卡車動載實測與分析*

趙延慶，白 龍，劉立安，倪遠寶

(1. 大連理工大學(xué) 交通運輸學(xué)院，遼寧 大連 116024；2. 遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院，遼寧 沈陽 110166)

目前國內(nèi)外在路面結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計時一般采用靜態(tài)荷載，然而實際上車輛在行駛過程中對路面的作用是一種動態(tài)荷載[1]，動、靜荷載對路面結(jié)構(gòu)的作用響應(yīng)有著明顯的差別[2].我國在動載實測方面的研究還較少.目前，車輛動載測量主要有兩種方法.第一種測量方法是在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)傳感器，通過標(biāo)定傳感器變形與荷載的關(guān)系，測量卡車通過傳感器時對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動載，如美國的Potter[3]、澳大利亞的Sweatman[4]，等都采用該種方法進行了動載測量.但該法費用較高，需要開挖原路面結(jié)構(gòu)來埋設(shè)傳感器，這在一定程度上改變了原路面結(jié)構(gòu)的平整度，進而影響動載測量精度.另外一種動載測量方法是在卡車車軸上安裝變形傳感器.通過標(biāo)定建立變形傳感器數(shù)據(jù)與載荷的關(guān)系，記錄車輛在行駛過程中變形傳感器的讀數(shù)，利用標(biāo)定關(guān)系式，得到卡車對路面產(chǎn)生的動載.英國的Mitchell、美國的FERNANDO E G和法國的Blanksby等利用該方法進行了卡車動載實測[5-7].FERNANDO E G等在美國德克薩斯州平整度規(guī)范的修訂項目中，將該方法所得數(shù)據(jù)和動態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)的實測數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)二者吻合地很好，表明該方法能滿足工程精度的要求[6].第二種方法操作較為容易，且費用較低，對卡車進行標(biāo)定后，就可以在多個路段進行動載測量.本文采用該方法進行動載實測，并分析車輛載重、車速、道路平整度對動載的影響，進而為路面分析與設(shè)計中考慮車輛動載提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 變形傳感器的標(biāo)定

本文動載試驗選用的測試車輛為國內(nèi)最常用的解放牌載重卡車，卡車自重為6 t，標(biāo)準(zhǔn)載重量為4 t.為進行動載實測，首先在卡車的每根軸上安裝變形傳感器、變形傳感器采用DPS傳感器，將DPS傳感器用粘結(jié)劑固定在輪胎與懸架之間.每根軸的左右兩側(cè)分別固定一個傳感器，分別測量左右側(cè)輪胎的動載，變形傳感器數(shù)據(jù)采集儀工作頻率要求大于60 Hz.

為進行動載測量，需要建立車軸變形與輪胎-地面接觸壓力之間的關(guān)系，即需要對變形傳感器進行標(biāo)定.輪胎-地面接觸壓力采用輪輻式稱重傳感器測量.標(biāo)定在一平坦的地面上進行.用千斤頂將空車的后軸抬起，在每個輪胎下方地面上鋪設(shè)一塊鋼板，鋪設(shè)鋼板一方面為稱重傳感器提供一個平整的表面，另一方面避免車輛在加載過程中稱重傳感器對下部承載面產(chǎn)生過大壓力，造成過大變形從而影響標(biāo)定結(jié)果的精度.將稱重傳感器置于鋼板上，并在稱重傳感器上再放置一塊鋼板，調(diào)整傳感器與鋼板的位置，緩緩降下車體，使輪胎穩(wěn)定壓在鋼板上方，并使后軸雙輪組中心位置位于傳感器受力面積的中心，如圖1所示.

當(dāng)車輛的前、后軸都平穩(wěn)的放置在稱重傳感器上方后，記錄車輛空載狀態(tài)下4個變形傳感器與其對應(yīng)稱重傳感器的讀數(shù).隨后通過吊車將配重物逐級加載到試驗車上，配重物采用水泥混凝土塊，在每一級加載后，記錄各變形傳感器以及稱重傳感器的讀數(shù).逐級加載完成后配重物總重為15.45 t.試驗測得的各變形傳感器與對應(yīng)的稱重傳感器讀數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系均呈較好的線性關(guān)系.圖2中給出了左后輪傳感器標(biāo)定曲線，圖中同時給出了標(biāo)定關(guān)系式和相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)大于0.98.在動載試驗中，利用變形傳感器測量車軸的變形，根據(jù)標(biāo)定關(guān)系式，就可以得到車輛對路面產(chǎn)生的動載.

圖1 卡車置于稱重傳感器上

變形傳感器電壓值/mV

2 現(xiàn)場動載試驗

路面平整度是影響動載的一個重要因素.本文選取了A，B，C 3個路段進行動載試驗，道路等級分別為高速公路、一級公路和鄉(xiāng)村道路.在3條道路上分別選取400 m的試驗路段進行動載試驗，根據(jù)“公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程”[8]，利用激光平整度儀實測了各試驗段的平整度(IRI)，根據(jù)“公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范”[9]，計算各路段的行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)，RQI計算結(jié)果分別為10.5，6.8，1.4，根據(jù)養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范，3個試驗段的行駛質(zhì)量分別為優(yōu)、中、差.為了分析不同載重對車輛動載的影響，在每一個試驗路段上分別進行3個載重下的動載試驗，即正常載重、重載以及特重載，對應(yīng)車輛總重分別為10 t，12.2 t，15 t.在每一個載重工況下，分別進行了不同行駛速度下(20，40，60和80 km/h)的動載試驗，各試驗工況如表1所示.在路況較差的B，C路段，沒有進行速度較高時的動載試驗，因為此時車輛已不易控制，劇烈的振動會對車輛本身造成損壞，還存在安全隱患.

表1 動載試驗工況

車輛對路面的破壞作用主要來自承重軸，所以本課題主要針對承重軸的動載進行分析.圖3～圖5中分別給出了在正常載重下，行駛速度為20 km/h時在3個路段的承重軸動載變化情況.可見，車輛動載值以靜載為中心上下波動.在相同載重和行駛速度下，路面狀況對動載有明顯地影響，路面平整度越差，車輛振動越劇烈，就會產(chǎn)生較大的動載.

距離/m

距離/m

距離/m

3 動載變化規(guī)律分析

根據(jù)實驗測得的各種工況下承重軸最大動載.可以得出最大動載變化率.最大動載變化率(PD)由式(1)計算得到[5-6]：

(1)

式中：Wd為動載；Ws為靜載.動載變化率反映了動載相對于靜載的增加百分比.圖6～圖8給出了不同工況下最大動載變化率隨速度的變化曲線.由圖中的數(shù)據(jù)可知，路面平整度對動載有顯著影響，在不同的行車速度及載重工況下，A路段(行駛質(zhì)量指數(shù)為優(yōu))動載相對于靜載增加了18%，B路段(行駛質(zhì)量指數(shù)為中)，動載相對于靜載增加了57%，C路段(行駛質(zhì)量指數(shù)為差)，動載相對于靜載增加了80%.最大動載變化率可達90%以上.

速度/(km·h-1)

速度/(km·h-1)

速度/(km·h-1)

最大動載及其變化率隨速度的增加而增加，而且當(dāng)平整度較差時，增加的幅度更為明顯.當(dāng)行駛質(zhì)量指數(shù)為優(yōu)，速度為20 km/h和80 km/h時，動載變化率的平均值分別為14%和24%.當(dāng)行駛質(zhì)量指數(shù)為中，速度為20,40,60 km/h時，動載變化率平均值分別為45%，58%和67%.當(dāng)行駛質(zhì)量指數(shù)為差，速度為20和40 km/h時，動載變化率平均值分別為70%和85%.車輛載重對于最大動載及其變化率也有影響，但影響規(guī)律沒有平整度和速度那么明顯，從整體上說，隨著載重的增加，最大動載及其變化率有所減少.

最大動載及其變化率表征了動載的極端變化情況，為了分析路段動載的整體變化情況，需要計算動載系數(shù)(DLC)，動載系數(shù)的計算公式為[5]：

(2)

式中：Ws為靜載值；σ為動載相對于靜載的標(biāo)準(zhǔn)差，計算公式如式(3)：

(3)

式中：xi為第i個動載樣本；n為動載樣本個數(shù).動載系數(shù)反映了整個路段上動載以靜載為中心上下振動的劇烈程度.圖9～圖11為各工況下車輛動載系數(shù)隨速度的變化曲線.圖中數(shù)據(jù)表明，各因素對動載系數(shù)的影響規(guī)律和對最大動載及其變化率的影響規(guī)律類似.隨著道路行駛質(zhì)量指數(shù)變差，動載系數(shù)明顯增加.在不同的行車速度及載重工況下，A路段、B路段、C路段的平均動載系數(shù)分別為5.5%，15.7%和19.8%.動載系數(shù)最大可達25%.當(dāng)行駛質(zhì)量指數(shù)為優(yōu)時，動載系數(shù)隨車速的增加稍有增加，但增加幅度并不明顯.當(dāng)行駛質(zhì)量指數(shù)為中或差時，動載系數(shù)隨車速的增加則有明顯的增加.車輛載重對于動載系數(shù)的影響規(guī)律沒有平整度和速度那么明顯，從整體上說，隨著載重的增加，動載系數(shù)有所減少.

速度/(km·h-1)

速度/(km·h-1)

速度/(km·h-1)

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場卡車動載試驗，得到以下結(jié)論：

1) 在卡車軸上安裝變形傳感器，通過標(biāo)定得到傳感器和輪胎接地壓力之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，是進行動載實測的有效手段.

2)當(dāng)路面行駛質(zhì)量指數(shù)為優(yōu)、中、差時，平均動載系數(shù)分別為5%，15%和20%左右，最大動載相對于靜載平均增加20%，55%和80%左右.

3)動載系數(shù)、最大動載及其變化率均隨車速的增加而增加，當(dāng)路面平整度較差時，增加幅度更為明顯.

4)實測所得數(shù)據(jù)可用于動載作用下路面結(jié)構(gòu)的分析.

[1] 張丙強. 豎向環(huán)境振動對人車路系統(tǒng)耦合振動的影響[J]. 動力學(xué)與控制學(xué)報, 2012,10(2):186-191．

ZHANG Bing-qiang．Influence of vertical ambient vibration on the body-vehicle-road coupled vibrating system[J].Journal of Dynamics and Control,2012,10(2):186-191.(In Chinese)

[2] 黃立葵,孫曉立,易志華.路面結(jié)構(gòu)的動荷載效應(yīng)及對反分析結(jié)果的影響[J].湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2003,30(4):79-81．

HUANG Li-kui,SUN Xiao-li,YI Zhi-hua.Rcsopnsc of pavcmcnt to dynamic load and its influcnccs on invcrsc analysis[J].Journal of Hunan University:Natural Sciences, 2003,30(4):78-81.(In Chinese)

[3] POTTER J F. Dynamic impact pressures generated under roads by sprung and unsprung vehicles.TRRL Laboratory Report LR 137 [R] . Crowthorne :Transport and Road Research Laboratory, 1968.

[4] SWEATMAN P F. A study of dynamic wheel forces in axle group suspensions of heavy vehicles . ARRB Special Report No 27 [R]. Vermont South ,Australian Road Research Board, 1983.

[5] MITCHELL C， GYENES L. Dynamic pavement loads measured for a variety of truck suspensions [R]. Crowthorne , Berkshire, England:Vehicles and Environment Division Transport and Road Research Laboratory, 1989.

[6] FERMANDO E G, HARRISON G, HILBRICH S. Evaluation of ride specification based on dynamic load measurements from instrumented truck [R]. Texas :The Texas A&M University System College Station, 2007.

[7] BLANKSBY C, PETERS B. Measuring dynamic wheel loads on tri and quad axle groups [C] //International Conference on Heavy Vehicles. Paris, France. 2008,132-137．

[8] 交通部. E60-2008公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程[S] ,人民交通出版社,北京,2008.

Ministry of Communications, E60-2008 field test methods of subgrade and pavement for highway engineering[S]. Beijing:China Communications Press,2008.(In Chinese)

[9] 交通部. JTG 073.2-2001公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范[S] ,人民交通出版社,北京,2001.

Ministry of Communications, JTG 073.2-2001 Technical specifications for maintenance of highway asphalt pavement[S]. Beijing:China Communications Press, 2001.(In Chinese)