汽車試驗場試驗道路的抗滑性能(上)
在汽車、路橋、交通行業(yè),車與路密不可分,兩者相互依賴,互補和促進。試驗道路是汽車試驗場重要組成部分,它不同于社會道路,試驗道路往往具有更高規(guī)格、更加特殊、更為精細的并含有特殊目的設計與施工。眾多汽車試驗場中,因建設的目的與側重的內容不同,并受因地制宜的影響,各汽車試驗場的試驗道路都表現出一定差異。
然而,除了部分設置有特殊構造物進行特定試驗的試驗道路,一般用作試驗車輛正常行駛的道路也遵循于城市道路或者公路的設計和施工原則。而公路工程相關的朋友往往知道,路基路面的基本性能主要包含五點:承載能力、穩(wěn)定性、耐久性、表面平整度、路面抗滑性。五個基本性能中與汽車試驗關聯最為直接的就是路面的抗滑性能。
顧名思義,路面抗滑性指路面表面抗滑能力的大小。在平時開車過程中,我們對路面的期望是開闊平整,但不宜光滑。如果路面過于光滑,車輪與路面之間缺乏足夠的附著力或摩擦力,雨天高速行車、緊急制動、突然起動或爬坡、轉彎時,車輪易產生空轉或打滑,致使行車速度降低,甚至失控引起嚴重的交通事故。
主流的觀點認為:路面的抗滑性能,在低速行車時,主要取決于集料表面的微觀紋理;在高速行車時,主要取決于路面表面的宏觀紋理。路面表面的抗滑能力可以通過采用堅硬、耐磨、表面粗糙的粒料組成路面表層材料來實現,有時也可以采用一些工藝措施來實現,如水泥混凝土路面的刷毛或刻槽等。此外,路面上的積雪、浮冰或污泥等,也會降低路向的抗滑性能,必須及時予以清除。
更詳細一步的探討路面抗滑性能,我們無法避開探討輪胎與路面之間的摩擦形成機理、輪胎-路面附著特性及相互作用。這些涉及到專業(yè)的學術內容,如輪胎與路面間的范德華力作用,輪胎與路面間的黏附力,胎面橡膠的彈性變形和路面上小尺寸微凸體的微切削作用。過于專業(yè)和學術,難度過大。我個人也難以理解和消化。所以本推文僅從工程應用汽車試驗場試驗路面檢測和使用方面進行整理和概述。
正是因為抗滑性能難以表征,故而在日常工作中,我們經常聽到諸如摩擦系數 、路面橫向力系數、構造深度、路面粗糙度、路面附著系數 、峰值制動系數等名詞,對于不熟悉該領域的人來說可能會感到一頭霧水。下面我們逐一探討:
1、道路摩擦系數 surface friction coefficient:
對于道路摩擦系數,我更認可的定義為“測試儀器部件與路面接觸產生的摩擦力和測試儀器部件法向壓力的比值。”因為實際工程測試的儀器并不完全為完整的輪胎,僅定義為輪胎與路面間的摩擦并不準確。比如常用的英式擺式摩擦系數儀(下簡稱“擺式儀”)即為特制的標準橡膠滑塊。
道路摩擦系數的主要應用在公路工程領域,我國交通運輸部發(fā)布的《公路工程質量檢驗評定標準》中,對于瀝青面層的抗滑能力實測項目為道路摩擦系數和構造深度。而摩擦系數測定方法為兩種,一種是擺式儀的擺值BPN20,另一種為橫向力系數測定車測出的橫向力系數SFC。
擺式儀為英國科學和工業(yè)研究部公路研究實驗室(TRL)所研發(fā)成果,對公路工程領域道路的安全性具有杰出貢獻。擺式儀是動力擺沖擊型儀器。它是根據“擺的位能損失等于安裝于擺臂末端橡膠片滑過路面時,克服路面等摩擦所做的功”這一基本原理研制而成。
橫向力(摩擦)系數測定車,是測定輪與行車方向呈7.5°-20°,且以一定速度在潮濕路面行駛時(注:測試路面應為干燥路面,測試時儀器會進行灑水),試驗輪受到的側向摩擦力與作用在試驗輪上的載重之比值,即為橫向力系數SFC,也稱側向力系數。目前我國已普遍使用橫向力系數測試系統(tǒng)作為高等級公路抗滑能力的檢測設備,測試方法稱偏轉輪拖車法,常見的拖車又分為“單輪式”和“雙輪式”,雙輪式測試數據需進行轉換。橫向力系數除了用在抗滑能力的表征上,還用于道路平面設計。如道路平面線形中最小圓曲線半徑的計算公式為:Rmin=V2/127(μ±i),其中μ值即為橫向力系數。
此外,還可使用動態(tài)旋轉式摩擦系數測試儀(簡稱 DF 儀,日美常用)測試路面的摩擦系數,DF儀測試結果穩(wěn)定,測量值與其它類型摩擦系數值具有良好的相關性關系,是單點摩擦系數測試的較好選擇。
2、構造深度 surface texture depth:
路面表面的構造深度是指一定面積的路表面凹凸不平的開口孔隙的平均深度。主要用于評定路面表面的宏觀粗糙度、排水性能及抗滑性。構造深度(TD)也稱紋理深度,和路面摩擦系數都是評價路表抗滑性能的專業(yè)技術指標,但是構造深度和摩擦系數所表征的作用不同,兩者不能互相代替。
對于構造深度的測量往往有手工鋪砂法、電動鋪砂法、車載式激光構造深度儀器測量法。手工鋪砂法是工程常用方法,受人工操作影響大。而電動鋪砂法和手工鋪砂法原理類似,但操作繁瑣。兩者測量的數值也需要進行換算。
基于鋪砂法的缺陷,汽車試驗場試驗道路的構造深度檢測大多轉向使用車載式激光測量。如ISO10844:2021通過噪聲測試道路技術要求94后的14版本和21版本對于路表紋理的測量均推薦使用非接觸式的激光等。
ISO10844-1994版本中對于道路表面的紋理測試使用手工鋪砂法
ISO10844-2021版本中對于道路表面的紋理測試為ISO 13473
而激光構造深度儀的測試結果也存在 SMTD、MPD、PD、ETD等幾種不同算法,其中:
SMTD全稱為 Sensor MeasuredTexture Depth(傳感器測量構造深度)
PD全稱Profile Depth(斷面深度)
MPD全稱為Mean Profile Depth(剖面深度)
ETD全稱Estimated Texture Depth(估算構造深度)
我國規(guī)定采用的參數為SMTD。其傳統(tǒng)鋪砂法的測量結果 ( TD) 具有良好的線性相關性。
摩擦系數和構造深度又經常一并用來表示路面粗糙度【surface roughness】,指的是路表面骨料的棱角阻止輪胎滑動的能力。屬于土木工程名詞,但在工程領域,所用面也并不廣泛。
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