单轮式横向力系数测试系统研究

1 概述

随着公路事业的发展，道路的行车速度有很大提高，但是交通事故数量也在不断增加。尤其是抗滑能力不足的路面在雨天路面容易滑溜，在弯道下坡路段易发生侧翻追尾等事故。由于路面的抗滑性能与行车安全性密切相关，公路建设部门和养护管理部门越来越重视路面的抗滑性能，并将其作为高等级公路竣工验收及养护质量检查评定中的一项重要指标。路面抗滑性能是指车辆轮胎受到制动时沿表面滑移所产生的力，是保证公路行车安全及维护必要的允许行车速度的一项重要指标，同时该指标也是路面设计、筑路材料、施工工艺、养护等各项技术水平的综合反映，因此对抗滑性的检测，先进的检测设备与技术显得尤为重要。

2 单轮式横向力摩擦系数测试系统原理和技术

2．1 横向力摩擦系数的提出

在道路行车状态时，由于路拱或横坡的存在，汽车在刹车时又因各车轮的制动阻力不可能绝对相等，汽车在路面就常有横向侧滑的倾向。于是专家们考虑，在借助机械方法推动车轮转动的同时，又给其施以附加阻力使车轮在路面滚动时产生一定的滑溜(即轮胎与路面发生滑动摩擦)，使两者产生一个合力，即为车轮所受的横向力，通过检测这个力并计算其与车轮的垂直重力的比值作为路面的摩擦系数，即为横向力系数(SFC值)，该值可以反映纵、横两个方向的摩擦力性能。

2．2 路面横向力系数测定设备

2．2．1 装载车辆

装载车本身是一个移动载体，所有机构均置于载体上，并让其以一定的速度移动来完成测量，横向力系数测试系统的承载车辆应为能够固定和安装测试、出供水、控制和记录等系统的载货车底盘，具有在水罐满载状态下最高车速大于100 km/h的性能。

2．2．2 测量机构

测量机构包括测量轮、配重、机械悬浮导轨、升降装置及横向力传感器等，它的功能是把两个载有恒定配重的测量轮置于装载车前后轴之间并成一个固定的夹角，通过控制部分自由地升降，当测量轮下降到测量位置时，测量轮与地面接触并自由转动，把产生的横向力传递至拉力传感器上供数据采集系统处理。测试轮的气压和磨损对测试结果均有影响，应严格检查。

2．2．3 供水系统

供水系统包括水罐、水泵、水路，它的功能是使测试轮前一定宽度的路面形成一条纵向湿润带，模拟最不利条件测得路面的横向力系数。设备喷水的水量和位置将直接影响测试结果，因此每次检测开始前必须检查喷水系统工作状况。

2．2．4 数据采集处理系统及附属部分

数据采集处理系统包括上位机、下位机、电源及距离、拉力、空气温度等传感器，它的功能是把各个传感器取得的信号加以处理并显示、记录、保留下来，供分析应用;附属部分包括标定系统、上水部分及各种附件工具箱体等，为校验仪器及辅助供水、存放备件、工具等用。

3 实验方法与步骤

3．1 准备工作

1)每个测试项目开始前或连续测试超过1 000 km后必须按照设备使用手册规定的方法进行测试系统的标定，记录标定数据并存档。2)检查测试车轮胎气压，应达到车辆轮胎规定的标准气压。3)检查测试轮胎磨损情况，当其直径比新轮胎减小达6 mm(也即胎面磨损3 mm)以上或有明显磨损裂口时，必须立即更换新轮胎。更换的新轮胎在正式测试前应试测2 km。4)检测测试轮气压，应达到0．35 MPa±0．02 MPa的要求。5)检查测试轮固定螺栓应拧紧。将测试轮放到正常测试时的位置，检查其应能够沿两侧滑柱上下自由升降。6)根据测试里程的需要向水罐加注清洁测试用水。7)检查洒水口出水情况和洒水位置应正常;洒水位置应在测试轮触地面中点沿形式方向前方400 mm±50 mm处，洒水宽度应为中心线两侧各不小于75 mm。8)将控制面板电源打开，检查各项控制功能键、指示灯和技术参数选择状态应正常。

3．2 测试步骤

1)正式开始测试前，首先应按设备操作手册规定的时间要求对系统进行通电预热。2)进入测试路段前应将测试轮胎降至路面上预跑约500 m。3)按照设备操作手册的规定和测试路段的现场技术要求设置完毕所需的测试状态。4)驾驶员在进入测试路段前应保持车速在规定的测试速度范围内，沿正常行车轨迹驶入测试路段。5)进入测试路段后，测试人员启动系统的采集和记录程序。在测试过程中必须及时准确的将测试路段的起终点和其他需要特殊标记点的位置输入测试数据记录中。6)测试车辆驶入测试路段后，仪器操作人员停止数据采集和记录，提升测量轮并恢复仪器各部分至初始状态。7)操作人员检查数据文件应完整，内容应正常，否则需要重新测试。8)关闭测试系统电源，结束测试。

4 数据处理

4．1 SFC计算及影响因素

1)速度:对同一路段测试速度增高，在干燥状态下横向力系数测值随测速的增加而增大，在水膜厚度为1．0 mm的潮湿状态下，横向力系数测值随测速的增加而减小。

2)温度:温度变化通过对省内各条高速公路定期观测发现，路面根据季节变化，抗滑性能有着一定的规律，即摩擦系数冬高夏低，春秋居中，摩擦系数的最低值出现在6月～7月。一般来说，温度每升高10℃，路面摩擦系数SFC值降低4～6。

3)水膜:路面潮湿程度车轮在有水膜的路面上行驶时，轮胎将轮胎与水膜接触区的水从轮胎前、左、右三个方向挤出，车速越高、路面越光，轮胎与水膜接触区的水越来不及排出，轮胎与路面石料不能充分接触，导致摩擦系数降低越多。

4．2 SFC值的速度修正

测试系统能以任意速度对路面进行长距离连续SCRIM测试，每次携带的喷洒水量可供测试里程约55 km，测试结果符合车辆实际制动或滑溜时的情况，并且测试不影响其他车辆的正常行驶。测试系统的标准测试速度范围规定为50 km/h±4 km/h，其他速度条件下测试的SFC值需通过下式换算:

其中，SFC标为标准测试速度下的等效SFC值;SFC测为现场实际测试速度条件下的SFC值;v标为标准测试速度，取值50 km/h;v测为现场实际测试速度。

通过多种沥青混凝土路面的现场试验得到路面横向力系数SFC值与测试速度的相关关系，试验结果和修正量与国外研究成果和技术标准基本一致，因此推荐为国内SCRIM系统使用的标准试验方法。

4．3 SFC值的温度修正

SCRIM测试系统的测试结果也需要做温度修正，但目前规程中尚没有SFC值的温度修正依据。根据交通部公路科学研究院在中国所做的横向力系数长期季节与温度观测试验，得到温度修正值。因此，我们在进行摩擦系数的检测时，同时还应该进行地面温度的测试。

5 结语

单轮式横向力系数测定仪(SCRIM)性能优越，具有检测速度快，使用安全，不影响正常车辆通行，数值准确并能反映路面的纹理构造对抗滑性的影响，更切合车轮与路面的实际附着状态，设备磨损小，使用寿命长等特点，是公路抗滑性能检测的理想设备。该仪器在全世界的拥有量最多，一些国际公路干线路网的抗滑性能评价标准都是以SCRIM测得的数据SFC值作为评定标准的。我国尽管在这方面起步较晚，但可以有一个较高的起点，利用最新技术迎头赶上，这样就能与世界公路同行有一个统一的评定标准，也有利于今后的国际技术交流。

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