СПОСОБ ОЦЕНКИ СЦЕПНЫХ КАЧЕСТВ ДОРОГИ С ТВЕРДЫМ ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2003 года по МПК E01C23/07 

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть наиболее эффективно использовано для оценки сцепных качеств сооружаемых и эксплуатируемых дорог с твердым покрытием, а также аэродромов. Оно может найти применение при расследовании ДТП. Реализовано изобретение может быть в портативных устройствах оперативной оценки сцепных качеств дорог.

Существующие в настоящее время портативные устройства оценки сцепных качеств дорог с твердым покрытием реализуют способ определения коэффициента скольжения в качестве коэффициента сцепления. Этот способ включает нагружение резинового имитатора шины вертикальной силой и принудительное перемещение последнего под действием горизонтальной силы, являющейся следствием динамического, ударного воздействия на имитатор (устройства маятникового и ударного типа). В процессе скольжения (торможения) имитатора под действием силы трения последнюю соотносят с вертикальной силой и таким образом дают оценку сцепных качеств дороги с твердым покрытием. При этом обязательным условием является постоянство вертикальной силы, что дает возможность сравнительно оценивать сцепление различных покрытий за счет изменения силы трения, возникающей при скольжении имитатора [1].

Недостатком описанного способа является то, что он при оценке сцепных качеств дорог с твердым покрытием основан на использовании коэффициента трения скольжения в качестве коэффициента сцепления. Однако известно, что значительное влияние на процесс скольжения оказывает ряд внешних физических факторов, таких как скорость движения, температура в зоне контакта и динамика, в том числе и измерительного средства [2, с.102, 202]. Поэтому все способы измерения, основанные на скольжении имитатора шины по покрытию, а также реализующие эти способы приборы недостоверны по физической сути явления, которое они должны отражать, и весьма приблизительны по количественной характеристике. Кроме того, описанный подход к проблеме сцепления находится в противоречии с научной теорией о процессе сцепления колесного движителя с твердым основанием, в частности дорожным покрытием. Так, согласно [2, с.116] качение цилиндра по поверхности характеризуется наличием в площадке контакта двух зон - скольжения и покоя. Установлено, что чем больше площадка покоя, тем эффективнее реализация сцепных качеств взаимодействующих объектов. При полном отсутствии качения, т.е. отсутствия зоны покоя в контакте, что типично для скольжения, нельзя говорить о наличии сцепления в прямом смысле этого слова, а можно говорить о неком интегральном сопротивлении передвижению, которое обусловлено различными, в том числе и субъективными, факторами, не имеющими непосредственного отношения к физическому взаимодействию движителя с покрытием дороги. Это сопротивление лишь в незначительной мере отражает зависимость сцепных качеств покрытия от его шероховатости и влажности и упругости материала (резина) шины. Объективным критерием этих качеств может быть только коэффициент трения покоя [2, с.120].

Наиболее близким по технической сущности к рассматриваемому изобретению является способ оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием, включающий нагружение резинового имитатора шины вертикальной силой, принудительное перемещение его под действием горизонтальной силы, приложенной через упругий элемент, измерение силы трения в процессе перемещения с последующим определением отношения между силой трения и вертикальной силой [3]. Свою материальную реализацию способ нашел в конструкции прибора, описанного в [3], где средствами приложения вертикальной и горизонтальной силы являются основной и дополнительный нагрузочные механизмы, основу которых составляют упругие элементы, дающие возможность с помощью передачи винт-гайка медленно и плавно нагружать указанными силами имитатор шины. И если вертикальная сила является величиной постоянной, то горизонтальная сила зависит от сцепных качеств имитатора и покрытия и имеет определяющее значение при их оценке. Принудительное перемещение имитатора даже при весьма малых скоростях все же является скольжением и соответствующий коэффициент трения очень чувствителен к скорости перемещения, о чем свидетельствует и кривая А на графике фиг.1, полученная опытным путем. При этом разброс значений коэффициента сцепления в диапазоне скоростей от 1 до 10 мм/мин составляет от 0,53 до 0,67. При более высоких скоростях скольжения разброс еще больше и на одном и том же покрытии разница между наименьшим и наибольшим значениями коэффициента сцепления достигает 0,6. Таким образом, существующие способы оценки сцепных качеств дорог с твердым покрытием как аналоги, так и прототип с различной степенью достоверности определяют коэффициент сцепления, используя коэффициент трения скольжения, а не коэффициент трения покоя, как это требует наука о сцеплении [2, c.116].

Задачей изобретения является повышение точности оценки сцепных качеств дорог за счет определения коэффициента трения покоя в качестве коэффициента сцепления. Коэффициент трения покоя дает принципиальную возможность получить критерий оценки сцепных качеств, зависящий только от шероховатости покрытия и свойств материала имитатора шины и свободный от влияния прочих факторов.

Поставленная задача решается тем, что в способе оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием, включающем нагружение имитатора шины вертикальной силой, принудительное перемещение его под действием горизонтальной силы, приложенной через упругий элемент, измерение силы трения с последующим определением отношения между силой трения и вертикальной силой, согласно изобретению имитатор шины принудительно перемещают с постоянной скоростью не более 20 мм/мин, затем принудительное перемещение прекращают и только после прекращения дальнейшего самостоятельного перемещения имитатора измеряют силу трения.

При этом имитатор могут принудительно перемещать на расстояние не более 20 мм. Принудительное перемещение имитатора могут проводить не менее трех раз на одном месте при разных скоростях, каждый раз измеряя силу трения покоя, а в качестве окончательной величины последней принимают среднее арифметическое значение.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что при принудительном перемещении имитатора шины с различными скоростями, в материале последнего (резина) возникают соответственно различные напряженные состояния, меняющие упругие свойства этого материала. Иначе говоря, при принудительном перемещении имитатора с различными скоростями приходится иметь дело как бы с разными материалами, каждый из которых по своему взаимодействует с покрытием, имеющим одну и ту же шероховатость. Возможности самостоятельного перемещения имитатора под действием упругого элемента способствует релаксация накопленных внутренних напряжений. При последующей остановке имитатора шины напряженность в резине будет сохраняться, но она обусловлена статическим равновесием силы трения покоя и реактивной силы упругого элемента в состоянии, когда скорость перемещения равна нулю.

На прилагаемых к описанию чертежах изображены:
на фиг.1 принципиальная схема устройства для реализации способа;
на фиг.2 график, поясняющий пример реализации способа.

Устройство для реализации способа состоит из имитатора шины, представляющего собой блок из металлической пластины 1, к которой приклеена пластина 2 из резины, в совокупности дающих твердость контактной поверхности на уровне твердости шины автомобильного колеса, т.е. 50-70 единиц по Шору. На пластине 1 размещен груз 3, вес которого достаточен для имитации удельной нагрузки шины на покрытие, равной 20-25 Н/см². Площадь имитатора выбрана на основании статистического анализа крупности фракций каменного материала асфальтобетонного покрытия и учета зоны покоя в пятне контакта шины с покрытием. В качестве средства измерения силы трения использован динамометр 4, содержащий упругий элемент (пружина) 5.

Пример осуществления способа
Специальным электроприводом (на фиг. 1 не показан) через динамометр 4 осуществляют принудительное перемещение имитатора шины по металлической пластине с заранее определенной величиной шероховатости (высота микронеровностей), имеющей регулярный характер. Скорость принудительного перемещения выбирается в диапазоне от 0,5 до 10 мм/мин. Минимальный предел скорости ограничен техническими возможностями электропривода. Каждый раз после принудительного перемещения имитатора по пластине на расстояние 15-20 мм электропривод отключают и принудительное перемещение прекращается. Однако имитатор продолжает движение, вызванное состоянием динамического равновесия между силой трения и силой упругой реакции пружины 5. Такое состояние возникает в связи с тем, что с течением времени, после прекращения принудительного перемещения, происходит релаксация накопленных внутренних напряжений в резиновой пластине 2 имитатора, которая меняет ее свойства. По мере самостоятельного перемещения имитатора внутренние напряжения релаксируются настолько, что устанавливается не динамическое равновесие между силой трения и реакцией пружины, а статическое, т.е. имитатор останавливается, что означает равенство силы трения и силы на пружине 5, которая фиксируется на динамометре и является количественным выражением силы трения покоя, так как в этот момент скорость перемещения имитатора равняется нулю. Изображенный на фиг. 2 график зависимости коэффициента сцепления от скорости принудительного перемещения по проведенным экспериментам дает кривую А, показывающую динамику изменения этого коэффициента. Кривые Б_i показывают динамику изменения сцепных качеств, взаимодействующих объектов в процессе релаксации напряжений при самостоятельном перемещении имитатора. Из графика очевидно, что с высокой степенью точности (до третьего знака после запятой) независимо от скорости принудительного перемещения коэффициент сцепления является величиной постоянной, что свидетельствует о постоянстве силы трения покоя, обусловленной только свойствами контактирующих и взаимодействующих материалов и не от чего более. Интерполяция кривой А, полученная с помощью ЭВМ, с вероятностью 0,999 дает величину коэффициента сцепления при скорости принудительного перемещения, равной нулю. Эта величина находится на уровне среднего арифметического значения этих же коэффициентов, полученных для промежуточных значений скоростей в результате релаксационных процессов. Так, при интерполяции кривой А коэффициент сцепления равняется 0,446, в то время как его среднее арифметическое значение при обработке кривых Б_i равняется 0,445.

Определение коэффициента сцепления по предлагаемому способу может достоверно и точно охарактеризовать сцепные качества взаимодействующих между собой шиной автотранспортного средства и покрытием дороги, если металлическую пластину, используемую в примере, заменить образцами песчаного асфальтобетона. Этот способ может быть положен в основу конструкции устройств и приборов для оперативной оценки сцепных качеств дорог с покрытием при калибровке этих технических средств.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. В. В. Сильянов, Транспортно-эксплуатационные качества автомобильных дорог. - М.: Транспорт, 1984, с.287.

2. И.В. Крагельский, В.С. Щедров. Развитие науки о трении. Академия наук СССР, 1958, с.290.

3. SU 2156844 С2, Е 01 С 23/07, 27.09.2000 - прототип.

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для оценки сцепных качеств сооружаемых и эксплуатируемых дорог с твердым покрытием, а также аэродромов. Оно может найти применение при расследовании ДТП. Способ оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием включает нагружение имитатора шины вертикальной силой, принудительное перемещение его под действием горизонтальной силы, приложенной через упругий элемент, измерение силы трения с последующим определением отношения между силой трения и вертикальной силой. Новым является то, что имитатор шины принудительно перемещают с постоянной скоростью не более 20 мм/мин, затем принудительное перемещение прекращают и только после прекращения дальнейшего самостоятельного перемещения имитатора измеряют силу трения. Технический результат изобретения состоит в повышении точности оценки сцепных качеств дорог за счет определения коэффициента трения покоя в качестве коэффициента сцепления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием, включающий нагружение имитатора шины вертикальной силой, принудительное перемещение его под действием горизонтальной силы, приложенной через упругий элемент, измерение силы трения с последующим определением отношения между силой трения и вертикальной силой, отличающийся тем, что имитатор шины принудительно перемещают с постоянной скоростью не более 20 мм\ мин, затем принудительное перемещение прекращают и только после прекращения дальнейшего самостоятельного перемещения имитатора измеряют силу трения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что имитатор принудительно перемещают на расстояние не более 20 мм. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что принудительное перемещение имитатора проводят не менее трех раз на одном месте при разных скоростях, каждый раз измеряя силу трения покоя, а в качестве окончательной величины последней принимают среднее арифметическое значение.