基于多尺度纹理与橡胶摩擦的路面抗滑性能机理研究

Road pavement skid resistance is essential to driving safety. It is often measured by coefficient of friction between tyre rubber and wet road surface under specific contact and sliding conditions. Tyre-road friction coefficient is closely related to the energy dissipation during vibrating excitation of the outermost layer of rubber by road surface roughness. This research applies road multiscale texture and tyre rubber friction theory and builds a tyre-road friction coefficient computing model. It aims at unveiling the mechnism of road skid resistance. On the one hand, the multiscale texture characteristics of the geometric topography is analyzed. Considering the factors like rubber properties, friction heat, water film thickness, sliding speed and contact conditions, a numerical model of friction coefficient is established within the framework of rubber visco-elastic and contact theory. The skid resistance is calculated and the friction coefficient model is adjusted and validated. On the other hand, various pavement surface texture is analyzed. The potential patterns of the distribution of the texture characteristics are identified. New surface textures are tranversed according to this pattern. The skid resistance of these surfaces are calculated and the one with the highest level of skid resistance is searched. These surfaces will be implemented in laboratory and their skid resistance will be verified. This research can provide a theoretical fundament for road pavement design with respect to skid resistance, anti-slip pavement material research and development and non-contact skid resistance testing.

路面抗滑能力是道路交通安全的重要保障，常通过特定接触和滑动条件下轮胎与潮湿路面间的摩擦系数来度量。轮胎路面摩擦主要源于路表形貌起伏对轮胎最外层橡胶激振造成的能量损耗。本研究运用多尺度纹理表征方法和橡胶摩擦理论，构建轮胎路面摩擦系数的计算模型，旨在揭示路面抗滑能力机理。本研究一方面从路表几何形貌出发，通过路面多尺度纹理特征分析，结合橡胶粘弹性力学和接触理论，考虑橡胶性质、摩擦温升、水膜厚度、滑移速率、接触条件等因素，建立轮胎路面摩擦系数模型，运用模型计算各类表面的抗滑能力，对照实验室及现场测试结果进行模型校验。另一方面，基于不同材料类型路面的纹理分析，揭示纹理特征分布的潜在模式，通过数值计算，遍历重构符合现有模式的新的表面纹理。运用前述模型计算其摩擦系数，探索具有高抗滑能力的路面，并通过室内试验进行验证。本研究成果可为路面抗滑设计、抗滑型材料研发、非接触抗滑测试提供理论基础。

路面抗滑能力是道路交通安全的重要保障，但针对抗滑能力的理解常有将其等同于粗糙度的认识，本研究旨在揭示路面抗滑能力的机理。研究运用多尺度纹理表征方法和橡胶摩擦理论，考虑橡胶性质、摩擦温升、水膜厚度、滑移速率、接触条件等因素，构建轮胎路面摩擦系数的计算模型，运用模型计算各类表面的抗滑能力，对照实验室及现场测试结果对模型进行了校验和优化，着重解决了原始理论中对于轮胎路面在滑动接触过程中的最大和最小有效尺度不明确的问题。通过对照实际抗滑性能试验结果，改变有效尺度的上、下限进行反复试算，确定了长度上限为5cm，下限与高差相关函数中的垂直相关长度存在明显联系，在接触压强0.3MPa，相对滑移速度为20km/h时，该关系大体符合lgc = 0.4648lg⊥2 + 0.2086。基于不同材料类型的路面纹理分析，证实了此前业界公认的路面纹理符合自仿射分形，即路表纹理的功率谱密度在双对数坐标上呈现为在某个截断频率前接近常数，而在该频率后近似直线的特性。进一步的分析其线性部分的斜率k和截距lgb以及截断频率前的水平q这三个参数具有有限的值域，且斜率k和截距lgb之间存在较强的相关关系，典型沥青或露骨料水泥混凝土路面的特征参数与砂纸、树脂碎石及撒布颗粒表面的特征参数分别处于不同的区域，揭示了各种可能的路面纹理特征分布的潜在模式。通过数值计算，遍历重构符合现有模式及三个参数分布范围的新的表面纹理，并按照相应的参数进行适当的向外延拓和遍历网格化，运用前述模型计算全部可能的表面在典型条件下的摩擦系数，寻找具有高抗滑能力的路面的表面。通过大量的数值计算，寻找到局部最大值，以沥青路面组为例，在水膜厚度0.5 mm、轮胎背景温度40°C、相对滑移速率25km/h（相当于100km/h速度行驶条件下，在ABS系统的协助下进行刹车）、接触压强0.3MPa的条件下，重构的沥青路面与典型小汽车夏季轮胎之间的滑动摩擦系数可达到0.536，该表面的均方根纹理深度为0.3mm。这一结果打破了以往把粗糙度等同于抗滑能力的认识，研究结果也为路面抗滑设计、抗滑型材料研发、非接触抗滑测试提供理论基础。