Стенд для испытания дорожных покрытий на износостойкость (варианты) Российский патент 2024 года по МПК G01M17/02 

Изобретение обносится к области испытания материалов и касается, в частности, испытания дорожного покрытия на износ, обусловленный взаимодействием, например, с шинами транспортных средств.

Опыт эксплуатации показывает, что резко увеличивается износ покрытий на дорогах в периоды использования на транспортных средствах ошипованных шин. Наблюдения специалистов свидетельствуют о том, что за последние 5-6 лет износ цементобетонных покрытий достигает 8 мм после проезда 1,7 млн автомобилей, а асфальтобетонных - 10 мм после проезда 1 млн автомобилей. Износ дорожных покрытий особенно заметен при высоких скоростях движения автомобилей из-за динамического воздействия на дорожное покрытие шин, в том числе, ошипованных,. Установлено, что на прямолинейных участках дорог при равномерном (без резких ускорений и торможений) движении автомобилей на шинах с шипами, срок службы покрытия сокращается примерно в 2-3 раза, по сравнению с вариантом использования шин без шипов. Наблюдается также повышенный износ линий разметки, срок службы которой уменьшается в 3-4 раза. Физические основы разрушения дорожного покрытия нешипованными шинами имеют ту же природу, но сам процесс разрушения происходит значительно медленнее. Последствия динамического и истирающего воздействие шин на дорожное покрытие также прямо связаны с его структурой и свойствами.

Очевидно, что снижения степени разрушения дорожного покрытия можно добиться только при условии комплексного применения мероприятий по ограничению разрушающего воздействия шин на дорожное покрытие и повышению его износостойкости. В связи с этим испытания по воздействию нешипованных и ошипованных шин на дорожное покрытие или испытания дорожных покрытий на износ от взаимодействия с нешипованными или ошипованными шинами становятся единственным реальным инструментом изучения механизма разрушения покрытий и, на основе этого, разработки новых износостойких материалов с целью уменьшения его износа и разрушения. Такие испытания дорожного покрытия проводят на стендах, конструкция которых имитирует взаимодействие шины в режиме ее качения по поверхности исследуемого образца дорожного покрытия. При испытаниях учитывается, что параметр износа дорожного покрытия оценивается как условная единица, представляющая собой разницу в весе (или в размерах по толщине) исследуемого образца покрытия до начала испытаний и после испытаний.

Например, в качестве примера такого стенда можно рассмотреть стенд для испытания дорожного покрытия на износ шинами, который содержит связанный с приводом вращения вал, на котором размещено колесо с шиной, введенной в контакт с поверхностью исследуемого дорожного покрытия, при этом указанный вал с колесом с шиной связан с узлом изменяемого нагружения этого колеса в направлении его контакта с поверхностью исследуемого дорожного покрытия, а исследуемое дорожное покрытие сформировано на поверхности установленного на валу цилиндрического барабана и составлено из примыкающих друг к другу отдельных секторных элементов кольца, каждый из которых выполнен из исследуемого материала и закреплен на этом барабане, при этом диаметр наружной цилиндрической поверхности сформированного на барабане дорожного покрытия выполнен больше диаметра колеса с шиной (RU 2706387, G01M 17/02, опубл. 18.11.2019 г.).

В этом стенде дорожное покрытие представляет собой кольцо на вращающемся барабане, выполненное из материала, подлежащего исследованию на предмет определения его свойств на эксплуатационную долговечность (истирание и разрушение, колееобразование и т.д.) для возможности его применения в качестве дорожного покрытия.

Но ввиду сложности исполнения такого кольца, оно выполнено из кольцевых сегментов, которые на поверхности барабана укладываются встык и образуют кольцо.

Это техническое решение принято в качестве прототипа для заявленных объектов.

При проведении испытаний обеспечивают вращение барабана с нарастающей скоростью вращения, колесный диск с шиной подводится к кольцевой полосе из фрагментов дорожного покрытия. В этом стенде колесный диск позиционирован однозначно по отношению к полотну дорожного покрытия и не имеет возможности смещения по ширине полосы. Более того, в качестве колесного диска с шиной применяется колесный диск с шиной от картинга, который отличается малыми габаритами и малым пятном контакта.

Известное решение обладает достаточной конструктивной сложностью в формировании дорожного полотна на барабане. Кольцевой сегмент формуется в специальном стакане, который выполнен с болтовыми элементами прикрепления к барабану. Образцы шашечного типа при укладке на поверхность барабана формируют полотно сотовой конструкции, по типу брусчатки. Но этот тип дорожного покрытия не повторяет реальное покрытие дороги асфальтобетонной укладки, представляющей собой непрерывное полотно. Фрагменты полотна раскрадываются по поверхности барабана, болтовые элементы пропускаются через отверстия барабане и гайками приворачиваются к барабану. Для этого поверхность барабана выполнена перфорированной по всей площади. Что существенно снижает прочность рабочей поверхности барабана и повышает его упругость. То есть при нагружении колесом дорожного полотна появляется возможность упругой деформации поверхности рабочей барабана. Это вносит ошибки в достоверность получаемых данных. А сам процесс образования полотна считается трудоемким.

Износ дорожного полотна в известном стенде обусловлен взаимодействием с картинговым колесом, которое, как известно, не является штатным колесом тех транспортных средств, которые перемещаются по дорогам общего пользования. Картинговые колеса - это диски с шинами, используемые для спортивных маловесных гоночных автомобилей. Шины для каргинговых средств производят из мягких и твердых каучуковых смесей, в том числе и без протектора, но с учетом картингового покрытия гоночной трассы. Особенностью данных шин является то, что они специально разработаны для повышения сцепления с дорожным полотном, в том числе и за счет повышенного истирания протекторной части шины. Понятно, что применение такой шины для определения износа дорожного покрытия не дает достоверной картины взаимодействия полноразмерного колеса автомобиля с этим покрытием. Это так же вносит ошибки в достоверность получаемых данных по исследуемому дорожному покрытию.

Основным недостатком известного стенда является то, что он не дает реальной информативной картины по износу дорожного полотна от проезда по нему разных шин. В реальности, износ покрытия - это суммарное воздействие на полотно разных по типоразмеру шин с разным рисунком протектора и разной весовой нагрузкой на шины. Для получения такой информации надо каждый раз менять покрытие на барабане и менять колесные диски с шинами. Но и в этом случае, нет точной информации по воздействию разных шин на одно и то же дорожное полотно, то есть не представляется проведение исследований в режиме сравнительных характеристик при качении разных колес по одному им тому же покрытию в одно и то же время.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности получаемых результатов за счет возможности прокатки разных автомобильных колес по одному и тому же полотну или нагружении этого полота воздействием нескольких автомобильных колес. Это позволяет за одно испытание получить сравнительные характеристики износа одного и того же дорожного полотна от комбинированного действия колес разных типоразмеров или колес с разным рисунком протектора.

Указанный технический результат для первого варианта исполнения достигается тем, что в стенде для испытаний дорожных покрытий на износостойкость, содержащем выполненный с возможностью вращения барабан, на наружной поверхности которого расположено кольцевой формы дорожное покрытие, выполненное из состыкованных фрагментов в форме кольцевых секторов, закрепленных на наружной кольцевой поверхности барабана, узел закрепления автомобильных дисков с шиной каждый, выполненный с возможностью подведения шин этих дисков к дорожному покрытию и нагружения их внешним давлением, действующим в сторону этого покрытия, состыкованные кольцевые сектора дорожного покрытия закреплены на наружной поверхности барабана посредством бандажных лент, охватывающих эти сектора по их краям, узел закрепления автомобильных дисков с шинами выполнен в виде балансира, шарнирно связанного с одним концом кривошипом, другим концом поворотно установленного на основании, и на свободных концах которого закреплены с возможностью свободного вращения указанные диски, при этом указанный кривошип связан с узлом его перемещения в сторону введения шин в контакт с дорожным покрытием и с узлом его перемещения поперек дорожного полотна.

Указанный технический результат для второго варианта исполнения достигается тем, что в стенде для испытаний дорожных покрытий на износостойкость, содержащем выполненный с возможностью вращения барабан, на наружной поверхности которого расположено кольцевой формы дорожное покрытие, выполненное из состыкованных фрагментов в форме кольцевых секторов, закрепленных на наружной кольцевой поверхности барабана, узел закрепления автомобильных дисков с шиной каждый, выполненный с возможностью подведения шин к дорожному покрытию и нагружения их внешним давлением, действующим в сторону этого покрытия, состыкованные кольцевые сектора дорожного покрытия расположены по крайней мере в два ряда по ширине барабана, в каждом ряду кольцевые сектора закреплены на наружной поверхности барабана посредством бандажных лент, охватывающих эти сектора по их краям, узел закрепления автомобильных дисков с шинами выполнен в виде оси, на концах которой с возможность свободного вращения закреплены указанные диски с расположением шины каждого диска на поверхности отдельного ряда, при этом ось шарнирно связана с одним концом кривошипом, другим концом поворотно установленного на основании, а кривошип связан с узлом его перемещения в сторону введения шин дисков в контакт с дорожным покрытием соответствующего ряда и с узлом его перемещения поперек рядов дорожного полотна.

Указанные признаки взаимосвязаны между собой и являются существенными с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 - блок-схема стенда для испытаний дорожных покрытий на износостойкость, первый вариант исполнения;

фиг. 2 - блок-схема стенда для испытаний дорожных покрытий на износостойкость, второй вариант исполнения

Согласно настоящему изобретению, рассматривается конструкция стенда для испытаний дорожных покрытий на износостойкость.

Базовой единицей стендов по первому и второму вариантам исполнения является барабан 1, представляющий собой кольцевую поверхность, закрепленную на оси, которая связана кинематически с приводом вращения барабана, интегрированного в кольцо барабана. При этом этот привод, например, электродвигатель 2, может находиться как снаружи барабана, так и внутри барабана. Особенности исполнения самого привода вращения, имеющего возможность ступенчато или плавно регулировать обороты. Привод в рамках настоящего изобретения не рассматривается, как не относящийся к существу заявленных решений. Конструкция самого барабана так же не рассматривается, главным и существенным является наличие вращаемой кольцевой поверхности, которая может быть выполнена в виде металлической полосы, загнутой в кольцо и имеющей по периферийным кромкам отбортовки в виде выступов.

Данный барабан 1 является основой для организации кольцевой формы дорожного покрытия. Это покрытие выполнено составным и представляет собой состыкованные между собой фрагменты 3 дорожного покрытия, уложенные на поверхности барабана и закрепленные на нем. Применение фрагментов обусловлено тем, что для повторения структуры уплотненного дорожным катком реального дорожного покрытия необходимо повторить утрамбовку дорожной смеси в лабораторных условиях. А это практически невозможно, если дорожное покрытие выполняется в виде кольца. Кроме того, испытываемое покрытие должно плотно прилегать к рабочей кольцевой поверхности барабана, что невозможно обеспечить при сплошном кольцевом дорожном покрытии, так как одевание кольца на барабан возможно только при наличии зазоров между контактирующими поверхностями. А зазоры приводят к биению этого покрытия, к его неуравновешенности (явление дисбаланса). В связи с этим дорожное покрытие выполняют в виде прямоугольных в плане, но изогнутых по тыльной и лицевой стороне фрагментов в виде дугообразных секторов/сегментов, которые раскладывают встык на поверхности барабана и закрепляют.

Закрепляют фрагменты 3 на поверхности барабана посредством бандажных лент 4, охватывающих эти сектора по их краям. Такой технический прием крепления обеспечивает надежное и быстрое закрепление и в последующем такое же быстрый демонтаж фрагментов при смене типа дорожного покрытия. Эти бандажные ленты, расположенные вдоль краев дорожного полотна, не препятствуют шине входить в контакт с этим покрытием. Изготовление отдельных фрагментов дорожного полотна не лимитировано их размерами. Поэтому стало возможным расширить контактную зону под ширину колеса, и сделать ее превышающей поперечный размер пятна контакта шины. Этот пример исполнения барабана с однорядным дорожным полотном из исследуемого материала использован в первом варианте исполнения стенда (фиг. 1).

Во втором варианте исполнения стенда состыкованные кольцевые сектора дорожного покрытия расположены по крайней мере в два ряда 5 и 6 по ширине барабана и в каждом ряду кольцевые сектора закреплены на наружной поверхности барабана посредством бандажных лент 4, охватывающих эти сектора по их краям. В этом варианте на одном барабане сформированы, как показано на фиг. 2, две полосы дорожного покрытия, отделенные друг от друга бандажными лентами.

В обоих вариантах исполнения присутствует узел закрепления автомобильных дисков с шиной 7 каждый, выполненный с возможностью подведения шин этих дисков к дорожному покрытию на барабане и нагружения их внешним давлением, действующим в сторону этого покрытия.

В первом варианте исполнения (фиг. 1) узел закрепления автомобильных дисков с шинами выполнен в виде балансира 8, шарнирно связанного с одним концом кривошипа 9, другим концом поворотно установленного на основании. Указанные диски с шинами закрепляются на свободных концах балансира 8 с возможностью свободного вращения. Балансир 8 расположен вдоль дорожного покрытия и при закреплении на нем дисков шины прокатываются по дорожному покрытию след в след. Такое закрепление имитирует расположение колес на грузовых транспортных средствах, автобусах и тяжелой автотехнике. Поведение близко расположенных друг к другу шин с дорожным покрытием имеет свои особенности, обусловленные тем, что динамика контакта последней шины прямо связана с динамикой контакта расположенной перед ним шиной, и зависит от этой динамики. Динамика поведения одиночной шины в пятне ее контакта отличается от динамики поведения двойных шин. Это позволяет имитировать поведение грузовых двойных шин и повысить достоверность этой имитации. Применение балансира позволяет на одном его конце закрепить диск с шиной одного типоразмера или с определенным рисунком протектора, а на другом конце балансира установить колесо другого типоразмера или того же типоразмера, но с иным рисунком протектора или с другим давлением в шине. Такой режим так же позволяет приблизить имитационные условия испытаний к реальным, так как по одной линии качения могут по очереди проходить разные по конструктивным особенностям исполнения колеса.

Кривошип 9 в этом примере исполнения стенда связан с узлом 10 его перемещения в сторону введения шин дисков в контакт с дорожным покрытием и с узлом 11 его перемещения поперек дорожного полотна. В реальности, автомобили не всегда следуют друг за другом вслед, более часто один автомобиль двигается немного смещенно относительно следующего перед ним другого автомобиля. Или автомобиль отличаются по размеру колесной базы. В реальности, полоса износа дорожного покрытия всегда больше ширины шины. Стенд позволяет смещать автомобильные колеса в пределах ширины полосы дорожного покрытия на барабане, имитируя движение реального транспортного потока по дороге. Давление на кривошип может осуществляться гидро- или пневмоцилиндром, а узел перемещения кривошипа и, следовательно дисков с шинами, поперек дорожного полотна может быть выполнен в виде связанной с кривошипом каретки, присоединенной к другому гидро- или пневмоцилиндру, а также электроприводу. Гидро- или пневмоцилиндры или электропривод связаны, соответственно, с блоком управления 12 механизмом оказания давления на кривошип (эту функцию может выполнять узел перемещения кривошипа в сторону введения шин дисков в контакт с дорожным покрытием) и с блоком управления узла перемещения кривошипа поперек дорожного покрытия. Оба блока связаны с блоком управления 13 стендом. Указанные блоки относятся к известным решениям, не требующим изобретательства, могут быть выполнены на различной элементной базе и поэтому в рамках настоящей заявки конструктивно не рассматриваются. Так же блоки связаны системой управления измерением и записи данных испытаний, необходимой для автоматического поддержания заданных условий испытаний и фиксации в виде электронного массива данных условий измерений (скорость, температура, перемещение колес в осевом направлении).

А согласно второму варианту исполнения (фиг. 2) узел закрепления автомобильных дисков с шинами выполнен в виде оси 14, располагаемой поперек полос рядов дорожного покрытия. На концах этой оси с возможность свободного вращения закреплены указанные диски с расположением шины 6 каждого диска на поверхности дорожного покрытия отдельного ряда. Ось 14 шарнирно связана с одним концом кривошипа 9, другим концом поворотно установленного на основании 15. Кривошип, как и в примере по первому варианту исполнения, связан с узлом его перемещения в сторону введения шин дисков в контакт с дорожным покрытием соответствующего ряда и с узлом 16 его перемещения поперек рядов дорожного полотна. Узел 16 может быть выполнен в виде каретки с элементами качения 17 по основанию 15 и связан с приводом 18 перемещения каретки, который через тягу 19 шарнирно связан с кареткой. По этому варианту исполнения каждая шина вводится в контакт с отдельным полотном дорожного покрытия. Это позволяет при испытаниях одного и того же типа дорожного покрытия применять для каждого ряда диск с шиной, как одного типоразмера, так и с шинами с одинаковым протектором или с протекторами разного рисунка или шин с разным давлением. На этом стенде можно для каждого ряда применять дорожное покрытие с отличным составом смеси по отношению к структуре дорожного плотна смежного ряда. При этом в фактор провокации износа дорожного покрытия вводится такое движение шин, как поперечное смещение, характерное для перестроения или входа в поворот автомобиля.

Как видно, конструктивы стендов позволяют существенно расширить виды испытаний и создать условия, характерные для реального качения автомобильного колеса. При этом стало возможным испытывать на износ не только дорожные покрытия, но и сами шины. При этом за счет применения бандажных лент стало возможным дорожное покрытие составлять из фрагментов, отформованных из разных смесей или смесей с отличающимися свойствами. После монтажа в единую полосу таких разнородных дорожных покрытий получают полосу с разнородными сцепными свойствами, позволяющее получать сравнительную картинку износа неоднородных фрагментов покрытий при контакте с одной и той же шиной.

Испытания проводятся следующим образом. Барабан с закрепленными образцами покрытия приводится в движение с заданной скоростью вращения. Заданная температура испытаний обеспечивается термокамерой, в которой размещен барабанный стенд с сопутствующими устройствами. Перед запуском барабана, открывают кран пневмомагистрали и убеждаются в отсутствии утечек сжатого воздуха в системе пневмонагружения (при использовании пневмоцилиндров). С помощью регулятора давления, устанавливают требуемую нагрузку на испытательные колеса. Рекомендуемая нагрузка - 300-350 кгс. Затем включают питание электродвигателя привода барабана. После трогания барабана, плавно увеличивая частоту, доводят скорость движения беговой дорожки барабана до 20-30 км/ч. После достижения этой скорости, включают тумблер прижатия колес к барабану. Затем, продолжая плавно увеличивать частоту тока, доводят скорость вращения до требуемой. Пробег колеса при заданной нагрузке и скорости движения определяется по цифровому индикатору. После того, как величина пробега достигнет заданной величины, скорость вращения барабана автоматически плавно уменьшается до нуля и, колеса отводятся от барабана.

Настоящее изобретение промышленно применимо, позволяет в широком диапазоне моделируемых дорожных ситуаций провести испытания не только дорожного покрытия, но и шин колес. При этом стенды обеспечивают серьезное приближение лабораторных испытаний к реальным условиям качения колес по покрытиям транспортной инфраструктуры.

Изобретение обносится к области испытания материалов. Стенд для испытаний дорожных покрытий на износостойкость содержит барабан, на наружной поверхности которого расположено кольцевой формы подлежащее исследованию дорожное покрытие, выполненное из состыкованных фрагментов в форме дугообразных секторов, закрепленных на наружной кольцевой поверхности барабана посредством бандажных лент, охватывающих эти сектора по их краям. Узел закрепления автомобильных дисков с шиной, каждый, выполнен с возможностью подведения шин к дорожному покрытию и нагружения их внешним давлением, действующим в сторону этого покрытия. Узел закрепления автомобильных дисков с шинами выполнен в виде балансира, шарнирно связанного с одним концом кривошипом, другим концом поворотно установленного на основании, и на свободных концах которого закреплены с возможностью свободного вращения указанные диски. При этом указанный кривошип связан с узлом его перемещения в сторону введения шин дисков в контакт с дорожным покрытием и с узлом его перемещения поперек дорожного полотна. Достигается повышение достоверности получаемых результатов. 2 ил.

1. Стенд для испытаний дорожных покрытий на износостойкость, содержащий выполненный с возможностью вращения барабан, на наружной поверхности которого расположено кольцевой формы дорожное покрытие, выполненное из состыкованных фрагментов в форме дугообразных секторов, закрепленных на наружной кольцевой поверхности барабана, узел закрепления автомобильных дисков с шиной, каждый, выполненный с возможностью подведения шин этих дисков к дорожному покрытию и нагружения их внешним давлением, действующим в сторону этого покрытия, отличающийся тем, что состыкованные кольцевые сектора дорожного покрытия закреплены на наружной поверхности барабана посредством бандажных лент, охватывающих эти сектора по их краям, узел закрепления автомобильных дисков с шинами выполнен в виде балансира, шарнирно связанного с одним концом кривошипа, другим концом поворотно установленного на основании, и на свободных концах которого закреплены с возможностью свободного вращения указанные диски, при этом указанный кривошип связан с узлом его перемещения в сторону введения шин дисков в контакт с дорожным покрытием и с узлом его перемещения поперек дорожного полотна.

2. Стенд для испытаний дорожных покрытий на износостойкость, содержащий выполненный с возможностью вращения барабан, на наружной поверхности которого расположено кольцевой формы дорожное покрытие, выполненное из состыкованных фрагментов в форме дугообразных секторов, закрепленных на наружной кольцевой поверхности барабана, узел закрепления автомобильных дисков с шиной, каждый, выполненный с возможностью подведения шин к дорожному покрытию и нагружения их внешним давлением, действующим в сторону этого покрытия, отличающийся тем, что состыкованные кольцевые сектора дорожного покрытия расположены по крайней мере в два ряда по ширине барабана, в каждом ряду кольцевые сектора закреплены на наружной поверхности барабана посредством бандажных лент, охватывающих эти сектора по их краям, узел закрепления автомобильных дисков с шинами выполнен в виде оси, на концах которой с возможностью свободного вращения закреплены указанные диски с расположением шины каждого диска на поверхности отдельного ряда, при этом ось шарнирно связана с одним концом кривошипа, другим концом поворотно установленного на основании, а кривошип связан с узлом его перемещения в сторону введения шин дисков в контакт с дорожным покрытием соответствующего ряда и с узлом его перемещения поперек рядов дорожного полотна.