ISO/TS 22638《橡膠輪胎道路磨損顆粒的產生和收集道路模擬試驗室方法》標準解讀

張新峰　張亞楠

摘 要：國際標準ISO/TS 22638-2018《橡膠輪胎道路磨損顆粒的產生和收集道路模擬試驗室方法》于2018年發布。ISO（國際標準化組織）是一個由各國標準機構（ISO成員機構）組成的世界性聯盟，通常是通過ISO技術委員會制定國際標準。本標準ISO/TS 22638-2018是根據ISO/IEC指令第2部分的編輯規則起草，由ISO/TC 45橡膠和橡膠制品技術委員會編寫，主要介紹了關于輪胎道路磨損顆粒物（TRWP）產生方法、儀器和設備、收集程序和測試報告，最后提供了一個詳細的案例研究。

關鍵詞：輪胎磨損 顆粒排放 ISO/TS 22638 測試方法

1 導言

伴隨著科技的發展以及人們環保意識的提升，近年來大氣中懸浮微小顆粒物污染的情況越發嚴重，特別是微小的可吸入顆粒物，引起了社會公眾的足夠重視。城市化進程的不斷加快，推動了人們對于汽車出行的需求，我國機動車的數量迅速提升，機動車排放的污染影響也越來越嚴重。機動車導致顆粒物主要包括汽車尾氣和非尾氣排放，其中非尾氣排放主要來自于車輛輪胎的磨損、制動剎車盤的磨損、揚塵等[1]。對新能源汽車來說，車輛自身尾氣排放明顯減少，甚至為0（純電動汽車），相比較非尾氣排放顯的尤為重要[2]。據UN WP29 GRPE工作組預測，到2030年輪胎磨損產生的PM10顆粒物占據PM10顆粒物總排放量的20%左右，尤其以中小型汽車為主。相關研究表明，長期處于顆粒物濃度較高的環境當中，會導致人類患心肺系統疾病的概率明顯提升。這不但會影響人們身體健康，還會造成水體和土壤的污染，威脅到生存環境的可持續發展。

本文對標準ISO/TS 22638-2018《橡膠輪胎道路磨損顆粒的產生和收集道路模擬試驗室方法》進行解讀，介紹標準主要內容。該標準主要規定三個方面：（1）儀器和設備：使用用于生成TRWP的道路模擬器系統，并帶有吸氣收集系統，使用精密天平對收集的TRWP進行稱重，并儲存在琥珀玻璃罐中；（2）程序：該標準的程序中使用到的儀器應按照制造商的說明書進行操作；（3）測試報告：對檢測報告的內容進行詳細規定。通過標準可以提供成熟的技術方法和方案，提升行業對橡膠輪胎磨損顆粒物排放性能的認識，有利于進一步控制橡膠輪胎和道路磨損顆粒的排放，對后續國內相關標準制定提供參考，促進對生態環境的保護。

2 標準概述

本標準主要由前言、介紹、范圍、引用標準、術語及定義、儀器和設備、程序、測試報告、附錄、參考書目在內的10個章節組成。

2.1 前言：主要介紹本標準的制定機構、目的以及涉及到的相關專利、權利等，同時附有本標準制定的過程和下載的網址。

2.2 介紹：該部分闡述了輪胎和道路磨損顆粒的產生原因，對本標準進行了簡單的概述，指出了本標準的優勢所在。

2.3 范圍：該部分對本標準的使用范圍作出了規定，規定了在道路模擬試驗室設備上產生輪胎和道路磨損顆粒物（以下簡稱“TRWP”）的方法。該方法代表了實際駕駛條件，方法內容包括道路模擬系統、測試路面和輪胎、真空收集系統、監測和報告。該方法適用于在實際駕駛條件下從已知路面和輪胎類型中收集TRWP，而不考慮路面污染物（即制動灰塵、排氣等）。

2.4 引用標準：本標準在該領域中屬于首創制定，所以無規范性參考。

2.5 術語和定義：闡明了本標準內使用的術語和定義均來自于標準化的術語數據庫：IEC電子百科全書（http：//www.electropedia.org/）、ISO在線瀏覽平臺（https：//www.iso.org/obp）。

2.6 儀器和設備：本標準中TRWP由已知成分的輪胎和路面生成，儀器和設備主要包括用于生成TRWP的道路模擬系統、帶有吸氣的收集系統、對收集到的TRWP進行稱重的精密天平等。收集的TRWP應儲存在琥珀玻璃罐中。

2.7 程序：主要包括一般性程序、道路模擬程序和粒子收集三部分。

2.8 測試報告：主要包括識別所采集樣品所需的所有信息；參考本文件；發電系統特性等在內的11個內容。

3 重點內容解讀

3.1 儀器和設備

3.1.1 生成系統

首先TRWP生成需要一個由道路模擬裝置組成的生成系統，該系統配有道路路面。可以考慮使用內部鼓測試系統或旋轉臺面系統等來模擬輪胎正常行為，具體見下圖。然后該系統應是可編程控制的，這樣更加有利于實現最真實的測試效果，在試驗過程中可對速度、加速度、負載、制動和轉向等參數及時控制.最高測試速度應該最少達到150km/h，可調外傾角范圍-2°-8°，測試輪胎滑移率范圍0 - 100%，可調轉向角度范圍-15°- 15°，可調徑向力范圍- 5kN - 5kN，可調法向力范圍0 kN - 10kN。

在運行過程中，實時監控系統要監控輪胎速度、系統溫度、輪胎力和扭矩，同時不間斷測量和記錄收集系統中的通風參數。

3.1.2 測試路面

在試驗中，測試路面應該是可替換的。測試路面應未經風化并模擬實際路面，產生具有代表性的TRWP。路面類型可能會有所不同，但建議采用ISO 10844中規定的瀝青路面。測試路面的表面積應該足夠大，以模擬輪胎實際的滾動運動。

3.1.3 測試輪胎

試驗輪胎應選擇市場上具有典型TRWP代表性的輪胎。具體輪胎選擇會有變化，主要根據車輛類型（卡車或乘用車）、性能（季節性輪胎）、成分和使用年限。測試輪胎壓力應保持在制造商規定的最佳壓力范圍內。

3.1.4 采集系統

對于試驗過程中產生的TRWP，應通過連接到位于滾動輪胎后面的測試輪胎輪轂上的捕獲罩的吸氣系統進行收集。采集系統應該包括一個通過不銹鋼管連接到真空裝置上的不銹鋼收集蓋。

3.2 程序

在該程序中使用的設備應該嚴格按照制造商的說明書進行操作。

模擬驅動參數會實時變化，但要代表實際的驅動條件（如城市或高速工況行駛）。測試輪胎參數應選擇最大輪胎負荷和制造商推薦的輪胎充氣壓力。以下為具有可實施性的測試循環：

—總驅動時間的2.6%，在0 km/h-30 km/h之間；

—總驅動時間的7.4%，在30 km/h-50 km/h之間；

—總驅動時間的25.2%，在50 km/h-80 km/h之間；

—總驅動時間的34.2%，在80 km/h-120 km/h之間；

—總驅動時間的30.6%，在120 km/h-150 km/h之間。

加速或減速可以控制在1 m/s2到2 m/s2之間。測試循環可以重復執行，直到收集夠所需的質量。應特別注意輪胎與測試路面的表面，如果發現可見污跡，那么TRWP的產生和收集可能會產生損耗。

關于顆粒物的收集，應該在無污染的環境中收集單一組分樣品。試驗前，所有可接觸區域應該請理干凈。收集后，用不銹鋼小勺輕輕敲打和刮拭，將樣品從真空中取出，并在150um進行篩分，以清除較大的碎片。然后將TRWP稱重，并放入用來儲存的預先稱重的琥珀玻璃容器中。

3.3 檢測報告

為保證檢測報告的客觀性、科學性、準確性，除了對測試過程嚴格要求外，測試報告的撰寫也做出明確要求，至少包括以下信息：

a）所有識別采集樣品的必要信息；

b）參考規范文件（如ISO/TS 22638）;

c）生成系統特性；

d）測試路面；

e）測試輪胎；

f）測試時間；

g）模擬測試的總時間和持續時間；

h）模擬測試的條件和參數，包括速度、溫度、輪胎力和通風速度；

i）顆粒物收集和測量裝備；

j）監控測量；

k）收集樣品的重量；

l）測試過程中的任務異常情況。

3.4 案例研究

3.4.1 簡介

該案例是Kreider等人（2010）所描述的關于TRWP生成的研究案例，生成的TRWP用于物理和化學特性的研究分析。

3.4.2 儀器和設備

模擬系統是內轉鼓試驗系統，內轉鼓直徑是3.8m，寬度是0.53m，長度是12m。該設備可用程序控制速度、溫度、加速度、制動和轉向，最大速度是150km/h。試驗室裝有溫控系統，控制溫度在20℃。內轉鼓測試系統的風機平均風速為0.16m/s。測試路面參照ISO 10844中61%瀝青路面制作，由12塊拼接而成。在試驗過程中使用了三種類型的乘用車輪胎，一條夏季輪胎，一條冬季硅基輪胎，一條夏季炭黑基輪胎。每個輪胎的充氣壓力設定為230 kPa，施加載荷為輪胎負荷指數的100%。收集裝置是一個吸氣系統，由一個收集罩連接到位于內鼓測試系統內的兩臺1200w真空吸塵器。真空吸塵器具有收集和存儲從0.3 μm到100 μm顆粒的能力。該系統使用了一臺3500w交流發電機供電。

3.4.3 測試程序

該測試程序主要為城市和高速工況程序，具體如下：

—總驅動時間的2.6%，在0 km/h-30 km/h之間；

—總驅動時間的7.4%，在30 km/h-50 km/h之間；

—總驅動時間的25.2%，在50 km/h-80 km/h之間；

—總驅動時間的34.2%，在80 km/h-120 km/h之間；

—總驅動時間的30.6%，在120 km/h-150 km/h之間。

測試速度從30km/h到150km/h變化，測試載荷為固定的4248N，輪胎側傾角為-1.6°。

3.4.4 測試結果

該模擬測試總里程為183 km，收集到足夠質量的TRWP，對應的TRWP收集速率為2 mg/km - 15 mg/km。最高的收集速率出現在模擬測試剛開始時（新測試路面），之后產生拋光效應，使得輪胎上的橡膠粘貼在鼓面上，從而降低了TRWP的產生率。在實際自然環境路況中，粘貼的橡膠可以被去除。此外，通風系統、測試路面和滾動輪胎之間形成了復雜的氣流模式，降低了收集系統的效率。輪胎胎面損失中約20%被收集系統捕獲為TRWP，功率更大的真空吸塵系統可能會降低收集效率。圖3為TRWP微觀圖。

4 總結

從國際技術發展來看，車輛輪胎磨損顆粒物排放已廣受關注，下一步將針對如何對輪胎磨損顆粒物排放方法制定、測試裝備研發、排放限值規定和行業管控執行等做重點攻關。本文對ISO/TS 22638《橡膠輪胎道路磨損顆粒的產生和收集道路模擬試驗室方法》標準做了詳細解讀，以推動國內行業技術發展，加強與國際先進技術的接軌和交流，希望國內相關機構與企業能夠加強對輪胎磨損顆粒物排放性能的重視，集中行業力量，積極推動新技術研究與科研攻關，提出以下展望，為后續深入研究提供參考。研究測試裝備、測試方法和磨損工況等關鍵核心技術，加大國際交流與合作，爭取在國際前沿技術研究競爭中占據重要位置。

參考文獻：

[1]焦潤楠. 軟質丁苯橡膠輪磨損顆粒物的產生機理及其影響因素研究[D].寧波大學，2021.DOI：10.27256/d.cnki.gnbou.2021.000181.

[2]張子鵬等. 輪胎磨損顆粒物排放特性研究現狀綜述[J].時代汽車，2020（12），145-148.