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

Изобретение относится к устройствам оперативного контроля сцепных качеств сооружаемых и эксплуатируемых дорог с твердым покрытием, а также аэродромов и может быть использовано при расследовании ДТП.

В настоящее время практическое применение нашли три основных типа портативных устройств, предназначенных для оценки сцепных качеств дорог с твердым покрытием: маятникового, ротационного и ударного. Все они основаны на измерении коэффициента трения скольжения в качестве коэффициента сцепления. Наиболее стабильные результаты из вышеперечисленных устройств показывает устройство ударного действия [1]. Оно включает движитель в виде имитатора шины, установленного на конце рычага, связанного с регулируемым нагрузочным устройством ударного действия, смонтированного на корпусе. Принцип работы устройства основан на использовании энергии падающего груза для перемещения резиновых имитаторов шины.

Основным недостатком всех вышеупомянутых устройств, в том числе и описанного, является то, что они основаны на определении 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 некоем 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 устройство для оценки сцепных качеств дорожного покрытия, основанное на измерении коэффициента трения покоя, которое включает имитатор шины и регулируемые основное и дополнительное нагрузочные механизмы, смонтированные на корпусе и кинематически связанные с имитатором шины. Устройство снабжено также индикатором величины коэффициента сцепления [3]. Основу каждого из идентичных по конструкции нагрузочных механизмов составляют трубы, внутри которых установлены пружины, размещенные между подвижными верхним и нижним поршнями. Оба поршня кинематически связаны с движителем в виде двуплечего рычага, несущего имитатор шины. Нагружение имитатора осуществляется вручную принудительным перемещением верхних поршней: для создания вертикальной нагрузки - поршня основного нагрузочного механизма, а для создания горизонтальной нагрузки - поршня дополнительного нагрузочного механизма. К трубе последнего примыкает индикатор величины коэффициента сцепления, кинематически связанный со средством перемещения верхнего поршня.

К недостаткам прототипа следует отнести нетехнологичностъ конструкции обоих нагрузочных механизмов, содержащих значительное количество деталей, требующих механической обработки. Наличие в них узлов трения (поршни в трубах) влияет на точность оценки измеряемого параметра. Снижает эту точность также необходимость вручную осуществлять нагружение имитатора шины через дополнительный нагрузочный механизм. Как показали результаты исследований, проведенных авторами, различная скорость нагружения дает разброс в показаниях на 5-10%. Меняющееся во времени психоэмоциональное состояние даже одного и того же оператора способно в значительной мере повлиять на величину измеряемого коэффициента сцепления. Даже два измерения, проведенные подряд на одном и том же месте, по этой причине могут оказаться разными. Тем более, разброс показаний будет присутствовать у различных операторов, использующих одно и то же устройство. Однако основным недостатком является то, что принудительное перемещение имитатора даже при весьма малых скоростях (что имеет место у прототипа) все же является скольжением, коэффициент трения которого по результатам исследований, проведенных авторами, весьма чувствителен к скорости перемещения. Разница в его величине достигает 0,15 при движении, например, со скоростями от 1 до 10 мм/мин. При более высоких скоростях разброс увеличивается. Таким образом, в устройстве не реализуется определение коэффициента трения покоя, которое, как указано выше, характеризует сцепные качества дорог с покрытием при взаимодействии с движителем транспортного средства.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, повышение технологичности и точности оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием.

Поставленная задача, согласно изобретения, решается за счет того, что в устройстве для оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием, включающем имитатор шины, кинематически связанные с ним основной и дополнительный нагрузочные механизмы, смонтированные на имеющем направляющие несущем корпусе, и индикатор величины коэффициента сцепления, согласно изобретению основной нагрузочный механизм выполнен в виде пары верхней и нижней кареток, связанных между собой через упругий элемент в виде витой пружины и установленных с возможностью совместного перемещения в направляющих несущего корпуса, при этом имитатор шины, выполненный в виде блока из стальной пластины и резины, закреплен к нижней каретке, с которой также связан и дополнительный нагрузочный механизм.

Кроме того, дополнительный нагрузочный механизм может быть выполнен в виде пневмопривода, включающего регулятор расхода газа, который состоит из корпуса с гибкой мембраной, жестко связанной со штоком, один конец которого соединен с нижней кареткой, несущей имитатор шины, при помощи рычага, а другой, помещенный в напорной полости корпуса, взаимодействует с подпружиненным клапаном, связывающим напорную полость корпуса с последовательно соединенными регулятором расхода газа и ресивером.

Пневмопривод может быть снабжен пружиной его возврата в исходное положение.

Устройство может быть снабжено средством автоматической подачи газа в корпус пневмопривода и его сброса, выполненного в виде двухпозиционного распределителя, встроенного в пневмомагистраль между напорной полостью корпуса пневмопривода и регулятором расхода газа, при этом нажимной элемент распределителя взаимодействует в рабочем положении с покрытием.

Индикатор величины коэффициента сцепления может быть выполнен в виде манометра, подключенного к напорной полости корпуса пневмопривода, с которой также связано средство автоматического сброса газа.

Помимо повышения технологичности за счет упрощения конструкции основного нагрузочного механизма и уменьшения количества механообрабатываемых деталей, а также за счет использования типовых элементов, применяемых в пневмосистемах, таких как пневмоцилиндр, регулятор расхода, двухпозиционный распределитель и т.п., в предлагаемом изобретении значительно повышается точность измерения за счет исключения человеческого фактора и измерения коэффициента трения покоя в качестве коэффициента сцепления. Так, горизонтальное нагружение имитатора шины осуществляется пневмоприводом с регулятором расхода сжатого воздуха всегда с одной и той же постоянной, заранее заданной скоростью. При этом наличие ресивера, в зависимости от его емкости, позволяет многократное проведение измерений без участия оператора в работе дополнительного нагрузочного механизма, что повышает и производительность труда. Возможность самостоятельного перемещения имитатора шины под действием упругих сил сжатого воздуха в пневмоприводе после прекращения его принудительного перемещения дает возможность с высокой степенью точности определить коэффициент трения покоя, которым объективно и оцениваются сцепные качества покрытия.

Изобретение поясняется чертежом, на котором дано схематическое изображение общего вида устройства для оценки сцепных качеств дороги с покрытием.

Устройство для оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием состоит из несущего корпуса 1, на котором смонтированы основные узлы и механизмы. К числу последних относятся основной нагрузочный - 2 и дополнительный - 3. Основной нагрузочный механизм 2 выполнен в виде пары оппозитно расположенных кареток на опорах качения: верхней - 4 и нижней - 5. Связь между каретками выполнена в виде витой пружины 6. Обе каретки установлены с возможностью совместного перемещения в направляющих 7 несущего корпуса 1. На нижней каретке 5 со стороны покрытия закреплен имитатор шины 8, представляющий собой блок из стальной пластины и резины, обладающий твердостью рабочей поверхности шины автотранспортного средства. С этой же кареткой связан и дополнительный нагрузочный механизм 3. Связь выполнена в виде двуплечего шарнирного рычага 9 с опорой 10, закрепленной на несущем корпусе 1. Механизм 3 представляет собой пневмопривод, выполненный в виде корпуса 11 с гибкой мембраной 12. Шток 13, жестко соединенный с мембраной 12, одним концом шарнирно связан с рычагом 9, а другим, расположенным в напорной полости 14 корпуса 11 пневмопривода, взаимодействует с подпружиненным клапаном 15, отсекающим напорную полость 14 от пневмомагистрали 16 снабжения пневмопривода сжатым воздухом, которое осуществляется через двухпозиционный распределитель 17 от последовательно соединенных регулятора расхода 18 и ресивера 19, снабженного ниппелем 20 для подкачки от воздушного насоса 21. Последний представляет собой обычный ножной насос для подкачки шин, которым комплектуются автотранспортные средства. С напорной полостью 14 корпуса 11 связан манометр 22, выполняющий роль индикатора величины коэффициента сцепления, для чего его шкала отградуирована соответствующим образом. Эта же полость через двухпозиционный распределитель 17 сообщается с наружным пространством. При этом распределитель закреплен на несущем корпусе 1 таким образом, что его нажимной элемент 23 имеет возможность контакта с покрытием при рабочем положении устройства. Корпус 11 пневмопривода снабжен пружиной 24 возврата в исходное положение, а распределитель 17 - пружиной 25, также для установки последнего в исходное положение.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. Насосом 21 через ниппель 20 осуществляют накачку сжатым воздухом ресивера 19 до требуемой величины давления (2,5-3,0 атм). Последнее с учетом объема напорной полости 14 должно обеспечить не менее 15 автономных измерений без использования насоса. В исходном положении пружина 25 распределителя 17 соединяет напорную полость 14 с наружным пространством, при этом нажимной элемент 23 располагается заподлицо с контактной поверхностью имитатора шины 8, выступающей из несущего корпуса 1. В исходном положении мембрана 12 в корпусе 11 пневмопривода оттянута вправо под действием пружины 24 возврата, а клапан 15 открыт. При установке несущего корпуса 1 на покрытие для проведения измерения оператор своим весом прижимает его, опираясь ногами на подножки, жестко закрепленные на несущем корпусе 1 (на схеме не показаны). В этом положении имитатор шины 8 располагается на покрытии и, утапливаясь внутрь несущего корпуса 1, сжимает пружину 6, создавая необходимое усилие на имитаторе. Одновременно нажимной элемент 23 распределителя 17 при контакте с поверхностью покрытия также утапливается, осуществляя отключение напорной полости 14 от наружного пространства и подключение ее через пневмомагистраль 16 и регулятор расхода 18 к ресиверу 19, т.е. источнику сжатого воздуха. Под действием регулятора расхода 18 наполнение напорной полости 14 сжатым воздухом осуществляется с постоянной, заранее заданной скоростью, что вызовет рост давления на мембрану 12 также с постоянной скоростью. В определенный момент, когда сила давления на штоке 13, передаваемая на имитатор шины 8 через рычаг 9, сравняется с силой трения, т.е. установится равновесие, имитатор сдвинется с места и принудительно переместится вправо на заданное расстояние в 5-10 мм. После чего, клапан 15 перекроет напорную полость 14 от пневмомагистрали 16. Однако имитатор шины 8 продолжит самостоятельно движение, вызванное состоянием динамического равновесия между силой трения и упругой силой сжатого воздуха. Такое состояние возникает в связи с тем, что с течением времени, после прекращения принудительного перемещения, происходит релаксация накопленных внутренних напряжений в резиновой пластине имитатора, которая меняет ее свойства. По мере самостоятельного перемещения имитатора внутренние напряжения релаксируются настолько, что устанавливается статическое равновесие между вышеуказанными силами. В этом случае имитатор 8 останавливается, что означает равенство этих сил. Устройство настроено таким образом, что показания, фиксируемые на манометре 22, являются количественным выражением силы трения покоя или коэффициента сцепления. Полученная величина регистрируется оператором, не сходя с подножек. Для осуществления следующего измерения оператор должен сойти с подножки, что вызовет вывешивание несущего корпуса 1 на имитаторе шины 8 под действием пружины 6. Автоматически, пружиной 25 распределитель 17 соединит напорную полость 14 с наружным пространством, что вызовет сброс давления из этой полости и соответствующий сброс показаний с индикатора 22, а также перемещение и отсечку напорной полости 14 от пневмомагистрали 16. Клапан 15 при этом откроется, так как пружина возврата 24 переместит шток 13 вправо, а следовательно, и нижнюю каретку 5 с имитатором шины влево, т. е. в исходное положения для нового измерения, проведение которого должно быть осуществлено в описанной выше последовательности.

В настоящее время на НПП "ВРТ" разработаны рабочие чертежи устройства и выполнен его опытный образец. На первый квартал 2002 г. намечено проведение лабораторных и полевых испытаний.

Источники информации
1. В. В. Сильянов. Транспортио-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 устройствам для оперативного контроля сцепных качеств сооружаемых и эксплуатируемых дорог с твердым покрытием, а также аэродромов и может быть использовано при расследовании ДТП. Устройство для оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием включает имитатор шины, кинематически связанные с ним основной и дополнительный нагрузочные механизмы, смонтированные на имеющем направляющие несущем корпусе, и индикатор величины коэффициента сцепления. Новым является то, что основной нагрузочный механизм выполнен в виде пары верхней и нижней кареток, связанных между собой через упругий элемент в виде витой пружины и установленных с возможностью совместного перемещения в направляющих несущего корпуса, при этом имитатор шины, выполненный в виде блока из стальной пластины и резины, прикреплен к нижней каретке, с которой также связан и дополнительный нагрузочный механизм. Техническим результатом изобретения является повышение точности оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием за счет измерения коэффициента трения покоя в качестве коэффициента трения и исключения человеческого фактора из процесса измерения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием, включающее имитатор шины, кинематически связанные с ним основной и дополнительный нагрузочные механизмы, смонтированные на имеющем направляющие несущем корпусе, и индикатор величины коэффициента сцепления, отличающееся тем, что основной нагрузочный механизм выполнен в виде пары верхней и нижней кареток, связанных между собой через упругий элемент в виде витой пружины и установленных с возможностью совместного перемещения в направляющих несущего корпуса, при этом имитатор шины, выполненный в виде блока из стальной пластины и резины, прикреплен к нижней каретке, с которой также связан и дополнительный нагрузочный механизм. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительный нагрузочный механизм выполнен в виде пневмопривода, включающего регулятор расхода газа, который состоит из корпуса с гибкой мембраной, жестко связанной со штоком, один конец которого соединен с нижней кареткой, несущей имитатор шины, при помощи рычага, а другой, помещенный в напорной полости корпуса, взаимодействует с подпружиненным клапаном, связывающим напорную полость корпуса с последовательно соединенными регулятором расхода газа и ресивером. 3. Устройство по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что пневмопривод снабжен пружиной его возврата в исходное положение. 4. Устройство по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что оно снабжено средством автоматической подачи газа в корпус пневмопривода и его сброса, выполненного в виде двухпозиционного распределителя, встроенного в пневмомагистраль между напорной полостью корпуса пневмопривода и регулятором расхода газа, при этом нажимной элемент распределителя взаимодействует в рабочем положении с покрытием. 5. Устройство по любому из пп. 1 - 3, отличающееся тем, что индикатор величины коэффициента сцепления выполнен в виде манометра, подключенного к напорной полости корпуса пневмопривода, с которой также связано средство автоматического сброса газа.