單輪式橫向力系數測試系統研究

1 概述

隨著公路事業的發展，道路的行車速度有很大提高，但是交通事故數量也在不斷增加。尤其是抗滑能力不足的路面在雨天路面容易滑溜，在彎道下坡路段易發生側翻追尾等事故。由于路面的抗滑性能與行車安全性密切相關，公路建設部門和養護管理部門越來越重視路面的抗滑性能，并將其作為高等級公路竣工驗收及養護質量檢查評定中的一項重要指標。路面抗滑性能是指車輛輪胎受到制動時沿表面滑移所產生的力，是保證公路行車安全及維護必要的允許行車速度的一項重要指標，同時該指標也是路面設計、筑路材料、施工工藝、養護等各項技術水平的綜合反映，因此對抗滑性的檢測，先進的檢測設備與技術顯得尤為重要。

2 單輪式橫向力摩擦系數測試系統原理和技術

2．1 橫向力摩擦系數的提出

在道路行車狀態時，由于路拱或橫坡的存在，汽車在剎車時又因各車輪的制動阻力不可能絕對相等，汽車在路面就常有橫向側滑的傾向。于是專家們考慮，在借助機械方法推動車輪轉動的同時，又給其施以附加阻力使車輪在路面滾動時產生一定的滑溜(即輪胎與路面發生滑動摩擦)，使兩者產生一個合力，即為車輪所受的橫向力，通過檢測這個力并計算其與車輪的垂直重力的比值作為路面的摩擦系數，即為橫向力系數(SFC值)，該值可以反映縱、橫兩個方向的摩擦力性能。

2．2 路面橫向力系數測定設備

2．2．1 裝載車輛

裝載車本身是一個移動載體，所有機構均置于載體上，并讓其以一定的速度移動來完成測量，橫向力系數測試系統的承載車輛應為能夠固定和安裝測試、出供水、控制和記錄等系統的載貨車底盤，具有在水罐滿載狀態下最高車速大于100 km/h的性能。

2．2．2 測量機構

測量機構包括測量輪、配重、機械懸浮導軌、升降裝置及橫向力傳感器等，它的功能是把兩個載有恒定配重的測量輪置于裝載車前后軸之間并成一個固定的夾角，通過控制部分自由地升降，當測量輪下降到測量位置時，測量輪與地面接觸并自由轉動，把產生的橫向力傳遞至拉力傳感器上供數據采集系統處理。測試輪的氣壓和磨損對測試結果均有影響，應嚴格檢查。

2．2．3 供水系統

供水系統包括水罐、水泵、水路，它的功能是使測試輪前一定寬度的路面形成一條縱向濕潤帶，模擬最不利條件測得路面的橫向力系數。設備噴水的水量和位置將直接影響測試結果，因此每次檢測開始前必須檢查噴水系統工作狀況。

2．2．4 數據采集處理系統及附屬部分

數據采集處理系統包括上位機、下位機、電源及距離、拉力、空氣溫度等傳感器，它的功能是把各個傳感器取得的信號加以處理并顯示、記錄、保留下來，供分析應用;附屬部分包括標定系統、上水部分及各種附件工具箱體等，為校驗儀器及輔助供水、存放備件、工具等用。

3 實驗方法與步驟

3．1 準備工作

1)每個測試項目開始前或連續測試超過1 000 km后必須按照設備使用手冊規定的方法進行測試系統的標定，記錄標定數據并存檔。2)檢查測試車輪胎氣壓，應達到車輛輪胎規定的標準氣壓。3)檢查測試輪胎磨損情況，當其直徑比新輪胎減小達6 mm(也即胎面磨損3 mm)以上或有明顯磨損裂口時，必須立即更換新輪胎。更換的新輪胎在正式測試前應試測2 km。4)檢測測試輪氣壓，應達到0．35 MPa±0．02 MPa的要求。5)檢查測試輪固定螺栓應擰緊。將測試輪放到正常測試時的位置，檢查其應能夠沿兩側滑柱上下自由升降。6)根據測試里程的需要向水罐加注清潔測試用水。7)檢查灑水口出水情況和灑水位置應正常;灑水位置應在測試輪觸地面中點沿形式方向前方400 mm±50 mm處，灑水寬度應為中心線兩側各不小于75 mm。8)將控制面板電源打開，檢查各項控制功能鍵、指示燈和技術參數選擇狀態應正常。

3．2 測試步驟

1)正式開始測試前，首先應按設備操作手冊規定的時間要求對系統進行通電預熱。2)進入測試路段前應將測試輪胎降至路面上預跑約500 m。3)按照設備操作手冊的規定和測試路段的現場技術要求設置完畢所需的測試狀態。4)駕駛員在進入測試路段前應保持車速在規定的測試速度范圍內，沿正常行車軌跡駛入測試路段。5)進入測試路段后，測試人員啟動系統的采集和記錄程序。在測試過程中必須及時準確的將測試路段的起終點和其他需要特殊標記點的位置輸入測試數據記錄中。6)測試車輛駛入測試路段后，儀器操作人員停止數據采集和記錄，提升測量輪并恢復儀器各部分至初始狀態。7)操作人員檢查數據文件應完整，內容應正常，否則需要重新測試。8)關閉測試系統電源，結束測試。

4 數據處理

4．1 SFC計算及影響因素

1)速度:對同一路段測試速度增高，在干燥狀態下橫向力系數測值隨測速的增加而增大，在水膜厚度為1．0 mm的潮濕狀態下，橫向力系數測值隨測速的增加而減小。

2)溫度:溫度變化通過對省內各條高速公路定期觀測發現，路面根據季節變化，抗滑性能有著一定的規律，即摩擦系數冬高夏低，春秋居中，摩擦系數的最低值出現在6月～7月。一般來說，溫度每升高10℃，路面摩擦系數SFC值降低4～6。

3)水膜:路面潮濕程度車輪在有水膜的路面上行駛時，輪胎將輪胎與水膜接觸區的水從輪胎前、左、右三個方向擠出，車速越高、路面越光，輪胎與水膜接觸區的水越來不及排出，輪胎與路面石料不能充分接觸，導致摩擦系數降低越多。

4．2 SFC值的速度修正

測試系統能以任意速度對路面進行長距離連續SCRIM測試，每次攜帶的噴灑水量可供測試里程約55 km，測試結果符合車輛實際制動或滑溜時的情況，并且測試不影響其他車輛的正常行駛。測試系統的標準測試速度范圍規定為50 km/h±4 km/h，其他速度條件下測試的SFC值需通過下式換算:

其中，SFC標為標準測試速度下的等效SFC值;SFC測為現場實際測試速度條件下的SFC值;v標為標準測試速度，取值50 km/h;v測為現場實際測試速度。

通過多種瀝青混凝土路面的現場試驗得到路面橫向力系數SFC值與測試速度的相關關系，試驗結果和修正量與國外研究成果和技術標準基本一致，因此推薦為國內SCRIM系統使用的標準試驗方法。

4．3 SFC值的溫度修正

SCRIM測試系統的測試結果也需要做溫度修正，但目前規程中尚沒有SFC值的溫度修正依據。根據交通部公路科學研究院在中國所做的橫向力系數長期季節與溫度觀測試驗，得到溫度修正值。因此，我們在進行摩擦系數的檢測時，同時還應該進行地面溫度的測試。

5 結語

單輪式橫向力系數測定儀(SCRIM)性能優越，具有檢測速度快，使用安全，不影響正常車輛通行，數值準確并能反映路面的紋理構造對抗滑性的影響，更切合車輪與路面的實際附著狀態，設備磨損小，使用壽命長等特點，是公路抗滑性能檢測的理想設備。該儀器在全世界的擁有量最多，一些國際公路干線路網的抗滑性能評價標準都是以SCRIM測得的數據SFC值作為評定標準的。我國盡管在這方面起步較晚，但可以有一個較高的起點，利用最新技術迎頭趕上，這樣就能與世界公路同行有一個統一的評定標準，也有利于今后的國際技術交流。

［1］鄭木蓮，朱洪濤，陳拴發，等．路面抗滑性能測試技術與評價模型研究進展［J］．公路交通科技，2008，25(8):1-5．

［2］JTG E60-2008，公路路基路面現場測試規程［S］．

［3］金 英．瀝青混凝土路面抗滑性能的影響因素及檢測方法［J］．交通標準化，2010(33):21-33．

［4］鄭木蓮，陳拴發，王秉綱．縱向摩擦系數在路面抗滑性能評價中的應用［J］．長安大學學報，2005，25(4):1．

［5］和 松，常成利，錢敬之．路面橫向力系數速度修正試驗研究［J］．公路交通科技，2005(58):68-69．