Стенд для изготовления образцов дорожных покрытий Российский патент 2024 года по МПК G01M17/02 

Изобретение относится 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 от общей продолжительности. Наблюдается также повышенный износ линий разметки, срок службы которой уменьшается в 3-4 раза. Динамика разрушения дорожного покрытия нешипованными шинами имеет ту же самую картину, но позволяет несколько увеличить срок его эксплуатационной годности. Последствия динамического и истирающего воздействие шин на дорожное покрытие так же прямо связано 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 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, колеяобразование и т.д.) для возможности его применения в качестве дорожного покрытия.

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

В этом же патенте описан секторный элемент кольца дорожного покрытия для такого стенда. Этот секторный элемент представляет собой образец дорожного покрытия. Секторный элемент содержит металлическое стаканообразное основание, выполненное с элементами его закрепления на наружной поверхности цилиндрического барабана, и закрепленную в этом стакане вставку из исследуемого материала дорожного покрытия, выступающую из стакана частью, наружная торцевая поверхность которой уплотнена по нормали к цилиндрической наружной поверхности и дугообразно отформована по радиусу, совпадающему с радиусом наружной цилиндрической поверхности сформированного на барабане дорожного покрытия.

Формуют секторный элемент в матрице, боковые стенки которой повторяют форму секторного элемента. В матрицу вставляют стаканообразное основание, полость матрицы заполняют материалом исследуемого дорожного покрытия и производят первичное уплотнение с целью полного заполнения объема основания. А затем производят уплотнение наружной внешней поверхности вставки за счет того, что на эту поверхность оказывает давление пуансон с выпуклой уплотняющей поверхностью (в виде сектора). При уплотнении производят качание как матрицы, так и пуансона. Пуансон имеет еще возможность перемещения в сторону секторного элемента для изменения силового давления. По мере качания пуансон пригружают нарастающим усилием, чтобы имитировать процесс уплотнения покрытия от действия дорожного катка. Качание матрицы и пуансона позволяет сформировать дугообразно выпуклую наружную поверхность секторного элемента, чтобы она могла вписаться в окружность дорожного покрытия и получить уплотнение исследуемого материала в полном соответствии с требованиями к реальным дорожным покрытиям. После достижения требуемого уплотнения секторные элементы кольца вынимают из матрицы и производят полимеризацию материала, после чего проводят сборку кольца на барабане. Использование матрицы позволяет получить геометрически правильные по боковым стенкам секторные элементы кольца для обеспечения плотного прилегания боковыми сторонами друг к другу на поверхности барабана.

Это техническое решение принято в качестве прототипа для заявленного объекта.

Известное решение в части получения секторного элемента из исследуемого материала позволяет получить элементы с выверенными наклонными и ненаклонными боковыми поверхностями, форма и плоскостность которых задается боковыми стенками матрицы. Это позволяет сформировать имитацию дорожного покрытия из сегментов мозаичного типа с хорошим прилегаем элементов друг к другу. То есть при проведении испытания дорожного покрытия кольцевого типа можно не учитывать зазоры между сегментами и их влияние на разрушение этого покрытия.

Недостаток данного решения в части формования секторных элементов заключается в том, что известный пресс позволяет формовать образцы дорожного покрытия небольшой поверхностной площади. Это объясняется схемой утрамбовки смеси в пресс-форме, согласно которой пуансон и матрица находятся в закрепленных точках с возможностью качания вокруг этих точек. При таком подвесе угол качания небольшой, а именно этот угол определяет размер уплотняемой поверхности в матрице. Кроме того, при качании на малых углах процесс уплотнения заключается во вдавливании верхних слоев в сторону нижних. Получается покрытие с неоднородной структурой по толщине. Образуются образцы шашечного типа, которые 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. При испытаниях такого полотна сотовой конструкции шина постоянно переходит с одной шашки на другую через зазор примыкания шашек друг к другу, что сильно отличается от реальных условий качения колеса с шиной. В связи с этим в известном решении используется картинговое колесо, которое в силе малых размеров имеет небольшое пятно контакта. Эти участки примыкания образуют зоны ударного воздействия на шину, аналогичные перекату шины через небольшое препятствие. В итоге, существенно снижается достоверность результатов испытания такого дорожного полотна. Это объясняется тем, что пятно контакта шины не имеет длительного и постоянного контакта с самим дорожным покрытием. В случае применения полноразмерной автомобильной шины пятно контакта может находиться на нескольких шашках сразу, что не отвечает реальности.

Кроме того, в известном прессе уплотнение смеси проходит путем придавливания ее в направлении от верха вниз за счет качания матрицы и пуансона в диапазоне небольших углов. При таком качании происходит уплотнение верхних слоев смеси, структура которых отличается от структуры нижних слоев. В реальности, уплотнение дорожного покрытия проводится вальцом катка, который весом нагружает смесь в направлении вниз и одновременно при качении валец смещает слои в продольном направлении. Такая структура прокатанного полотна существенно отличается от уплотненного только весом вальца. Для проведения испытания дорожного полотна в искусственных условиях имитационное полотно должно максимально близко подходить по структуре уплотнения к реальному. И при этом необходимо образцы полотна, из которых составляется кольцевое подлежащее исследованию полотно, выполнять удлиненными с расширенной площадью контакте с колесом. Это позволяет уменьшить влияние переезда через стыки на достоверность получаемых результатов.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи по повышению качества изготовления образцов покрытий за счет изменения схемы уплотнения секторных элементов дорожного полотна, обеспечивающей прокатывание матрицы со смесью под пуансоном. Это позволяет получать образцы увеличенной длины с характерной для реального дорожного полотна структурой.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении функциональных свойств за счет обеспечения возможности изготовления увеличенных по длине образцов покрытия со структурой уплотнения, максимально приближенной к структуре укатанного дорожным катком покрытия дороги в реальных условиях.

Указанный технический результат достигается тем, что в стенде для изготовления образцов дорожных покрытий, содержащем пресс-форму в виде лотка открытого сверху, используемую для заполнения подготовленной для полимеризации смесью для получения исследуемого дорожного покрытия, размещенный над этим лотком узел регулируемого давления на смесь, выполненный в виде тела с секторной частью с дугообразной формы поверхностью, обращенной в сторону лотка, и закрепленный на раме через шарнир с возможностью качания вокруг горизонтальной оси в направлении вдоль лотка и с возможностью регулируемого перемещения в сторону лотка, лоток выполнен с опорами качения на боковых сторонах и шарнирно-звеньевым механизмом связан с приводом его возвратно-поступательного движения, на раме смонтированы две разнесенные относительно друг друга дугообразно выгнутые по траектории с одинаковым радиусом закругления направляющие, в пазах которых размещены опоры качения лотка, образующая дугообразной формы поверхности тела узла регулируемого давления расположена поперек лотка, при этом стенка дна лотка выполнена дугообразно изогнутой с радиусом закругления, равным радиусу закругления направляющих.

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

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 - блок-схема стенда для изготовления образцов дорожных покрытий.

Согласно настоящему изобретению, рассматривается конструкция стенда прессового типа для изготовления и подготовки образцов дорожного покрытия, используемых для исследования влияния внешнего воздействия на эксплуатационную долговечность материала, предполагаемого к применению в качестве дорожного покрытия для транспортных инфраструктур. Кроме того, получаемые образцы могут использоваться для анализа реальных эксплуатационных показателей существующих дорожных покрытий при изучении картины износа и разрушения этих покрытий.

В общем случае, конструктив стенда для изготовления образцов дорожных покрытий включает в себя:

- пресс-форму (матрицу) в виде лотка с криволинейным дном, открытого сверху, используемого для заполнения подготовленной для полимеризации смесью для получения исследуемого дорожного покрытия;

- лоток выполнен с опорами качения на боковых сторонах;

- на раме смонтированы две разнесенные относительно друг друга дугообразно выгнутые по траектории с одинаковым радиусом закругления направляющие, в пазах которых размещены опоры качения лотка;

- лоток шарнирно-звеньевым механизмом связан с приводом его возвратно-поступательного движения вдоль направляющих;

- над лотком размещен узел регулируемого давления на смесь, выполненный в виде тела с дугообразной (цилиндрической) формой поверхности, обращенной в сторону лотка, и закрепленный на раме через шарнир с возможностью качания вокруг горизонтальной оси в направлении вдоль лотка и с возможностью регулируемого перемещения в сторону лотка;

- образующая дугообразной формы поверхности тела узла регулируемого давления расположена поперек лотка.

Узел регулируемого давления на смесь включает в себя массивное тело с дугообразной формы рабочей поверхностью, имитирующей фрагмент рабочей поверхности вальца дорожного катка. Это тело может приспускаться до контакта со смесью в лотке. При перемещении лотка тело качается, имитируя перекатывание вальца под давлением собственного веса и регулируемым давлением, создаваемым, например, гидроцилиндром. Но при этом сам лоток установлен с возможностью перемещения относительно рабочей поверхности тела, что обеспечивает не только уплотнение давлением сверху, но и смещение слоев уплотняемой смеси в продольном направлении. В данном случае в стенде тело, как фрагмент вальца катка, не перемещается, но качается в некотором угловом диапазоне. А лоток, наоборот, перемещается относительно тела. В итоге сформирована реальная картина уплотнения смеси, в которой валец катка и уплотняемая смесь поменялись выполняемыми действиями. Перемещение лотка в дугообразных направляющих позволяет увеличить длину уплотняемого фрагмента дорожного покрытия, которая будет превышать длину пятна контакта автомобильного колеса и формировать поверхность образца с заданным радиусом. То есть при увеличении длины фрагмента пятно контакта вращающейся автомобильной шины будет некоторое время располагаться на этом фрагменте. Это позволяет считать, что изменение толщины фрагмента дорожного покрытия, например, износ или его разрушение, обеспечено именно контактным взаимодействием с шиной, а не причинами переезда через линии стыка фрагментов между собой. Это так же позволяет исключить из расчетов деформационные последствия на линиях стыка, основываясь только на данных, снятых с чисто рабочей поверхности полотна фрагмента дорожного покрытия.

Изменение схемы уплотнения секторного образца за счет формирования сдвиговых смещений в слоях смеси позволяет уже на стадии подготовки фрагмента дорожного покрытия контролировать его качество, физические свойства и состав, из которого этот образец получают. Существенным в данном вопросе является именно процесс смещения слоев смеси при уплотнении. Сдвиг асфальтобетонного слоя представляет собой смещение смеси в продольном направлении. В большинстве случаев сдвиг покрытия сопровождается значительным повышением плотности слоя при первоначальной укатке, особенно если используется каток статического действия с гладкими вальцами. Сдвиг в материале покрытия может сопровождаться поверхностным растрескиванием, если для укладки применялась пластичная смесь с нерациональным зерновым составом заполнителя или избыточным содержанием жидкой (вязкой) фазы. Сдвиг обусловлен, в первую очередь, свойствами смеси и может быть вызван теми же факторами, что и растрескивание: избыточным содержанием жидкой (вязкой) фазы, нерационально подобранным зерновым составом заполнителя (например, повышенное содержание мелких фракций), свойствами заполнителя или слишком высокой температурой слоя во время укатки. Таким образом, по появлению трещин при уплотнении уже на стадии подготовки образца покрытия можно судить о его недостатках.

Взаимодействие шины с дорожным покрытием представляет собой симбиоз процесса качения шины по покрытию и структуры самого дорожного покрытия. В результате проводимых испытаний могут сложиться условия, что разрушение дорожного покрытия или его износ не связаны напрямую с качением шины, а обусловлены несоответствием материала покрытия требованиям по составу его смеси и физическим параметрам, в том числе и по укатке дорожным катком.

Ниже рассматривается пример конкретного исполнения стенда (фиг. 1).

Стенд включает в себя металлическую раму 1, в нижней части которой параллельно друг другу закреплены две металлические направляющие 2, которые выполнены дугообразно выгнутыми по траектории дуги окружности, описанной для каждой направляющей одинаковым радиусом закругления. В направляющих выполнены пазы (обращенные навстречу друг другу или в противоположные стороны). Иллюстративно пазы в направляющих не показаны. Эти пазы или их стенки являются дорожками качения для роликовых опор 3 качения лотка 4, смонтированных на длинных сторонах лотка, выполняющего функцию пресс-формы или матрицы. Так как лоток будет подвергаться внешней нагрузки от давления уплотнения смеси, то предпочтительно использовать более двух опор качения 4 на каждой длинной стороне лотка для перераспределения нагрузки между консольно закрепленными осями этих опор. Лоток 4 выполнен коробчатой формы с открытым верхом, плоскими или немного наклоненными боковыми стенками, высота которых приравнена к толщине секторного образца, из набора которых в последующем составляется сборная беговая дорожка, монтируемая на барабане стенда (стенд конструктивно не приведен, повторяет, например, конструкцию стенда по прототипу или аналогичного типа). Лоток, открытый сверху, используется для заполнения подготовленной для полимеризации смесью для получения исследуемого дорожного покрытия. Состав смеси определяется типом дорожного покрытия. При этом лоток имеет криволинейную форму в продольном сечении, в которой закругление дуги по зоне днища выполнено тем же радиусом, что и направляющие.

Лоток шарнирно-звеньевым механизмом 5 связан с приводом 6 его возвратно-поступательного движения. При включении привода 6 шарнирное звено 7 толкает лоток по направляющим и перемещает его по дугообразным пазам этих направляющих. При обратном ходе лоток возвращается, изменение расстояния между приводом и лотком компенсируется звеном 8, которое шарнирно связано со звеном 7 и изменяет свое угловое положение по отношению к звену 7. Или наоборот, угловое положение изменяет звено 7. Конкретная реализация шарнирно-звеньевого механизма 5 не приведена. Возможно его исполнение в кривошипном варианте.

Узел регулируемого давления на смесь размещен в верхней части рамы. Этот узел выполнен в виде тела 9 с секторной частью 10 дугообразной формы рабочей поверхностью, обращенной в сторону лотка. Это тело 9 закреплено через горизонтальный шарнир 11 с возможностью качания вокруг горизонтальной оси в направлении вдоль лотка и с возможностью регулируемого перемещения в сторону лотка. С другой стороны, шарнир 11 связан с силовым гидро- или пневмоцилиндром 12, выполняющий функцию перемещения тела по вертикали и обеспечения прижима рабочей поверхности к смеси в лотке. Таким образом, тело 9 подвешено свободно с возможностью его качания относительно горизонтального шарнира.

В лоток 4 засыпается асфальтобетонная смесь требуемого объема или массы, лоток вставляется опорами качения (например, в виде подшипников) в криволинейные направляющие Затем секторная часть с рабочей поверхностью тела 9 опускается на поверхность смеси с помощью гидро- или пневмоцилиндра 12 и включается привод 6 возвратно-поступательного движения лотка 4, обеспечивающий возвратно-поступательное движение лотка по криволинейным направляющим. За счет направляющих, имеющих заданный радиус закругления, обеспечивается перемещение лотка по строго заданной траектории, что обеспечивает формование образца материала с заданной кривизной поверхности. Криволинейность нижней границы образца задается радиусом закругления днища лотка 4. Гидро- или пневмоцилиндр 12 обеспечивает заданное давление на материал образца, что позволяет выдерживать требуемую степень уплотнения и толщину формуемого образца. Перемещение секторной части 10 тела 9 обеспечивается за счет трения между его рабочей поверхностью и поверхностью образца.

Увеличение количества опор качения лотка позволяет перераспределить нагрузку от секторной части тела 9 на разнесенные по бокам лотка опорные точки и уменьшить нагрузку на консольно закрепленные оси этих опор. Количество опор качения не оговаривается: минимум два для каждого борта лотка для обеспечения устойчивости и увеличение их до трех-четырех для сохранения устойчивости при снижении нагрузки на каждую опору. Направляющие выполнены дугообразно выгнутыми в сторону приложения нагрузки и поэтому уже обладают достаточным сопротивлением деформациям от давления на лоток. Это вопросы расчета элементов на прочность в зависимости от применяемого типа стали.

Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть использовано для получения в лабораторных условиях достоверной информации по износу дорожного покрытия от взаимодействия с резиной шин и/или шипами противоскольжения. Изобретение обеспечивает достоверность получаемых данных контактного взаимодействия шины с дорожным покрытием за счет формирования полноценного пятна контакта шины с исследуемым покрытием, сформированным по технологии создания дорожного покрытия транспортной инфраструктуры.

Изобретение обносится к области испытания материалов. Стенд для изготовления образцов дорожных покрытий содержит пресс-форму в виде лотка, открытого сверху. Над этим лотком размещен узел регулируемого давления на смесь, выполненный в виде тела с поверхностью дугообразной формы, обращенной в сторону лотка, и закрепленный на раме через шарнир с возможностью качания вокруг горизонтальной оси и с возможностью регулируемого перемещения в сторону лотка. Лоток выполнен с опорами качения на боковых сторонах и шарнирно-звеньевым механизмом. На раме смонтированы две разнесенные относительно друг друга дугообразно выгнутые по траектории с одинаковым радиусом закругления направляющие. В пазах направляющих размещены опоры качения лотка. Образующая дугообразной формы поверхности тела узла регулируемого давления расположена поперек лотка. А стенка дна лотка выполнена дугообразно изогнутой с радиусом закругления, равным радиусу закругления направляющих. Достигается возможность изготовления увеличенных по длине образцов покрытия со структурой уплотнения, максимально приближенной к структуре укатанного дорожным катком покрытия дороги. 1 ил.

Стенд для изготовления образцов дорожных покрытий, содержащий пресс-форму в виде лотка, открытого сверху, используемую для заполнения подготовленной для полимеризации смесью для получения исследуемого дорожного покрытия, размещенный над этим лотком узел регулируемого давления на смесь, выполненный в виде тела с поверхностью дугообразной формы на секторной части, обращенной в сторону лотка, и закрепленный на раме через шарнир с возможностью качания вокруг горизонтальной оси в направлении вдоль лотка и с возможностью регулируемого перемещения в сторону лотка, отличающийся тем, что лоток выполнен с опорами качения на боковых сторонах и шарнирно-звеньевым механизмом связан с приводом его возвратно-поступательного движения, на раме смонтированы две разнесенные относительно друг друга дугообразно выгнутые по траектории одинакового радиуса закругления направляющие, в пазах которых размещены опоры качения лотка, образующая дугообразной формы поверхности секторной части тела узла регулируемого давления расположена поперек лотка, при этом стенка дна лотка выполнена дугообразно изогнутой с радиусом закругления, равным радиусу закругления направляющих.