卡車(chē)動(dòng)載實(shí)測(cè)與分析

趙延慶等

摘要：通過(guò)在卡車(chē)各軸上安裝了變形傳感器，標(biāo)定后得到變形傳感器和輪胎接地壓力之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，進(jìn)行了卡車(chē)動(dòng)載實(shí)測(cè)，分析了路面平整度、車(chē)速及載重對(duì)卡車(chē)動(dòng)載的影響.結(jié)果表明，當(dāng)路面行駛質(zhì)量指數(shù)為優(yōu)、中、差時(shí)，平均動(dòng)載系數(shù)分別為5%、15%和20%左右，最大動(dòng)載系數(shù)可達(dá)25%；最大動(dòng)載相對(duì)于靜載平均增加20%、55%和80%左右，最大動(dòng)載變化率可達(dá)90%以上.動(dòng)載系數(shù)、最大動(dòng)載及其變化率均隨車(chē)速的增加而增加，當(dāng)行駛質(zhì)量指數(shù)較差時(shí)，增加幅度更為明顯.研究成果為在路面結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)中考慮動(dòng)載影響提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

關(guān)鍵詞：道路工程；卡車(chē)；路面平整度；動(dòng)載系數(shù)；標(biāo)定

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

目前國(guó)內(nèi)外在路面結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)時(shí)一般采用靜態(tài)荷載，然而實(shí)際上車(chē)輛在行駛過(guò)程中對(duì)路面的作用是一種動(dòng)態(tài)荷載1，動(dòng)、靜荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的作用響應(yīng)有著明顯的差別2.我國(guó)在動(dòng)載實(shí)測(cè)方面的研究還較少.目前，車(chē)輛動(dòng)載測(cè)量主要有兩種方法.第一種測(cè)量方法是在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)傳感器，通過(guò)標(biāo)定傳感器變形與荷載的關(guān)系，測(cè)量卡車(chē)通過(guò)傳感器時(shí)對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)載，如美國(guó)的Potter3、澳大利亞的Sweatman4，等都采用該種方法進(jìn)行了動(dòng)載測(cè)量.但該法費(fèi)用較高，需要開(kāi)挖原路面結(jié)構(gòu)來(lái)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(jìn)而影響動(dòng)載測(cè)量精度.另外一種動(dòng)載測(cè)量方法是在卡車(chē)車(chē)軸上安裝變形傳感器.通過(guò)標(biāo)定建立變形傳感器數(shù)據(jù)與載荷的關(guān)系，記錄車(chē)輛在行駛過(guò)程中變形傳感器的讀數(shù)，利用標(biāo)定關(guān)系式，得到卡車(chē)對(duì)路面產(chǎn)生的動(dòng)載.英國(guó)的Mitchell、美國(guó)的FERNANDO E G和法國(guó)的Blanksby等利用該方法進(jìn)行了卡車(chē)動(dòng)載實(shí)測(cè)5-7.FERNANDO E G等在美國(guó)德克薩斯州平整度規(guī)范的修訂項(xiàng)目中，將該方法所得數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)WIM的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(fèi)用較低，對(duì)卡車(chē)進(jìn)行標(biāo)定后，就可以在多個(gè)路段進(jìn)行動(dòng)載測(cè)量.本文采用該方法進(jìn)行動(dòng)載實(shí)測(cè)，并分析車(chē)輛載重、車(chē)速、道路平整度對(duì)動(dòng)載的影響，進(jìn)而為路面分析與設(shè)計(jì)中考慮車(chē)輛動(dòng)載提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1變形傳感器的標(biāo)定

本文動(dòng)載試驗(yàn)選用的測(cè)試車(chē)輛為國(guó)內(nèi)最常用的解放牌載重卡車(chē)，卡車(chē)自重為6 t，標(biāo)準(zhǔn)載重量為4 t.為進(jìn)行動(dòng)載實(shí)測(cè)，首先在卡車(chē)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(gè)傳感器，分別測(cè)量左右側(cè)輪胎的動(dòng)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(jìn)行動(dòng)載測(cè)量，需要建立車(chē)軸變形與輪胎地面接觸壓力之間的關(guān)系，即需要對(duì)變形傳感器進(jìn)行標(biāo)定.輪胎地面接觸壓力采用輪輻式稱(chēng)重傳感器測(cè)量.標(biāo)定在一平坦的地面上進(jìn)行.用千斤頂將空車(chē)的后軸抬起，在每個(gè)輪胎下方地面上鋪設(shè)一塊鋼板，鋪設(shè)鋼板一方面為稱(chēng)重傳感器提供一個(gè)平整的表面，另一方面避免車(chē)輛在加載過(guò)程中稱(chēng)重傳感器對(duì)下部承載面產(chǎn)生過(guò)大壓力，造成過(guò)大變形從而影響標(biāo)定結(jié)果的精度.將稱(chēng)重傳感器置于鋼板上，并在稱(chēng)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(chē)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(chē)輛的前、后軸都平穩(wěn)的放置在稱(chēng)重傳感器上方后，記錄車(chē)輛空載狀態(tài)下4個(gè)變形傳感器與其對(duì)應(yīng)稱(chēng)重傳感器的讀數(shù).隨后通過(guò)吊車(chē)將配重物逐級(jí)加載到試驗(yàn)車(chē)上，配重物采用水泥混凝土塊，在每一級(jí)加載后，記錄各變形傳感器以及稱(chēng)重傳感器的讀數(shù).逐級(jí)加載完成后配重物總重為15.45 t.試驗(yàn)測(cè)得的各變形傳感器與對(duì)應(yīng)的稱(chēng)重傳感器讀數(shù)之間的對(duì)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(shí)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(dòng)載試驗(yàn)中，利用變形傳感器測(cè)量車(chē)軸的變形，根據(jù)標(biāo)定關(guān)系式，就可以得到車(chē)輛對(duì)路面產(chǎn)生的動(dòng)載.

2現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)載試驗(yàn)

路面平整度是影響動(dòng)載的一個(gè)重要因素.本文選取了A，B，C 3個(gè)路段進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，道路等級(jí)分別為高速公路、一級(jí)公路和鄉(xiāng)村道路.在3條道路上分別選取400 m的試驗(yàn)路段進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，根據(jù)“公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程”8，利用激光平整度儀實(shí)測(cè)了各試驗(yàn)段的平整度IRI，根據(jù)“公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范” 9，計(jì)算各路段的行駛質(zhì)量指數(shù)RQI，RQI計(jì)算結(jié)果分別為10.5，6.8，1.4，根據(jù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范，3個(gè)試驗(yàn)段的行駛質(zhì)量分別為優(yōu)、中、差.為了分析不同載重對(duì)車(chē)輛動(dòng)載的影響，在每一個(gè)試驗(yàn)路段上分別進(jìn)行3個(gè)載重下的動(dòng)載試驗(yàn)，即正常載重、重載以及特重載，對(duì)應(yīng)車(chē)輛總重分別為10 t，12.2 t，15 t.在每一個(gè)載重工況下，分別進(jìn)行了不同行駛速度下20，40，60和80 kmh的動(dòng)載試驗(yàn)，各試驗(yàn)工況如表1所示.在路況較差的B，C路段，沒(méi)有進(jìn)行速度較高時(shí)的動(dòng)載試驗(yàn)，因?yàn)榇藭r(shí)車(chē)輛已不易控制，劇烈的振動(dòng)會(huì)對(duì)車(chē)輛本身造成損壞，還存在安全隱患.

車(chē)輛對(duì)路面的破壞作用主要來(lái)自承重軸，所以本課題主要針對(duì)承重軸的動(dòng)載進(jìn)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 kmh時(shí)在3個(gè)路段的承重軸動(dòng)載變化情況.可見(jiàn)，車(chē)輛動(dòng)載值以靜載為中心上下波動(dòng).在相同載重和行駛速度下，路面狀況對(duì)動(dòng)載有明顯地影響，路面平整度越差，車(chē)輛振動(dòng)越劇烈，就會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)載

3動(dòng)載變化規(guī)律分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各種工況下承重軸最大動(dòng)載.可以得出最大動(dòng)載變化率.最大動(dòng)載變化率PD由式1計(jì)算得到5-6：

PD=WdWs×100%.1

式中：Wd為動(dòng)載；Ws為靜載.動(dòng)載變化率反映了動(dòng)載相對(duì)于靜載的增加百分比.圖6～圖8給出了不同工況下最大動(dòng)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(duì)動(dòng)載有顯著影響，在不同的行車(chē)速度及載重工況下，A路段行駛質(zhì)量指數(shù)為優(yōu)動(dòng)載相對(duì)于靜載增加了18%，B路段行駛質(zhì)量指數(shù)為中，動(dòng)載相對(duì)于靜載增加了57%，C路段行駛質(zhì)量指數(shù)為差，動(dòng)載相對(duì)于靜載增加了80%.最大動(dòng)載變化率可達(dá)90%以上.

最大動(dòng)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(shí)，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 kmh和80 kmh時(shí)，動(dòng)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 kmh時(shí)，動(dòng)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 kmh時(shí)，動(dòng)載變化率平均值分別為70%和85%.車(chē)輛載重對(duì)于最大動(dòng)載及其變化率也有影響，但影響規(guī)律沒(méi)有平整度和速度那么明顯，從整體上說(shuō)，隨著載重的增加，最大動(dòng)載及其變化率有所減少.

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

DLC=σWs.2

式中：Ws為靜載值；σ為動(dòng)載相對(duì)于靜載的標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式如式3：

σ=1n-1∑ni=1xi-Ws2.3

式中：xi為第i個(gè)動(dòng)載樣本；n為動(dòng)載樣本個(gè)數(shù).動(dòng)載系數(shù)反映了整個(gè)路段上動(dòng)載以靜載為中心上下振動(dòng)的劇烈程度.圖9～圖11為各工況下車(chē)輛動(dòng)載系數(shù)隨速度的變化曲線.圖中數(shù)據(jù)表明，各因素對(duì)動(dòng)載系數(shù)的影響規(guī)律和對(duì)最大動(dòng)載及其變化率的影響規(guī)律類(lèi)似.隨著道路行駛質(zhì)量指數(shù)變差，動(dòng)載系數(shù)明顯增加.在不同的行車(chē)速度及載重工況下，A路段、B路段、C路段的平均動(dòng)載系數(shù)分別為5.5%，15.7%和19.8%.動(dòng)載系數(shù)最大可達(dá)25%.當(dāng)行駛質(zhì)量指數(shù)為優(yōu)時(shí)，動(dòng)載系數(shù)隨車(chē)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(shí)，動(dòng)載系

速度km·h-1

數(shù)隨車(chē)速的增加則有明顯的增加.車(chē)輛載重對(duì)于動(dòng)載系數(shù)的影響規(guī)律沒(méi)有平整度和速度那么明顯，從整體上說(shuō)，隨著載重的增加，動(dòng)載系數(shù)有所減少.

4結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)卡車(chē)動(dòng)載試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1 在卡車(chē)軸上安裝變形傳感器，通過(guò)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(jìn)行動(dòng)載實(shí)測(cè)的有效手段.

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

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

4實(shí)測(cè)所得數(shù)據(jù)可用于動(dòng)載作用下路面結(jié)構(gòu)的分析.

參考文獻(xiàn)

1張丙強(qiáng). 豎向環(huán)境振動(dòng)對(duì)人車(chē)路系統(tǒng)耦合振動(dòng)的影響J. 動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào)， 2012，102：186-191.

ZHANG Bingqiang.Influence of vertical ambient vibration on the bodyvehicleroad coupled vibrating systemJ.Journal of Dynamics and Control，2012，102：186-191.In Chinese

2黃立葵，孫曉立，易志華.路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)荷載效應(yīng)及對(duì)反分析結(jié)果的影響J.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，304：79-81.

HUANG Likui，SUN Xiaoli，YI Zhihua.Rcsopnsc of pavcmcnt to dynamic load and its influcnccs on invcrsc analysisJ.Journal of Hunan University：Natural Sciences， 2003，304：78-81.In Chinese

3POTTER 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.

4SWEATMAN 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.

5MITCHELL 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.

6FERMANDO 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.

7BLANKSBY 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(chǎng)測(cè)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 engineeringS. Beijing：China Communications Press，2008.In Chinese

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

Ministry of Communications， JTG 073.22001 Technical specifications for maintenance of highway asphalt pavementS. Beijing：China Communications Press， 2001.In Chinese