矿区重载路面摩擦测试及抗滑性能研究

冷红松，刘 梅，贾济坤，杨 刚，郜国凯

(1.贵州省安顺公路管理局，贵州 安顺 561000； 2.重庆交通大学，重庆 400074)

对于矿区来说，载重交通路面一般为沥青材质，这种路面的表面功能性受到车辆载重的影响较大。一般情况下，矿区内部的路面使用寿命远远低于设计年限，一般在建成之后1～2年内就会发生严重损坏，产生这种情况的主要原因就是车辆超载严重，对于道路路面结构产生了严重破坏[1-3]。在这样的路面条件下，矿区内车辆轴载重、速度快，在矿区内容易发生交通事故。研究表明，交通事故的发生率与矿区内路面的摩擦抗滑能力具有重要的联系[4-5]。从矿区内行驶车辆的安全性出发，对于矿区内重载路面的抗滑安全性提出了要求。反映路面抗滑性能的重要性能指标是重载路面的摩擦系数，因此对矿区重载路面进行摩擦测试，并对其抗滑性能进行研究，有助于提升矿区内车辆的行驶安全。

国外关于汽车重载道路抗滑特性的研究早在20世纪20年代初就进行过，研究成果证实了汽车在道路潮湿的状况下更易于出现车祸，并开发出了各种道路路面的抗滑特性检测装置[6]。我国对于沥青路面的抗滑性能相对于国外来说，发展得较晚，从最开始误差较大的“刹车法”到精确的摆式摩擦系数仪，我国对于路面抗滑性能的研究取得了重要的发展进程[7-9]。但是对于矿区路面来说，在对其进行摩擦测试与抗滑性能研究的过程中，缺乏对路面摩擦以及抗滑性能因素影响的分析，无法获取到路面抗滑性能的衰减规律。因此，本文提出一种矿区重载路面摩擦测试方法，并在此基础上，对路面的抗滑性能进行分析研究。

1 矿区重载路面摩擦测试

1.1 测试设备选择

为了实现对矿区内部道路的摩擦测试，采用的是路面横向力系数测试车。在该车上配备各种传感器以及测量仪器，实现高效率、短时间的摩擦系数测试。选择侧向阻力系数，能够确定在试验过程中这种的标准车轮以恒定的车速向前行驶，当车轮与试验车辆奋斗方向产生一定的角度差时，此时就会产生相应的侧面摩擦阻力，从而测量标准车轮所能够测定的恒定竖向荷载和摩擦阻力之间的比例，即为侧向阻力系数[10-11]。整个试验过程如图1所示。激光构造深度仪能够反映出路线的线性构造，动态摩擦系数测定仪中包括测试、记录和操控3个模块，在连续测量中能够得到摩擦系数的变化线性关系。在以上测试设备下设定测试中的条件。

图1 横向力系数测试示意Fig.1 Schematic diagram of transverse force coefficient test

1.2 测定条件

在本文的矿区重载路面摩擦测试中，选择的试验路面为矿区内各种不同类型、不同等级的沥青路面。在进行摩擦测试的过程中，保证测试路段的SFC值应尽量分布均匀。另外，在测试过程中，保证路面的条件改变量(如洒水量、温度)等是一致的[12-13]。在测试过程中，令测试车辆的行驶速度保持在50 km/h，其他条件相同。另外，为了保证试验的准确性，选择的矿区道路需要具备以下条件：①保证矿区内用于测试的路段条件没有严重的病害，例如裂痕、拱起、坑槽等，路面没有严重影响行车的污染物。②测试场地需要选择2个不同的类型，根据本文的试验，分别为二级沥青路面和主干沥青路面。在选定的路面上，选取长直路段与弯曲路段，并在选定的路段上进行测试。

在该路面横向力系数测试车中，所搭载的设备以及相关技术指标见表1。

表1 测试设备参数指标Tab.1 Parameter indexes of test equipment

2 试验步骤

试验选择的矿区道路现场如图2所示。

图2 矿区道路现场Fig.2 Road scene of the mining area

在分析轮胎与重载路面之间关系的同时，发生的摩擦力以及摩擦现象可以用摩擦系数进行表示[14-16]。但是摩擦系数会受到外界环境的变化而发生变化，例如路面材质、表面纹理、环境中温湿度、轮胎的自身特性以及道路情况等。车辆在路面上行驶时轮胎的受力分析如图3所示。

图3 车辆轮胎行驶受力分析Fig.3 Driving force analysis of vehicle tires

整个测试中路面的摩擦变化情况如图4所示。

图4 不同测试时间下路面表面的变化情况Fig.4 Changes of road surface at different test times

在正式测试之前，要根据各个设备的要求进行预热10 min以上，保证测试过程中的数据稳定。测试车在驶入检测道路之前，需要根据设备使用说明进行标定检测，将经过标定的设备数据进行记录保存。在测试开始之前，检查测试轮胎情况，保证各个设备都能够正常使用。在测试过程中，先让测试车辆预跑500 m，然后进入待测试路段，检测工作人员使用设备对行车数据进行精确的采集与记录[17-18]。在选择的不同路段上以相同的速度行驶，测量3次，并保证这3次的误差在5%以内，否则应重新测量。在摩擦试验中，摩擦作用设置为7 h，每隔1 h对路面的摩擦系数与构造深度进行1次检测，路面构造深度是指一定面积的路表面凹凸不平的开口孔隙的平均深度，将激光构造深度仪安装在测试路面路段，利用激光构造深度仪通过激光传感器发射和接收漫反射信号原理，获取路面一定间距长度内的平均深度数据。

在测试过程中，通过车上的配重块实现车辆重载的控制。为了使试验结果更加接近实际情况，试验中采用的车辆配重最大为900 kg，试验过程中轮胎与路面接触面积的变化可以忽略不计[19-20]。使用温度传感器对路面的温度进行监测，控制车辆进行往返摩擦作用，摩擦时间预先设定，摩擦测试完毕之后对路面的构造深度与摩擦系数进行测定。

3 试验结果分析

在以上试验下，能够得到不同路段的摩擦抗滑测量参数，如图5所示。

图5 矿区重载路面抗滑测量参数Fig.5 Anti-skid measurement parameters of heavy load pavement in mining area

从图5可以看出，随着摩擦时间的增加，构造深度呈现了先增加后减小的趋势。在以上的数据中，对矿区重载路面的抗滑性能进行分析。

3.1 路面摩擦系数与路表面构造深度的关系分析

在试验中，车辆在50 km/h速度下，2种路面的动态摩擦系数与构造深度之间的相关性分析见表2。通过对不同路面进行对比测试可以看出，结构、材料等相同的二级沥青路面路段中动态摩擦系数与构造深度间都具有较高的相关性，但是不同路龄不同路段的主干沥青路面相关性较差。

表2 车辆在50 km/h速度下动态摩擦系数与构造深度之间的相关性变化Tab.2 Correlation changes between dynamic friction coefficient and construction depth of vehicles at 50 km/h speed

3.2 路面湿度对于抗滑性的影响分析

在试验中，还测试了路面积水情况对于矿区重载路面抗滑性能的影响。本文在试验中利用数值模拟对轮胎、水和路面之间的作用力进行耦合，在相同的滑动速度下，路面水膜厚度与摩擦系数之间的数据变化情况如图6所示。

图6 路面水膜厚度与摩擦系数之间的关系Fig.6 Relationship between pavement water film thickness and friction coefficient

由图6中的测试数据可以看出，随着水膜厚度的增加，2种路面的摩擦系数都随之降低。轮胎在路面行驶过程中，由于轮胎在滑水中的抗滑力是由流体阻力所提供的，因此在考虑路面结构与水流移动情况下进行分析，可知水膜厚度的增加会降低路面的抗滑能力。

3.3 温度对于路面抗滑性能的影响分析

针对试验中的两种类型的沥青路面，动态摩擦系数与地面温度的测试结果如图7所示。从图7可以看出，随着地面温度的升高，不同路段的动态摩擦系数平均值也随之降低，说明抗滑性能不断减弱。

图7 不同地面温度下测试路面的动态摩擦系数变化情况Fig.7 Dynamic friction coefficient changes of test pavement at different ground temperatures

3.4 讨论

从以上的试验测试数据分析可知，在矿区重载路面条件下，随着摩擦时间以及次数的增加，二级沥青路面与主干沥青路面的构造深度总体上呈现下降趋势；在此前提下，对不同构造深度的路面进行动态摩擦系数的测定。结果表明，随着构造深度的增加，摩擦系数也增加，说明构造深度与摩擦系数之间呈现正相关关系。

综上可以得出结论，随着路面受到的摩擦增多，矿区重载路面的抗滑性能降低。在相同的车速与路面构造深度条件下，路面的水膜厚度对于摩擦系数的影响也是不可忽视的。随着水膜厚度的增加，动态摩擦系数逐渐降低，矿区重载路面的抗滑性能降低。在其他条件相同的情况下，对比了不同路面温度对于矿区重载路面抗滑性能的影响。地面温度越高，2种路面的动态摩擦系数平均值越小，说明矿区重载路面的抗滑性能降低。

4 结论

针对矿区重载路面来说，保证一定的抗滑性，能够在一定程度上保证车辆在矿区内的行驶安全。本文选择了矿区内常见的二级沥青路面与主干沥青路面进行测试，在经过不同时长的摩擦后，首先测定2种路面的构造深度平均值，并测试了构造深度与动态摩擦系数之间的关系。并利用单一变量法验证了路面水膜厚度、路面温度对矿区重载路面抗滑能力的影响，为后续的矿区重载路面的抗滑保护提供了有效的参考数据。

但是由于矿区内重载路面的抗滑性能影响因素比较复杂，在研究中还有很多细致的工作需要完善。主要体现在：①由于试验过程中条件有限，对于影响路面抗滑性的原因统计不够全面；②对于抗滑性能的评价指标还有一定的优化空间，本文仅针对沥青路面进行了分析，对于水泥等其他材质的路面还缺乏研究。在后续的研究中，针对以上问题，还需要进一步分析与研究。