基于胎路耦合的湿滑沥青路面抗滑风险模型研究

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随着汽车保有量不断增加和汽车行驶速度不断加快,当前道路交通临着承担着越来越繁重的运输任务,与此同时,交通事故发生的频率也在日渐增加,如何保证车辆的安全行驶是摆在道路建设者面前的难题。路面抗滑性能的不足是出现事故的重要因素,特别是阴雨天气下道路表面变得湿滑,水膜影响了轮胎与路面的接触状态,高速行驶的车辆在水的作用下容易出现打滑现象,车辆的制动距离也会增加,增加车辆发生侧翻、追尾等事故的概率,因此如何保证阴雨天气时汽车安全行驶是急需解决的问题。本文针对这种现状,从轮胎-路面纹理接触耦合的角度出发,建立了一种轮胎-湿滑沥青路面摩擦系数理论模型,进一步揭示了沥青路面抗滑机理,研究成果可以为湿滑路面抗滑设计提供理论指导。
  本文首先分析了胎路间摩擦力的产生机理。路面纹理与胎面橡胶的相互作用是产生摩擦力的基础,具体从轮胎特性、路面纹理特性和水膜三个方面探究各因素对摩擦系数产生的影响,利用信号处理的方法研究路表的高程纹理信息特征,通过分形表面的功率谱对沥青路面的纹理特征进行数字化表述,同时使用自动变焦三维表面测量仪InfinitFocusG5提取SMA-13和SMA-16车辙板试件干燥状态和湿滑状态表面纹理信息,并提出数据信息处理方法,为后续理论计算提供数据支撑。
  其次,通过分析水膜的作用,提出水膜的存在会改变沥青路面的纹理形貌,改变路面的功率谱信息,出现密闭的“水池”现象,且从水的粘度和惯性两个方面入手,探究水动力在胎面橡胶与沥青路面表面纹理间相互作用中产生的影响。依据对水膜的分析,并将推导出的沥青功率谱计算公式与Persson摩擦理论相结合,构建出湿滑路面与轮胎的耦合摩擦模型,推导出摩擦系数计算公式,并分析湿滑状态下公式中纹理特性、橡胶松弛时间和速度等参数对摩擦系数大小的影响规律。
  最后,通过试验验证抗滑风险模型的准确性。首先,搭建DFT试验平台,测出干燥、湿滑状态下SMA-13与SMA-16车辙板试件摩擦系数随速度变化曲线, 结果表明,SMA-16路面的抗滑性能要优于SMA-13路面,且相同级配路面,湿滑状态相比干燥状态下的摩擦系数要低20%左右。随后,将提取到的SMA-13和SMA-16车辙板纹理信息代入到推导出的轮胎-湿滑沥青路面摩擦系数理论公式中,计算得到摩擦系数随速度变化曲线。最后,把理论计算结果与DFT实际测出结果进行对比,分析结果表明,建立的基于胎路耦合的湿滑沥青路面抗滑风险模型合理、可靠。
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