基于壓力膠片技術的輪胎與路面接觸應力分析

，，，

(1 陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南 714000；2 華南理工大學，廣東廣州 510641)

基于壓力膠片技術的輪胎與路面接觸應力分析

楊豐華1，陳明明1，邵申申2，王剛2

(1 陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南 714000；2 華南理工大學，廣東廣州 510641)

為揭示瀝青路面與輪胎接觸的應力分布狀況，該文基于壓力膠片技術，設計兩種不同路面結構分別進行0h、2h、4h、6h、8h的加速加載搓揉試驗，并采集和統計應力分布特征，結果顯示：平均應力隨搓揉時間的增加而減小，GAC-13路面與輪胎接觸平均應力大于AC-13；主應力分布率亦隨搓揉時間的增加而減小，并且GAC-13路面與輪胎接觸主應力分布率高于AC-13。該文提出的平均應力和主應力分布率概念可以為進一步研究接觸應力與路面抗滑性能提供借鑒。

瀝青路面，壓力膠片，平均應力，主應力分布率

我國絕大部分高速公路都是采用瀝青路面，其抗滑性能直接關系到道路行車的安全[1-10]。相關研究表明影響其抗滑性能的因素有很多，研究者大多以瀝青路面施工及瀝青混合料原材料為研究切入點，對輪胎與瀝青路面的接觸應力分析相對較少，而且接觸應力的測量技術及設備也各有不同。曹平[11]根據汽車輪胎學以及摩擦學理論對瀝青路面構造和抗滑性能影響因素進行理論分析，但也只是定性的研究，沒有進行實測定量的研究；孫立軍[9]等對瀝青路面與輪胎接觸的花紋形式以及疲勞性能方面進行了研究；王吉忠等[12]采用單點分步測量法測量輪胎的接地壓力，對接地壓力分布規律進行了試驗測量。總結以上輪胎與路面壓力測試研究，具有諸多不足，如設備大、操作復雜、測試精度不足、造價高等[12-15]。因此，本文引入新型測量技術(壓力膠片測量技術)，其測量方式簡單、成本低、精度高。重點分析不同路面結構與輪胎的接觸應力分布規律，旨在探索接觸應力分布與瀝青路面抗滑性能的相關性。

1 試驗方案設計及試驗過程

1.1 試驗方案設計

本實驗選取瀝青路面工程應用常見抗滑層級配：(1)輝綠巖AC-13；(2)輝綠巖GAC-13。級配組成見表1，級配曲線見圖1，石料及瀝青技術指標見表2和表3。

表1 AC-13和GAC-13的級配組成Table 1 Gradation composition of AC-13 and GAC-13

圖1 級配曲線圖Fig.1 Grading curve

表2 石料主要性能評價指標Table 2 Stone main performance evaluation index

表3 瀝青的主要性能指標Table 3 Main performance index of the asphalt

1.2 試驗過程

試驗采用自主研發的加速加載搓揉試驗機，試驗對象為GAC-13 (間斷型AC-13級配) 和AC-13級配的瀝青混合料車轍板，車轍板的尺寸為 300mm×300mm×50mm，在60℃的水環境下對GAC-13和AC-13級配的車轍板進行0h、2h、4h、6h、8h的搓揉試驗。初始未搓揉階段測得AC-13車轍板構造深度為0.86，擺值為72；GAC-13車轍板構造深度為1.12，擺值為79；搓揉試驗結束后，在常溫下將車轍板晾干，分別進行壓力膠片試驗，如圖2所示。

圖2 搓揉試驗與膠片壓力試驗Fig.2 Rub test with film pressure test

本試驗選擇小型汽車為試驗對象，實測胎壓為0.4MPa，通過壓力傳感器實測其后輪輪載為9.7kN，壓力膠片有兩種規格，分別為0.2MPa～0.6MPa和0.5MPa～2.5MPa的量程。

1.3 壓力膠片技術簡介

Prescale膠片在受壓時，不同的壓力大小區域會呈現出不同濃度的色彩，將染色的膠片通過掃描儀掃描，將掃描得到的圖像經過膠片附帶專業軟件進行處理，用以識別不同色彩濃度區域的壓力大小。具體如圖3～圖5所示：其中圖4～圖5中最左側為應力刻度線0.2～0.6，單位為MPa。

圖3 膠片結構Fig.3 Film structure

圖4 不同接觸壓力數值化及色彩區分Fig.4 Contact pressure values distinguished by colors

圖5 對掃描膠片的量化分析Fig.5 Quantitative information about scanned film

2 試驗數據統計及結果分析

2.1 不同搓揉時間下輪胎與路面平均應力的分布

對受壓后的0.2MPa～0.6MPa和0.5MPa～2.5MPa膠片，采用FPD8010軟件進行數據采集、處理后得到的平均應力結果如表4和圖6所示。

圖6通過統計和對比兩種路面與輪胎接觸的平均應力變化，可知：(1)隨搓揉時間的增加，兩種路面結構的平均接觸應力均逐漸減小，其中大量程膠片統計的平均應力衰減趨勢更明顯，說明大量程膠片能更好的表征路面與輪胎的平均接觸應力衰減規律；(2)無論初始未搓揉階段還是搓揉8h后，GAC-13路面與輪胎接觸的平均應力均大于AC-13。

表4 平均應力分布Table 4 Average stress distribution

(a)大量程0.5MPa～2.5MPa膠片

(b)小量程0.2MPa～0.6MPa膠片

2.2 不同搓揉時間下主應力分布規律分析

(1)對受壓后的小量程0.2MPa～0.6MPa膠片，采用FPD8010軟件進行數據采集、處理，對接觸區域的應力分布進行統計，結果如表5～表6所示。

表5 AC-13應力分布統計Table 5 AC-13 stress distribution statistics

續表5

應力范圍/MPa搓揉時間/h024680 40≤p<0 453 19%4 52%3 81%3 76%4 82%0 45≤p<0 502 70%2 85%3 24%3 09%4 14%0 50≤p<0 551 85%1 89%2 22%2 06%2 91%0 55≤p<0 602 07%2 07%2 49%2 25%3 25%0 60≤p44 73%38 89%34 43%30 62%29 33%

表6 GAC-13應力分布統計Table 6 GAC-13 stress distribution statistics

圖7 主應力分布率變化圖Fig.7 The main stress distribution variation

由表5～表6可以看出：經過8h的搓揉試驗，AC-13和GAC-13路面與輪胎的接觸應力分布均呈現不同程度的改變，不同應力范圍所占比例不同，并且不同范圍的應力隨搓揉時間的改變而改變。其中0.60≤p的應力分布隨搓揉時間的增加呈現遞減趨勢，而且初始未搓揉階段0.60≤p應力范圍占約50%，即占有絕大部分的應力分布面積，在此我們將0.60≤p應力范圍定義為主應力分布率。圖7是不同級配類型的瀝青路面主應力分布率變化圖。

由圖7可以看出：隨搓揉時間的增加，兩種路面與輪胎接觸的主應力分布率均呈現不斷遞減趨勢，初始及搓揉階段后期GAC-13路面的主應力分布率均高于AC-13路面。

(2)對受壓后的大量程0.5MPa～2.5MPa膠片，采用FPD8010軟件進行數據采集、處理，對接觸區域的應力分布進行統計，結果如表7～表9和圖8所示。

表7 AC-13應力分布統計Table 7 AC-13 stress distribution statistics

表8 GAC-13應力分布統計Table 8 GAC-13 stress distribution statistics

由表7～表8可以看出，經過8h的搓揉試驗，AC-13和GAC-13路面與輪胎的接觸應力分布均呈現不同程度的改變，不同應力范圍所占比例不同，并且不同范圍的應力隨搓揉時間的改變而改變。其中P<1.0MPa的應力分布隨搓揉時間得增加呈現遞減趨勢，而且初始未搓揉階段P<1.0MPa應力范圍占約60%以上，即占有絕大部分的應力分布面積，在此我們將P<1.0MPa應力范圍定義為主應力分布率。表9是不同級配類型的瀝青路面主應力分布率變化，圖8是主應力分布率變化圖。

圖8 主應力分布率變化圖Fig.8 The main stress distribution variation

由圖8可以看出：(1)隨搓揉時間的增加，兩種路面與輪胎接觸的主應力分布率均呈現不斷遞減趨勢，初始及搓揉階段后期GAC-13路面的主應力分布率均高于AC-13路面；(2)大小量程膠片試驗得出主應力變化規律基本相似。

3 結論

(1)隨搓揉時間的增加兩種路面結構的平均接觸應力均逐漸減小，其中大量程膠片統計的平均應力衰減趨勢更明顯，說明大量程膠片能更好地表征路面與輪胎的平均接觸應力衰減規律。無論初始未搓揉階段還是搓揉8h后，GAC-13路面與輪胎接觸的平均應力均大于AC-13路面。

(2)隨搓揉時間的增加，兩種不同量程膠片試驗下，兩種路面與輪胎接觸的主應力分布率均呈現不斷遞減趨勢，初始及搓揉階段后期GAC-13路面的主應力分布率均高于AC-13路面。

(3)后續研究將深入探討平均應力及主應力分布率變化規律與瀝青路面抗滑性能衰減的聯系。

[1] Al-MansourAI. Effects of pavement skid resistance on traffic accidents[J]. The Journal，2006.

[2] Kuttesch J S. Quantifying the relationship between skid resistance and wet weather accidents for Virginia data[D]. Virginia Polytechnic Institute and State University，2004.

[3] 朱永剛. 橡膠輪胎摩擦理論與數值化發展前景[J].彈性體，2006(06)：47-50.

[4] Ergun M，Iyinam S，Iyinam A F. Prediction of road surface friction coefficient using only macro and micro texture measurements [J]. Journal of transportation engineering，2005，131(4)：311-319.

[5] Nesbitt T R，Barron D J. Prediction of driving traction performance on snow[R]. SAE Technical Paper，1980.

[6] Flintsch G，de León E，McGhee K，et al. Pavement surface macro texture measurement and applications [J]. Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board，2003 (1860)：168-177.

[7] Becchi I，Caporali E，Castelli F，et al. Field analysis of the water film dynamics on a road pavement [J]. Physics and Chemistry of the Earth，Part C：Solar，Terrestrial & Planetary Science，2001，26(10)：717-722.

[8] 張會臣，高玉周，李亞斌，等.界面接觸特性對兩種自組裝分子膜摩擦特性的影響[J].摩擦學學報，2004，24(1)：6-10.

[9] 胡小弟，孫立軍. 重型貨車輪胎接地壓力分布實測[J]. 同濟大學學報：自然科學版，2006，33(11)：1443-1448.

[10] 孫洪利.瀝青路面抗滑性能衰減特性研究[J].公路，2011 (7)：73-78.

[11] 曹平，嚴新平，白秀琴. 瀝青路面形貌對抗滑性能影響的理論分析[J]. 摩擦學學報，2009，29(4)：306-310.

[12] 王吉忠，劉曉斌，張泰，等. 花紋磨光輪胎接地特性試驗研究[J]. 農業機械學報，2001，32(2)：18-20.

[13] 張肖寧，孫楊勇. 粗集料的表面微觀紋理的激光測量方法及分形性質研究[J]. 公路交通科技，2011，28(1)：19-24.

[14] 張安強，姚鐘堯. 輪胎接地壓力分布及其測試方法[J]. 橡膠工業，2001，48(6)：368-374.

[15] 俞淇，戴元坎. 靜負荷下輪胎接地壓力分布測試的研究[J]. 輪胎工業，1999，19(4)：203-207.

TheAnalysisofTireandRoadSurfaceContactStressBasedonthePressureofFilmTechnology

YANG Feng-hua1，CHEN Ming-ming1，SHAO Shen-shen2，WANG Gang2

(1 Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi，China；2 South China University of Technology，Guangzhou 510641，Guangdong，China)

For the asphalt pavement and the tire contact stress distribution，this paper based on the pressure of film technology，design two different pavement structure respectively and 0，2，4，6，8 hours accelerated loading rub test，then acquisition and statistical characteristics of stress distribution，the results showed that the average stress decreases with the increase of the rub time，GAC-13 road surface and tire contact stress is greater than the average AC-13. Principal stress distribution rate also decreases with the increase of the rub of time，and GAC-13 and the Lord of the road surface and tire contact stress distribution rate is higher than AC-13. This paper put forward the concept of average stress and the principal stress distribution can be for the further study of contact stress and pavement anti-sliding performance for reference.

asphalt pavement，pressure film，the average stress，the main stress distribution rate

U 416.2