ISO/TS 22638《橡胶轮胎道路磨损颗粒的产生和收集道路模拟试验室方法》标准解读

张新峰　张亚楠

摘 要：国际标准ISO/TS 22638-2018《橡胶轮胎道路磨损颗粒的产生和收集道路模拟试验室方法》于2018年发布。ISO（国际标准化组织）是一个由各国标准机构（ISO成员机构）组成的世界性联盟，通常是通过ISO技术委员会制定国际标准。本标准ISO/TS 22638-2018是根据ISO/IEC指令第2部分的编辑规则起草，由ISO/TC 45橡胶和橡胶制品技术委员会编写，主要介绍了关于轮胎道路磨损颗粒物（TRWP）产生方法、仪器和设备、收集程序和测试报告，最后提供了一个详细的案例研究。

关键词：轮胎磨损 颗粒排放 ISO/TS 22638 测试方法

1 导言

伴随着科技的发展以及人们环保意识的提升，近年来大气中悬浮微小颗粒物污染的情况越发严重，特别是微小的可吸入颗粒物，引起了社会公众的足够重视。城市化进程的不断加快，推动了人们对于汽车出行的需求，我國机动车的数量迅速提升，机动车排放的污染影响也越来越严重。机动车导致颗粒物主要包括汽车尾气和非尾气排放，其中非尾气排放主要来自于车辆轮胎的磨损、制动刹车盘的磨损、扬尘等[1]。对新能源汽车来说，车辆自身尾气排放明显减少，甚至为0（纯电动汽车），相比较非尾气排放显的尤为重要[2]。据UN WP29 GRPE工作组预测，到2030年轮胎磨损产生的PM10颗粒物占据PM10颗粒物总排放量的20%左右，尤其以中小型汽车为主。相关研究表明，长期处于颗粒物浓度较高的环境当中，会导致人类患心肺系统疾病的概率明显提升。这不但会影响人们身体健康，还会造成水体和土壤的污染，威胁到生存环境的可持续发展。

本文对标准ISO/TS 22638-2018《橡胶轮胎道路磨损颗粒的产生和收集道路模拟试验室方法》进行解读，介绍标准主要内容。该标准主要规定三个方面：（1）仪器和设备：使用用于生成TRWP的道路模拟器系统，并带有吸气收集系统，使用精密天平对收集的TRWP进行称重，并储存在琥珀玻璃罐中；（2）程序：该标准的程序中使用到的仪器应按照制造商的说明书进行操作；（3）测试报告：对检测报告的内容进行详细规定。通过标准可以提供成熟的技术方法和方案，提升行业对橡胶轮胎磨损颗粒物排放性能的认识，有利于进一步控制橡胶轮胎和道路磨损颗粒的排放，对后续国内相关标准制定提供参考，促进对生态环境的保护。

2 标准概述

本标准主要由前言、介绍、范围、引用标准、术语及定义、仪器和设备、程序、测试报告、附录、参考书目在内的10个章节组成。

2.1 前言：主要介绍本标准的制定机构、目的以及涉及到的相关专利、权利等，同时附有本标准制定的过程和下载的网址。

2.2 介绍：该部分阐述了轮胎和道路磨损颗粒的产生原因，对本标准进行了简单的概述，指出了本标准的优势所在。

2.3 范围：该部分对本标准的使用范围作出了规定，规定了在道路模拟试验室设备上产生轮胎和道路磨损颗粒物（以下简称“TRWP”）的方法。该方法代表了实际驾驶条件，方法内容包括道路模拟系统、测试路面和轮胎、真空收集系统、监测和报告。该方法适用于在实际驾驶条件下从已知路面和轮胎类型中收集TRWP，而不考虑路面污染物（即制动灰尘、排气等）。

2.4 引用标准：本标准在该领域中属于首创制定，所以无规范性参考。

2.5 术语和定义：阐明了本标准内使用的术语和定义均来自于标准化的术语数据库：IEC电子百科全书（http：//www.electropedia.org/）、ISO在线浏览平台（https：//www.iso.org/obp）。

2.6 仪器和设备：本标准中TRWP由已知成分的轮胎和路面生成，仪器和设备主要包括用于生成TRWP的道路模拟系统、带有吸气的收集系统、对收集到的TRWP进行称重的精密天平等。收集的TRWP应储存在琥珀玻璃罐中。

2.7 程序：主要包括一般性程序、道路模拟程序和粒子收集三部分。

2.8 测试报告：主要包括识别所采集样品所需的所有信息；参考本文件；发电系统特性等在内的11个内容。

3 重点内容解读

3.1 仪器和设备

3.1.1 生成系统

首先TRWP生成需要一个由道路模拟装置组成的生成系统，该系统配有道路路面。可以考虑使用内部鼓测试系统或旋转台面系统等来模拟轮胎正常行为，具体见下图。然后该系统应是可编程控制的，这样更加有利于实现最真实的测试效果，在试验过程中可对速度、加速度、负载、制动和转向等参数及时控制.最高测试速度应该最少达到150km/h，可调外倾角范围-2°-8°，测试轮胎滑移率范围0 - 100%，可调转向角度范围-15°- 15°，可调径向力范围- 5kN - 5kN，可调法向力范围0 kN - 10kN。

在运行过程中，实时监控系统要监控轮胎速度、系统温度、轮胎力和扭矩，同时不间断测量和记录收集系统中的通风参数。

3.1.2 测试路面

在试验中，测试路面应该是可替换的。测试路面应未经风化并模拟实际路面，产生具有代表性的TRWP。路面类型可能会有所不同，但建议采用ISO 10844中规定的沥青路面。测试路面的表面积应该足够大，以模拟轮胎实际的滚动运动。

3.1.3 测试轮胎

试验轮胎应选择市场上具有典型TRWP代表性的轮胎。具体轮胎选择会有变化，主要根据车辆类型（卡车或乘用车）、性能（季节性轮胎）、成分和使用年限。测试轮胎压力应保持在制造商规定的最佳压力范围内。

3.1.4 采集系统

对于试验过程中产生的TRWP，应通过连接到位于滚动轮胎后面的测试轮胎轮毂上的捕获罩的吸气系统进行收集。采集系统应该包括一个通过不锈钢管连接到真空装置上的不锈钢收集盖。

3.2 程序

在该程序中使用的设备应该严格按照制造商的说明书进行操作。

模拟驱动参数会实时变化，但要代表实际的驱动条件（如城市或高速工况行驶）。测试轮胎参数应选择最大轮胎负荷和制造商推荐的轮胎充气压力。以下为具有可实施性的测试循环：

—总驱动时间的2.6%，在0 km/h-30 km/h之间；

—总驱动时间的7.4%，在30 km/h-50 km/h之间；

—总驱动时间的25.2%，在50 km/h-80 km/h之间；

—总驱动时间的34.2%，在80 km/h-120 km/h之间；

—总驱动时间的30.6%，在120 km/h-150 km/h之间。

加速或减速可以控制在1 m/s2到2 m/s2之间。测试循环可以重复执行，直到收集够所需的质量。应特别注意轮胎与测试路面的表面，如果发现可见污迹，那么TRWP的产生和收集可能会产生损耗。

关于颗粒物的收集，应该在无污染的环境中收集单一组分样品。试验前，所有可接触区域应该请理干净。收集后，用不锈钢小勺轻轻敲打和刮拭，将样品从真空中取出，并在150um进行筛分，以清除较大的碎片。然后将TRWP称重，并放入用来储存的预先称重的琥珀玻璃容器中。

3.3 检测报告

为保证检测报告的客观性、科学性、准确性，除了对测试过程严格要求外，测试报告的撰写也做出明确要求，至少包括以下信息：

a）所有识别采集样品的必要信息；

b）参考规范文件（如ISO/TS 22638）;

c）生成系统特性；

d）测试路面；

e）测试轮胎；

f）测试时间；

g）模拟测试的总時间和持续时间；

h）模拟测试的条件和参数，包括速度、温度、轮胎力和通风速度；

i）颗粒物收集和测量装备；

j）监控测量；

k）收集样品的重量；

l）测试过程中的任务异常情况。

3.4 案例研究

3.4.1 简介

该案例是Kreider等人（2010）所描述的关于TRWP生成的研究案例，生成的TRWP用于物理和化学特性的研究分析。

3.4.2 仪器和设备

模拟系统是内转鼓试验系统，内转鼓直径是3.8m，宽度是0.53m，长度是12m。该设备可用程序控制速度、温度、加速度、制动和转向，最大速度是150km/h。试验室装有温控系统，控制温度在20℃。内转鼓测试系统的风机平均风速为0.16m/s。测试路面参照ISO 10844中61%沥青路面制作，由12块拼接而成。在试验过程中使用了三种类型的乘用车轮胎，一条夏季轮胎，一条冬季硅基轮胎，一条夏季炭黑基轮胎。每个轮胎的充气压力设定为230 kPa，施加载荷为轮胎负荷指数的100%。收集装置是一个吸气系统，由一个收集罩连接到位于内鼓测试系统内的两台1200w真空吸尘器。真空吸尘器具有收集和存储从0.3 μm到100 μm颗粒的能力。该系统使用了一台3500w交流发电机供电。

3.4.3 测试程序

该测试程序主要为城市和高速工况程序，具体如下：

—总驱动时间的2.6%，在0 km/h-30 km/h之间；

—总驱动时间的7.4%，在30 km/h-50 km/h之间；

—总驱动时间的25.2%，在50 km/h-80 km/h之间；

—总驱动时间的34.2%，在80 km/h-120 km/h之间；

—总驱动时间的30.6%，在120 km/h-150 km/h之间。

测试速度从30km/h到150km/h变化，测试载荷为固定的4248N，轮胎侧倾角为-1.6°。

3.4.4 测试结果

该模拟测试总里程为183 km，收集到足够质量的TRWP，对应的TRWP收集速率为2 mg/km - 15 mg/km。最高的收集速率出现在模拟测试刚开始时（新测试路面），之后产生抛光效应，使得轮胎上的橡胶粘贴在鼓面上，从而降低了TRWP的产生率。在实际自然环境路况中，粘贴的橡胶可以被去除。此外，通风系统、测试路面和滚动轮胎之间形成了复杂的气流模式，降低了收集系统的效率。轮胎胎面损失中约20%被收集系统捕获为TRWP，功率更大的真空吸尘系统可能会降低收集效率。图3为TRWP微观图。

4 总结

从国际技术发展来看，车辆轮胎磨损颗粒物排放已广受关注，下一步将针对如何对轮胎磨损颗粒物排放方法制定、测试装备研发、排放限值规定和行业管控执行等做重点攻关。本文对ISO/TS 22638《橡胶轮胎道路磨损颗粒的产生和收集道路模拟试验室方法》标准做了详细解读，以推动国内行业技术发展，加强与国际先进技术的接轨和交流，希望国内相关机构与企业能够加强对轮胎磨损颗粒物排放性能的重视，集中行业力量，积极推动新技术研究与科研攻关，提出以下展望，为后续深入研究提供参考。研究测试装备、测试方法和磨损工况等关键核心技术，加大国际交流与合作，争取在国际前沿技术研究竞争中占据重要位置。

参考文献：

[1]焦润楠. 软质丁苯橡胶轮磨损颗粒物的产生机理及其影响因素研究[D].宁波大学，2021.DOI：10.27256/d.cnki.gnbou.2021.000181.

[2]张子鹏等. 轮胎磨损颗粒物排放特性研究现状综述[J].时代汽车，2020（12），145-148.