手推式摩擦因数车在路面抗滑性评价中的应用

手推式摩擦因数车在路面抗滑性评价中的应用

0路面路面的测定道路的抗滑性能是影响道路安全的重要因素，是确保道路安全的重要指标。路面抗滑能力评价指标的测定设备及方法直接决定了评价的准确性、代表性及工作效率,也影响着路面使用性能的评价。中国现行规范提出的评价路面抗滑性能的方法有:手工铺砂法、电动铺砂法、激光构造深度仪法、摆式仪法和摩擦因数测试车法。以上方法的使用具有不同程度的局限性。铺砂法、激光构造深度仪法测定路面宏观构造深度时,测试结果不稳定,受人为影响因素较多;摆式仪法测定路面抗滑值时,速度慢,效率低,由于采用定点测试,结果具有一定的片面性,故无法满足高等级公路发展的需要;摩擦因数测试车法虽然可以模拟高速行车状态下的最不利状况,可连续测定路面摩擦因数,但设备体积大、用水量大,且设备价格昂贵,使得其推广应用受到一定限制。手推式摩擦因数测试车结构简单,使用方便,能够准确、快捷地测出路面摩擦因数。为此,本文分析了手推式摩擦因数测试车的原理、结构及与其他测试仪之间的相关性。1测试车辆的组成和工作原则1.1测试轮和驱动轮的主要滑移率手推式摩擦因数测试车主要由2个驱动轮(或称行驶轮)和1个测试轮(前轮)及机架组成。驱动轮为花纹轮,测试轮为光滑轮。驱动轮轮轴与测试轮轮轴通过链条连接,保证测试轮具有一定的滑移率。为研究不同滑移率下轮胎与路面间摩擦因数的变化情况,该设备设置了多个滑移率,相对于只有单一滑移率的测试设备,有了很大的进步。手推式摩擦因数测试车的技术指标与参数见表1。1.2数据处理系统式中:f为摩擦因数;F为轮胎受到的摩擦力;N为垂直压力。当测试车进入测试状态时,前轴上的扭矩传感器和后轴上的速度传感器分别将扭矩信号和速度信号传输到记录仪器,并与记录装置组成数据采集系统。由于该设备采用车体外洒水,故测试轮所受到的垂直荷载基本稳定。记录仪可实时显示测试速度,并将测试结果存储。记录仪上有USB接口,可通过U盘将数据存储,并利用数据处理软件将其导入excel表格,对所需数据进行处理。手推式摩擦因数测试车及初始界面如图1所示。1.3测试结果的极差值和不确定值测试使用手推式摩擦因数测试车时,在同一测点要重复测3次,取其平均值作为这一点的代表值。3次测值之间的离散性表征了手推式摩擦因数测试车的稳定性。通过对20段不同饰纹类型的路面进行摩擦因数测试,发现同一点的变异系数大多在3%以内。这表明,对于不同类型的路面,设备多次测值之间极差很小,系统自身具有较好的稳定性。对各测段结果的极差进行计算并绘制成柱状图,如下页图2所示。由图2可知,对于不同类型的路面,手推式摩擦因数测试车测值(HFTC)具有较好的稳定性,极差值大多为0.03～0.05。极少数的极差值达到0.08以上,这与测试过程中条件因素有很大关系,故不具有代表性,可视为异常值。手推式摩擦因数测试车的重复性试验是在沥青路面、光滑地板和横向刻槽水泥混凝土路面进行的3次试验。同种路面上不同测点的测值差异被视为重复性,测试结果如图3所示。由图3可知,对于沥青路面及光滑地板表面的测值,手推式摩擦因数测试车可较好地反映路面摩擦因数的差异,并且具有较为满意的重复性。对于横向刻槽水泥混凝土路面,一方面由于施工时刻槽纹理很难达到绝对均匀,自身的摩擦因数存在一定的差异;另一方面,当水泥混凝土路面的平整度存在一定问题时,使得部分区域轮胎有跳起现象,故会对数值的测定产生一定的影响。2手推式摩擦因子测试车辆与其他测量方法之间的相关性2.1土路面刻槽机理测试试验路位于陕西境内蓝田—商洛高速公路李家河3号隧道。该路段主要采用了目前中国较为常用的饰纹处理方式:拉毛后刻槽路面及露石混凝土路面,并结合刻槽路面抗滑性能室内试验,提出多种刻槽参数。刻槽纹理技术方案见表2。采用SCRIM车(横向式摩擦因数测试车)、连续式摩擦因数测试车以及手推式摩擦因数测试车对试验段的抗滑性能进行测试,并对路面的构造深度和摆值进行测试,以便于分析手推式摩擦因数测试车测值(HFTC)与其他测试指标的关系,为以后的推广应用奠定基础。下页图4为所使用的不同抗滑测试设备。2.2路面微理对抗滑性能的影响通过对试验路的检测,将摆值(FB)与手推式摩擦因数测试车测值(HFTC)根据不同纹理类型进行分类,并对2种方法的测值进行相关性分析。不同纹理类型路面的FB与HFTC值的关系见表3。由表3可见,摆值和手推式摩擦因数测试车测值的相关性与水泥路面的纹理类型有关。拉毛及露石2种类型的路面表面纹理分布较为均匀,尤其是拉毛路面具有丰富的细观纹理,使得2种测试设备的测值具有较好的相关性;而对于刻槽路面,相关性则较低。究其原因,由于摆式摩擦仪主要对路面的细观构造较敏感,故不能很好地反映出槽宽、槽深及槽间距等参数对路面抗滑性能的影响,且操作过程中受槽壁尖角切削,数值变化较大,不能反映路表真实的抗滑性能。手推式摩擦因数测试车同样对路面的细观构造较敏感,但它能较好地模拟轮胎在路面上的行驶状态,可在一定程度上反映刻槽参数对抗滑性能的影响,且操作过程受外界干扰较小,数值相对稳定。2.3路面抗滑性能与槽宽及槽间距的关系路面抗滑性能是路表宏观构造和细观构造综合作用的结果,构造深度(TD)表征了路面宏观构造的优劣,而细观构造对路面抗滑性能同样具有重大影响。为了探求手推式摩擦因数测试车对于测试路面抗滑性能的合理性,建立HFTC、FB与构造深度(TD)的关系,结果见表4。由表4可知,由于槽深、槽宽及槽间距对路面抗滑性能都有一定影响,影响构造深度变化的因素较复杂,HFTC与构造深度的相关性相比摆值与构造深度的相关性略高,但数值仍然很小。对于拉毛路面,细观构造十分丰富,此时影响构造深度的因素只有纹理深度一项,HFTC与构造深度的相关性较好,可达到0.7以上。2.4种设备测值的相关性连续式摩擦因数测试车以20、40、60km/h的速度测试路表的纵向摩擦因数(PFC),并计算PFC与HFTC之间的相关性。2种设备测值的相关性见表5。由表5可知,HFTC与3种速度下的PFC值相关性较好,但判定系数R2小于0.90。分析原因,由于路表平整度及较高的测试速度等因素导致纵向摩擦因数测试车跳起现象较严重,部分测段存在数据难以采集、数值变化过大和稳定性差等现象。2.5可能考虑hftc与其他+scrim车测试结果比较的因素SCRIM车分别以20、40、60km/h的速度测试路面的横向摩擦因数(SFC)。为比较2种设备之间的相关性,将HFTC与不同测速下的SFC进行比较,比较结果见表6。由表6可以看出,手推式摩擦因数测试车与SCRIM车测试结果具有良好的相关性。当速度为20、40km/h时,HFTC与SFC的判定系数R2都约为0.94,随着速度的提高,两者的相关性有下降的趋势,但R2仍然大于0.90。3路面抗滑性能测定结果将李家河3号隧道现场测试结果与HFTC和SFC评价路面抗滑等级的结果进行对比,在现场测试中,SCRIM车采用了20、40、60、70km/h的速度进行测试。根据《公路路基路面现场测试规程》,当无特殊规定时,异常数据的舍弃宜按照K倍标准差(σ)作为舍弃的标准,即在分析时,舍弃那些在±Kσ范围以外的测定值,然后再重新计算整理(X¯¯¯X¯为均值)。当试验数据n为3、4、5、6时,取值分别为1.15、1.46、1.67、1.82;当n≥7时,取值宜采用3。根据《公路路基路面现场测试规程》中对SCRIM车测值的速度修正公式,将40km/h测试结果根据速度换算公式转换为标准速度下的测值,并根据《公路水泥混凝路面设计规范》和《公路水泥混凝土路面养护技术规范》中水泥混凝土路面的养护质量标准规定的路面抗滑力等级评定标准,对路面状况根据摩擦因数大小进行分类,同时,采用手推式摩擦因数测试车的测值对路面进行分类,分类结果见表7。从表7可以看出,以抗滑指标达到“优”等级进行评价,HFTC值得到的评价结果略高于SFC值的评价结果;以抗滑指标达到“良”等级进行评价,SFC值略高于HFTC值的评价结果。当以优良率来评价路面的抗滑性能,两者评价结果是相当的。综上所述,采用HFTC和SFC评价水泥路面的抗滑性能得到的结果基本相当。由于现今SCRIM车在中国尚不具备大规模应用的条件,所以建议在小范围测量,或作为施工质量控制及交工验收,或在摩擦因数的分析研究中可使用手推式摩擦因数测试车。4手推式因数测试车的优点(1)手推式摩擦因数测试车具有性价比优越、使用面广和操作简单等优点;手推式摩擦因数测试车与横向式摩擦因数测试车和连续式摩擦因数测试车相比,其购买费和维护费用均较低,且可在任何路段进行测试,一人便可操作。(2)手推式摩擦因数测试车具有测试结果稳定、人为影响小的优点,同一点的测值变异系数大多数在3%