一种可在室内检测多工况条件下路面摩擦系数的装置

1.本发明属于道路表面状况检测技术领域，涉及一种可在室内检测多工况条件下路面摩擦系数的装置，具体涉及一种可在室内对处于干燥、潮湿与积冰等多种工况条件下的不同类型路面表面摩擦系数检测与采集的装置。


背景技术：

2.据研究表明，交通事故大部分与道路表面抗滑性能下降有关。道路表面抗滑性能的改变受到多方面因素的影响，包括人、车、路与交通环境等综合作用。摩擦系数作为路面抗滑性能的主要评价指标，利用设备对其实现准确测定十分重要。
3.当前，路表摩擦系数检测设备可分为单点检测与连续式检测两种类型。其中单点检测设备以英式摆式仪与动态摩擦系数测定仪为主，二者均根据橡胶块与路面间的摩擦作用力做功来反算摩擦系数值，无法表征轮胎与路面接触过程中摩擦系数值的变化。连续式检测设备根据不同检测原理，主要有横向力检测车、锁定轮式摩擦测试仪等，此类设备可在不影响交通的情况下实现对路表抗滑性能的连续检测，但同时具有成本较高，指标难以选取等缺点。上述两种类型设备均是针对常规路面状况的检测，同时对影响路面摩擦系数变化的因素控制较为单一，在积水、结冰等复杂工况检测时，不仅需对其适用性进行分析，还需考虑多种环境影响参数的控制方法，实现过程较为复杂。
4.由此，在路面摩擦系数检测设备装置领域中，如何在室内能够有效获取路面摩擦系数与多种影响因素之间的变化规律，这一问题有待改进。


技术实现要素：

5.本发明提供一种可在室内检测多工况条件下路面摩擦系数的装置，目的在于通过对路面类型、车轮荷载与速度、轮胎滑移率、积水厚度与积冰厚度等影响因素的多参数控制，进一步定量研究路面抗滑特性的变化机理。检测结果可为多工况条件下轮胎与路面间的摩擦理论模型验证提供试验支持，以及为车辆在不同天气条件下的安全行驶速度计算提供数据依据。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
7.一种可在室内检测多工况条件下路面摩擦系数的装置，包括环境模拟测试箱、输水单元、温控单元、路面试件、橡胶测试轮、驱动机构和环形轨道，所述输水单元与环境模拟测试箱连通为环境模拟测试箱提供降水水源和湿度水源，所述温控单元与环境模拟测试箱连通为环境模拟测试箱提供热源和冷源，所述环形轨道固定在环境模拟测试箱的上方，所述路面试件设置在环境模拟测试箱内，所述橡胶测试轮位于路面试件上并通过制动力调节装置固定在液压杆的下端，所述液压杆的上端受驱动机构的驱动沿环形轨道运动，所述液压杆的中部安装有六维力和力矩传感器，所述橡胶测试轮的中心安装有轮速传感器，所述驱动机构固定在环形轨道上。
8.进一步的，所述装置还包括控制系统，所述输水单元、温控单元、驱动机构、制动力
调节装置、六维力和力矩传感器和轮速传感器均与控制系统电连接。
9.进一步的，所述路面试件上表面设置有环形的测试轨道，所述橡胶测试轮在所述测试轨道上运动。
10.进一步的，所述装置还包括红外遥感式路面状况传感器，所述红外遥感式路面状况传感器安装在环形轨道的中心孔内，且其测试头正对路面试件。
11.进一步的，所述环境模拟测试箱内的底部安装有可抽出试验台，所述路面试件设置在可抽出试验台上，所述环境模拟测试箱内部底面和可抽出试验台的底部均设置有汇水槽，所有所述汇水槽均与回水管连通，所述回水管与输水单元连通。
12.进一步的，所述输水单元包括储水箱，所述储水箱内设置有水泵，所述水泵的出口连接有输水管ⅰ和输水管ⅱ，所述输水管ⅰ上安装有水雾转换器，所述输水管ⅰ的端头安装有雾化喷头，所述雾化喷头设置在环境模拟测试箱内部；所述输水管ⅱ上安装有流量控制器，所述输水管ⅱ的端头安装有花洒降雨喷头，所述花洒降雨喷头设置在环境模拟测试箱内部。
13.进一步的，所述温控单元包括液氮罐和电热器，所述液氮罐的罐口安装有液氮泵，所述液氮泵与输氮管的一端连接，所述输氮管的另一端与汽化器连接，所述汽化器与喷气嘴连通，所述喷气嘴和电热器均安装在环境模拟测试箱内部。
14.进一步的，所述装置还包括温湿度计、光源和换气风扇，所述温湿度计、光源和换气风扇均可拆卸安装在环境模拟测试箱的内侧壁上。
15.进一步的，所述装置还包括外箱体、水准气泡和水准调节支座，所述环境模拟测试箱、输水单元和温控单元均设置在外箱体的内部，所述输水单元位于环境模拟测试箱的下方，所述水准气泡设置在外箱体的上表面，所述水准调节支座固定在外箱体的底部。
16.进一步的，所述环形轨道的下表面中心设置有传送带齿轮，所述传送带齿轮与环形轨道转动连接，所述驱动机构的输出轴与传送带齿轮啮合连接，所述液压杆的顶端与传送带齿轮固定连接。
17.本发明相对于现有技术的有益效果为：
18.本发明提供一种可在室内检测多工况条件下路面摩擦系数的装置，根据降水量等级与路面结冰类型，定量调节喷洒水、雾与液氮的比例，实现对路面试件表面积水、积冰厚度的准确控制。同时能够实现逐渐升温，模拟路表积冰、积雪反复冻融后的路面状态，具有节省试验时间，方便研究人员针对恶劣天气条件下不同的路表状态进行研究等优点；本装置能够改变路面试件类型、橡胶测试轮行驶速度、承受荷载与滑移率，制动力调节装置与轮速传感器的设置使该装置能够测定不同轮胎滑移率时摩擦性能的变化情况，六维力和力矩传感器及时反馈不同路面状态下摩擦力的变化曲线，相比于传统检测设备使用时常出现的人为因素干扰，该装置极大地降低了路表摩擦系数检测时的误差，使检测过程更加高效与精确；控制面板便于对各种试验参数的调整，显示面板实时显示各参数大小以及路面摩擦系数变化过程，便于研究人员的观察与记录。
19.总体而言，本装置实现了多参数输入与控制式路面抗滑性能检测功能，能够研究多工况条件下路面抗滑性能的变化规律。红外遥感式路面状况传感器可定时对路表状态进行监测，建立非常规路面状况与摩擦系数的相关预测模型，在真实行车过程中，若能够实时获取路表状态，即可预测当前路面抗滑性能，本发明能够研究多工况条件下路面抗滑性能
的变化规律，结果为驾驶者提供预警信息，使其及时调整行车速度，确保道路交通安全。
附图说明
20.图1为本发明的正视剖面结构示意图；
21.图2为本发明的俯视图；
22.图3为本发明的右视图；
23.图4为本发明的等轴视图；
24.图5为摩擦系数检测系统正视图；
25.图6为摩擦系数检测系统侧视图；
26.图7为摩擦系数检测系统等轴视图；
27.图8为环境模拟试验箱正视图；
28.图9为环境模拟试验箱等轴视图；
29.图10为环形轨道等轴视图；
30.图中，1、环境模拟测试箱，2、输水单元，3、温控单元，4、路面试件，5、橡胶测试轮，6、驱动机构，7、环形轨道，8、制动力调节装置，9、液压杆，11、六维力和力矩传感器，12、轮速传感器，13、红外遥感式路面状况传感器，14、可抽出试验台，15、汇水槽，16、回水管，17、温湿度计，18、光源，19、换气风扇，21、储水箱，22、水泵，23、输水管ⅰ，24、输水管ⅱ，25、水雾转换器，26、雾化喷头，27、流量控制器，28、花洒降雨喷头，29、抽水管，31、液氮罐，32、液氮泵，33、输氮管，34、汽化器，35、喷气嘴，36、制冷箱，37、电热器，41、测试轨道，71、传送带齿轮，72、传送带，73、中空立柱，81、制动片，01、外箱体，02、水准气泡，03、水准调节支座、04、观察窗，05、环境调节控制面板，06、动力系统控制面板，07、数据显示面板，051、温控启停按键，052、流量调节旋钮，061、动力启停按键，062、荷载调节按键，063、速度调节按键，064、滑移率控制按键。
具体实施方式
31.下面结合附图1-10和具体实施例对本发明做详细的介绍。
32.具体实施方式一
33.一种可在室内检测多工况条件下路面摩擦系数的装置，包括环境模拟测试箱1、输水单元2、温控单元3、路面试件4、橡胶测试轮5、驱动机构6和环形轨道7，所述输水单元2与环境模拟测试箱1连通为环境模拟测试箱1提供降水水源和湿度水源，所述温控单元3与环境模拟测试箱1连通为环境模拟测试箱1提供热源和冷源，所述环形轨道7通过若干个中空立柱73固定在环境模拟测试箱1的正上方，所述路面试件4设置在环境模拟测试箱1内，所述环形轨道7的中心正对下方路面试件4的中心，所述橡胶测试轮5位于路面试件4上并通过制动力调节装置8固定在液压杆9的下端，所述液压杆9的上端受驱动机构6的驱动沿环形轨道7做圆周运动，所述液压杆9的中部安装有六维力和力矩传感器11，用于获得摩擦力在运动过程中的变化曲线，观察橡胶测试轮5与路面试件4间的摩擦力变化情况，所述橡胶测试轮5的中心安装有轮速传感器12用于获取车轮转速信息，所述驱动机构6固定在环形轨道7上。所述制动力调节装置8安装在液压杆9与橡胶测试轮5之间，通过调节制动力调节装置8的制动片81对橡胶测试轮5的制动压力来改变轮胎的滑移率。调节液压杆9可改变轮胎荷载，橡
胶测试轮5可更换为不同类型。
34.进一步的，所述装置还包括控制系统，所述输水单元2、温控单元3、驱动机构6、制动力调节装置8、六维力和力矩传感器11和轮速传感器12均与控制系统通过穿插在中空立柱73中的导线电连接。
35.进一步的，所述路面试件4上表面设置有环形的测试轨道41，所述橡胶测试轮5在测试轨道41上运动，防止橡胶测试轮5行驶过程中发生重大偏移。
36.进一步的，所述装置还包括红外遥感式路面状况传感器13，所述红外遥感式路面状况传感器13安装在环形轨道7的中心，且其测试头正对路面试件4。如图2和图3所示，所述红外遥感式路面状况传感器13利用红外测量不同状况下的路面试件4表面温度，根据光谱测量原理实现对路面试件4上积水、积冰的精确测量。
37.进一步的，所述环境模拟测试箱1的底部中心凹槽处安装有可抽出试验台14，所述路面试件4设置在可抽出试验台14上并与可抽出试验台14的底部和凹槽侧壁紧密贴合，所述环境模拟测试箱1的底部比可抽出试验台14的底部高至少10cm的距离，所述环境模拟测试箱1的底部和可抽出试验台14的底部的材料均由防水隔热材料制作，起到保持路面试件4温度及相应路表状态的作用，所述环境模拟测试箱1内部底面和可抽出试验台14的底部均设置有汇水槽15，所有所述汇水槽15均与回水管16连通，所述回水管16与输水单元2连通，使可抽出试验台14中的路面试件4上的多余积水与融化后的积水有效排出，排出的积水由回水管16输送至输水单元2的储水箱21内。所述可抽出试验台14用于路面试件4的更换。
38.进一步的，所述输水单元2包括储水箱21，所述储水箱21中至少保持有三分之二体积的水，储水箱21内设置有水泵22，所述水泵22的入口与抽水管29相连，出口连接有输水管ⅰ23和输水管ⅱ24，所述输水管ⅰ23上安装有水雾转换器25，所述输水管ⅰ23的端头安装有雾化喷头26，所述雾化喷头26设置在环境模拟测试箱1内部，所述雾化喷头26将水雾喷至环境模拟测试箱1中，改变箱内湿度状态；所述输水管ⅱ24上安装有流量控制器27，所述输水管ⅱ24的端头安装有花洒降雨喷头28，所述花洒降雨喷头28设置在环境模拟测试箱1内部，流量控制器27根据模拟降雨强度控制花洒降雨喷头28的降水量；所述回水管16与储水箱21连通。
39.进一步的，所述温控单元3包括液氮罐31和电热器37，所述液氮罐31的罐口安装有液氮泵32，所述液氮泵32与输氮管33的一端连接，液氮泵32用于将罐中液氮输出进输氮管33，所述输氮管33的另一端与汽化器34连接，所述汽化器34与喷气嘴35连通，所述喷气嘴35和电热器37均安装在环境模拟测试箱1内部，汽化器34将液氮进行气化后由喷气嘴35喷至环境模拟测试箱1中，对箱内整体环境进行降温。所述液氮罐31可拆卸的设置在制冷箱36内，便于日常对液氮罐31的储存与更换，所述制冷箱36和储水箱21并列设置在环境模拟测试箱1的底部。
40.进一步的，如图8和图9所示，所述装置还包括温湿度计17、光源18和换气风扇19，所述温湿度计17、光源18和换气风扇19均可拆卸安装在环境模拟测试箱1的内侧壁上。优选的，所述温湿度计17、光源18和换气风扇19均固定在后侧壁上，在试验过程中，使用温湿度计17实时检测箱内环境的温度与湿度，并传递至数据显示面板07以便观察。优选的，所述光源为led灯，起到照明的作用；所述环境模拟测试箱1的前侧壁上设置有观察窗04，所述观察窗04的材质为透明的防起雾的材质，所述光源18和观察窗04的设置是为了方便观察环境模
拟测试箱1内部的情况。
41.优选的，所述电热器37设置在环境模拟测试箱1的底部四个角的位置，为环境模拟测试箱1内部环境提供升温功能，用于模拟路面积冰经历不同程度冻融时的状态，其次当检测结束后，电热器37与环境模拟测试箱1后侧壁左边的换气风扇19同时工作时，可使箱内迅速达到干燥状态，便于下次检测试验的有效进行。
42.进一步的，所述装置还包括外箱体01、水准气泡02和水准调节支座03，所述环境模拟测试箱1、输水单元2和温控单元3均设置在外箱体01的内部，所述输水单元2位于环境模拟测试箱1的下方，所述水准气泡02设置在外箱体01的上表面，所述水准调节支座03固定在外箱体01的底部四个角处。
43.进一步的，所述环形轨道7的下表面中心设置有传送带齿轮71，所述传送带齿轮71与环形轨道7转动连接，所述驱动机构6的输出轴通过外齿圈与传送带齿轮71啮合连接，所述驱动机构6的输出轴通过驱动传送带齿轮71的转动带动与传送带齿轮71相固定的传送带72转动，所述液压杆9的顶端与传动带72固定连接。优选的，所述驱动机构6为伺服电机，伺服电机控制传动带72的转动速度从而控制橡胶测试轮5的运动速度。
44.本发明所述的一种可在室内检测多工况条件下路面摩擦系数的装置，各部件之间环环相扣、相辅相成。
45.如图3所示，所述控制系统能够调节与显示装置整体的检测参数，所述控制系统包括环境调节控制面板05、动力系统控制面板06和数据显示面板07，所述环境调节控制面板05上设置有温控启停按键051和流量调节旋钮052，所述温控启停按键051控制温控单元3调节控温的启停，流量调节旋钮052控制输水单元2喷洒水、雾的大小。所述动力系统控制面板06上设置有动力启停按键061、荷载调节按键062、速度调节按键063和滑移率控制按键064，所述动力启停按键061与驱动机构6连接，能够控制驱动机构6的启停，从而改变橡胶测试轮5沿环形轨道7的转动速度；所述荷载调节按键062与液压杆9连接用于调节橡胶测试轮27的承受荷载；所述滑移率控制按键064与制动力调节装置8连接，能够调节试验所需滑移率的大小。所述数据显示面板07分为三块区域，第一块区域显示环境模拟测试箱1内环境温湿度、路面试件4表面温度与路面试件4表面覆盖物状态，第二块区域显示橡胶测试轮5行驶速度、承受荷载与滑移率，第三块区域显示摩擦力输出曲线。所述控制模块为现有技术，控制模块中控制面板上的按键与本装置相应部件的连接关系，显示面板与本装置相应部件的连接关系均属于常规技术手段。
46.工作原理：
47.本装置可实现制冷与制热两种功能。制冷功能利用液氮罐31与液氮泵32等设备实现，液氮泵32将液氮罐31中的液氮抽出，经过汽化器34气化后由喷气嘴35喷至环境模拟测试箱1内，对箱内进行降温处理。液氮是一种惰性，无色，无臭，无腐蚀性，不可燃，温度极低的液体，在气化时会大量吸热，使环境模拟测试箱1内的温度快速降低，实现水、雾在路面试件4上冻结。
48.为模拟道路积冰的反复冻融与在0℃左右时呈冰水混合物的状态，在环境模拟测试箱1内部设置四个电热器37，电热器37是利用电流的热效应工作的设备，其种类较多，本装置拟采用陶瓷电加热管。与其它电加热元件相比，陶瓷电加热管具有电热转换效率高、环境适应性强、节能等多种优点。每次检测试验结束后，可开启电热器37与换气风扇19对环境
模拟测试箱1内部与路面试件4表面进行干燥处理，避免各部件潮湿损坏，保证下次试验时各部件能够正常使用。
49.本装置液压杆9上端置于环形轨道7内部，下端与橡胶测试轮5连接，环形轨道7上方安装伺服电机，带动液压杆9与橡胶测试轮5做圆周运动。本装置电机选择伺服电机，其具有机电时间常数小、线性度高等特点，能够实现精准控制运行速度等功能。
50.滑移率对轮胎与路面间的摩擦特性有较大影响，在摩擦系数检测过程中需对轮胎滑移率进行计算与控制，其公式如下所示：
[0051][0052]
式中：v为车速，vω为车轮速度；
[0053]
ω为车轮滚动角速度，r为车轮半径。
[0054]
因此，计算与控制轮胎滑移率需获得轮速与车速。车速可由伺服电机带动的液压杆9运动速度所得，轮速由车轮滚动角速度与车轮半径计算得出。车轮滚动角速度由安装至橡胶测试轮5中心部位的轮速传感器12测量得出。常用的轮速传感器12有磁电式轮速传感器与霍尔式轮速传感器。本装置拟采用磁电式轮速传感器，其具有结构简单、成本低等优点。获取到车轮速度后，控制滑移率功能由安装于液压杆9与橡胶测试轮5之间的制动力调节装置8实现。制动力调节装置8通过重复改变制动片81的压力大小，调整橡胶测试轮5在运动过程中滑动成分所占的比例，以此改变轮胎的滑移率。轮胎与路面间的摩擦力变化情况由安装在液压杆9中部的六维力和力矩传感器11获取，其可同时对3个力分量、3个力矩分量进行测量，摩擦的输出曲线可在数据显示面板07显示。
[0055]
本装置环境模拟测试箱1内部的温湿度计17对检测试验过程中的环境温度、湿度进行实时测量。红外遥感式路面状况传感器13安装于环形轨道7中间部位，其监测方向正对下方路面试件4，采用多光谱测量技术，可实现在不破坏路面的基础上实时监测积水、积冰状态等功能。环境与路面的监测信息均可在数据显示面板07上显示，便于试验人员观察分析。
[0056]
使用步骤如下：
[0057]
1)准备工作：橡胶测试轮5一个，橡胶类型与轮胎花纹类型自定。预制路面试件4一块，尺寸为30cm*30cm*5cm，其混合料类型与级配类型视具体研究而定，本次设定为ac-16沥青混合料试件一块。将液氮罐31放入制冷箱36内，并与液氮泵32连接。往储水箱21内注入冷却至3℃～5℃的自来水于三分之二处。
[0058]
2)调整外箱体01底部四角处的水准调节支座03，使水准气泡02居中后，将路面试件4放入可抽出试验台14中。打开温控单元3的液氮泵32对环境模拟测试箱1内部及路面试件4进行首次降温处理，约3～5分钟后关闭。
[0059]
3)路面试件4表面积为90cm2，可计算出覆盖其表面不同厚度积水或积冰所需喷洒水的体积，调节控制水雾大小的流量调节旋钮052进行模拟降雨与改变环境湿度。打开led灯与红外遥感式路面状况传感器13后，开启温控单元3的液氮泵32，观察与记录路面试件4表面积水的相态变化过程。
[0060]
4)当路面试件4表面积水完全冻结后，将带有轮速传感器12的橡胶测试轮5安装在液压杆9底部，放进测试轨道41并与路面试件4表面相接触，在动力系统控制面板06上设定
橡胶测试轮5承受荷载大小、滑移率与行驶速度等参数后，启动伺服电机使橡胶测试轮5开始运动。如若改变积冰状态，使其产生部分融化，可开启电热器37使环境模拟测试箱1内部缓慢升温，对当前工况下的路面试件4进行抗滑性能检测。
[0061]
5)整体检测过程中的环境模拟试验箱1内环境温度与湿度由温湿度计17实时测量，路面试件4表面温度与积水、积冰厚度变化情况由红外遥感式路面状况传感器13监测，橡胶测试轮5与路面试件4间的摩擦力变化情况由六维力和力矩传感器11实时记录，各类数据均传至数据显示面板07，供试验研究人员观察与记录。
[0062]
6)若改变试验参数如积水积冰厚度、路面试件4类型、橡胶测试轮5类型、橡胶测试轮5承受荷载、滑移率以及橡胶测试轮5行驶速度等，重复步骤1～5即可。
[0063]
7)检测试验结束后，同时开启电热器37与换气风扇19，使检测箱内部与路面试件4上冻结的积冰融化，融化的积水将由汇水槽15通过回水管16收集至储水箱21内，这一功能不仅能够避免各部件因长期潮湿而损坏，还能达到节约用水的目的。
[0064]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。