi)SCRIM系統(tǒng)使用的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。

4．3 SFC值的溫度修正

SCRIM測試系統(tǒng)的測試結(jié)果也需要做溫度修正，但目前規(guī)程中尚沒有SFC值的溫度修正依據(jù)。根據(jù)交通部公路科學(xué)研究院在中國所做的橫向力系數(shù)長期季節(jié)與溫度觀測試驗(yàn)，得到溫度修正值。因此，我們在進(jìn)行摩擦系數(shù)的檢測時，同時還應(yīng)該進(jìn)行地面溫度的測試。

5 結(jié)語

單輪式橫向力系數(shù)測定儀(SCRIM)性能優(yōu)越，具有檢測速度快，使用安全，不影響正常車輛通行，數(shù)值準(zhǔn)確并能反映路面的紋理構(gòu)造對抗滑性的影響，更切合車輪與路面的實(shí)際附著狀態(tài)，設(shè)備磨損小，使用壽命長等特點(diǎn)，是公路抗滑性能檢測的理想設(shè)備。該儀器在全世界的擁有量最多，一些國際公路干線路網(wǎng)的抗滑性能評價標(biāo)準(zhǔn)都是以SCRIM測得的數(shù)據(jù)SFC值作為評定標(biāo)準(zhǔn)的。我國盡管在這方面起步較晚，但可以有一個較高的起點(diǎn)，利用最新技術(shù)迎頭趕上，這樣就能與世界公路同行有一個統(tǒng)一的評定標(biāo)準(zhǔn)，也有利于今后的國際技術(shù)交流。

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