一种冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台及利用该平台评价路面抗滑性能的方法与流程

本发明涉及一种冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台及利用该平台评价路面抗滑性能的方法。

背景技术：

我国的气候分布呈现复杂多样性，约有75％的国土面积存在冰冻时期，尤其在东北地区，夏季温暖短暂，冬季漫长严寒。冬期低温时期，道路表面的积雪在低温与车辆荷载的共同作用下，极易形成薄冰，威胁道路交通安全。据测试，沥青路面抗滑性能在冰雪条件下将降低51％～74％。路面抗滑性能降低，汽车的制动方向稳定性变差，常导致车辆方向失控、刹车失灵，制动距离显著延长，威胁人民群众生命和财产安全。相关统计表明，由于冰冻路面抗滑性能下降导致的交通事故占冬季交通事故总量的35％；而公安部交通运输管理局对我国2009年交通事故死亡率的调查结果则显示“雨、雪、雾等恶劣气候条件下道路交通事故导致死亡人数同比上升13.3％”。

现有对沥青路面的抗滑性能研究主要集中于常规非冰雪条件下的沥青路面，冰雪的存在使得路面物理性质有极大改变，所以常规的非冰冻条件下沥青路面的抗滑性能研究并不能引入到冰冻条件下沥青路面的抗滑性能问题中去。现有的沥青路面抗滑检测方法基本都只能检测非冰冻条件下沥青路面的摩擦性能，冰冻条件下沥青路面的摩擦性能检测方法和仪器极其匮乏，因此就没有形成标准的冰冻条件下沥青路面抗滑性能评价体系。所以，在冰冻条件下沥青路面抗滑评价方法、评价指标与标准都缺乏的现状下，展开性能评价方法研究极其重要。

冰雪条件下路面抗滑失效是沥青路面在低温条件下出现的最主要使用性能问题，因此，为准确评估冰雪状态下沥青路面的抗滑性能，合理评价其抗滑特性是十分必要和有意义的——本发明以沥青混合料摩擦性能为出发点，基于轮胎荷载特点开展冰雪条件下沥青路面抗滑性能评价方法的研究。

技术实现要素：

本发明是为了解决目前道路工程缺少冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试设备及相关评价方法的问题，而提供一种冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台及利用该平台评价路面抗滑性能的方法。

本发明的一种冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台由上部支架、测试箱体、发电机、同步带传动轴承组、手摇升降杆、传动立轴、定位轴承、激光测速传感器、无线扭矩传感器、轮载系统、球形等速万向节、横臂轴和环形盛料托盘组成；所述轮载系统由轮胎加载砝码、电磁制动器、加载砝码固定杆、轮载镂空外箱、单轮和连接轴组成，所述单轮设置在轮载镂空外箱的内部，所述加载砝码固定杆设置在轮载镂空外箱的上表面，所述轮胎加载砝码设置在加载砝码固定杆上，所述电磁制动器设置在单轮的中轴上，所述单轮通过连接轴固定在横臂轴的一端；所述上部支架设置在测试箱体的上方；所述发电机设置在上部支架内，所述发电机通过同步带传动轴承组与传动立轴相连，所述同步带传动轴承组的上方设置激光测速传感器；所述传动立轴穿过测试箱体的上表面设置在上部支架和测试箱体的中轴位置；所述传动立轴的顶端设置手摇升降杆；所述无线扭矩传感器设置在传动立轴的下部，所述传动立轴的下端设置有球形等速万向节，所述传动立轴通过定位轴承固定在测试箱体的底面，所述测试箱体的底面设置有环形盛料托盘，所述环形盛料托盘的上方按圆形阵列分布有三个轮载系统，所述三个轮载系统通过横臂轴连接在球形等速万向节上；所述激光测速传感器的信号输出端和无线扭矩传感器的信号输出端分别与设置在测试箱体外部的计算机的信号接收端相连。

利用上述平台评价路面抗滑性能的方法是按以下步骤进行的：

一、按照级配设计采用轮碾成型方式进行混合料成型，加工成六块尺寸相同的扇形件，得到待测件；

二、采用手摇升降杆将轮载系统提升至测试箱体的顶部，检查无线扭矩传感器和电磁制动器的使用状态，使无线扭矩传感器和电磁制动器正常运作；

三、选择轮胎加载砝码的重量，分别将相同重量的轮胎加载砝码安装在加载砝码固定杆上；

四、打开计算机连接无线扭矩传感器和激光测速传感器；

五、采用无齿锯对待测件两端进行修整，将待测件依次放入环形盛料托盘内并固定，整个测试环境置于调温仓内，调整调温仓内的温度，达到试验温度后保温2h以上；

六、计算用水量，分次均匀的喷洒于待测件表面，每次喷洒后保温1h以上，待待测件表面形成均匀厚度的冰层；

七、降低轮载系统，使单轮与冰面接触；

八、设定单轮测试速度，对无线扭矩传感器和激光测速传感器的检测数据收集，设定数据保存位置，打开发电机；

九、运行0.5min～5min，观察速度-时间曲线和扭矩-时间曲线，当单轮的速度达到设定速度时，启动电磁制动器，记录实验数据，即完成冰雪条件下沥青路面抗滑性能评价。

有益效果：

本发明适用于各种试验条件的摩擦性能检测，实现了橡胶轮胎与沥青路面连续磨耗的模拟过程；通过试验箱控制温湿度真实地模拟实际车辆在路面上的行驶状态，并且能够方便地实现路面与轮胎接触状态变化，便于试验比较分析，尤其支持冰雪条件下的抗滑性能监测和数据的连续采集，以解决现有仪器设备不能满足冰冻条件下沥青路面检测要求的问题。本发明基于试验过程中的转速-时间、扭矩-时间曲线，以扭矩反算的动态摩擦系数作为指标评价，评价冰雪条件下的沥青混合料抗滑特性。通过在运转过程中对轮胎施加制动扭矩，模拟了车辆行驶过程中轮胎制动的摩擦行为，通过安置在传动轴上的无线扭矩传感器的返回数据反算不同速度下轮胎与路面的摩擦系数评价不同条件下的轮胎-路面抗滑性能。本发明提出的冰雪作用下沥青路面抗滑性能评价方法，可真实模拟沥青路面在冰雪作用下的摩擦特性，在路面抗滑性能评价中具有广泛的应用前景，这对于改善目前冰雪条件下路面抗滑性能评价方法匮乏的现状具有重要的经济效益和社会意义。

附图说明

图1为一种冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台的结构示意图；

图2为所述测试箱体内的俯视图；

图3为实施例一中速度和扭矩分别与时间的关系曲线综合对比图；其中1为扭矩-时间曲线，2为速度-时间曲线，A为静止状态条件下，B为自由滚动条件下，C为制动条件下；

图4为实施例一不同条件下的摩擦系数曲线；其中1为干燥路面，2为潮湿路面，3为含冰路面。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式一种冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台由上部支架1、测试箱体2、发电机4、同步带传动轴承组5、手摇升降杆7、传动立轴3、定位轴承9、激光测速传感器6、无线扭矩传感器8、轮载系统11、球形等速万向节16、横臂轴10和环形盛料托盘12组成；所述轮载系统11由轮胎加载砝码、电磁制动器、加载砝码固定杆15、轮载镂空外箱17、单轮14和连接轴13组成，所述单轮14设置在轮载镂空外箱17的内部，所述加载砝码固定杆15设置在轮载镂空外箱17的上表面，所述轮胎加载砝码设置在加载砝码固定杆15上，所述电磁制动器设置在单轮14的中轴上，所述单轮14通过连接轴13固定在横臂轴10的一端；所述上部支架1设置在测试箱体2的上方；所述发电机4设置在上部支架1内，所述发电机4通过同步带传动轴承组5与传动立轴3相连，所述同步带传动轴承组5的上方设置激光测速传感器6；所述传动立轴3穿过测试箱体2的上表面设置在上部支架1和测试箱体2的中轴位置；所述传动立轴3的顶端设置手摇升降杆7；所述无线扭矩传感器8设置在传动立轴3的下部，所述传动立轴3的下端设置有球形等速万向节16，所述传动立轴3通过定位轴承9固定在测试箱体2的底面，所述测试箱体2的底面设置有环形盛料托盘12，所述环形盛料托盘12的上方按圆形阵列分布有三个轮载系统11，所述三个轮载系统11通过横臂轴10连接在球形等速万向节16上；所述激光测速传感器6的信号输出端和无线扭矩传感器8的信号输出端分别与设置在测试箱体2外部的计算机的信号接收端相连。

本实施方式设置手摇升降杆7是为了控制轮载系统升降，保证轮胎与待测件表面自由接触，同时便于待测件安装及试验条件调整。

本实施方式所述激光测速传感器6用于实时监测轮载系统转速。

本实施方式所述冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台置于一个可调温的实验舱内。

本实施方式所述发电机4输出扭矩通过同步带传动轴承组5传递给传动立轴3，并带动整个轮载系统绕传动立轴3做圆周运动。

本实施方式所述轮载系统11采用三轴轮载圆周运动作为车辆与路面作用模拟方式，这种作用方式使试验轮能够在运行过程中自适应待测试件表面，保证三轮荷载均匀，同时也避免了试验轮因硬接触导致仪器损坏。

本实施方式所述横臂轴10应具有一定的转动自由度，因此，横臂轴10通过双列向心球面球轴承与传动立轴3连接，且滚动轴承摩擦阻力小，机械效率高，传动摩擦力矩比流体动压轴承的低很多，摩擦温升低，这使得仪器的自身摩擦系数测量误差小，延长使用寿命。

本实施方式设置在单轮内侧设置电磁制动器，试验时在单轮以设计速度平稳运行时接通制动器电源，提供制动扭矩，达到对试验轮进行制动的效果，使得单轮滑移率可控。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：所述环形盛料托盘12由六块尺寸相同的扇形件拼接而成。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同之处在于：所述轮胎加载砝码的重量为2.5kg、5.0kg或10.0kg。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一的不同之处在于：所述单轮14为外半径径9cm实心橡胶轮。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同之处在于：所述环形盛料托盘12的外径为70cm，内径为30cm。其他与具体实施方式一至四之一相同。

本实施方式采用物理砝码加载手段对轮胎进行加载，即为：在试验轮上部设置家在平台，并配置不同载重砝码(2.5kg、5.0kg、10.0kg)，利用物理加载法控制轮胎的接地压强，保证了单轮荷载作用的均匀性与稳定性，同时避免气压及油压加载因温度、转速影响导致的偏差影响。

具体实施方式六：本实施方式一种利用冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台评价路面抗滑性能的方法是按以下步骤进行的：

一、按照级配设计采用轮碾成型方式进行混合料成型，加工成六块尺寸相同的扇形件，得到待测件；

二、采用手摇升降杆7将轮载系统11提升至测试箱体2的顶部，检查无线扭矩传感器8和电磁制动器的使用状态，使无线扭矩传感器8和电磁制动器正常运作；

三、选择轮胎加载砝码的重量，分别将相同重量的轮胎加载砝码安装在加载砝码固定杆15上；

四、打开计算机连接无线扭矩传感器8和激光测速传感器6；

五、采用无齿锯对待测件两端进行修整，将待测件依次放入环形盛料托盘12内并固定，整个测试环境置于调温仓内，调整调温仓内的温度，达到试验温度后保温2h以上；

六、计算用水量，分次均匀的喷洒于待测件表面，每次喷洒后保温1h以上，待待测件表面形成均匀厚度的冰层；

七、降低轮载系统11，使单轮与冰面接触；

八、设定单轮测试速度，对无线扭矩传感器8和激光测速传感器6的检测数据收集，设定数据保存位置，打开发电机4；

九、运行0.5min～5min，观察速度-时间曲线和扭矩-时间曲线，当单轮的速度达到设定速度时，启动电磁制动器，记录实验数据，即完成冰雪条件下沥青路面抗滑性能评价。

步骤七单轮与冰面的接触程度是指将轮载系统完全放下。手摇升降杆7不会对轮载系统施加外力。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六的不同之处在于：步骤五中所述试验温度为-40℃～60℃。其他与具体实施方式六相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种冰雪条件下沥青路面抗滑性能评价方法是按以下步骤进行的：

一、按照设计级配曲线盛取集料、沥青，拌制AC13沥青混合料，加工成六块尺寸相同的扇形件，得到待测件；

二、采用手摇升降杆7将轮载系统11提升至测试箱体2的顶部，检查无线扭矩传感器8和电磁制动器的使用状态，使无线扭矩传感器8和电磁制动器正常运作；

三、选择轮胎加载砝码的重量，分别将相同重量的轮胎加载砝码安装在加载砝码固定杆15上；

四、打开计算机连接无线扭矩传感器8和激光测速传感器6；

五、采用无齿锯对待测件两端进行修整，将待测件依次放入环形盛料托盘12内并固定，整个测试环境置于调温仓内，调整调温仓内的温度分别为-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，作为10组对比项，每组达到试验温度后保温2h以上；

六、计算用水量，分次均匀的喷洒于待测件表面，每次喷洒后保温1h以上，待待测件表面形成均匀厚度的冰层；

七、降低轮载系统11，使单轮与冰面接触；

八、设定单轮测试速度，对无线扭矩传感器8和激光测速传感器6的检测数据收集，设定数据保存位置，打开发电机4；

九、运行40s，观察速度-时间曲线和扭矩-时间曲线，当单轮的速度达到设定速度时，启动电磁制动器，记录实验数据，即完成冰雪条件下沥青路面抗滑性能评价。

图3为实施例一中速度和扭矩分别与时间的关系曲线综合对比图；其中1为扭矩-时间曲线，2为速度-时间曲线，A为静止状态条件下，B为自由滚动条件下，C为制动条件下；图4为实施例一不同条件下的摩擦系数曲线；其中1为干燥路面，2为潮湿路面，3为含冰路面。由图3和图4可知，干燥路面摩擦系数明显高于潮湿、含冰路面，含冰状态下路面抗滑性能急剧衰减；干燥在低温区出现波谷，接触界面出现冷凝水润滑摩擦副界面；由于冰膜融化润滑界面，含冰路面高温区(0℃附近)出现摩擦系数波谷。

实施例二：为验证本本发明的一种冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台的稳定性及准确性进行验证，由于毛玻璃板的摩擦系数相对固定，物理化学性能稳定，材料几乎不因受外界因素影响而改变自身的摩擦系数，且当单轮在毛玻璃上进行试验测试时，轮胎磨损量可忽略，故采用毛玻璃作为实验平台的偏倚性测定标准试样。具体过程如下：

一、选用规则的毛玻璃板，贴至平整的不锈钢板上；利用弹簧测力器测量规则毛玻璃的摩擦系数基准值；

二、采用手摇升降杆7将轮载系统11提升至测试箱体2的顶部，检查无线扭矩传感器8和电磁制动器的使用状态，使无线扭矩传感器8和电磁制动器正常运作；

三、选择轮胎加载砝码的重量，分别将相同重量的轮胎加载砝码安装在加载砝码固定杆15上；

四、打开计算机连接无线扭矩传感器8和激光测速传感器6；

五、采用无齿锯对待测件两端进行修整，将待测件依次放入环形盛料托盘12内并固定，整个测试环境置于调温仓内，调整调温仓内的温度分别为-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，作为10组对比项，每组达到试验温度后保温2h以上；

六、计算用水量，分次均匀的喷洒于待测件表面，每次喷洒后保温1h以上，待待测件表面形成均匀厚度的冰层；

七、降低轮载系统11，使单轮与冰面接触；

八、设定单轮测试速度，对无线扭矩传感器8和激光测速传感器6的检测数据收集，设定数据保存位置，打开发电机4；

九、运行40s，观察速度-时间曲线和扭矩-时间曲线，当单轮的速度达到设定速度时，启动电磁制动器，记录实验数据，采集测量数据，得到冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台测得的毛玻璃摩擦系数，如表3所示；

十、采用t检验法对冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台测量数据的准确性及偏倚性进行检验。

采用冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台测量的标准试件的摩擦系数平均值为f＝0.16925，标准差为0.0006402，统计量为t＝2.7336由于t<3.1740，则统计量t落入非拒绝域中，即f＝f₀假设成立。

本发明的冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台能够较准确地测量材料表面的摩擦系数，满足偏倚性要求，试验数据可靠性高。

若按照误差可接受范围控制在±3％计算，后续标定试验中，测量毛玻璃板所得到的摩擦系数在(0.166，0.176)范围内，都可认为现阶段数据准确，若在该范围之外，则需要对仪器进行调整，重新标定。

表1为一种冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台的设计参数；表2为规则毛玻璃的摩擦系数基准值测量结果。

表1冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台设计参数

表2规则毛玻璃的摩擦系数基准值测量结果

表3冰雪条件下沥青路面抗滑性能测试平台测得的毛玻璃摩擦系数