濕瀝青操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)路布水設(shè)施設(shè)計(jì)與研究

舒俊 饒浩娟 張弦 史志華

摘? 要：汽車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)測(cè)試要求測(cè)試道路應(yīng)具備不同附著系數(shù)，降低道路附著系數(shù)通常需要在道路上均布水膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)新建汽車試驗(yàn)場(chǎng)數(shù)量不斷增長(zhǎng)，但操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)路仍大量采用噴頭布水或漫水溝布水的形式，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性。針對(duì)這一狀況，提出了一種新型的試驗(yàn)路布水模式，設(shè)置相關(guān)自動(dòng)化配套設(shè)施，在盡可能降低布水設(shè)施對(duì)試驗(yàn)車影響的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離試驗(yàn)道路0.8～1.0mm或2.0mm以上的水膜要求，滿足了濕滑試驗(yàn)道路的低附著系數(shù)及車輛輪胎側(cè)滑試驗(yàn)要求，實(shí)現(xiàn)了在一條道路上提供多種汽車試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)；輪胎側(cè)滑試驗(yàn)；水膜厚度；布水設(shè)施

中圖分類號(hào)：U467? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2024）03-0081-07

Design and Research of Water Distribution Facilities for Handling Stability Evaluation Wet Asphalt Road

Abstract： The evaluation test for vehicle handling stability requires that the test road should have different adhesion coefficients， and reducing the adhesion coefficient usually requires evenly distributing water film on the road. At present， the number of newly built automobile test sites in China is constantly increasing， but the handling stability test roads still heavily use the form of nozzle water distribution or overflow ditch water distribution， which has certain limitations in practical applications. A new type of test road water distribution mode has been proposed to address this situation， with relevant automation facilities installed. On the basis of minimizing the impact of water distribution facilities on the test vehicle， the water film requirements for long-distance test roads of 0.8～1.0mm or above or 2.0mm have been achieved， meeting the requirements of low adhesion coefficient and vehicle tire sideslip test on wet test roads， and providing multiple vehicle tests on a single road.

Key Words： Handling Stability Test; Tire Sideslip Test; Water Film Thickness; Water Distribution Tacilities

背? ? 景

汽車試車場(chǎng)內(nèi)用于操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的瀝青路往往有干和濕兩種狀態(tài)，以分別在高、低附著系數(shù)下進(jìn)行主觀及客觀評(píng)價(jià)，以及輪胎的側(cè)滑試驗(yàn)。濕瀝青操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)路與其他一般灑水低附試驗(yàn)道路不通，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在需滿足試驗(yàn)要求提供連續(xù)均勻低厚度水膜試驗(yàn)路段。近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)其在試驗(yàn)場(chǎng)的測(cè)試需求也日益增加，對(duì)該類布水設(shè)施的設(shè)計(jì)與研究顯得尤為重要。如：國(guó)外某試車場(chǎng)濕瀝青操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)路長(zhǎng)約2公里左右，并形成環(huán)道，道路縱坡為0，橫坡為1.0～1.5%，局部3.0%，試車時(shí)車速控制在20～120km/h，水膜厚度要求控制在0.8到1.0mm或2.0mm及以上，供水應(yīng)能滿足均勻迅速布滿道路，并考慮持續(xù)6～8小時(shí)左右循環(huán)供水。本文以襄陽(yáng)試車場(chǎng)濕滑操縱穩(wěn)定試驗(yàn)道路為例，采用一種新型布水模式提供了操穩(wěn)濕環(huán)低厚度水膜試車的解決方案。

1? ? 水膜厚度計(jì)算模型

1.1? ?試驗(yàn)場(chǎng)操穩(wěn)濕環(huán)水膜厚度的確定

在道路寬度、橫縱坡及路面材質(zhì)一定的情況下，水膜厚度是整個(gè)供回水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工中最關(guān)鍵的控制變量，并對(duì)試車起著至關(guān)重要的影響。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)水膜厚度的影響因素進(jìn)行了大量的研究，其中主要因素水膜厚度與滑水速度的關(guān)系[1-2]。若干研究表明，在其余參數(shù)一定情況下，當(dāng)水膜厚度超過(guò)2mm時(shí)，水膜厚度的增加對(duì)輪胎滑水速度的影響是顯著減小的。故在襄陽(yáng)汽車試驗(yàn)場(chǎng)操穩(wěn)濕環(huán)試驗(yàn)道路的設(shè)計(jì)中，對(duì)水膜厚度提出了0.8～1.0mm的精確要求，從而對(duì)整個(gè)布水設(shè)施及加壓設(shè)施的確定都提出了更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)及實(shí)施要求。

1.2? ?水膜厚度計(jì)算模型

多項(xiàng)研究表明，道路的坡面坡度、坡面長(zhǎng)度、以及道路表面構(gòu)造深度等均影響水膜厚度的形成，以現(xiàn)有的水力計(jì)算模式估算的流量往往與實(shí)際差距較大。多名國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)自己的試驗(yàn)情況，均推導(dǎo)出各種水膜厚度經(jīng)驗(yàn)公式[3-4]。但均未明確直接指出道路特點(diǎn)與水膜厚度、滿水流速的數(shù)學(xué)關(guān)系。

在與日本知名試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)方NIPPO、法國(guó)PSA等公司技術(shù)人員以及武漢大學(xué)水力學(xué)專家進(jìn)行多次技術(shù)交流，總結(jié)各方意見(jiàn)并結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)確定本次研究?jī)?nèi)容的試驗(yàn)方案。濕瀝青操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)路的工程設(shè)計(jì)實(shí)際與上述學(xué)者研究方向不同，是以在道路上分布低厚度水膜，來(lái)模擬車輛在道路低附著系數(shù)狀態(tài)下實(shí)際測(cè)試要求為目的，此時(shí)的薄層水膜狀態(tài)應(yīng)盡量接近于均勻流，故在布水方式上考慮避免降雨模式。由此，首先在布水模式上確認(rèn)為采用布水設(shè)施模擬均勻流布水，布水量的計(jì)算則可回歸到曼寧公式[5]的模式上。

水膜在道路上分布流速可根據(jù)曼寧公式估算：

式中：v-水流斷面的平均流速（m/s）；n-粗糙系數(shù)；R-水力半徑（m）；i-水力坡降。

布水量Q計(jì)算如下：

式中：v-水流斷面的平均流速（m/s）；A-水流有效斷面面積（m2）。

結(jié)合以上，初步確定試驗(yàn)方案：根據(jù)試驗(yàn)道路基本特點(diǎn)，計(jì)算路面布水時(shí)平均流速，結(jié)合水流有效斷面面積確定布水流量，進(jìn)而確定設(shè)備布水量以及供回水設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，直至滿足試驗(yàn)道路水膜厚度要求。

2? ? 試驗(yàn)路布水方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)尚無(wú)低附著系數(shù)試車道路工程設(shè)計(jì)的相關(guān)國(guó)家規(guī)范，行業(yè)內(nèi)部如中國(guó)汽車技術(shù)研究中心[6]、中國(guó)汽車工程研究院[7]、上海交通大學(xué)[8]等，往往根據(jù)測(cè)試車輛特點(diǎn)提出低附路面的工程要求，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有濕瀝青道路布水方式主要有如下兩種，分別為立式噴頭供水和漫水溝方式供水，都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1? ?立式噴頭供水方式

目前國(guó)內(nèi)某試車道采用此種供水模式，試車前經(jīng)布置在道路外側(cè)路肩內(nèi)預(yù)埋的噴水裝置向路面噴水，待路面全部濕潤(rùn)后停止，開(kāi)始試車。

下圖1為對(duì)路面噴水現(xiàn)場(chǎng)：

該布水方式優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）噴水系統(tǒng)簡(jiǎn)單易施工。系統(tǒng)由蓄水設(shè)施、加壓設(shè)備、供水干管、噴水支管、噴頭以及相關(guān)控制閥門和自控設(shè)施構(gòu)成。

（2）道路濕潤(rùn)速度快。加壓噴水設(shè)施有一定的噴水半徑，可以快速地濕潤(rùn)整個(gè)路面。

但其缺點(diǎn)也相對(duì)明顯：

（1）試車過(guò)程中可能無(wú)法連續(xù)噴水。因?yàn)楝F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)汽車試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)采用的噴頭的噴高大多超過(guò)1米，這樣高度的噴水會(huì)對(duì)輪胎及試車員視線產(chǎn)生干擾，尤其對(duì)乘用車影響較大，故路面濕潤(rùn)后噴水系統(tǒng)停止工作，隨著試車過(guò)程路面逐漸干燥，需停車噴水后方可再次投入試車。

（2）當(dāng)試車過(guò)程中風(fēng)速較大時(shí)，面狀噴水的噴頭出水容易形成水霧，不但干擾試車且無(wú)法達(dá)到預(yù)定的噴距，同時(shí)會(huì)有較多的水隨風(fēng)偏移至道路外，水量損失也較大，水膜厚度無(wú)法滿足試車要求。

（3）如采用噴頭為線性布水噴頭時(shí)，如上圖示，道路濕潤(rùn)有局限性，容易出現(xiàn)空白處，需經(jīng)車輛帶動(dòng)后方能布滿整條道路，同時(shí)也仍然存在受風(fēng)影響的問(wèn)題。

（4）正因?yàn)槁访鏉駶?rùn)速度較快，使用中往往出現(xiàn)水膜厚度偏大和不均勻的情況。這種情況在道路施工中存在平整度誤差時(shí)表現(xiàn)的尤為明顯。

（5）現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)汽車試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)采用噴頭多為進(jìn)口設(shè)備，采購(gòu)及施工常受供貨范圍、周期、資金等多方面的限制。

綜上，這種布水方式多用于水膜厚度要求較大，道路長(zhǎng)度較短，且需要短時(shí)迅速布水時(shí)，如在襄陽(yáng)試車場(chǎng)三期項(xiàng)目中低附著路的前期布水中使用。

2.2? ?漫水溝方式

利用操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)道路一般為單向橫坡的特點(diǎn)，由道路較高一側(cè)設(shè)漫水溝溢流方式均勻布水，布水支管考慮一定間距后沿道路均布，如設(shè)計(jì)為2～4米一處，如下圖2所示：

該方式一方面可以避免采用立式噴頭供水時(shí)，因噴水高度影響試車，可連續(xù)布水；另一方面也考慮通過(guò)漫水溝出水口形式的調(diào)整，便于調(diào)整水膜厚度，為多種試驗(yàn)預(yù)留可行性；并能實(shí)現(xiàn)快速布水，減少試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間。

在實(shí)際使用中，易出現(xiàn)如下問(wèn)題：

（1）水膜厚度控制難。如果試驗(yàn)是為了檢測(cè)底盤的操控穩(wěn)定性時(shí)，那么布水的目的僅僅是通過(guò)一層非常薄的水膜降低跑道附著力，將會(huì)嚴(yán)格要求水膜厚度小于1毫米，對(duì)漫水溝出水量的控制相當(dāng)關(guān)鍵，實(shí)際操作較困難。

（2）布水支管在漫水溝中易形成壅水，對(duì)加壓設(shè)施和管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力控制要求太高，雖對(duì)支管出水口處作了相應(yīng)改造處理，但效果并不理想。

（3）道路與漫水溝的不均勻沉降。操穩(wěn)濕瀝青路長(zhǎng)達(dá)1800多米，使用實(shí)際長(zhǎng)后易出現(xiàn)不均勻沉降，對(duì)水膜厚度的影響還是非常顯著的。

2.3? ?新型濕瀝青操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)路供水方式

經(jīng)調(diào)研比選，本次試驗(yàn)方案采用了一種全新的布水方式，即帶噴嘴的布水設(shè)施布水的形式。試車前，通過(guò)設(shè)于道路橫坡高側(cè)的特制布水設(shè)施作用，使長(zhǎng)距離試驗(yàn)道路上能做到分段均布所需0.8～1mm的低厚度水膜流量的水流，再通過(guò)工作車輛的運(yùn)行，使水膜均布整條試車道路；試車過(guò)程中，由布水設(shè)施繼續(xù)對(duì)道路進(jìn)行補(bǔ)水，既滿足試車時(shí)對(duì)車輛的無(wú)干擾要求，又可通過(guò)試驗(yàn)車輛的運(yùn)行，繼續(xù)保持道路上低厚度水膜的均勻分布。有效地解決了噴水式和溝槽漫水式布水水膜厚度偏大及不均勻問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)布水的均勻性、連續(xù)性、無(wú)干撓性。同時(shí)通過(guò)調(diào)控加壓設(shè)施及流量控制閥等控制設(shè)施，可調(diào)整布水設(shè)施的布水水量，加大水膜厚度至2mm及以上，有效地解決多種道路工況適應(yīng)性及可變性等問(wèn)題，最大限度滿足各類試驗(yàn)車輛的試車需求。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)施如下：

1、布水設(shè)施設(shè)計(jì)

其中，1——布水設(shè)施；1-1——導(dǎo)流槽；1-2——布水管；1-3——預(yù)留布水管；2——分支管控制閥井；3——分支管控制閥門；4——壓力表；5——供水支利害；6——供水干管。

根據(jù)道路長(zhǎng)度、寬度，以及試車時(shí)不同水膜厚度要求，經(jīng)計(jì)算后，特制相應(yīng)匹配的布水設(shè)施和布水管，同時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)的各壓力下水膜厚度及布水流量等數(shù)據(jù)，對(duì)布水設(shè)施及布水管進(jìn)行修正。在布水設(shè)施上預(yù)留備用接管孔洞，能提供多種水膜厚度的流量，保證多方面匹配試車道路要求。布水設(shè)施采用混凝土或樹(shù)脂混凝土預(yù)制布水設(shè)施，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化施工和加快施工進(jìn)度的要求。

相應(yīng)的布水設(shè)施平面布置示意如下圖：

將長(zhǎng)距離試驗(yàn)道路的布水系統(tǒng)分多段控制，設(shè)置控制閥門及儀表。一方面便于調(diào)控和檢修，另一方面也便于適應(yīng)全路段或部分路段的試車運(yùn)行。同時(shí)，如上圖示，根據(jù)試驗(yàn)所需布水量及道路試驗(yàn)時(shí)間等確認(rèn)可循環(huán)使用的水量，在布水設(shè)施對(duì)側(cè)道路外設(shè)置收水溝，通過(guò)溝及管路系統(tǒng)回收試車用水，達(dá)到循環(huán)利用、節(jié)能環(huán)保的要求。

2、循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因操穩(wěn)試驗(yàn)路面積大，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，故用水量較大。設(shè)計(jì)根據(jù)試驗(yàn)所需布水量及道路試驗(yàn)時(shí)間等確認(rèn)可循環(huán)使用的水量，在布水設(shè)施對(duì)側(cè)道路外設(shè)置收水溝，通過(guò)溝及管路系統(tǒng)回收試車用水，沉砂后溢流進(jìn)入循環(huán)蓄水池，經(jīng)循環(huán)水泵加壓、過(guò)濾器過(guò)濾后，循環(huán)利用，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保要求。流程示意如下：

試驗(yàn)道路供回水設(shè)施布置如下圖6所示：

為保證試車安全，收水溝蓋板均采用D400鑄鐵篦子，考慮蓋板跳起的危險(xiǎn)，采用螺栓固定式溝蓋板，沿口角鋼砌護(hù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外試車場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以及國(guó)際知名試車場(chǎng)設(shè)計(jì)公司提供的參考數(shù)據(jù)，回水量按供水量的60～70%確認(rèn)。

3? ? 現(xiàn)場(chǎng)布水試驗(yàn)

采用帶噴嘴的布水設(shè)施布水的模式對(duì)某汽車試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)道路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布水試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)如表1所示：

現(xiàn)場(chǎng)布水試驗(yàn)在開(kāi)啟布水閥門后，由試驗(yàn)準(zhǔn)備車輛在道路上巡回。在整個(gè)布水試驗(yàn)中，記錄下不同時(shí)間下的布水狀態(tài)。具體如圖7～13所示：

由圖7～14可知，整個(gè)布水過(guò)程中：前1mim內(nèi)，在道路上分段均布所需0.8～1mm的低厚度水膜流量的水流；1～10min內(nèi)，形成水膜的水量已基本能分布至道路，布水充滿路表空隙及凹陷，路面濕潤(rùn)飽和；10～30min是水膜進(jìn)一步均勻分布的過(guò)程。同時(shí)，因?yàn)榈缆吩谄秸壬洗嬖谑┕ふ`差的問(wèn)題，最終會(huì)有極少量的路面水膜分布不夠，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)工程車輛行駛解決。同時(shí)結(jié)合圖13可知，路面在整個(gè)布水過(guò)程中前一分鐘分布速率最高，隨著布水時(shí)間的增加，分布速率逐漸降低，當(dāng)布水時(shí)間達(dá)到30分鐘后，分布速率基本為零。這是由于開(kāi)始路面干燥，水流會(huì)迅速在干燥的路面上展開(kāi)，隨著布水面積的增加，水膜之間作用逐漸增大，分布速率逐漸降低，直至路面完全布水。因此，在布水時(shí)間達(dá)到30分鐘后進(jìn)行道路試驗(yàn)效果最佳。

圖15為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水膜厚度值。操穩(wěn)路按路中線每50米左右取一觀測(cè)點(diǎn)，共36個(gè)。由表中數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場(chǎng)水膜厚度值絕大部分位于0.8～1.1mm之間，少量偏差的原因是整條道路的平整度要求為±3mm/4m，導(dǎo)致水膜分布厚度有不均勻情況，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，能滿足試驗(yàn)車輛測(cè)試及研發(fā)要求。

4? ? 總結(jié)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，采用這種設(shè)于道路橫坡高側(cè)的特殊布水設(shè)施布水，并利用工作車輛帶動(dòng)布水均勻的新型布水方式，對(duì)長(zhǎng)距離布水試驗(yàn)道路，在滿足了布水設(shè)施對(duì)試驗(yàn)車輛影響最低限度的要求的前提下，能夠提供多種試驗(yàn)?zāi)康牡脑囓嚱鉀Q方案，并能最大限度克服道路沉降、風(fēng)速帶來(lái)的不利影響，具有較大的推廣價(jià)值。

實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了若干問(wèn)題，可于今后類似項(xiàng)目實(shí)施中改進(jìn)。

（1）供水均勻度。現(xiàn)有各分段控制的分支管為枝狀供水至布水設(shè)施，因布水設(shè)施出口處壓力較小，故分支管供水近端與遠(yuǎn)端的水量存在一定的不平衡，雖然不影響道路整體布水的均勻度，但致使分支管上的流量控制閥調(diào)整較困難。今后可考慮將近端布水設(shè)施小支管管徑減小或減少分支管控制布水設(shè)施數(shù)量等辦法降低影響。

（2）回水量。根據(jù)國(guó)內(nèi)外試車場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以及國(guó)際知名試車場(chǎng)設(shè)計(jì)公司提供的參考數(shù)據(jù)，回水量按供水量的60～70%確認(rèn)，現(xiàn)能滿足8小時(shí)左右試車。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，因本地氣溫、風(fēng)速、日照等因素導(dǎo)致的蒸發(fā)量差異，以及實(shí)際試車數(shù)量及時(shí)間的不同帶來(lái)的損失，可考慮適當(dāng)減少回水量的計(jì)算比例，增大循環(huán)用水池容積，更有利于試車工作的安排。

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