軸載和輪胎氣壓對(duì)路面壓應(yīng)力的影響

趙 凱

(山西平陽高速公路建設(shè)管理處)

瀝青路面的路用性能受氣溫、行車荷載、行車速度、作用次數(shù)的影響很大。瀝青混合料的模量隨車速的降低(荷載作用時(shí)間的增加)而快速減小，最終導(dǎo)致瀝青混合料無法抵擋表面的正應(yīng)力及剪應(yīng)力的作用而產(chǎn)生永久變形。目前，車輛的大型化和載重能力的不斷攀升，為了使車輛節(jié)約燃油，汽車的輪胎充氣壓力在不斷增加。額定載重150 kN 的載重汽車實(shí)際載重可達(dá)380 kN，輪胎的充氣壓力可達(dá)1.0～1.1 MPa左右。而對(duì)于不同輪胎充氣壓力時(shí)，同類型不同載重的汽車對(duì)路面壓應(yīng)力有所不同。常規(guī)下，認(rèn)為輪胎作用于地面荷載分布為橢圓，簡化為圓形均布荷載。文獻(xiàn)認(rèn)為，輪胎作用于路面的接地形狀很大程度上表現(xiàn)為矩形，隨荷載的增加，矩形越來越明顯。

利用山西省平陽高速公路的條件，在常溫下，選用雙輪單后軸貨車，分別進(jìn)行了不同輪胎充氣壓力、不同軸載下測試實(shí)際輪胎接地壓應(yīng)力。輪胎氣壓分別為0.6 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa，荷載選擇110 kN、120 kN、130 kN、140 kN、150 kN 試驗(yàn)，計(jì)算平均接地壓應(yīng)力。

1 輪胎接地面積

對(duì)后軸所有輪胎改變氣壓、軸載試驗(yàn)，后軸每個(gè)輪胎氣壓從大到小選用氣壓表放氣的方式準(zhǔn)確到設(shè)計(jì)氣壓，荷載通過裝載土的方式逐級(jí)增加。

輪胎接地面積為后軸所有輪胎接地面積，用帶毫米網(wǎng)格的復(fù)寫紙放入單后軸貨車的后軸所有輪胎下測試而得。

從不同軸載、不同氣壓的輪胎印來看，在一定氣壓下，隨軸載的增加，復(fù)寫紙上的胎印越來越清淅，表明對(duì)路面的壓力明顯增加;輪胎印的寬度沒發(fā)生變化，而輪胎印的長度發(fā)生了增加，表明輪胎隨軸載的增加，輪胎接地面積增加;胎印中間印跡比外圍明顯，表明輪壓是中間大兩邊小的非均勻分布;軸載增加過程中，插于放氣孔中的特殊氣壓表氣壓幾乎沒有變化，表明軸載的變化對(duì)胎內(nèi)氣壓影響微弱。

2 輪胎平均接地壓應(yīng)力

通過不同輪胎氣壓、荷載對(duì)單后軸車輪胎平均接地壓應(yīng)力的測試，得到不同荷載和輪胎氣壓下，輪胎的實(shí)際接地面積，以軸載計(jì)算輪胎平均接地壓應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見表1。從表1 可知，輪胎氣壓不變，隨軸載的增加，輪胎平均接地面積增加，但平均接地壓應(yīng)力也增加，輪胎接地面積的增加影響量不能抵消輪胎接地壓應(yīng)力的增加量。荷載不變，隨著輪胎氣壓的升高，輪胎平均接地壓應(yīng)力也升高。

從圖1 可以看出，平均接地壓應(yīng)力與軸向荷載、平均接地壓應(yīng)力與輪胎氣壓之間呈很好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.98 以上。軸向荷載與輪胎氣壓之間都很大程度上影響平均接地壓應(yīng)力，且輪胎氣壓對(duì)平均接地壓應(yīng)力影響不可忽略。

表1 輪胎氣壓、軸載、輪胎平均接地壓應(yīng)力之間的關(guān)系

3 輪胎平均接地壓應(yīng)力三維曲面回歸

通過對(duì)平均接地壓應(yīng)力與軸向荷載、平均接地壓應(yīng)力與輪胎氣壓之間的相關(guān)性分析，平均接地壓應(yīng)力與其他兩個(gè)指標(biāo)之間都呈很好的線性關(guān)系，所以在三維空間中應(yīng)成很好的平面關(guān)系。運(yùn)用SPSS 軟件對(duì)平均接地壓應(yīng)力與軸向荷載、輪胎氣壓進(jìn)行三維回歸，回歸方程如式(1)。

式中:Z 表示輪胎平均接地壓應(yīng)力，MPa;x 表示輪胎充氣壓力，MPa;y 表示標(biāo)準(zhǔn)單軸軸向荷載，kN。

圖1 平均接地壓應(yīng)力與軸向荷載、平均接地壓應(yīng)力與輪胎氣壓之間的關(guān)系

圖2 平均接地壓應(yīng)力、軸向荷載、輪胎氣壓之間的關(guān)系

從圖2 可以看出，當(dāng)車輛達(dá)到標(biāo)載時(shí)，車主為了節(jié)約燃油，提高輪胎氣壓可以達(dá)到車輛接省燃油的目的，但提高輪胎氣壓后，勢必引起平均接地壓應(yīng)力的升高，對(duì)路面的損害與超載無異。

4 結(jié) 語

(1)隨軸載的增加，輪胎接地壓力明顯增加，輪胎接地面積增加，輪壓在輪胎接觸面積上呈中間大兩邊小的非均勻分布。

(2)輪胎氣壓不變，隨軸載的增加，輪胎平均接地面積增加，但平均接地壓應(yīng)力也增加，輪胎接地面積的增加影響量不能抵消輪胎接地壓應(yīng)力的增加量。

(3)軸載不變，隨輪胎氣壓的升高與輪胎平均接地壓應(yīng)力也升高。

(4)平均接地壓應(yīng)力與軸向荷載、平均接地壓應(yīng)力與輪胎氣壓之間呈很好的線性關(guān)系。

(5)軸載不變時(shí)，輪胎氣壓每升高1 MPa，輪胎平均接地壓應(yīng)力升高約0.5 MPa;軸載每增加1 t，輪胎平均接地壓應(yīng)力增加0.03 MPa。輪胎氣壓從0.7 MPa 升高到1.3 MPa 時(shí)，輪胎平均接地壓應(yīng)力升高到約3 MPa，軸載從10 t 增加到15 t 時(shí)，輪胎平均接地壓應(yīng)力增加0.15 MPa。

(6)目前超限治理中，只注重了車輛和貨物的總重，而沒有注意輪胎氣壓超壓而使路面平均接地壓應(yīng)力嚴(yán)重超出0.7 MPa 的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)路面的破壞不可小視。建議路政部門增加輪胎氣壓的檢測和提高設(shè)計(jì)時(shí)瀝青路面輪胎平均接地壓應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。

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