基于压力胶片技术的轮胎与路面接触应力分析

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(1 陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000；2 华南理工大学，广东广州 510641)

基于压力胶片技术的轮胎与路面接触应力分析

杨丰华1，陈明明1，邵申申2，王刚2

(1 陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000；2 华南理工大学，广东广州 510641)

为揭示沥青路面与轮胎接触的应力分布状况，该文基于压力胶片技术，设计两种不同路面结构分别进行0h、2h、4h、6h、8h的加速加载搓揉试验，并采集和统计应力分布特征，结果显示：平均应力随搓揉时间的增加而减小，GAC-13路面与轮胎接触平均应力大于AC-13；主应力分布率亦随搓揉时间的增加而减小，并且GAC-13路面与轮胎接触主应力分布率高于AC-13。该文提出的平均应力和主应力分布率概念可以为进一步研究接触应力与路面抗滑性能提供借鉴。

沥青路面，压力胶片，平均应力，主应力分布率

我国绝大部分高速公路都是采用沥青路面，其抗滑性能直接关系到道路行车的安全[1-10]。相关研究表明影响其抗滑性能的因素有很多，研究者大多以沥青路面施工及沥青混合料原材料为研究切入点，对轮胎与沥青路面的接触应力分析相对较少，而且接触应力的测量技术及设备也各有不同。曹平[11]根据汽车轮胎学以及摩擦学理论对沥青路面构造和抗滑性能影响因素进行理论分析，但也只是定性的研究，没有进行实测定量的研究；孙立军[9]等对沥青路面与轮胎接触的花纹形式以及疲劳性能方面进行了研究；王吉忠等[12]采用单点分步测量法测量轮胎的接地压力，对接地压力分布规律进行了试验测量。总结以上轮胎与路面压力测试研究，具有诸多不足，如设备大、操作复杂、测试精度不足、造价高等[12-15]。因此，本文引入新型测量技术(压力胶片测量技术)，其测量方式简单、成本低、精度高。重点分析不同路面结构与轮胎的接触应力分布规律，旨在探索接触应力分布与沥青路面抗滑性能的相关性。

1 试验方案设计及试验过程

1.1 试验方案设计

本实验选取沥青路面工程应用常见抗滑层级配：(1)辉绿岩AC-13；(2)辉绿岩GAC-13。级配组成见表1，级配曲线见图1，石料及沥青技术指标见表2和表3。

表1 AC-13和GAC-13的级配组成Table 1 Gradation composition of AC-13 and GAC-13

图1 级配曲线图Fig.1 Grading curve

表2 石料主要性能评价指标Table 2 Stone main performance evaluation index

表3 沥青的主要性能指标Table 3 Main performance index of the asphalt

1.2 试验过程

试验采用自主研发的加速加载搓揉试验机，试验对象为GAC-13 (间断型AC-13级配) 和AC-13级配的沥青混合料车辙板，车辙板的尺寸为 300mm×300mm×50mm，在60℃的水环境下对GAC-13和AC-13级配的车辙板进行0h、2h、4h、6h、8h的搓揉试验。初始未搓揉阶段测得AC-13车辙板构造深度为0.86，摆值为72；GAC-13车辙板构造深度为1.12，摆值为79；搓揉试验结束后，在常温下将车辙板晾干，分别进行压力胶片试验，如图2所示。

图2 搓揉试验与胶片压力试验Fig.2 Rub test with film pressure test

本试验选择小型汽车为试验对象，实测胎压为0.4MPa，通过压力传感器实测其后轮轮载为9.7kN，压力胶片有两种规格，分别为0.2MPa～0.6MPa和0.5MPa～2.5MPa的量程。

1.3 压力胶片技术简介

Prescale胶片在受压时，不同的压力大小区域会呈现出不同浓度的色彩，将染色的胶片通过扫描仪扫描，将扫描得到的图像经过胶片附带专业软件进行处理，用以识别不同色彩浓度区域的压力大小。具体如图3～图5所示：其中图4～图5中最左侧为应力刻度线0.2～0.6，单位为MPa。

图3 胶片结构Fig.3 Film structure

图4 不同接触压力数值化及色彩区分Fig.4 Contact pressure values distinguished by colors

图5 对扫描胶片的量化分析Fig.5 Quantitative information about scanned film

2 试验数据统计及结果分析

2.1 不同搓揉时间下轮胎与路面平均应力的分布

对受压后的0.2MPa～0.6MPa和0.5MPa～2.5MPa胶片，采用FPD8010软件进行数据采集、处理后得到的平均应力结果如表4和图6所示。

图6通过统计和对比两种路面与轮胎接触的平均应力变化，可知：(1)随搓揉时间的增加，两种路面结构的平均接触应力均逐渐减小，其中大量程胶片统计的平均应力衰减趋势更明显，说明大量程胶片能更好的表征路面与轮胎的平均接触应力衰减规律；(2)无论初始未搓揉阶段还是搓揉8h后，GAC-13路面与轮胎接触的平均应力均大于AC-13。

表4 平均应力分布Table 4 Average stress distribution

(a)大量程0.5MPa～2.5MPa胶片

(b)小量程0.2MPa～0.6MPa胶片

2.2 不同搓揉时间下主应力分布规律分析

(1)对受压后的小量程0.2MPa～0.6MPa胶片，采用FPD8010软件进行数据采集、处理，对接触区域的应力分布进行统计，结果如表5～表6所示。

表5 AC-13应力分布统计Table 5 AC-13 stress distribution statistics

续表5

应力范围/MPa搓揉时间/h024680 40≤p<0 453 19%4 52%3 81%3 76%4 82%0 45≤p<0 502 70%2 85%3 24%3 09%4 14%0 50≤p<0 551 85%1 89%2 22%2 06%2 91%0 55≤p<0 602 07%2 07%2 49%2 25%3 25%0 60≤p44 73%38 89%34 43%30 62%29 33%

表6 GAC-13应力分布统计Table 6 GAC-13 stress distribution statistics

图7 主应力分布率变化图Fig.7 The main stress distribution variation

由表5～表6可以看出：经过8h的搓揉试验，AC-13和GAC-13路面与轮胎的接触应力分布均呈现不同程度的改变，不同应力范围所占比例不同，并且不同范围的应力随搓揉时间的改变而改变。其中0.60≤p的应力分布随搓揉时间的增加呈现递减趋势，而且初始未搓揉阶段0.60≤p应力范围占约50%，即占有绝大部分的应力分布面积，在此我们将0.60≤p应力范围定义为主应力分布率。图7是不同级配类型的沥青路面主应力分布率变化图。

由图7可以看出：随搓揉时间的增加，两种路面与轮胎接触的主应力分布率均呈现不断递减趋势，初始及搓揉阶段后期GAC-13路面的主应力分布率均高于AC-13路面。

(2)对受压后的大量程0.5MPa～2.5MPa胶片，采用FPD8010软件进行数据采集、处理，对接触区域的应力分布进行统计，结果如表7～表9和图8所示。

表7 AC-13应力分布统计Table 7 AC-13 stress distribution statistics

表8 GAC-13应力分布统计Table 8 GAC-13 stress distribution statistics

由表7～表8可以看出，经过8h的搓揉试验，AC-13和GAC-13路面与轮胎的接触应力分布均呈现不同程度的改变，不同应力范围所占比例不同，并且不同范围的应力随搓揉时间的改变而改变。其中P<1.0MPa的应力分布随搓揉时间得增加呈现递减趋势，而且初始未搓揉阶段P<1.0MPa应力范围占约60%以上，即占有绝大部分的应力分布面积，在此我们将P<1.0MPa应力范围定义为主应力分布率。表9是不同级配类型的沥青路面主应力分布率变化，图8是主应力分布率变化图。

图8 主应力分布率变化图Fig.8 The main stress distribution variation

由图8可以看出：(1)随搓揉时间的增加，两种路面与轮胎接触的主应力分布率均呈现不断递减趋势，初始及搓揉阶段后期GAC-13路面的主应力分布率均高于AC-13路面；(2)大小量程胶片试验得出主应力变化规律基本相似。

3 结论

(1)随搓揉时间的增加两种路面结构的平均接触应力均逐渐减小，其中大量程胶片统计的平均应力衰减趋势更明显，说明大量程胶片能更好地表征路面与轮胎的平均接触应力衰减规律。无论初始未搓揉阶段还是搓揉8h后，GAC-13路面与轮胎接触的平均应力均大于AC-13路面。

(2)随搓揉时间的增加，两种不同量程胶片试验下，两种路面与轮胎接触的主应力分布率均呈现不断递减趋势，初始及搓揉阶段后期GAC-13路面的主应力分布率均高于AC-13路面。

(3)后续研究将深入探讨平均应力及主应力分布率变化规律与沥青路面抗滑性能衰减的联系。

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TheAnalysisofTireandRoadSurfaceContactStressBasedonthePressureofFilmTechnology

YANG Feng-hua1，CHEN Ming-ming1，SHAO Shen-shen2，WANG Gang2

(1 Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi，China；2 South China University of Technology，Guangzhou 510641，Guangdong，China)

For the asphalt pavement and the tire contact stress distribution，this paper based on the pressure of film technology，design two different pavement structure respectively and 0，2，4，6，8 hours accelerated loading rub test，then acquisition and statistical characteristics of stress distribution，the results showed that the average stress decreases with the increase of the rub time，GAC-13 road surface and tire contact stress is greater than the average AC-13. Principal stress distribution rate also decreases with the increase of the rub of time，and GAC-13 and the Lord of the road surface and tire contact stress distribution rate is higher than AC-13. This paper put forward the concept of average stress and the principal stress distribution can be for the further study of contact stress and pavement anti-sliding performance for reference.

asphalt pavement，pressure film，the average stress，the main stress distribution rate

U 416.2