СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ ВОДЫ, ИМИТИРУЮЩЕГО ДОЖДЕВЫЕ ОСАДКИ НА ДОРОЖНОМ ПОКРЫТИИ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2025 года по МПК G01B5/06 

Изобретение относится к области обеспечения безопасности при движении автомобилей по дорожным покрытиям с различной шероховатостью поверхности, находящихся под воздействием дождевых осадков в мокром состоянии. При движении в дождь слой воды, находящейся над выступами шероховатости дорожной поверхности, оказывает динамическое воздействие на колеса автомобиля. Это приводит к снижению сцепного веса, а при высоких скоростях вызывает аквапланирование - потерю контакта протектора шины с выступами шероховатости покрытия, что является причиной тяжелых ДТП. Для предотвращения этого при проектировании дорог продольные и поперечные профили проезжей части должны проектироваться с учетом зависимостей глубины слоя стока от уклона его поверхности и шероховатости покрытия - факторов, определяющих толщину слоя воды на покрытии при дожде.

Известен способ определения толщины слоя стока воды на покрытии, при котором слой стока рассчитывается по формулам гидравлики, учитывающим продольный и поперечный уклоны, шероховатость дорожной поверхности, длину слоя стока и интенсивность дождя. Известный способ реализуется при помощи формул, определяющих слой стока, а глубина слоя экспериментально определяется при помощи устройства в виде штангенциркуля (1).

Однако указанный способ не дает возможности с высокой точностью определить толщину слоя воды, находящейся между выступами шероховатости каменного материала дорожной поверхности и над ними, создающей динамическое воздействия на автомобильную шину. Способ не позволяет учесть влияние конструктивных особенностей поверхности покрытия на толщину слоя стока, поскольку отсутствуют зависимости скорости движения воды от микро- и макрошероховатости поверхности дорожных конструкций, изготовленных с использованием различных минеральных заполнителей и вяжущих материалов. Использование при этом устройства в виде штангенциркуля не обеспечивает точности измерений.

Известен способ определения расхода воды в открытом канале, который реализуется в известном устройстве - в лотке Паршала. Последний представляет собой корпус, выполненный в виде лотка с вертикальными боковыми стенками, с каналом подвода воды. При этом на входе лоток имеет участок в виде конфузора с горловиной, переходящего в диффузор, который на выходе связан с отводящим каналом. Способ заключается в том, что входящий поток, находящийся в спокойном состоянии, ускоряется в конфузоре лотка и в горловине переходит в критический режим. В критическом режиме удельная энергия потока минимальна, а его глубина пропорциональна расходу. Используя уравнение Бернулли для двух сечений - критического и контрольного сечения невозмущенного потока на входе в лоток, получают зависимость уровня потока в контрольном сечении от расхода или расходную характеристику лотка. Выходя из горловины, поток попадает в диффузор, где частично теряет свою скорость и далее поступает в отводящий канал (2).

Способ с использованием лотка Паршалла предназначен для получения только расходной характеристики потока воды. Конструкция лотка не дает возможности определить влияющую на сцепные качества колеса с дорогой толщину слоя жидкости при различных уклонах дорожной поверхности.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение возможности экспериментального определения толщины слоя воды, находящейся на реальном дорожном покрытии, в зависимости от расхода жидкости, уклона дорожной поверхности и конструктивных особенностей покрытия - для последующей оценки влияния этих факторов на сцепные характеристики колес транспортных средств.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе экспериментального определения толщины слоя воды, имитирующего дождевые осадки на дорожном покрытии, включающем создание потока воды, движущегося по поверхности лотка, имеющего боковые стенки и крайнюю кромку для слива воды, расход которой при этом оценивают, согласно изобретению при испытании на поверхность лотка, состоящего из шарнирно соединенных между собой подвижной и неподвижной частей, наносят реальное дорожное покрытие характеризующееся соответствующей шероховатостью, обеспечивая первоначально заданный одинаковый уклон обеих частей лотка в направлении слива, затем создают поток воды, поступающей на неподвижную и подвижную части лотка, а далее по разности весов в сухом состоянии подвижной части лотка и при поступлении на нее воды рассчитывают общую толщину слоя воды, находящегося при заданном расходе и уклоне на поверхности подвижной части лотка, деля объем воды на площадь последней, при этом толщину слоя воды, находящейся над выступами шероховатости поверхности дорожного покрытия определяют как разность между общим объемом воды и объемом впадин между выступами шероховатости поверхности, причем объем впадин предварительно измеряют для каждого типа дорожного покрытия.

На решение поставленной задачи направлено также то, что объем впадин измеряют известным способом «песчаного пятна».

Решение поставленной задачи достигается также и тем, что устройство для определения толщины слоя воды на дорожном покрытии, содержащее корпус в виде лотка с вертикальными боковыми стенками и каналом подвода воды, согласно изобретению дополнительно снабжено опорной рамой для размещения на ней лотка, а также регулятором расхода, емкостью для подачи воды и весоизмерительным механизмом, при этом лоток выполнен составным в виде двух частей - неподвижной и подвижной, на поверхности которых нанесено реальное дорожное покрытие, причем упомянутая подвижная часть лотка шарнирно соединена с его неподвижной частью, регулятор расхода воды установлен на входе в емкость для ее подачи в лоток, выход которой через горизонтально ориентированное, прямоугольное отверстие герметично связан с неподвижной частью лотка, причем размеры упомянутого отверстия лотка по линии их сопряжения совпадают, а сама емкость жестко закреплена на опорной раме, выполненной в виде двух шарнирно установленных в вертикальных опорах продольных штанг, при этом нижние части вертикальных опор связаны между собой поперечным соединением, а весоизмерительный механизм, определяющий вес подвижной части лотка, выполнен в виде рычажных весов, одно плечо которых связано с подвижной частью лотка, а другое плечо через динамометрическую тягу - с продольными штангами опорной рамы.

На решение поставленной задачи направлено также то, что штанги опорной рамы закреплены в вертикальных опорах с возможностью регулирования наклона устройства в продольном направлении.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема устройства, в котором реализуется заявленный способ, а на фиг. 2 представлен полученный заявленным способом при заданном расходе график зависимости толщины слоя воды и толщины слоя, находящегося над выступами шероховатости поверхности от уклона дорожного покрытия.

Сущность способа экспериментального определения толщины слоя воды, имитирующего дождевые осадки на поверхности дорожного покрытия, заключается в том, что при испытании на поверхности лотка, состоящего из шарнирно соединенных между собой подвижной и неподвижной частей, наносят реальное дорожное покрытие, характеризующееся соответствующей шероховатостью, обеспечивая первоначально заданный одинаковый продольный уклон обеих частей лотка в направлении слива, затем создают поток воды, поступающей на неподвижную и подвижную части лотка. Далее по разности весов в сухом состоянии подвижной части лотка и при поступлении на нее воды рассчитывают общую толщину слоя воды, находящегося при заданном расходе и уклоне на поверхности подвижной части лотка, деля объем воды на площадь последней. При этом толщину слоя воды над выступами определяют как разность между общим объемом воды и объемом впадин между выступами шероховатости поверхности, причем объем впадин предварительно измеряют для каждого типа дорожного покрытия, используя, например, метод «песчаного пятна».

Устройство, реализующее способ экспериментального определения толщины слоя воды на поверхности дорожного покрытия, имитирующего дождевые осадки, содержит корпус в виде лотка 1 с вертикальными боковыми стенками 2 и 3 и каналом 4 подвода воды (фиг. 1). При этом устройство дополнительно снабжено опорной рамой 5 для размещения на ней лотка 1, регулятором 6 расхода воды, емкостью 7 для подачи воды, а также весоизмерительным механизмом 8. Лоток 1 выполнен составным в виде двух частей 9 и 10 - неподвижной и подвижной, соответственно. Причем упомянутая подвижная часть 10 лотка 1 соединена с его неподвижной частью 9 при помощи шарнира 11, имеющего горизонтально ориентированную ось. Регулятор 6 расхода воды установлен на входе в емкость 7 для подачи воды в лоток 1 через выходное отверстие 12, которое имеет прямоугольную форму и ориентировано горизонтально большей своей стороной. При этом размеры выходного отверстия 12 и неподвижной части 9 лотка 1 совпадают по линии 13 сопряжения с обеспечением герметичности. Емкость 7 для воды жестко закреплена на двусторонних продольных штангах 14 и 15, между которыми размещен лоток 1. Двусторонние продольные штанги 14 и 15 посредством шарниров 16 закреплены в вертикальных опорах 17 опорной рамы 5. При этом нижние части 18 вертикальных опор 17 связаны между собой поперечиной 19. Предусмотренный в устройстве весоизмерительный механизм 8 выполнен в виде рычажных весов, одно плечо 20 которых через регулируемую по длине тягу 21 с шарнирами по ее концам и поперечину 22 связано с подвижной частью 10 лотка 1, а другое плечо 23 через динамометрическую тягу 24 и поперечину 25 с продольными штангами 14 и 15, которые через шарниры 16 закреплены на опорной раме 5. Таким же образом опора 26 весоизмерительного механизма 8 жестко связана с упомянутыми продольными штангами 14 и 15 через поперечину 27. Емкость для воды 7 жестко скреплена с продольными штангами 14 и 15 и с неподвижной частью 9 лотка 1, а по другую сторону лотка 1 без связи с последними ориентирована крайняя кромка 28 подвижной части 10 лотка 1 для свободного слива воды. Кроме этого, продольные штанги 14 и 15 закреплены в вертикальных опорах 18 опорной рамы 5 при помощи шарниров 16, обеспечивающих возможность регулирования наклона устройства в продольном направлении. Для достижения горизонтального положения поперечной оси лотка опорная рама 5 снабжена установочными ножками 29.

Способ реализуется в описанном устройстве следующим образом.

На поверхность лотка для создания исследуемого покрытия наносится тонким слоем, например, битум и рассыпается слой дробленого песка либо щебня заданной фракции. После застывания битума шероховатость изготовленного покрытия определяется, например, методом «песчаного пятна». С этой целью на изготовленное покрытие высыпается известный объем мелкого песка, после чего песок разравнивается заподлицо с выступами шероховатости покрытия и измеряется площадь полученного песчаного пятна. Объем впадин покрытия, приходящихся на единицу площади, определяется как отношение объема распределенного по покрытию песка к площади полученного пятна.

При помощи регулируемой по длине тяги 21 за счет поворота подвижной части лотка 10 относительно шарнира 11 совмещают плоскости подвижной 10 и неподвижной 11 частей лотка, после чего имеющийся незначительный по ширине зазор между двумя частями лотка 1 герметизируется с внешней стороны тонкой эластичной резиновой лентой. После этого с использованием высокоточного уровня продольным штангам 14 и 15, а также неподвижной и подвижной частям 9 и 10 лотка 1 придают горизонтальное положение. При этом горизонтальное положение в поперечном направлении достигается при помощи установочных ножек 29, в продольном - при помощи поворота всей конструкции относительно шарниров 16 опорной рамы 5. После этого лотку 1 задают требуемый продольный уклон в направлении слива воды с кромки 28 подвижной части 10, осуществляя поворот конструкции вокруг шарниров 16, имитируя тем самым уклон реального дорожного покрытия, созданного на поверхности лотка 1. Затем с помощью весоизмерительного механизма 8 оценивают вес подвижной части 10 лотка 1 в сухом состоянии, используя динамометрическую тягу 24. При этом нагрузка через поперечину 22 передается на шарнирно-переходное соединение 21 весоизмерительнеого соединения 8, а далее через плечи 20 и 23 - на динамометрическую тягу 24, шарнирно связанную с поперечиной 25, жестко закрепленной на продольных штангах 14 и 15. После этого осуществляют подачу воды по каналу 4 подвода воды с заданным расходом, фиксируемым расходомером 6. После заполнения емкости 7 формируют поток воды, поступающий через выходное отверстие 6 на поверхность подвижной и неподвижной частей 9 и 10 лотка 1. Вес слоя воды, находящейся на подвижной части лотка 1 создает момент относительно горизонтально расположенного шарнира 11, который через тягу 21 и плечи 20 и 25 весоизмерительного механизма 8 воспринимается его динамометрической тягой 24. После заполнения емкости 7 и стабилизации потока воды, находящегося на поверхности неподвижной и подвижной частей 9 и 10 лотка 1, на поверхности подвижной части 10 формируется соответствующий расходу слой воды, вес которого вместе с подвижной частью 10 лотка 1 определяют, фиксируя показания динамометрической тяги 24. О стабилизации движущегося по лотку потока воды судят по стабилизации значения веса, фиксируемого динамометрической тягой 24. Вес же самой жидкости, находящейся на поверхности подвижной части 10 лотка 1, определяют как разность весов подвижной части 10 в сухом состоянии и при наличии на ней стабилизированного потока жидкости. Далее значение разности весов используют для расчета толщины слоя воды, поступившей на подвижную часть 10 лотка 1. Для этого делят вычисленное по весу значение объема воды на площадь поверхности подвижной части 10 лотка 1, а для определения слоя воды, находящейся над выступами шероховатости дорожного покрытия, определяют разность между определенным перед этим общим объемом слоя воды и объемом впадин между выступами шероховатости поверхности, измеренным предварительно.

Опыты повторяют многократно при различных значениях расхода воды и продольного уклона лотка 1 для каждого вида дорожного покрытия.

Полученные значения толщины слоя воды, имитирующей дождевые осадки, позволяют рассчитать толщину слоя воды, находящейся на покрытии в зависимости от интенсивности дождя, уклонов, шероховатости дорожной поверхности и определить влияние толщины слоя на сцепные свойства дорожного покрытия с колесами транспортного средства. Изобретение при этом позволяет проводить эксперименты на реальных конструкциях дорожных покрытий, отличающихся шероховатостью поверхности и материалами, используемыми при их изготовлении.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в способе исследования движения жидкости, включающем движущийся поток воды и лоток, поверхность лотка выполнена с применением материалов, используемых для строительства дорожных покрытий, причем лоток имеет неподвижную часть 9, на длине которой формируется поток, стабилизируются его характеристики, и шарнирно соединенную с ней подвижную часть 10, имеющую тот же угол наклона и ту же конструкцию поверхности, а толщина слоя воды определяется увеличением веса подвижной части лотка 11 относительно веса, определенного при сухом состоянии его поверхности. Поскольку расходомером 6, установленным в канале 4 подвода воды перед емкостью 7, из которой происходит ее поступление в лоток 1, определяется расход движущейся по лотку 1 воды, по увеличению веса подвижной части 10 лотка 1 при поступлении воды рассчитывается толщина ее слоя, а с учетом объема впадин, расположенных между выступами шероховатости, измеренному, например, методом «песчаного пятна», вычитанием объема впадин из общего объема воды, находящегося на поверхности подвижной части лотка 10, определяется объем жидкости, расположенной над выступами шероховатости, и делением полученного объема на площадь подвижной части лотка определяется толщина слоя, с которой взаимодействует шина при начале аквапланирования.

Изобретение поясняется приведенным ниже примером, где изготовленное дорожное покрытие лотка характеризовалось шероховатостью поверхности, определенной методом «песчаного пятна», равной 2,04 мм, а подаваемый по каналу 4 подвода воды и измеренный расходомером 6 расход был равен 14,4 м³/час при этом значение уклона изменялось в пределах от 0% до 83%. В результате проведенных экспериментов по описанной выше методике был получен график зависимости общей толщины слоя воды и толщины ее слоя, находящегося над выступами шероховатости поверхности, от уклона дорожной поверхности (фиг. 2). Из графика следует, что способ позволяет более точно определить толщину слоя воды, влияющего на динамику движения транспортного средства, а именно слоя, находящегося над выступами шероховатости дорожного покрытия.

Таким образом, изобретение при его реализации позволяет для различных конструкций дорожных покрытий экспериментально определить при различных уклонах и различных расходах поступающей воды общую толщину ее слоя на покрытиях и толщину слоя над выступами шероховатости, с которой взаимодействует шина колеса транспортного средства, что дает возможность заранее оценить влияние воды на динамику движения транспортного средства в условиях наличия дождевых осадков.

Литература

1. А.С. Александров, Т.В. Семенова. Экспериментальная оценка глубины слоя стока воды на асфальтобетонном покрытии в период дождей. Вестник Сибири, выпуск 3 (21) 2011 г УДК 625.745.

2. ASTM D1941 - 91 (2013) Стандартный метод испытаний для измерения расхода воды в открытом канале с лотком Паршалла.

Изобретение относится к средствам определения толщины слоя воды, имитирующего осадки на дорожном покрытии. Сущность: устройство для определения толщины слоя воды содержит корпус в виде лотка (1) с вертикальными боковыми стенками (2, 3) и каналом (4) подвода воды. Лоток (1) размещен на опорной раме (5), выполненной в виде двух шарнирно установленных в вертикальных опорах (17) продольных штанг (14, 15). Нижние части вертикальных опор (17) связаны между собой поперечным соединением (19). При этом лоток (1) выполнен из двух частей – неподвижной (9) и подвижной (10), на поверхности которых нанесено реальное дорожное покрытие. Причем подвижная часть (10) шарнирно соединена с неподвижной частью (9). Устройство снабжено регулятором (6) расхода воды, емкостью (7) для подачи воды и весоизмерительным механизмом (8). Емкость (7) для подачи воды жестко закреплена на опорной раме (5). Регулятор (6) расхода воды установлен на входе в емкость (7) для подачи воды в лоток (1). Выход емкости (7) для подачи воды через горизонтально ориентированное прямоугольное отверстие (12) герметично связан с неподвижной частью (9) лотка. Причем размеры отверстия (12) и лотка (1) по линии их сопряжения совпадают. Весоизмерительный механизм (8) выполнен в виде рычажных весов, одно плечо (20) которых связано с подвижной частью (10) лотка, а другое плечо (23) через динамометрическую тягу (24) связано с продольными штангами (14, 15) опорной рамы (5). Технический результат: определение толщины слоя воды, находящейся на реальном дорожном покрытии. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ экспериментального определения толщины слоя воды, имитирующего дождевые осадки на дорожном покрытии, включающий создание потока воды, движущегося по поверхности лотка, имеющего боковые стенки и крайнюю кромку для слива воды, расход которой при этом оценивают, отличающийся тем, что при испытании на поверхность лотка, состоящего из шарнирно соединенных между собой подвижной и неподвижной частей, наносят реальное дорожное покрытие, характеризующееся соответствующей шероховатостью, обеспечивая первоначально одинаковый заданный продольный уклон обеих частей лотка в направлении слива, затем создают поток воды, поступающей на неподвижную и подвижную части лотка, а далее по разности весов в сухом состоянии подвижной части лотка и при поступлении на нее воды рассчитывают общую толщину слоя воды, находящейся при заданном расходе и уклоне на поверхности подвижной части лотка, деля объем воды на площадь последней, при этом толщину слоя воды, находящейся над выступами шероховатости поверхности дорожного покрытия, определяют как разность между общим объемом воды и объемом впадин между выступами шероховатости поверхности, причем объем впадин предварительно измеряют для каждого типа дорожного покрытия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что объем впадин дорожного покрытия измеряют методом «песчаного пятна».

3. Устройство для реализации способа экспериментального определения толщины слоя воды, имитирующего дождевые осадки на дорожном покрытии, содержащее корпус в виде лотка с вертикальными боковыми стенками и каналом подвода воды, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено опорной рамой для размещения на ней лотка, а также регулятором расхода, емкостью для подачи воды и весоизмерительным механизмом, при этом лоток выполнен составным в виде двух частей - неподвижной и подвижной, на поверхности которых нанесено реальное дорожное покрытие, причем упомянутая подвижная часть лотка шарнирно соединена с его неподвижной частью, регулятор расхода воды установлен на входе в емкость для ее подачи в лоток, выход которой через горизонтально ориентированное прямоугольное отверстие герметично связан с неподвижной частью лотка, причем размеры упомянутого отверстия и лотка по линии их сопряжения совпадают, а сама емкость жестко закреплена на опорной раме, выполненной в виде двух шарнирно установленных в вертикальных опорах продольных штанг, при этом нижние части вертикальных опор связаны между собой поперечным соединением, а весоизмерительный механизм выполнен в виде рычажных весов, одно плечо которых связано с подвижной частью лотка, а другое плечо через динамометрическую тягу - с продольными штангами опорной рамы.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что штанги опорной рамы закреплены в вертикальных опорах с возможностью регулирования наклона устройства в продольном направлении.