汽車輪胎磨損顆粒物收集裝置研究進展

摘要：為了減輕輪胎磨損顆粒物對人類及自然環(huán)境的危害，各國研究人員紛紛展開了對輪胎磨損顆粒物收集裝置的研究。綜述了國內(nèi)外輪胎磨損顆粒物收集裝置的研究進展，整理了輪胎磨損顆粒物的產(chǎn)生機理，概括歸納了不同收集裝置的優(yōu)缺點及收集效率，并對輪胎磨損顆粒物收集裝置的發(fā)展趨勢進行了展望。

關(guān)鍵詞：輪胎磨損顆粒物；收集裝置；收集原理；研究進展

中圖分類號：U463 收稿日期：2023-04-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.026

1 前言

橡膠以其耐磨特性好、壽命長、彈性和減震特性好等優(yōu)點而廣泛地應用于輪胎的制作。汽車輪胎與路面的摩擦過程中會產(chǎn)生大量的磨損顆粒物，這些顆粒物在加熱/摩擦等物理和化學反應的作用下，可能還會產(chǎn)生新的有毒物質(zhì)[1]。在空氣、水、土壤/沉積物和生物群等環(huán)境中均能發(fā)現(xiàn)輪胎磨損顆粒物[2]。不同國家向環(huán)境中排輪胎磨耗顆粒的年度數(shù)據(jù)如下：英國5.7×107 ㎏（1999年），德國6×107 ㎏（1998年），美國5.0×108 ㎏（1978和2004年）[2]。這些物質(zhì)對人類、動植物乃至整個生態(tài)系統(tǒng)都有嚴重危害。

為降低輪胎磨損顆粒物對人類及生態(tài)的危害，現(xiàn)有的輪胎磨損顆粒物收集裝置主要采用兩種方法對顆粒物進行收集：一種是利用風力裝置將顆粒物輸送到收集裝置中；另一種采用靜電吸附原理將顆粒物吸附在系附件上實現(xiàn)輪胎磨損顆粒物的收集工作。但由于汽車行駛路況較為復雜，環(huán)境中的顆粒物種類多樣，致使收集裝置的收集率不高。因此，研究人員為克服這些困難對輪胎磨損顆粒物收集裝置展開了研究。

本文從以上問題出發(fā)，全面收集輪胎磨損顆粒物產(chǎn)生機理，系統(tǒng)調(diào)查輪胎磨損顆粒物收集裝置的研究動態(tài)，歸納總結(jié)不同輪胎磨損顆粒物收集裝置的優(yōu)缺點以及適用場景，以便于為研制出簡單高效的輪胎磨損顆粒物收集裝置提供信息。

2 輪胎磨損顆粒物產(chǎn)生機理

大多數(shù)輪胎磨損顆粒物是車輛在路面上行駛時輪胎與路面發(fā)生相對位移時所產(chǎn)生的，是輪胎與路面之間的相互作用力、化學反應等多種因素共同作用產(chǎn)生的。很多學者對輪胎磨損顆粒物的產(chǎn)生機理產(chǎn)生了濃厚興趣。彭旭東等[3]認為輪胎磨損顆粒物產(chǎn)生的最主要機理是磨粒磨損，在熱氧化講解的作用下將會使輪胎磨損顆粒物自然脫落，而且顆粒物的脫落還與路面條件、輪胎的結(jié)構(gòu)和車輛載荷有關(guān)。呂仁國等[4]研究發(fā)現(xiàn)輪胎磨損產(chǎn)生的顆粒物的尺寸將隨著滑動速度的增大而減小。Gent等[5]發(fā)現(xiàn)輪胎磨損顆粒物的粒徑大小具有階段性，開始是粒徑為1～5 μm的顆粒物從輪胎表面上被磨損掉，后來由于輪胎表面裂紋的擴展，100 μm數(shù)量級的磨損顆粒物會被磨損掉。裂紋的增長被認為是輪胎磨損顆粒產(chǎn)生的重要機理。Yan等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)隨著二氧化碳含量的增多，胎面橡膠模量也會逐漸增大，致使直徑大于1 mm的輪胎磨損顆粒物的發(fā)射量減少。隨著環(huán)境溫度、負載和轉(zhuǎn)速的提升，粗輪胎磨損顆粒物的排放量在一定程度上呈增加趨勢[6]。

綜上所述，輪胎磨損顆粒物的產(chǎn)生與很多作用機理有關(guān)，不同的作用機理會產(chǎn)生不同的磨損顆粒物。綜合考慮，輪胎磨損顆粒物的產(chǎn)生是多種機理共同作用產(chǎn)生的，只是在不同的磨損環(huán)境下，不同的磨損機理會占主導作用。

3 輪胎磨損顆粒物收集裝置

3.1 輪胎磨損顆粒物收集裝置概況

輪胎磨損顆粒物的來源主要由兩個方面：a.修補輪胎時對輪胎進行打磨而產(chǎn)生的細小微粒；b.汽車輪胎在轉(zhuǎn)動時與路面接觸會導致輪胎內(nèi)部粒子的剪切和加熱，從而產(chǎn)生不同尺寸范圍的細小微粒[7]。圍繞此，深入調(diào)查輪胎磨損顆粒物收集裝置，深入解讀各個收集裝置的特點，明確輪胎磨損顆粒物收集裝置的組成成分，分析裝置的原理。

施佳云等[8]研發(fā)的輪胎顆粒物收集裝置包括有箱體、過濾機構(gòu)和收集框。如圖1所示，在箱體內(nèi)部的頂部設有過濾機構(gòu)，在箱體內(nèi)部的底部安裝了收集框。人們將在修補輪胎過程中對輪胎進行打磨時產(chǎn)生的磨損顆粒物收集起來，當把這些輪胎磨損顆粒物過濾出來時，人們將收集好的顆粒物放置在放置框內(nèi)，通過不斷地踩動踏板，使顆粒物不停地在網(wǎng)板上抖動，達到過濾符合要求的橡膠顆粒的目的，過濾出來的橡膠顆粒物會落入收集框中，從而被收集起來。

董家楠[9]研發(fā)的輪胎磨損顆粒物收集裝置（下文簡稱裝置1）分別在車輛的前后輪后上方位置的輪罩面上安裝了輪胎磨損顆粒物的捕集通道的入口，在靠近車輪后側(cè)的底盤上安裝了輪胎磨損顆粒物的捕集通道出口，如圖2所示。當汽車高速行駛時，由于氣體高速流動在捕集通道的出入口形成壓力差，從而帶動著磨損顆粒物從捕集通道的出口流入捕集通道的入口從而被捕集裝置捕集。實驗通過分析氣流流場來判斷輪胎磨損顆粒物的運動軌跡，通過確定風壓集中區(qū)域進而確定捕集通道出入口離地高度位置，并通過實驗發(fā)現(xiàn)車速為60 km/h時輪胎磨損顆粒物捕集效率最高，車速為120 km/h時效果最差，且收集率還與入口中心點高度和出口距離有關(guān)。

寧波大學黃海波等[10]自主發(fā)明了一種輪胎磨損顆粒物收集裝置，裝置包括安裝在汽車輪胎罩殼后方的第一收集通道、輪胎罩殼上方的第二收集通道和兩個收集通道內(nèi)安裝的顆粒吸附裝置，如圖3所示。由于增加了第二收集通道，該裝置克服了裝置1在汽車行駛速度較低（低于60 km/h）時收集率較低的問題。吸附裝置與駕駛艙內(nèi)的靜電發(fā)生器相連，汽車啟動后，裝置通電便可吸附進入通道內(nèi)的細小顆粒，當汽車停止運行時，通電裝置斷電，吸附在吸附裝置上的細小顆粒便會自動脫落至地面，在車輛離開前自動進行清理。

鄭州大學朱仁成等[11]發(fā)明了一種非尾氣顆粒物收集裝置（下文簡稱裝置2）。該裝置包括安裝在車輛輪胎外圍的收集單元，與收集單元通過輸送管道相連的收集口調(diào)節(jié)單元，吹掃單元，如圖4所示。裝置工作時，掃吹單元會對輪胎前道路路面區(qū)域進行吹掃，輪胎磨損顆粒經(jīng)抽吸氣泵的作用被輸入收集口，繼續(xù)經(jīng)過抽吸氣泵被收集到顆粒物采集器中。隨著汽車行駛速度的增加，輪胎磨損顆粒物向上排放的角度會被抬高。該裝置解決了以往輪胎磨損顆粒物收集裝置的收集位置固定的缺點，收集口調(diào)節(jié)單元會根據(jù)車輛行駛速度自動調(diào)節(jié)收集口相對于輪胎的位置，保證最多的輪胎磨損顆粒物進入收集口，使收集效率達到最大化。

英國皇家藝術(shù)學院Cheng等[12]發(fā)明了一種微粒收集裝置（下文簡稱裝置3），該裝置包括靜電過濾單元、噴嘴、濾網(wǎng)、充電電路、控制模塊、顆粒傳感器、收集傳感器、清洗裝置、收集容器、充電電路等。如圖5所示。該裝置通過充電電路給過濾單元的一個或多個可充電的電極板充電，在靜電力的作用下，電極板可以捕獲由于摩擦而帶電的輪胎磨損顆粒物。電極板上顆粒物的體積、質(zhì)量和數(shù)量可被傳感器檢測，以達到及時清理的目的。該裝置可根據(jù)車輛行駛條件（轉(zhuǎn)彎、加速、剎車）控制施加于電極板上的充電電壓，以滿足收集效率，同時該裝置還有防撞功能，根據(jù)距離傳感器的數(shù)據(jù)，調(diào)整位置，達到防碰撞的功能。

3.2 輪胎磨損顆粒物收集裝置對比

本文系統(tǒng)地收集整理了輪胎磨損顆粒物收集裝置，廣泛地調(diào)查了輪胎磨損顆粒物收集裝置研究動態(tài)，總結(jié)概括各個輪胎磨損顆粒物收集裝置的特點及適合工作的環(huán)境。具體內(nèi)容如下：

a.相比于汽車輪胎修補后橡膠顆粒收集設備，裝置1具有實時收集和對減少環(huán)境中橡膠顆粒物成分作用更大的特點。

b.寧波大學的研究人員在裝置1的基礎(chǔ)上對其進行改進，該裝置改進后，提高了汽車在低速行駛時輪胎磨損顆粒物的收集率，具有更廣的車速適用性。

c.裝置2具有能夠適用較復雜路況的優(yōu)點，但收集的專一性較差，不能對輪胎磨損顆粒物做特異性收集。

d.裝置3具有較高的輪胎磨損顆粒物的收集率，自動調(diào)節(jié)電極板充電電壓，利用雨水清潔電極板，防撞擊等優(yōu)點。但由于電極板直接暴露于空氣中，具有易腐蝕和容易被泥土等物質(zhì)覆蓋從而使收集效率降低的缺點。

各個研究人員基于自身的工作需求和科研需求，研發(fā)了適用于不同使用場景的輪胎磨損顆粒物收集裝置，即滿足自身需求的同時，在環(huán)境保護方面也起到了很大作用。

4 結(jié)語

隨著輪胎磨損顆粒物收集裝置研究的不斷推進，并且不斷地與其它技術(shù)結(jié)合，將來會研發(fā)出更先進的收集裝置，未來輪胎磨損顆粒物的發(fā)展主要分為以下幾個方面：

a.提高裝置兼容性。易安裝拆卸，簡單的安裝操作可快速推廣裝置的適用，更易被車主接受。適用范圍廣，根據(jù)不同的輪胎寬度自動調(diào)節(jié)收集裝置的寬度，以及相對輪胎的收集位置，以適用不同型號的輪胎。

b.自動化控制。在收集裝置內(nèi)加入控制芯片，具有識別路況判斷是否打開收集裝置、自動清理、轉(zhuǎn)移顆粒物到儲存區(qū)的功能。

c.提高收集效率?？梢詮膬?yōu)化顆粒物吸附片的材料和形狀等方面進行研究，高收集率才可以真正地降低輪胎磨損顆粒物產(chǎn)生的危害，保證裝置的環(huán)保意義最大化。

雖然很多研究人員對輪胎磨損顆粒物的運動軌跡和收集裝置進行了研究，并對輪胎磨損顆粒物的收集有了一定的進展，但是各類收集裝置仍有需要完善的地方，需要對收集裝置進行進一步改進或者開發(fā)出新的性能更好的裝置，從而能高效率地收集輪胎磨損顆粒物，實現(xiàn)輪胎磨損顆粒物的回收再利用，降低輪胎磨損顆粒物對人們的身體健康和自然環(huán)境的危害。

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作者簡介：

劉奧輝，男，2001年生，本科生，研究方向為汽車環(huán)保。