汽车轮胎磨损颗粒物收集装置研究进展

摘要：为了减轻轮胎磨损颗粒物对人类及自然环境的危害，各国研究人员纷纷展开了对轮胎磨损颗粒物收集装置的研究。综述了国内外轮胎磨损颗粒物收集装置的研究进展，整理了轮胎磨损颗粒物的产生机理，概括归纳了不同收集装置的优缺点及收集效率，并对轮胎磨损颗粒物收集装置的发展趋势进行了展望。

关键词：轮胎磨损颗粒物；收集装置；收集原理；研究进展

中图分类号：U463 收稿日期：2023-04-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.026

1 前言

橡胶以其耐磨特性好、寿命长、弹性和减震特性好等优点而广泛地应用于轮胎的制作。汽车轮胎与路面的摩擦过程中会产生大量的磨损颗粒物，这些颗粒物在加热/摩擦等物理和化学反应的作用下，可能还会产生新的有毒物质[1]。在空气、水、土壤/沉积物和生物群等环境中均能发现轮胎磨损颗粒物[2]。不同国家向环境中排轮胎磨耗颗粒的年度数据如下：英国5.7×107 ㎏（1999年），德国6×107 ㎏（1998年），美国5.0×108 ㎏（1978和2004年）[2]。这些物质对人类、动植物乃至整个生态系统都有严重危害。

为降低轮胎磨损颗粒物对人类及生态的危害，现有的轮胎磨损颗粒物收集装置主要采用两种方法对颗粒物进行收集：一种是利用风力装置将颗粒物输送到收集装置中；另一种采用静电吸附原理将颗粒物吸附在系附件上实现轮胎磨损颗粒物的收集工作。但由于汽车行驶路况较为复杂，环境中的颗粒物种类多样，致使收集装置的收集率不高。因此，研究人员为克服这些困难对轮胎磨损颗粒物收集装置展开了研究。

本文从以上问题出发，全面收集轮胎磨损颗粒物产生机理，系统调查轮胎磨损颗粒物收集装置的研究动态，归纳总结不同轮胎磨损颗粒物收集装置的优缺点以及适用场景，以便于为研制出简单高效的轮胎磨损颗粒物收集装置提供信息。

2 轮胎磨损颗粒物产生机理

大多数轮胎磨损颗粒物是车辆在路面上行驶时轮胎与路面发生相对位移时所产生的，是轮胎与路面之间的相互作用力、化学反应等多种因素共同作用产生的。很多学者对轮胎磨损颗粒物的产生机理产生了浓厚兴趣。彭旭东等[3]认为轮胎磨损颗粒物产生的最主要机理是磨粒磨损，在热氧化讲解的作用下将会使轮胎磨损颗粒物自然脱落，而且颗粒物的脱落还与路面条件、轮胎的结构和车辆载荷有关。吕仁国等[4]研究发现轮胎磨损产生的颗粒物的尺寸将随着滑动速度的增大而减小。Gent等[5]发现轮胎磨损颗粒物的粒径大小具有阶段性，开始是粒径为1～5 µm的颗粒物从轮胎表面上被磨损掉，后来由于轮胎表面裂纹的扩展，100 µm数量级的磨损颗粒物会被磨损掉。裂纹的增长被认为是轮胎磨损颗粒产生的重要机理。Yan等[6]通过研究发现随着二氧化碳含量的增多，胎面橡胶模量也会逐渐增大，致使直径大于1 mm的轮胎磨损颗粒物的发射量减少。随着环境温度、负载和转速的提升，粗轮胎磨损颗粒物的排放量在一定程度上呈增加趋势[6]。

综上所述，轮胎磨损颗粒物的产生与很多作用机理有关，不同的作用机理会产生不同的磨损颗粒物。综合考虑，轮胎磨损颗粒物的产生是多种机理共同作用产生的，只是在不同的磨损环境下，不同的磨损机理会占主导作用。

3 轮胎磨损颗粒物收集装置

3.1 轮胎磨损颗粒物收集装置概况

轮胎磨损颗粒物的来源主要由两个方面：a.修补轮胎时对轮胎进行打磨而产生的细小微粒；b.汽车轮胎在转动时与路面接触会导致轮胎内部粒子的剪切和加热，从而产生不同尺寸范围的细小微粒[7]。围绕此，深入调查轮胎磨损颗粒物收集装置，深入解读各个收集装置的特点，明确轮胎磨损颗粒物收集装置的组成成分，分析装置的原理。

施佳云等[8]研发的轮胎颗粒物收集装置包括有箱体、过滤机构和收集框。如图1所示，在箱体内部的顶部设有过滤机构，在箱体内部的底部安装了收集框。人们将在修补轮胎过程中对轮胎进行打磨时产生的磨损颗粒物收集起来，当把这些轮胎磨损颗粒物过滤出来时，人们将收集好的颗粒物放置在放置框内，通过不断地踩动踏板，使颗粒物不停地在网板上抖动，达到过滤符合要求的橡胶颗粒的目的，过滤出来的橡胶颗粒物会落入收集框中，从而被收集起来。

董家楠[9]研发的轮胎磨损颗粒物收集装置（下文简称装置1）分别在车辆的前后轮后上方位置的轮罩面上安装了轮胎磨损颗粒物的捕集通道的入口，在靠近车轮后侧的底盘上安装了轮胎磨损颗粒物的捕集通道出口，如图2所示。当汽车高速行驶时，由于气体高速流动在捕集通道的出入口形成压力差，从而带动着磨损颗粒物从捕集通道的出口流入捕集通道的入口从而被捕集装置捕集。实验通过分析气流流场来判断轮胎磨损颗粒物的运动轨迹，通过确定风压集中区域进而确定捕集通道出入口离地高度位置，并通过实验发现车速为60 km/h时轮胎磨损颗粒物捕集效率最高，车速为120 km/h时效果最差，且收集率还与入口中心点高度和出口距离有关。

宁波大学黄海波等[10]自主发明了一种轮胎磨损颗粒物收集装置，装置包括安装在汽车轮胎罩壳后方的第一收集通道、轮胎罩壳上方的第二收集通道和两个收集通道内安装的颗粒吸附装置，如图3所示。由于增加了第二收集通道，该装置克服了装置1在汽车行驶速度较低（低于60 km/h）时收集率较低的问题。吸附装置与驾驶舱内的静电发生器相连，汽车启动后，装置通电便可吸附进入通道内的细小颗粒，当汽车停止运行时，通电装置断电，吸附在吸附装置上的细小颗粒便会自动脱落至地面，在车辆离开前自动进行清理。

郑州大学朱仁成等[11]发明了一种非尾气颗粒物收集装置（下文简称装置2）。该装置包括安装在车辆轮胎外围的收集单元，与收集单元通过输送管道相连的收集口调节单元，吹扫单元，如图4所示。装置工作时，扫吹单元会对轮胎前道路路面区域进行吹扫，轮胎磨损颗粒经抽吸气泵的作用被输入收集口，继续经过抽吸气泵被收集到颗粒物采集器中。随着汽车行驶速度的增加，轮胎磨损颗粒物向上排放的角度会被抬高。该装置解决了以往轮胎磨损颗粒物收集装置的收集位置固定的缺点，收集口调节单元会根据车辆行驶速度自动调节收集口相对于轮胎的位置，保证最多的轮胎磨损颗粒物进入收集口，使收集效率达到最大化。

英国皇家艺术学院Cheng等[12]发明了一种微粒收集装置（下文简称装置3），该装置包括静电过滤单元、喷嘴、滤网、充电电路、控制模块、颗粒传感器、收集传感器、清洗装置、收集容器、充电电路等。如图5所示。该装置通过充电电路给过滤单元的一个或多个可充电的电极板充电，在静电力的作用下，电极板可以捕获由于摩擦而带电的轮胎磨损颗粒物。电极板上颗粒物的体积、质量和数量可被传感器检测，以达到及时清理的目的。该装置可根据车辆行驶条件（转弯、加速、刹车）控制施加于电极板上的充电电压，以满足收集效率，同时该装置还有防撞功能，根据距离传感器的数据，调整位置，达到防碰撞的功能。

3.2 轮胎磨损颗粒物收集装置对比

本文系统地收集整理了轮胎磨损颗粒物收集装置，广泛地调查了轮胎磨损颗粒物收集装置研究动态，总结概括各个轮胎磨损颗粒物收集装置的特点及适合工作的环境。具体内容如下：

a.相比于汽车轮胎修补后橡胶颗粒收集设备，装置1具有实时收集和对减少环境中橡胶颗粒物成分作用更大的特点。

b.宁波大学的研究人员在装置1的基础上对其进行改进，该装置改进后，提高了汽车在低速行驶时轮胎磨损颗粒物的收集率，具有更广的车速适用性。

c.装置2具有能够适用较复杂路况的优点，但收集的专一性较差，不能对轮胎磨损颗粒物做特异性收集。

d.装置3具有较高的轮胎磨损颗粒物的收集率，自动调节电极板充电电压，利用雨水清洁电极板，防撞击等优点。但由于电极板直接暴露于空气中，具有易腐蚀和容易被泥土等物质覆盖从而使收集效率降低的缺点。

各个研究人员基于自身的工作需求和科研需求，研发了适用于不同使用场景的轮胎磨损颗粒物收集装置，即满足自身需求的同时，在环境保护方面也起到了很大作用。

4 结语

随着轮胎磨损颗粒物收集装置研究的不断推进，并且不断地与其它技术结合，将来会研发出更先进的收集装置，未来轮胎磨损颗粒物的发展主要分为以下几个方面：

a.提高装置兼容性。易安装拆卸，简单的安装操作可快速推广装置的适用，更易被车主接受。适用范围广，根据不同的轮胎宽度自动调节收集装置的宽度，以及相对轮胎的收集位置，以适用不同型号的轮胎。

b.自动化控制。在收集装置内加入控制芯片，具有识别路况判断是否打开收集装置、自动清理、转移颗粒物到储存区的功能。

c.提高收集效率。可以从优化颗粒物吸附片的材料和形状等方面进行研究，高收集率才可以真正地降低轮胎磨损颗粒物产生的危害，保证装置的环保意义最大化。

虽然很多研究人员对轮胎磨损颗粒物的运动轨迹和收集装置进行了研究，并对轮胎磨损颗粒物的收集有了一定的进展，但是各类收集装置仍有需要完善的地方，需要对收集装置进行进一步改进或者开发出新的性能更好的装置，从而能高效率地收集轮胎磨损颗粒物，实现轮胎磨损颗粒物的回收再利用，降低轮胎磨损颗粒物对人们的身体健康和自然环境的危害。

参考文献：

[1]陈瑶，刘金，张颖昕，等.环境中的黑色微塑料——轮胎磨损颗粒的来源、迁移扩散及环境风险[J].应用生态学报2022，33（08）：2260-2270.

[2]AnnaWik，GranDave，赵敏.环境中轮胎磨耗颗粒的产生及影响[J].轮胎工业，2014，（9）：528-538.

[3]彭旭东，郭孔辉，丁玉华，等.轮胎磨耗机理及炭黑对磨耗的影响[J].合成橡胶工业，2003（3）：136-140.

[4]吕仁国，李同生，黄新武.不同速度下丁腈橡胶摩擦特性[J].合成橡胶工业，2002（2）：101-103.

[5]Gent A N，Pulford C T R.Wear of metal by rubber[J]. Journal of Materials Science， 1979， 14（6）：79-91.

[6]Yan Hao，Zhang Liqun，Liu Li，et al.Investigation of the external conditions and material compositions affecting the formation mechanism and size distribution of tire wear particles[J]. Atmospheric Environment， 2021，244：118018.

[7]陈瑶，刘金，张颖昕，等.环境中的黑色微塑料——轮胎磨损颗粒的来源，迁移扩散及环境风险[J].应用生态学报，2022，33（8）：11.

[8]施佳云，郑远茹，王建华.一种汽车轮胎修补后橡胶颗粒收集设备[P].中国：CN 107931308A，2018-04-20.

[9]董家楠.基于fluent的汽车轮胎磨损颗粒物散射轨迹及捕集研究[D].宁波：宁波大学，2020.

[10]黄海波，许一伟，蒋维琦.一种小客车轮胎磨损颗粒物捕集装置[P].中国：CN 115320727A，2022-11-11.

[11]朱仁成，陈宏飞，王运静，等.一种非尾气颗粒物采样装置[P].中国：CN 115950692A，2023-04-11.

[12]Cheng C P H，Richardson，H，Anderson S L，et al. Particulate Collecting Device[P].WO2021152331（A1）， 2021-08-05.

作者简介：

刘奥辉，男，2001年生，本科生，研究方向为汽车环保。