張新峰　張亞楠

摘 要：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 22638-2018《橡膠輪胎道路磨損顆粒的產(chǎn)生和收集道路模擬試驗(yàn)室方法》于2018年發(fā)布。ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）是一個(gè)由各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)（ISO成員機(jī)構(gòu)）組成的世界性聯(lián)盟，通常是通過(guò)ISO技術(shù)委員會(huì)制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 22638-2018是根據(jù)ISO/IEC指令第2部分的編輯規(guī)則起草，由ISO/TC 45橡膠和橡膠制品技術(shù)委員會(huì)編寫(xiě)，主要介紹了關(guān)于輪胎道路磨損顆粒物（TRWP）產(chǎn)生方法、儀器和設(shè)備、收集程序和測(cè)試報(bào)告，最后提供了一個(gè)詳細(xì)的案例研究。

關(guān)鍵詞：輪胎磨損 顆粒排放 ISO/TS 22638 測(cè)試方法

1 導(dǎo)言

伴隨著科技的發(fā)展以及人們環(huán)保意識(shí)的提升，近年來(lái)大氣中懸浮微小顆粒物污染的情況越發(fā)嚴(yán)重，特別是微小的可吸入顆粒物，引起了社會(huì)公眾的足夠重視。城市化進(jìn)程的不斷加快，推動(dòng)了人們對(duì)于汽車(chē)出行的需求，我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)的數(shù)量迅速提升，機(jī)動(dòng)車(chē)排放的污染影響也越來(lái)越嚴(yán)重。機(jī)動(dòng)車(chē)導(dǎo)致顆粒物主要包括汽車(chē)尾氣和非尾氣排放，其中非尾氣排放主要來(lái)自于車(chē)輛輪胎的磨損、制動(dòng)剎車(chē)盤(pán)的磨損、揚(yáng)塵等[1]。對(duì)新能源汽車(chē)來(lái)說(shuō)，車(chē)輛自身尾氣排放明顯減少，甚至為0（純電動(dòng)汽車(chē)），相比較非尾氣排放顯的尤為重要[2]。據(jù)UN WP29 GRPE工作組預(yù)測(cè)，到2030年輪胎磨損產(chǎn)生的PM10顆粒物占據(jù)PM10顆粒物總排放量的20%左右，尤其以中小型汽車(chē)為主。相關(guān)研究表明，長(zhǎng)期處于顆粒物濃度較高的環(huán)境當(dāng)中，會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)患心肺系統(tǒng)疾病的概率明顯提升。這不但會(huì)影響人們身體健康，還會(huì)造成水體和土壤的污染，威脅到生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 22638-2018《橡膠輪胎道路磨損顆粒的產(chǎn)生和收集道路模擬試驗(yàn)室方法》進(jìn)行解讀，介紹標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容。該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定三個(gè)方面：（1）儀器和設(shè)備：使用用于生成TRWP的道路模擬器系統(tǒng)，并帶有吸氣收集系統(tǒng)，使用精密天平對(duì)收集的TRWP進(jìn)行稱(chēng)重，并儲(chǔ)存在琥珀玻璃罐中；（2）程序：該標(biāo)準(zhǔn)的程序中使用到的儀器應(yīng)按照制造商的說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作；（3）測(cè)試報(bào)告：對(duì)檢測(cè)報(bào)告的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)可以提供成熟的技術(shù)方法和方案，提升行業(yè)對(duì)橡膠輪胎磨損顆粒物排放性能的認(rèn)識(shí)，有利于進(jìn)一步控制橡膠輪胎和道路磨損顆粒的排放，對(duì)后續(xù)國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考，促進(jìn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

2 標(biāo)準(zhǔn)概述

本標(biāo)準(zhǔn)主要由前言、介紹、范圍、引用標(biāo)準(zhǔn)、術(shù)語(yǔ)及定義、儀器和設(shè)備、程序、測(cè)試報(bào)告、附錄、參考書(shū)目在內(nèi)的10個(gè)章節(jié)組成。

2.1 前言：主要介紹本標(biāo)準(zhǔn)的制定機(jī)構(gòu)、目的以及涉及到的相關(guān)專(zhuān)利、權(quán)利等，同時(shí)附有本標(biāo)準(zhǔn)制定的過(guò)程和下載的網(wǎng)址。

2.2 介紹：該部分闡述了輪胎和道路磨損顆粒的產(chǎn)生原因，對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述，指出了本標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)所在。

2.3 范圍：該部分對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍作出了規(guī)定，規(guī)定了在道路模擬試驗(yàn)室設(shè)備上產(chǎn)生輪胎和道路磨損顆粒物（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“TRWP”）的方法。該方法代表了實(shí)際駕駛條件，方法內(nèi)容包括道路模擬系統(tǒng)、測(cè)試路面和輪胎、真空收集系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)和報(bào)告。該方法適用于在實(shí)際駕駛條件下從已知路面和輪胎類(lèi)型中收集TRWP，而不考慮路面污染物（即制動(dòng)灰塵、排氣等）。

2.4 引用標(biāo)準(zhǔn)：本標(biāo)準(zhǔn)在該領(lǐng)域中屬于首創(chuàng)制定，所以無(wú)規(guī)范性參考。

2.5 術(shù)語(yǔ)和定義：闡明了本標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)使用的術(shù)語(yǔ)和定義均來(lái)自于標(biāo)準(zhǔn)化的術(shù)語(yǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)：IEC電子百科全書(shū)（http：//www.electropedia.org/）、ISO在線瀏覽平臺(tái)（https：//www.iso.org/obp）。

2.6 儀器和設(shè)備：本標(biāo)準(zhǔn)中TRWP由已知成分的輪胎和路面生成，儀器和設(shè)備主要包括用于生成TRWP的道路模擬系統(tǒng)、帶有吸氣的收集系統(tǒng)、對(duì)收集到的TRWP進(jìn)行稱(chēng)重的精密天平等。收集的TRWP應(yīng)儲(chǔ)存在琥珀玻璃罐中。

2.7 程序：主要包括一般性程序、道路模擬程序和粒子收集三部分。

2.8 測(cè)試報(bào)告：主要包括識(shí)別所采集樣品所需的所有信息；參考本文件；發(fā)電系統(tǒng)特性等在內(nèi)的11個(gè)內(nèi)容。

3 重點(diǎn)內(nèi)容解讀

3.1 儀器和設(shè)備

3.1.1 生成系統(tǒng)

首先TRWP生成需要一個(gè)由道路模擬裝置組成的生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)配有道路路面?？梢钥紤]使用內(nèi)部鼓測(cè)試系統(tǒng)或旋轉(zhuǎn)臺(tái)面系統(tǒng)等來(lái)模擬輪胎正常行為，具體見(jiàn)下圖。然后該系統(tǒng)應(yīng)是可編程控制的，這樣更加有利于實(shí)現(xiàn)最真實(shí)的測(cè)試效果，在試驗(yàn)過(guò)程中可對(duì)速度、加速度、負(fù)載、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等參數(shù)及時(shí)控制.最高測(cè)試速度應(yīng)該最少達(dá)到150km/h，可調(diào)外傾角范圍-2°-8°，測(cè)試輪胎滑移率范圍0 - 100%，可調(diào)轉(zhuǎn)向角度范圍-15°- 15°，可調(diào)徑向力范圍- 5kN - 5kN，可調(diào)法向力范圍0 kN - 10kN。

在運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)要監(jiān)控輪胎速度、系統(tǒng)溫度、輪胎力和扭矩，同時(shí)不間斷測(cè)量和記錄收集系統(tǒng)中的通風(fēng)參數(shù)。

3.1.2 測(cè)試路面

在試驗(yàn)中，測(cè)試路面應(yīng)該是可替換的。測(cè)試路面應(yīng)未經(jīng)風(fēng)化并模擬實(shí)際路面，產(chǎn)生具有代表性的TRWP。路面類(lèi)型可能會(huì)有所不同，但建議采用ISO 10844中規(guī)定的瀝青路面。測(cè)試路面的表面積應(yīng)該足夠大，以模擬輪胎實(shí)際的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

3.1.3 測(cè)試輪胎

試驗(yàn)輪胎應(yīng)選擇市場(chǎng)上具有典型TRWP代表性的輪胎。具體輪胎選擇會(huì)有變化，主要根據(jù)車(chē)輛類(lèi)型（卡車(chē)或乘用車(chē)）、性能（季節(jié)性輪胎）、成分和使用年限。測(cè)試輪胎壓力應(yīng)保持在制造商規(guī)定的最佳壓力范圍內(nèi)。

3.1.4 采集系統(tǒng)

對(duì)于試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的TRWP，應(yīng)通過(guò)連接到位于滾動(dòng)輪胎后面的測(cè)試輪胎輪轂上的捕獲罩的吸氣系統(tǒng)進(jìn)行收集。采集系統(tǒng)應(yīng)該包括一個(gè)通過(guò)不銹鋼管連接到真空裝置上的不銹鋼收集蓋。

3.2 程序

在該程序中使用的設(shè)備應(yīng)該嚴(yán)格按照制造商的說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作。

模擬驅(qū)動(dòng)參數(shù)會(huì)實(shí)時(shí)變化，但要代表實(shí)際的驅(qū)動(dòng)條件（如城市或高速工況行駛）。測(cè)試輪胎參數(shù)應(yīng)選擇最大輪胎負(fù)荷和制造商推薦的輪胎充氣壓力。以下為具有可實(shí)施性的測(cè)試循環(huán)：

—總驅(qū)動(dòng)時(shí)間的2.6%，在0 km/h-30 km/h之間；

—總驅(qū)動(dòng)時(shí)間的7.4%，在30 km/h-50 km/h之間；

—總驅(qū)動(dòng)時(shí)間的25.2%，在50 km/h-80 km/h之間；

—總驅(qū)動(dòng)時(shí)間的34.2%，在80 km/h-120 km/h之間；

—總驅(qū)動(dòng)時(shí)間的30.6%，在120 km/h-150 km/h之間。

加速或減速可以控制在1 m/s2到2 m/s2之間。測(cè)試循環(huán)可以重復(fù)執(zhí)行，直到收集夠所需的質(zhì)量。應(yīng)特別注意輪胎與測(cè)試路面的表面，如果發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)污跡，那么TRWP的產(chǎn)生和收集可能會(huì)產(chǎn)生損耗。

關(guān)于顆粒物的收集，應(yīng)該在無(wú)污染的環(huán)境中收集單一組分樣品。試驗(yàn)前，所有可接觸區(qū)域應(yīng)該請(qǐng)理干凈。收集后，用不銹鋼小勺輕輕敲打和刮拭，將樣品從真空中取出，并在150um進(jìn)行篩分，以清除較大的碎片。然后將TRWP稱(chēng)重，并放入用來(lái)儲(chǔ)存的預(yù)先稱(chēng)重的琥珀玻璃容器中。

3.3 檢測(cè)報(bào)告

為保證檢測(cè)報(bào)告的客觀性、科學(xué)性、準(zhǔn)確性，除了對(duì)測(cè)試過(guò)程嚴(yán)格要求外，測(cè)試報(bào)告的撰寫(xiě)也做出明確要求，至少包括以下信息：

a）所有識(shí)別采集樣品的必要信息；

b）參考規(guī)范文件（如ISO/TS 22638）;

c）生成系統(tǒng)特性；

d）測(cè)試路面；

e）測(cè)試輪胎；

f）測(cè)試時(shí)間；

g）模擬測(cè)試的總時(shí)間和持續(xù)時(shí)間；

h）模擬測(cè)試的條件和參數(shù)，包括速度、溫度、輪胎力和通風(fēng)速度；

i）顆粒物收集和測(cè)量裝備；

j）監(jiān)控測(cè)量；

k）收集樣品的重量；

l）測(cè)試過(guò)程中的任務(wù)異常情況。

3.4 案例研究

3.4.1 簡(jiǎn)介

該案例是Kreider等人（2010）所描述的關(guān)于TRWP生成的研究案例，生成的TRWP用于物理和化學(xué)特性的研究分析。

3.4.2 儀器和設(shè)備

模擬系統(tǒng)是內(nèi)轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)系統(tǒng)，內(nèi)轉(zhuǎn)鼓直徑是3.8m，寬度是0.53m，長(zhǎng)度是12m。該設(shè)備可用程序控制速度、溫度、加速度、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向，最大速度是150km/h。試驗(yàn)室裝有溫控系統(tǒng)，控制溫度在20℃。內(nèi)轉(zhuǎn)鼓測(cè)試系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)平均風(fēng)速為0.16m/s。測(cè)試路面參照ISO 10844中61%瀝青路面制作，由12塊拼接而成。在試驗(yàn)過(guò)程中使用了三種類(lèi)型的乘用車(chē)輪胎，一條夏季輪胎，一條冬季硅基輪胎，一條夏季炭黑基輪胎。每個(gè)輪胎的充氣壓力設(shè)定為230 kPa，施加載荷為輪胎負(fù)荷指數(shù)的100%。收集裝置是一個(gè)吸氣系統(tǒng)，由一個(gè)收集罩連接到位于內(nèi)鼓測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的兩臺(tái)1200w真空吸塵器。真空吸塵器具有收集和存儲(chǔ)從0.3 μm到100 μm顆粒的能力。該系統(tǒng)使用了一臺(tái)3500w交流發(fā)電機(jī)供電。

3.4.3 測(cè)試程序

該測(cè)試程序主要為城市和高速工況程序，具體如下：

—總驅(qū)動(dòng)時(shí)間的2.6%，在0 km/h-30 km/h之間；

—總驅(qū)動(dòng)時(shí)間的7.4%，在30 km/h-50 km/h之間；

—總驅(qū)動(dòng)時(shí)間的25.2%，在50 km/h-80 km/h之間；

—總驅(qū)動(dòng)時(shí)間的34.2%，在80 km/h-120 km/h之間；

—總驅(qū)動(dòng)時(shí)間的30.6%，在120 km/h-150 km/h之間。

測(cè)試速度從30km/h到150km/h變化，測(cè)試載荷為固定的4248N，輪胎側(cè)傾角為-1.6°。

3.4.4 測(cè)試結(jié)果

該模擬測(cè)試總里程為183 km，收集到足夠質(zhì)量的TRWP，對(duì)應(yīng)的TRWP收集速率為2 mg/km - 15 mg/km。最高的收集速率出現(xiàn)在模擬測(cè)試剛開(kāi)始時(shí)（新測(cè)試路面），之后產(chǎn)生拋光效應(yīng)，使得輪胎上的橡膠粘貼在鼓面上，從而降低了TRWP的產(chǎn)生率。在實(shí)際自然環(huán)境路況中，粘貼的橡膠可以被去除。此外，通風(fēng)系統(tǒng)、測(cè)試路面和滾動(dòng)輪胎之間形成了復(fù)雜的氣流模式，降低了收集系統(tǒng)的效率。輪胎胎面損失中約20%被收集系統(tǒng)捕獲為T(mén)RWP，功率更大的真空吸塵系統(tǒng)可能會(huì)降低收集效率。圖3為T(mén)RWP微觀圖。

4 總結(jié)

從國(guó)際技術(shù)發(fā)展來(lái)看，車(chē)輛輪胎磨損顆粒物排放已廣受關(guān)注，下一步將針對(duì)如何對(duì)輪胎磨損顆粒物排放方法制定、測(cè)試裝備研發(fā)、排放限值規(guī)定和行業(yè)管控執(zhí)行等做重點(diǎn)攻關(guān)。本文對(duì)ISO/TS 22638《橡膠輪胎道路磨損顆粒的產(chǎn)生和收集道路模擬試驗(yàn)室方法》標(biāo)準(zhǔn)做了詳細(xì)解讀，以推動(dòng)國(guó)內(nèi)行業(yè)技術(shù)發(fā)展，加強(qiáng)與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的接軌和交流，希望國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)與企業(yè)能夠加強(qiáng)對(duì)輪胎磨損顆粒物排放性能的重視，集中行業(yè)力量，積極推動(dòng)新技術(shù)研究與科研攻關(guān)，提出以下展望，為后續(xù)深入研究提供參考。研究測(cè)試裝備、測(cè)試方法和磨損工況等關(guān)鍵核心技術(shù)，加大國(guó)際交流與合作，爭(zhēng)取在國(guó)際前沿技術(shù)研究競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)重要位置。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張子鵬等. 輪胎磨損顆粒物排放特性研究現(xiàn)狀綜述[J].時(shí)代汽車(chē)，2020（12），145-148.