濕瀝青操縱穩(wěn)定性評價路布水設施設計與研究

舒俊 饒浩娟 張弦 史志華

摘? 要：汽車操縱穩(wěn)定性評價測試要求測試道路應具備不同附著系數(shù)，降低道路附著系數(shù)通常需要在道路上均布水膜來實現(xiàn)。當前國內(nèi)新建汽車試驗場數(shù)量不斷增長，但操縱穩(wěn)定性試驗路仍大量采用噴頭布水或漫水溝布水的形式，在實際應用中有一定的局限性。針對這一狀況，提出了一種新型的試驗路布水模式，設置相關自動化配套設施，在盡可能降低布水設施對試驗車影響的基礎上，實現(xiàn)了長距離試驗道路0.8～1.0mm或2.0mm以上的水膜要求，滿足了濕滑試驗道路的低附著系數(shù)及車輛輪胎側(cè)滑試驗要求，實現(xiàn)了在一條道路上提供多種汽車試驗。

關鍵詞：操縱穩(wěn)定性試驗；輪胎側(cè)滑試驗；水膜厚度；布水設施

中圖分類號：U467? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：1005-2550（2024）03-0081-07

Design and Research of Water Distribution Facilities for Handling Stability Evaluation Wet Asphalt Road

Abstract： The evaluation test for vehicle handling stability requires that the test road should have different adhesion coefficients， and reducing the adhesion coefficient usually requires evenly distributing water film on the road. At present， the number of newly built automobile test sites in China is constantly increasing， but the handling stability test roads still heavily use the form of nozzle water distribution or overflow ditch water distribution， which has certain limitations in practical applications. A new type of test road water distribution mode has been proposed to address this situation， with relevant automation facilities installed. On the basis of minimizing the impact of water distribution facilities on the test vehicle， the water film requirements for long-distance test roads of 0.8～1.0mm or above or 2.0mm have been achieved， meeting the requirements of low adhesion coefficient and vehicle tire sideslip test on wet test roads， and providing multiple vehicle tests on a single road.

Key Words： Handling Stability Test; Tire Sideslip Test; Water Film Thickness; Water Distribution Tacilities

背? ? 景

汽車試車場內(nèi)用于操縱穩(wěn)定性評價的瀝青路往往有干和濕兩種狀態(tài)，以分別在高、低附著系數(shù)下進行主觀及客觀評價，以及輪胎的側(cè)滑試驗。濕瀝青操縱穩(wěn)定性評價路與其他一般灑水低附試驗道路不通，其特點主要體現(xiàn)在需滿足試驗要求提供連續(xù)均勻低厚度水膜試驗路段。近年來，隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對其在試驗場的測試需求也日益增加，對該類布水設施的設計與研究顯得尤為重要。如：國外某試車場濕瀝青操縱穩(wěn)定性評價路長約2公里左右，并形成環(huán)道，道路縱坡為0，橫坡為1.0～1.5%，局部3.0%，試車時車速控制在20～120km/h，水膜厚度要求控制在0.8到1.0mm或2.0mm及以上，供水應能滿足均勻迅速布滿道路，并考慮持續(xù)6～8小時左右循環(huán)供水。本文以襄陽試車場濕滑操縱穩(wěn)定試驗道路為例，采用一種新型布水模式提供了操穩(wěn)濕環(huán)低厚度水膜試車的解決方案。

1? ? 水膜厚度計算模型

1.1? ?試驗場操穩(wěn)濕環(huán)水膜厚度的確定

在道路寬度、橫縱坡及路面材質(zhì)一定的情況下，水膜厚度是整個供回水系統(tǒng)設計與施工中最關鍵的控制變量，并對試車起著至關重要的影響。國內(nèi)諸多學者對水膜厚度的影響因素進行了大量的研究，其中主要因素水膜厚度與滑水速度的關系[1-2]。若干研究表明，在其余參數(shù)一定情況下，當水膜厚度超過2mm時，水膜厚度的增加對輪胎滑水速度的影響是顯著減小的。故在襄陽汽車試驗場操穩(wěn)濕環(huán)試驗道路的設計中，對水膜厚度提出了0.8～1.0mm的精確要求，從而對整個布水設施及加壓設施的確定都提出了更準確的設計及實施要求。

1.2? ?水膜厚度計算模型

多項研究表明，道路的坡面坡度、坡面長度、以及道路表面構(gòu)造深度等均影響水膜厚度的形成，以現(xiàn)有的水力計算模式估算的流量往往與實際差距較大。多名國內(nèi)外學者根據(jù)自己的試驗情況，均推導出各種水膜厚度經(jīng)驗公式[3-4]。但均未明確直接指出道路特點與水膜厚度、滿水流速的數(shù)學關系。

在與日本知名試驗場設計方NIPPO、法國PSA等公司技術(shù)人員以及武漢大學水力學專家進行多次技術(shù)交流，總結(jié)各方意見并結(jié)合項目特點確定本次研究內(nèi)容的試驗方案。濕瀝青操縱穩(wěn)定性評價路的工程設計實際與上述學者研究方向不同，是以在道路上分布低厚度水膜，來模擬車輛在道路低附著系數(shù)狀態(tài)下實際測試要求為目的，此時的薄層水膜狀態(tài)應盡量接近于均勻流，故在布水方式上考慮避免降雨模式。由此，首先在布水模式上確認為采用布水設施模擬均勻流布水，布水量的計算則可回歸到曼寧公式[5]的模式上。

水膜在道路上分布流速可根據(jù)曼寧公式估算：

式中：v-水流斷面的平均流速（m/s）；n-粗糙系數(shù)；R-水力半徑（m）；i-水力坡降。

布水量Q計算如下：

式中：v-水流斷面的平均流速（m/s）；A-水流有效斷面面積（m2）。

結(jié)合以上，初步確定試驗方案：根據(jù)試驗道路基本特點，計算路面布水時平均流速，結(jié)合水流有效斷面面積確定布水流量，進而確定設備布水量以及供回水設備的運行參數(shù)，直至滿足試驗道路水膜厚度要求。

2? ? 試驗路布水方案設計

現(xiàn)階段國內(nèi)尚無低附著系數(shù)試車道路工程設計的相關國家規(guī)范，行業(yè)內(nèi)部如中國汽車技術(shù)研究中心[6]、中國汽車工程研究院[7]、上海交通大學[8]等，往往根據(jù)測試車輛特點提出低附路面的工程要求，國內(nèi)現(xiàn)有濕瀝青道路布水方式主要有如下兩種，分別為立式噴頭供水和漫水溝方式供水，都具有各自的優(yōu)缺點。

2.1? ?立式噴頭供水方式

目前國內(nèi)某試車道采用此種供水模式，試車前經(jīng)布置在道路外側(cè)路肩內(nèi)預埋的噴水裝置向路面噴水，待路面全部濕潤后停止，開始試車。

下圖1為對路面噴水現(xiàn)場：

該布水方式優(yōu)點如下：

（1）噴水系統(tǒng)簡單易施工。系統(tǒng)由蓄水設施、加壓設備、供水干管、噴水支管、噴頭以及相關控制閥門和自控設施構(gòu)成。

（2）道路濕潤速度快。加壓噴水設施有一定的噴水半徑，可以快速地濕潤整個路面。

但其缺點也相對明顯：

（1）試車過程中可能無法連續(xù)噴水。因為現(xiàn)階段國內(nèi)汽車試驗場內(nèi)采用的噴頭的噴高大多超過1米，這樣高度的噴水會對輪胎及試車員視線產(chǎn)生干擾，尤其對乘用車影響較大，故路面濕潤后噴水系統(tǒng)停止工作，隨著試車過程路面逐漸干燥，需停車噴水后方可再次投入試車。

（2）當試車過程中風速較大時，面狀噴水的噴頭出水容易形成水霧，不但干擾試車且無法達到預定的噴距，同時會有較多的水隨風偏移至道路外，水量損失也較大，水膜厚度無法滿足試車要求。

（3）如采用噴頭為線性布水噴頭時，如上圖示，道路濕潤有局限性，容易出現(xiàn)空白處，需經(jīng)車輛帶動后方能布滿整條道路，同時也仍然存在受風影響的問題。

（4）正因為路面濕潤速度較快，使用中往往出現(xiàn)水膜厚度偏大和不均勻的情況。這種情況在道路施工中存在平整度誤差時表現(xiàn)的尤為明顯。

（5）現(xiàn)階段國內(nèi)汽車試驗場內(nèi)采用噴頭多為進口設備，采購及施工常受供貨范圍、周期、資金等多方面的限制。

綜上，這種布水方式多用于水膜厚度要求較大，道路長度較短，且需要短時迅速布水時，如在襄陽試車場三期項目中低附著路的前期布水中使用。

2.2? ?漫水溝方式

利用操縱穩(wěn)定性評價道路一般為單向橫坡的特點，由道路較高一側(cè)設漫水溝溢流方式均勻布水，布水支管考慮一定間距后沿道路均布，如設計為2～4米一處，如下圖2所示：

該方式一方面可以避免采用立式噴頭供水時，因噴水高度影響試車，可連續(xù)布水；另一方面也考慮通過漫水溝出水口形式的調(diào)整，便于調(diào)整水膜厚度，為多種試驗預留可行性；并能實現(xiàn)快速布水，減少試驗準備時間。

在實際使用中，易出現(xiàn)如下問題：

（1）水膜厚度控制難。如果試驗是為了檢測底盤的操控穩(wěn)定性時，那么布水的目的僅僅是通過一層非常薄的水膜降低跑道附著力，將會嚴格要求水膜厚度小于1毫米，對漫水溝出水量的控制相當關鍵，實際操作較困難。

（2）布水支管在漫水溝中易形成壅水，對加壓設施和管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力控制要求太高，雖對支管出水口處作了相應改造處理，但效果并不理想。

（3）道路與漫水溝的不均勻沉降。操穩(wěn)濕瀝青路長達1800多米，使用實際長后易出現(xiàn)不均勻沉降，對水膜厚度的影響還是非常顯著的。

2.3? ?新型濕瀝青操縱穩(wěn)定性評價路供水方式

經(jīng)調(diào)研比選，本次試驗方案采用了一種全新的布水方式，即帶噴嘴的布水設施布水的形式。試車前，通過設于道路橫坡高側(cè)的特制布水設施作用，使長距離試驗道路上能做到分段均布所需0.8～1mm的低厚度水膜流量的水流，再通過工作車輛的運行，使水膜均布整條試車道路；試車過程中，由布水設施繼續(xù)對道路進行補水，既滿足試車時對車輛的無干擾要求，又可通過試驗車輛的運行，繼續(xù)保持道路上低厚度水膜的均勻分布。有效地解決了噴水式和溝槽漫水式布水水膜厚度偏大及不均勻問題，實現(xiàn)布水的均勻性、連續(xù)性、無干撓性。同時通過調(diào)控加壓設施及流量控制閥等控制設施，可調(diào)整布水設施的布水水量，加大水膜厚度至2mm及以上，有效地解決多種道路工況適應性及可變性等問題，最大限度滿足各類試驗車輛的試車需求。具體試驗設計實施如下：

1、布水設施設計

其中，1——布水設施；1-1——導流槽；1-2——布水管；1-3——預留布水管；2——分支管控制閥井；3——分支管控制閥門；4——壓力表；5——供水支利害；6——供水干管。

根據(jù)道路長度、寬度，以及試車時不同水膜厚度要求，經(jīng)計算后，特制相應匹配的布水設施和布水管，同時根據(jù)實測的各壓力下水膜厚度及布水流量等數(shù)據(jù)，對布水設施及布水管進行修正。在布水設施上預留備用接管孔洞，能提供多種水膜厚度的流量，保證多方面匹配試車道路要求。布水設施采用混凝土或樹脂混凝土預制布水設施，以達到標準化施工和加快施工進度的要求。

相應的布水設施平面布置示意如下圖：

將長距離試驗道路的布水系統(tǒng)分多段控制，設置控制閥門及儀表。一方面便于調(diào)控和檢修，另一方面也便于適應全路段或部分路段的試車運行。同時，如上圖示，根據(jù)試驗所需布水量及道路試驗時間等確認可循環(huán)使用的水量，在布水設施對側(cè)道路外設置收水溝，通過溝及管路系統(tǒng)回收試車用水，達到循環(huán)利用、節(jié)能環(huán)保的要求。

2、循環(huán)水系統(tǒng)設計

因操穩(wěn)試驗路面積大，試驗時間長，故用水量較大。設計根據(jù)試驗所需布水量及道路試驗時間等確認可循環(huán)使用的水量，在布水設施對側(cè)道路外設置收水溝，通過溝及管路系統(tǒng)回收試車用水，沉砂后溢流進入循環(huán)蓄水池，經(jīng)循環(huán)水泵加壓、過濾器過濾后，循環(huán)利用，以達到節(jié)能環(huán)保要求。流程示意如下：

試驗道路供回水設施布置如下圖6所示：

為保證試車安全，收水溝蓋板均采用D400鑄鐵篦子，考慮蓋板跳起的危險，采用螺栓固定式溝蓋板，沿口角鋼砌護。根據(jù)國內(nèi)外試車場實際運行經(jīng)驗，以及國際知名試車場設計公司提供的參考數(shù)據(jù)，回水量按供水量的60～70%確認。

3? ? 現(xiàn)場布水試驗

采用帶噴嘴的布水設施布水的模式對某汽車試驗場試驗道路進行現(xiàn)場布水試驗，試驗環(huán)境參數(shù)如表1所示：

現(xiàn)場布水試驗在開啟布水閥門后，由試驗準備車輛在道路上巡回。在整個布水試驗中，記錄下不同時間下的布水狀態(tài)。具體如圖7～13所示：

由圖7～14可知，整個布水過程中：前1mim內(nèi)，在道路上分段均布所需0.8～1mm的低厚度水膜流量的水流；1～10min內(nèi)，形成水膜的水量已基本能分布至道路，布水充滿路表空隙及凹陷，路面濕潤飽和；10～30min是水膜進一步均勻分布的過程。同時，因為道路在平整度上存在施工誤差的問題，最終會有極少量的路面水膜分布不夠，現(xiàn)場通過工程車輛行駛解決。同時結(jié)合圖13可知，路面在整個布水過程中前一分鐘分布速率最高，隨著布水時間的增加，分布速率逐漸降低，當布水時間達到30分鐘后，分布速率基本為零。這是由于開始路面干燥，水流會迅速在干燥的路面上展開，隨著布水面積的增加，水膜之間作用逐漸增大，分布速率逐漸降低，直至路面完全布水。因此，在布水時間達到30分鐘后進行道路試驗效果最佳。

圖15為現(xiàn)場實測水膜厚度值。操穩(wěn)路按路中線每50米左右取一觀測點，共36個。由表中數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場水膜厚度值絕大部分位于0.8～1.1mm之間，少量偏差的原因是整條道路的平整度要求為±3mm/4m，導致水膜分布厚度有不均勻情況，經(jīng)現(xiàn)場實測，能滿足試驗車輛測試及研發(fā)要求。

4? ? 總結(jié)

由試驗結(jié)果可知，采用這種設于道路橫坡高側(cè)的特殊布水設施布水，并利用工作車輛帶動布水均勻的新型布水方式，對長距離布水試驗道路，在滿足了布水設施對試驗車輛影響最低限度的要求的前提下，能夠提供多種試驗目的的試車解決方案，并能最大限度克服道路沉降、風速帶來的不利影響，具有較大的推廣價值。

實際應用中也發(fā)現(xiàn)了若干問題，可于今后類似項目實施中改進。

（1）供水均勻度?，F(xiàn)有各分段控制的分支管為枝狀供水至布水設施，因布水設施出口處壓力較小，故分支管供水近端與遠端的水量存在一定的不平衡，雖然不影響道路整體布水的均勻度，但致使分支管上的流量控制閥調(diào)整較困難。今后可考慮將近端布水設施小支管管徑減小或減少分支管控制布水設施數(shù)量等辦法降低影響。

（2）回水量。根據(jù)國內(nèi)外試車場實際運行經(jīng)驗，以及國際知名試車場設計公司提供的參考數(shù)據(jù)，回水量按供水量的60～70%確認，現(xiàn)能滿足8小時左右試車。實際運行過程中，因本地氣溫、風速、日照等因素導致的蒸發(fā)量差異，以及實際試車數(shù)量及時間的不同帶來的損失，可考慮適當減少回水量的計算比例，增大循環(huán)用水池容積，更有利于試車工作的安排。

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