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第14章 摩擦及其配对接触面设计中的防滑分析

14.1 介绍

本章重点介绍了前几章详细介绍的橡胶摩擦统一理论在脚踏鞋底及其配对行走面设计中的防滑分析。 本书的目的是改进这种分析，以应用于外部和行走表面，因为它们目前被设计和构造。 由于统一理论的应用，不会对潜在的可能的变化做出建议。 这种可能性超出了本书的范围。 无论如何，通过对它们之间开发的摩擦机制进行科学分析，提高我们对弹性体外底和较硬接触表面之间产生的牵引力的理解，可用于重新审视现有设计，并可能作为改进现状的当今设计实践。

本章首先讨论了橡胶大底微生物力在湿润条件下的重要性，然后讨论了对传统的走路防滑测试方法的重新定位。 然后考虑测量潮湿条件下的外底微滞后，并提出可以应用统一理论来协助设计中防滑性分析的过程。

14.2摩擦接触面在湿条件下的微滞后的重要性

在橡胶轮胎牵引研究中长期以来一直认识到，铺路微粗糙度在允许驾驶员在潮湿道路上控制车辆方面起着重要作用。 在潮湿条件下识别行走表面微粗糙度的重要性在踏板行走安全社区中并不普遍。 这种不幸的情况存在，即使大多数脚滑倒被认为发生在液体污染的表面上。 如果步行者行走安全社区将机动车世界对微滞后湿牵引的理解纳入液体润滑条件下的滑移阻力分析和测试中，可能会产生潜在的收益。 将介绍机动车世界在这方面的研究成果的概要。

14.2.1 三润滑区概念

Gough [1]首先通过滚动或滑动轮胎在湿路面上以速度V形式化经常使用的三流失区域的排水概念。 图12.1说明了这个概念。 Gough [1]认为，一旦碰到水，移动到移动轮胎的前部，轮胎在前润滑区1的一个不间断的水膜上移动，因为这些水逐渐被挤出两侧。 中间区域2是轮胎和道路之间的初始物理接触发展的过渡阶段，而在区域3中，最多只剩下薄水层，轮胎通过该膜与路面接触。 这些区域的相对尺寸随速度而变化。 然而，如果给定条件下的速度变得过大，则可能发生滑水。

14.2.2传统湿巷微结构分析

邦德等 [2]根据英国Penduzer测试仪测量的道路微观和大气度和轮胎性能进行了调查。 他们发现湿路溜车阻力是由路面的粗糙度决定的，主要用于清除大量的水，并通过铺路微粗糙度来创造实际的轮胎接触区域。 虽然这种测试通过使用公式14.1无意中将橡胶金属摩擦定律误用，结果是有启发性的。

mu; = FT/FN, (14.1)

这项测试表明，冬季湿牵引力上升到最大值，夏季降至最低。 在役路面的显微照片显示，由于道路骨料在这段时间内的自然风化，表面微粗糙度也在一半的时间内增加到最大。 另一方面，这种聚集的更多的交通量在夏天发生，消除了聚合物的微观粗糙度。 此外，夏季，路面上可能会有更多的轮胎磨损。 这些趋势与英国的湿滑事件数量很好相关：冬季较少，夏季较多。

除了在英国人所讨论的与表面聚集体微粗糙度相关的在役道路的抗滑性的季节性变化之外，在美国的公路路面研究设施的受控条件下也观察到相同的气候相关现象。 1974年开始，俄亥俄州交通研究中心参与了美国联邦公路管理计划，旨在开发测试中心，其中可以在滑板上校准滑动拖车并进行修改，以提高其符合美国测试和材料试验方法 使用全尺寸轮胎铺设表面的抗滑性（E 274）。 Whitehurst和Neuhardt [3]从9年的时间里报告了这个测试计划，涉及约12,000次个人防滑测试。

测试垫证明了抗滑性的季节性变化，冬季最大平均每月防滑测量值在夏季达到最低水平。 Whitehurst和Neuhardt认为，夏季期间发生了表面聚集体的大量交通抛光。 冬季防滑能力提高与该季节期间从微滞后对防滑措施的贡献的增加是一致的，当时更严峻的天气显然产生了表面的降解 - 粗糙化。

1992年，威廉姆斯[4]回顾了道路轮胎牵引力与胎面花纹，胎面复合和路面条件相关的最新技术，特别是关于轮胎在湿路面上的道路保持能力。 除了需要足够的胎面深度外，道路的表面特征也被认为是特别重要的。 威廉姆斯说：“路面宏观纹理由胎面花纹辅助，负责从轮胎接触片上取出大量的水。”

威廉姆斯还总结了路面聚集体上足够的微观纹理的可用性要求，以提供合理安全的湿驱动环境：

在新的和旅行的条件下，对于聚合物的微观结构不可替代。 最理想的微观结构水平涉 及其去除剩余的薄膜的能力，以便产生与胎面胶料的实际接触面积。 低于此最小值的微观 层次不能产生高水平的湿摩擦。 （第132页）

14.2.3 飞机轮胎微滞后对湿路面的重要性

正如公路设计工程师接受道路微观纹理关于轮胎在潮湿条件下的道路保持能力的重要性一样，飞机跑道和滑行道微纹理在着陆和滑行在潮湿条件下的飞行员的重要性已被航空公司接受 社区 Yager [5]在1990年关于轮胎 - 跑道摩擦界面的文章中讨论了这个问题：“...给定速度下的摩擦力的大小与表面微观结构有关（细小的，小规模的表面特征，例如在个体 石颗粒）“（第296页）。

14.2.4 对应用于行走表面滑动阻力的三润滑区概念的确认

1985年，Strandberg [6]认为，在湿路面上的滚动轮胎之间发展的摩擦机理也似乎确定了鞋底 - 湿 - 走路面滑移阻力; 也就是说，当出现胎面花纹的外底接触宏观粗糙的行走表面时，也出现图12.1所示的条件。 虽然文献检索显示没有涉及宏观粗糙表面的行走表面滑动阻力研究，适用于应用微滞后反运算技术，但是我们已经分析了使用宏观平滑走路表面的测试方案的滑动阻力数据。 在这些研究中所指出的微滞后力的产生意味着在湿滑动阻力测试中可以发展“区域3”区域，因此在潮湿条件下的平滑表面行人走路期间也可能出现鞋底外底。

14.2.4.1 Tisserand的测试

Tisserand [7]使用动态INRS（国家发明研究所）全鞋测试装置进行牵引调查，其允许通过使用人造脚在脚跟和脚趾位置处在鞋内部施加正常负载。 他选择了20厘米/秒（7.87英寸/秒）的滑动速度。 图4.41给出了对普通发动机油涂覆的不锈钢上滑动的两个不明身份的工作鞋的mu;对FN结果的广义描述。 Tisserand没有报告测试的鞋子是否具有胎面花纹。 在这两种情况下，橡胶摩擦系数随正常荷载的增加而减小。

逆计算技术应用于Tisserand的湿测试数据。 图8.6描述了这些计算的结果。 工作鞋A的图表示约4公斤（8.8磅）的湿微滞后力（y轴截距），而工作鞋B的曲线表示大约0.9公斤（2磅）的恒定FHs值。 在这次测试中，我们可以推论出这一代的微滞后力是指局部区域的发展，即Zone-3区域，其中来自两个接触面的组合粘合力足以产生微滞后。

14.2.4.2 Grouml;nqvist的测试

图4.42显示了Grouml;nqvist的[8]行走表面滑动阻力研究的回归摩擦系数摩擦试验结果，检查了具有不同胎面花纹的橡胶外底的三种新型安全鞋。 包括具有波形（NRw）和三角形（NRt）胎面花纹的腈底层和具有相同图案SRw和SRt的苯乙烯外壳的配对都显示随着PN增加的mu;减小。 图8.7和8.9描述了我们对Grouml;nqvist数据的微观结构分析的发现。 腈和苯乙烯橡胶证明了两个胎面花纹的y轴截距的产生和恒定的表面变形滞后力。

图4.43显示了Grouml;nqvist对由热塑性橡胶，聚氨酯和聚氯乙烯组成的外底的研究的回归摩擦系数测试结果。 所有这些配对都具有矩形胎面花纹，随着施加的正常压力的增加，mu;减小了。 图8.11描绘了来自这些测试数据的微滞后分析的发现。 所有三个外底均证明产生恒定的表面变形滞后力。

Grouml;nqvist的所有七个数据集都证明了微滞后力的产生。 这与局部区域的发展是一致的 - 即Zone-3区域，其中来自两个接触表面的组合粘合力足以产生微滞后。

14.2.4.3 Redfern和Bidanda的测试

Redfern和Bidanda [9]对三层润滑剂（水，SAE 10油和SAE 30油）对mu;的影响进行了方差分析（ANOVA）滑移阻力调查，平均测量的地板类摩擦值 ，后跟打击角度和滑动速度。

图4.44,4.45和4.46分别提供了用水，SAE 10油和SAE 30油润滑剂获得的Redfern和Bidanda测量，分别与平滑未处理和打蜡的乙烯基瓦上的橡胶，聚氨酯和PVC高跟配对， 不锈钢和密封混凝土。 对于所有九个湿数据集，mu;随FN增加而减小。 由于第5章详细分析，可以看出，如果应用了三个或更多的FN值，则可以证明这些测试结果的双曲线曲线。 为此，图中相应的数据点之间的曲线被虚线显示。

图8.13,8.14和8.15显示了对于三种润滑剂（水，SAE 10油和SAE）的FT对FN的Redfern和Bidanda橡胶，聚氨酯和PVC高跟鞋的反向计算分析结果 30油）。 在每一种情况下，都会显示y轴的截距和湿鞋跟中的FHs力的产生。 这与局部区域的发展是一致的 - 即Zone-3区域，其中来自两个接触面的组合粘合力足以产生微滞后。 Tisserand [7]，Grouml;nqvist[8]和Redfern和Bidanda [9]测试结果证明了三轴润滑区概念的应用于行走表面滑移阻力。

14.3重新制定传统的走路表面滑动测试方法

令人遗憾的是，大部分步行者行走安全社区在一段相当长的时间内，一直无意中将摩擦金属摩擦规律误用为橡胶摩擦。 由于这种情况，如果要开发科学可靠的鞋类牵引信息，则需要在干燥和潮湿的条件下重新制定传统的走路防滑测试方法。 因为走路表面很潮湿时大多数行人滑行发生，所以我们主要关注这种情况。 但是，本章中提出的发现和建议也适用于干燥的行走表面。

在目前的情况下，举例说明在不知不觉中表现出各种形式偏差的测试人员获得的防滑测量值可能会产生误差结论和不正确的结果时可能出现的后果。 我们使用ASTM委员会F-13 Bucknell大学车间[10]获得的湿和干试验结果。 在这种情况下，不正确的发现特别重要，因为它们有助于广泛地对湿滑性 - 测试结果的误解。 当然，以完全科学的方式来解读湿测试结果至关重要，以尽可能地减少行人滑行的频率，并在湿步行面上落下。

14.3.1 ASTM F-13 Bucknell大学研讨会的测试结果

ASTM委员会F-13在Bucknell大学进行的1991年研讨会的目的是：

bull;评估滑移测试仪在干燥和潮湿条件下的性能。

bull;将每个测试仪的读数与力板的测量值进行比较。

bull;确定哪些测试人员提供可靠，一致的结果。

评估包括测试安装在力板上的釉面光滑瓷砖。 调查了九个设备，但是这个分析将仅限于我们之前检查过的五个测试仪。 这五个设备列于表14.1。

在车间[10]测试系列中，所有五个装置均装有Neolite测试脚，并在23.9至25°C（75至77°F）温度范围内的力板上操作。 所有Neolite测试脚都以相同的方式进行砂磨准备。 实验室的相对湿度介于66％和69％之间。 测试人员按照各自的ASTM标准进行使用，如果存在的话。 每个装置进行了6次试验。 平均系数，涉及车间测试仪测量的总力（FM） - 包括要讨论的惯性阻力 - 被报告为mu;W值，通过应用以下关系计算：

表14.1

参与1991年ASTM委员会F-13 Bucknell大学讲习班的选定的行走表面滑动测试仪

测试仪类型

Sigler摆锤测试仪动态

便携式倾斜铰接式测试仪（PIAST）静态/动态

水平拉滑阀（HPS）静态

卧式测力计拉力计（HP-M）静态

技术产品公司80型（TPCM 80）静态

来源：Bucknell大学F-13车间评估各种防滑测量装置，ASTM标准化新闻，20,21,1992。

mu;W = FM/FN. (14.2)

14.3.1.1无意误用金属摩擦定律对橡胶摩擦的影响

图14.1显示了由方程14.1的无意错误应用计算的车间[10]测试系列的湿和干mu;W值 - 以便于清晰度的方式显示。 因为量化滑移阻力测量的关系没有考虑到在测试过程中产生的摩擦力产生机制，所以在科学的基础上也不能对测试仪性能进行评估，也不能确定测量的可靠性或一致性。

14.3.1.2测试脚部偏差存在对测试测量的影响

罗斯等人的分析 [11]和第5章中的Thirion [12]数据显示，产生的总摩擦力可以取决于标称试样面积。 表14.1中列出的设备具有不同的测试脚区域。 由于车间调查中存在测试脚偏差，因此无法对科学性能进行评估，也不能确定测量可靠性或一致性。

14.3.1.3惯性力量在试验测量中的影响

图14.2显示了使用正在检查的防滑装置的标称测试脚区域的图14.1的数据的反向计算分析的结果，其中有问题的mu;W值被FM代替。 虽然这是为了允许基于所开发的滑移阻力来进行数据集比较，但我们仍然必须考虑除Sigler [13]摆锤测试仪之外的所有设备中产生的无量纲惯性力分量。 由于这些无量纲的惯性力分量，不能在科学的基础上对测试仪性能进行评估，也不能确定测量的可靠性或一致性。

HPS =水平拉力计

HP-M =水平测力计拉力计

TPCM 80 =技术产品公司模式80

PIAST =便携式倾斜铰接支柱测试仪Sigler设备= Sigler摆锤测试仪

图解14.1

由Bucknell大学ASTM委员会F-13车间参与的各种防滑测试仪获得的报告的湿和干系数（mu;W）值 - 通过无意中错误地应用金属摩擦定律对橡胶进行计算，以评估滑

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