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(1 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000；2 華南理工大學(xué)，廣東廣州 510641)

基于壓力膠片技術(shù)的輪胎與路面接觸應(yīng)力分析

楊豐華1，陳明明1，邵申申2，王剛2

(1 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000；2 華南理工大學(xué)，廣東廣州 510641)

為揭示瀝青路面與輪胎接觸的應(yīng)力分布狀況，該文基于壓力膠片技術(shù)，設(shè)計(jì)兩種不同路面結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行0h、2h、4h、6h、8h的加速加載搓揉試驗(yàn)，并采集和統(tǒng)計(jì)應(yīng)力分布特征，結(jié)果顯示：平均應(yīng)力隨搓揉時間的增加而減小，GAC-13路面與輪胎接觸平均應(yīng)力大于AC-13；主應(yīng)力分布率亦隨搓揉時間的增加而減小，并且GAC-13路面與輪胎接觸主應(yīng)力分布率高于AC-13。該文提出的平均應(yīng)力和主應(yīng)力分布率概念可以為進(jìn)一步研究接觸應(yīng)力與路面抗滑性能提供借鑒。

瀝青路面，壓力膠片，平均應(yīng)力，主應(yīng)力分布率

我國絕大部分高速公路都是采用瀝青路面，其抗滑性能直接關(guān)系到道路行車的安全[1-10]。相關(guān)研究表明影響其抗滑性能的因素有很多，研究者大多以瀝青路面施工及瀝青混合料原材料為研究切入點(diǎn)，對輪胎與瀝青路面的接觸應(yīng)力分析相對較少，而且接觸應(yīng)力的測量技術(shù)及設(shè)備也各有不同。曹平[11]根據(jù)汽車輪胎學(xué)以及摩擦學(xué)理論對瀝青路面構(gòu)造和抗滑性能影響因素進(jìn)行理論分析，但也只是定性的研究，沒有進(jìn)行實(shí)測定量的研究；孫立軍[9]等對瀝青路面與輪胎接觸的花紋形式以及疲勞性能方面進(jìn)行了研究；王吉忠等[12]采用單點(diǎn)分步測量法測量輪胎的接地壓力，對接地壓力分布規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)測量?？偨Y(jié)以上輪胎與路面壓力測試研究，具有諸多不足，如設(shè)備大、操作復(fù)雜、測試精度不足、造價高等[12-15]。因此，本文引入新型測量技術(shù)(壓力膠片測量技術(shù))，其測量方式簡單、成本低、精度高。重點(diǎn)分析不同路面結(jié)構(gòu)與輪胎的接觸應(yīng)力分布規(guī)律，旨在探索接觸應(yīng)力分布與瀝青路面抗滑性能的相關(guān)性。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選取瀝青路面工程應(yīng)用常見抗滑層級配：(1)輝綠巖AC-13；(2)輝綠巖GAC-13。級配組成見表1，級配曲線見圖1，石料及瀝青技術(shù)指標(biāo)見表2和表3。

表1 AC-13和GAC-13的級配組成Table 1 Gradation composition of AC-13 and GAC-13

圖1 級配曲線圖Fig.1 Grading curve

表2 石料主要性能評價指標(biāo)Table 2 Stone main performance evaluation index

表3 瀝青的主要性能指標(biāo)Table 3 Main performance index of the asphalt

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用自主研發(fā)的加速加載搓揉試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)對象為GAC-13 (間斷型AC-13級配) 和AC-13級配的瀝青混合料車轍板，車轍板的尺寸為 300mm×300mm×50mm，在60℃的水環(huán)境下對GAC-13和AC-13級配的車轍板進(jìn)行0h、2h、4h、6h、8h的搓揉試驗(yàn)。初始未搓揉階段測得AC-13車轍板構(gòu)造深度為0.86，擺值為72；GAC-13車轍板構(gòu)造深度為1.12，擺值為79；搓揉試驗(yàn)結(jié)束后，在常溫下將車轍板晾干，分別進(jìn)行壓力膠片試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 搓揉試驗(yàn)與膠片壓力試驗(yàn)Fig.2 Rub test with film pressure test

本試驗(yàn)選擇小型汽車為試驗(yàn)對象，實(shí)測胎壓為0.4MPa，通過壓力傳感器實(shí)測其后輪輪載為9.7kN，壓力膠片有兩種規(guī)格，分別為0.2MPa～0.6MPa和0.5MPa～2.5MPa的量程。

1.3 壓力膠片技術(shù)簡介

Prescale膠片在受壓時，不同的壓力大小區(qū)域會呈現(xiàn)出不同濃度的色彩，將染色的膠片通過掃描儀掃描，將掃描得到的圖像經(jīng)過膠片附帶專業(yè)軟件進(jìn)行處理，用以識別不同色彩濃度區(qū)域的壓力大小。具體如圖3～圖5所示：其中圖4～圖5中最左側(cè)為應(yīng)力刻度線0.2～0.6，單位為MPa。

圖3 膠片結(jié)構(gòu)Fig.3 Film structure

圖4 不同接觸壓力數(shù)值化及色彩區(qū)分Fig.4 Contact pressure values distinguished by colors

圖5 對掃描膠片的量化分析Fig.5 Quantitative information about scanned film

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 不同搓揉時間下輪胎與路面平均應(yīng)力的分布

對受壓后的0.2MPa～0.6MPa和0.5MPa～2.5MPa膠片，采用FPD8010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理后得到的平均應(yīng)力結(jié)果如表4和圖6所示。

圖6通過統(tǒng)計(jì)和對比兩種路面與輪胎接觸的平均應(yīng)力變化，可知：(1)隨搓揉時間的增加，兩種路面結(jié)構(gòu)的平均接觸應(yīng)力均逐漸減小，其中大量程膠片統(tǒng)計(jì)的平均應(yīng)力衰減趨勢更明顯，說明大量程膠片能更好的表征路面與輪胎的平均接觸應(yīng)力衰減規(guī)律；(2)無論初始未搓揉階段還是搓揉8h后，GAC-13路面與輪胎接觸的平均應(yīng)力均大于AC-13。

表4 平均應(yīng)力分布Table 4 Average stress distribution

(a)大量程0.5MPa～2.5MPa膠片

(b)小量程0.2MPa～0.6MPa膠片

2.2 不同搓揉時間下主應(yīng)力分布規(guī)律分析

(1)對受壓后的小量程0.2MPa～0.6MPa膠片，采用FPD8010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，對接觸區(qū)域的應(yīng)力分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表5～表6所示。

表5 AC-13應(yīng)力分布統(tǒng)計(jì)Table 5 AC-13 stress distribution statistics

續(xù)表5

應(yīng)力范圍/MPa搓揉時間/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應(yīng)力分布統(tǒng)計(jì)Table 6 GAC-13 stress distribution statistics

圖7 主應(yīng)力分布率變化圖Fig.7 The main stress distribution variation

由表5～表6可以看出：經(jīng)過8h的搓揉試驗(yàn)，AC-13和GAC-13路面與輪胎的接觸應(yīng)力分布均呈現(xiàn)不同程度的改變，不同應(yīng)力范圍所占比例不同，并且不同范圍的應(yīng)力隨搓揉時間的改變而改變。其中0.60≤p的應(yīng)力分布隨搓揉時間的增加呈現(xiàn)遞減趨勢，而且初始未搓揉階段0.60≤p應(yīng)力范圍占約50%，即占有絕大部分的應(yīng)力分布面積，在此我們將0.60≤p應(yīng)力范圍定義為主應(yīng)力分布率。圖7是不同級配類型的瀝青路面主應(yīng)力分布率變化圖。

由圖7可以看出：隨搓揉時間的增加，兩種路面與輪胎接觸的主應(yīng)力分布率均呈現(xiàn)不斷遞減趨勢，初始及搓揉階段后期GAC-13路面的主應(yīng)力分布率均高于AC-13路面。

(2)對受壓后的大量程0.5MPa～2.5MPa膠片，采用FPD8010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，對接觸區(qū)域的應(yīng)力分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表7～表9和圖8所示。

表7 AC-13應(yīng)力分布統(tǒng)計(jì)Table 7 AC-13 stress distribution statistics

表8 GAC-13應(yīng)力分布統(tǒng)計(jì)Table 8 GAC-13 stress distribution statistics

由表7～表8可以看出，經(jīng)過8h的搓揉試驗(yàn)，AC-13和GAC-13路面與輪胎的接觸應(yīng)力分布均呈現(xiàn)不同程度的改變，不同應(yīng)力范圍所占比例不同，并且不同范圍的應(yīng)力隨搓揉時間的改變而改變。其中P<1.0MPa的應(yīng)力分布隨搓揉時間得增加呈現(xiàn)遞減趨勢，而且初始未搓揉階段P<1.0MPa應(yīng)力范圍占約60%以上，即占有絕大部分的應(yīng)力分布面積，在此我們將P<1.0MPa應(yīng)力范圍定義為主應(yīng)力分布率。表9是不同級配類型的瀝青路面主應(yīng)力分布率變化，圖8是主應(yīng)力分布率變化圖。

圖8 主應(yīng)力分布率變化圖Fig.8 The main stress distribution variation

由圖8可以看出：(1)隨搓揉時間的增加，兩種路面與輪胎接觸的主應(yīng)力分布率均呈現(xiàn)不斷遞減趨勢，初始及搓揉階段后期GAC-13路面的主應(yīng)力分布率均高于AC-13路面；(2)大小量程膠片試驗(yàn)得出主應(yīng)力變化規(guī)律基本相似。

3 結(jié)論

(1)隨搓揉時間的增加兩種路面結(jié)構(gòu)的平均接觸應(yīng)力均逐漸減小，其中大量程膠片統(tǒng)計(jì)的平均應(yīng)力衰減趨勢更明顯，說明大量程膠片能更好地表征路面與輪胎的平均接觸應(yīng)力衰減規(guī)律。無論初始未搓揉階段還是搓揉8h后，GAC-13路面與輪胎接觸的平均應(yīng)力均大于AC-13路面。

(2)隨搓揉時間的增加，兩種不同量程膠片試驗(yàn)下，兩種路面與輪胎接觸的主應(yīng)力分布率均呈現(xiàn)不斷遞減趨勢，初始及搓揉階段后期GAC-13路面的主應(yīng)力分布率均高于AC-13路面。

(3)后續(xù)研究將深入探討平均應(yīng)力及主應(yīng)力分布率變化規(guī)律與瀝青路面抗滑性能衰減的聯(lián)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