Содержание к диссертации
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ 6
Динамические эффекты, возникающие при столкновении шипа
противоскольжения с поверхностью дороги 25
Износ дорожного покрытия ошипованными шинами 37
Анализ значимости износа дорожного покрытия ошипованными шинами в
разных странах 37Финляндия 42
Анализ российской нормативной документации по эксплуатации ошипованных
ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ШИПА
ПРОТИВОСКОЛЬЖЕНИЯ 71
Методика определения значений параметров упругих и демпфирующих связей в
системе «металлокордный каркас легковой шины — выступ протектора легковой шины— шип противоскольжения — поверхность дороги» 92
Результаты исследования функционирования системы «выступ протектора шины
- шип противоскольжения — поверхность дороги» методом конечных элементов 109
Результаты исследования свойств системы «металлокордный каркас шины —
выступ протектора шины - шип противоскольжения — поверхность дороги» с
помощью математической модели ударного взаимодействия шипа с дорогой 112ГЛАВА 5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЕЛИЧИН ДИАГНОСТИЧЕСКИХ
НОРМАТИВОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕКУЩЕГО ТЕХНИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ ОШИПОВКИ ЗИМНЕЙ ОШИПОВАННОЙ ЛЕГКОВОЙ
ШИНЫ 1385.2.3. Методика расчета предельного диагностического норматива для
диагностического параметра «количество выпавших или запавших шипов» 149
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕВ представленной работе используются следующие основные термины и
определения.Диагностика - отрасль знаний, изучающая признаки неисправностей
технических систем, методы, средства и алгоритмы определения их
технического состояния без разборки, а также технологию и организацию
использования систем диагностирования в процессах эксплуатации
технических систем.Диагностирование — процесс определения технического состояния
объекта без его разборки, по внешним признакам путем измерения величин,
характеризующих его состояние и сопоставления их с нормативами.Диагностический параметр — пригодная для измерения физическая
величина, связанная с параметрами технического состояния объекта
диагностирования и несущая информацию о его состоянии.Диагностический норматив — величина, используемая для
количественной оценки технического состояния объекта диагностирования.Начальный диагностический норматив - соответствует величине
диагностического параметра новых, технически исправных объектов
диагностирования.Допустимый диагностический норматив — величина диагностического
параметра при непревышении которой обеспечивается заданная вероятность
отказа объекта диагностирования на межконтрольном пробеге.Предельный диагностический норматив — соответствует такому
состоянию объекта диагностирования, при котором его дальнейшая
эксплуатация становится невозможной или нецелесообразной по технико-
экономическим соображениям.
Система диагностирования — комплекс, включающий диагностические
параметры, характеризующие состояние объекта диагностирования, средства и
алгоритмы их измерения и диагностические нормативы.Комплекс диагностических параметров — набор диагностических
параметров, путем измерения которых можно с высокой достоверностью
оценивать текущее техническое состояние объекта диагностирования.Условные обозначения, принятые в работе
В табл. 1 приведены следующие принятые в работе условные обозначения.
Таблица 1
Продолжение табл. 1
Продолжение табл. 1
Введение к работе
Значительная часть территории РФ располагается в областях умеренного
и умеренно-холодного климата, из-за чего большие по протяженности участки
автодорожной сети страны в зимнее время года покрываются слоем укатанного
снега или льда. Это существенно понижает безопасность дорожного движения
и увеличивает продолжительность доставки грузов и пассажиров.Региональные службы, в чьей компетенции находится содержание
автомобильных дорог, вынуждены принимать определенные меры по борьбе с
обледенением дорожного покрытия в зимние месяцы.Существует несколько способов борьбы с зимней скользкостью.
Основными из них является механическая уборка снега с проезжей части и
рассыпание на дороги песчаных и песчано-солевых смесей с применением
солей, обладающих способностью при взаимодействии со снежно-ледяными
отложениями переводить их в раствор, не замерзающий при отрицательных
температурах.Но наиболее эффективным и общепризнанным способом борьбы с
зимней скользкостью является оснащение автомобильных шин шипами
противоскольжения, благодаря которым удается повысить устойчивость и
управляемость автомобиля на обледенелой поверхности дороги, сократить
тормозной путь и время разгона, уменьшить утомляемость водителя и
увеличить среднюю скорость движения.В РФ с каждым годом все больше автовладельцев в зимнее время года
устанавливают на свои автомобили зимние ошипованные шины, что в
совокупности с общим ростом численности автопарка увеличивает масштабы
применения шипов противоскольжения. Но, не смотря на это, в России до сих
пор отсутствуют положения, регулирующие использование шипов.Основной нормативный документ, определяющий порядок обслуживания
и эксплуатации автомобильных шин на территории РФ ("Правила эксплуатации
автомобильных шин" (АЭ 001-04)), к шипам противоскольжения предъявляет
только одно требование — они должны устанавливаться на все колеса
автомобиля, включая запасное. В отношении диагностирования технического
состояния ошипованной шины в документе не предлагается никаких
дополнительных диагностических параметров, кроме остаточной высоты
протектора, с помощью которой невозможно оценить текущее техническое
состояние ошиповки шины и её эксплуатационные свойства.Учитывая тот факт, что общий ресурс ошипованной шины зависит от
ресурса ошиповки и может существенно уменьшаться при неблагоприятных
условиях эксплуатации, отсутствие системы диагностирования ошипованных
шин значительно снижает безопасность дорожного движения в зимнее время
года.При неконтролируемом изменении коэффициента сцепления
ошипованной шины с поверхностью дороги возможно возникновение
аварийных ситуаций, причиной которых становится увеличение тормозного
пути и ухудшение управляемости автомобиля.Кроме этого, многочисленные исследования, проведенные в Японии,
США, Финляндии и других странах, выявили проблему отрицательного
воздействия ошипованных шин на поверхность дороги и их непосредственное
влияние на рост запыленности околодорожного пространства вследствие
интенсивного выкрашивания шипами противоскольжения частиц дорожного
покрытия.В связи с этим, задача исследования влияния текущего состояния
ошиповки на эксплуатационные свойства ошипованной легковой шины, а
также на интенсивность разрушающего воздействия шипами
противоскольжения дорожного покрытия и разработка на основе полученной
информации системы диагностирования ошиповки зимних ошипованных
легковых шин, включающей:диагностические параметры,
диагностические нормативы,
средства измерения диагностических параметров
и позволяющей оценивать эксплуатационные свойства ошипованной легковой
шины, является весьма актуальной.
Цель диссертационной работы. Разработка методики выбора
диагностических параметров для оценки текущего технического состояния
ошиповки зимних легковых шин и расчета предельных нормативов для данных
параметров на основе требований к безопасности эксплуатации автотранспорта
в зимнее время.Методы исследования. Основными методами являлись: математическое
моделирование, моделирование методом конечных элементов, эксперимент с
применением лабораторных стендов, натурный эксперимент, регрессионный
анализ полученных данных.Направления исследований. При анализе имеющейся информации по
теме диссертационной работы выявлены следующие направления, по которым
необходимо провести исследования:Исследовать напряженно-деформированное состояние выступа
протектора легковой шины с запрессованным в него шипом.Исследовать характер износа отверстия под шип в процессе эксплуатации
ошипованной легковой шины.Исследовать изменение интенсивности ударного воздействия шипа на
дорожное покрытие при износе отверстия под шип.Исследовать изменения коэффициента сцепления ошипованной
легковой шины с обледенелым дорожным покрытием при износе отверстия под
шип, уменьшении высоты выступания шипов из протектора шины и выпадении
или западании шипов.Произвести выбор диагностических параметров для оценки текущих
эксплуатационных свойств ошипованной зимней легковой шины и разработать
методику расчета предельных диагностических нормативов для данных
параметров.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
1. Разработана конечноэлементная модель системы «выступ протектора
легковой шины — шип противоскольжения».
Разработана математическая модель ударного взаимодействия шипа с
поверхностью дороги.Разработана методика и оборудование для определения параметров
упругих и демпфирующих связей в системе «выступ протектора легковой
шины — шип противоскольжения — поверхность дороги».Вычислена сила удара и импульс силы удара шипа о поверхность
дороги при различной степени износа системы «выступ протектора легковой
шины — шип противоскольжения». Установлено влияние степени износа
данной системы на интенсивность ударного воздействия шипа на поверхность
дороги.Исследовано влияние интенсивности ударного воздействия шипа
противоскольжения на скорость износа дорожного покрытия.Исследована зависимость коэффициента сцепления ошипованной
легковой шины с обледенелой поверхностью дороги от её пробега с начала
эксплуатации, температуры льда, количества выпавших или запавших шипов и
высоты их выступания из протектора шины.Разработана методика расчета предельных диагностических
нормативов для выбранных диагностических параметров.Использование предложенного комплекса диагностических
параметров, включающего «смещение шипа под поперечной нагрузкой 65 Н»,
«количество выпавших или запавших шипов» и «высоту выступания шипов из
протектора шины», позволяет контролировать текущие эксплуатационные
свойства зимней ошипованной легковой шины и повысить безопасность
эксплуатации автомобильного транспорта в зимнее время.Рассчитанные на основе предложенной методики предельные
нормативы для выбранных диагностических параметров обеспечат
возможность выявлять ошипованные легковые шины, эксплуатационные
свойства которых перестают удовлетворять требованиям дорожной
безопасности.абразивно-фрикционный износ протекторной резины;
усталостный износ;
тепло-химический износ.
фактические расходы, необходимые для возмещения износа дорожного
покрытия ошипованными шинами в течение 11 лет (с 1995 по 2005 гг.) для
государственной дорожной сети штата составили приблизительно 103 млн. $.увеличение использования «легких» шипов противоскольжения может
Практическая ценность исследований заключается в следующем:
Апробация работы. Основные результаты работы представлены и
обсуждены на конференциях:Молодые исследователи — регионам: Всероссийская научная конференция
студентов и аспирантов. Вологда: ВоГТУ, 2006 г.Ежегодная сессия аспирантов и молодых ученых. Вологда: ВоГТУ, 2007 г.
Вузовская наука — региону: Шестая всероссийская научно-техническая
конференция. Вологда: ВоГТУ, 2008 г.Восьмая международная научно-практическая конференция "Организация и
безопасность дорожного движения в крупных городах". Санкт-Петербург:
СПбГАСУ, 2008 г.Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы
развития лесного комплекса". Вологда: ВоГТУ, 2008 г.Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных
статей.Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти
глав, выводов и результатов исследований, библиографии и 2 приложений.
Объем диссертации составляет 172 страницы основного текста, содержит 17
таблиц и 46 рисунков. Список использованных научных источников содержит
153 наименования (из них 71 на русском языке и 82 — на английском языке).
На защиту выносятся следующие положения:Методика исследования интенсивности ударного воздействия шипов
противоскольжения на дорожное покрытие, а также математическая модель
ударного взаимодействия шипа противоскольжения с поверхностью дороги.Результаты исследований:
износа отверстия под шип противоскольжения в протекторе
ошипованной легковой шины;изменения в процессе эксплуатации ошипованной легковой шины
интенсивности ударного воздействия шипов противоскольжения на дорожное
покрытие;
- изменения коэффициента сцепления ошипованной легковой шины с
обледенелой поверхностью дороги при износе отверстия под шип, изменении
температуры льда, уменьшении количества работоспособных шипов в шине и
изменении высоты выступания шипов из протектора.3. Диагностические параметры для оценки текущих эксплуатационных
свойств зимней ошипованной легковой шины, методика их измерения и расчета
величин предельных диагностических нормативов.1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Безопасность эксплуатации автомобильного транспорта в зимнее
время
Одной из главных проблем при эксплуатации автомобилей является
проблема обеспечения безопасности дорожного движения в зимнее время года.Анализ официальной статистики показывает, что основная часть
серьезных ДТП происходит именно в осенне-зимний период.Повышение безопасности дорожного движения Указом Президента
Российской Федерации от 19 июля 2004 г. № 927 включено в число основных
задач МВД России. Реализацией данного указа стала федеральная целевая
программа «Повышение безопасности дорожного движения в 2006-2012 годах».Для обеспечения безопасности движения автомобилей на обледенелых и
заснеженных дорогах применяется целый ряд средств, но одним из наиболее
эффективных являются зимние ошипованные шины.Зимнюю скользкость на дорожных покрытиях создают все виды снежно-
ледяных отложений, снижающие коэффициент сцепления колес автомобиля с
покрытием. При ее образовании уменьшается скорость движения автомобилей
и возрастает количество дорожно-транспортных происшествий. Снежно-
ледяные отложения, образующиеся на дороге, по своему физическому
состоянию и внешним признакам подразделяется на следующие виды: рыхлый
снег, уплотненный снег (накат), лед [64].Отложения рыхлого снега образуются на дорожном покрытии при
снегопадах в безветренную погоду. Плотность свежевыпавшего рыхлого снега
колеблется в диапазоне от 0,06 до 0,20 г/см . В зависимости от содержания
влаги снег может быть сухим, влажным, мокрым. При выпадении этих
атмосферных осадков коэффициент сцепления неошипованных шин с дорогой
понижается до ~ 0,2;Накат представляет собой слой спрессованного колесами автомобилей
снега различной толщины (от нескольких миллиметров до нескольких
сантиметров) плотностью от 0,3 до 0,6 г/см . Коэффициент сцепления
неошипованных шин с поверхностью дороги в зависимости от температуры
составляет 0,10-И),25.3. Стекловидный лед появляется на дорожном покрытии в виде гладкой
стекловидной пленки толщиной 1-=-3 мм и изредка в виде матовой белой
шероховатой корки толщиной до 10 мм и более. Отложения стекловидного льда
имеют плотность 0,7-И),9 г/см , а коэффициент сцепления неошипованных шин
составляет 0,08-П),15. Стекловидный лед является наиболее опасным видом
скользкости. Он образуется при выпадении дождя или мороси при
отрицательных температурах, вследствие замерзания жидких атмосферных
осадков на холодном дорожном покрытии. Стекловидный лед образуется в
основном при температуре от -3 до -6С. Отложения льда в виде матово-белой
корки (их плотность 0,5-И),7 г/см ) образуются во время появления плотного
тумана с ветром, когда температура воздуха колеблется около 0С.Для борьбы с зимней скользкостью в настоящее время используются
механические способы (песок) и химические вещества и их смеси,
способствующие разрушению и удалению льда с поверхности дороги.Химические способы борьбы с зимней скользкостью основаны на
применении солей, в основном хлоридов, обладающих способностью при
контакте переводить снежно-ледяные отложения в жидкий раствор, не
замерзающий при отрицательных температурах [22, 36, 39,41, 44, 45, 65].К механическим способам можно отнести:
применение песчаных смесей, повышающих коэффициент сцепления
колес автомобиля с обледенелой поверхностью дороги;оснащение шин шипами противоскольжения, позволяющее
существенно повысить коэффициент сцепления при движении автомобиля по
обледенелой поверхности дороги (массовое использование ошипованных шин
также поддерживает повышенную шероховатость ледяного покрытия, что
обеспечивает дополнительное увеличение коэффициента сцепления для
обычных неошипованных шин).
Однако применение шипов противоскольжения не лишено недостатков.
Проблема негативного влияния ошипованных шин на дорожное покрытие
возникла еще в начале 70-х годов, когда использование ошипованных шин
получило широкое распространение в Западной Европе, Северной Америке и
Японии. Вскоре после её выявления применение шипов противоскольжения в
большинстве стран было или ограничено или полностью запрещено [92, 131].Применение шипов в автомобильных шинах является фактором
географическим. Есть только три географических ареала, где применение
шипов противоскольжения обусловлено фактором безопасности и
необходимости. Это Скандинавия, Северная Америка и Россия.1.2. Целесообразность применения зимних ошипованных шин
Начало использования ошипованных шин в России сопровождалось
обширными исследованиями НИИАТ, проводимыми в различных
автотранспортных предприятиях страны [15, 16, 17, 28, 29, 31, 52, 66]. В
процессе данных исследований велось наблюдение за эксплуатацией
автомобилей, оснащенных ошипованными шинами.Всеми АТП, участвующими в исследовании, было отмечено
положительное влияние шипов противоскольжения на изменение
эксплуатационных свойств автомобилей в зимний период. В частности,
появилась возможность использования прицепов во время гололеда,
увеличения скоростей движения, соблюдения сроков доставки грузов и
графиков пассажирских перевозок.Большинство водителей также отметили существенное снижение
утомляемости при управлении автомобилем на обледенелых дорогах. За все
время наблюдений не было зафиксировано ни одного дорожно-транспортного
происшествия по причине скользкого дорожного покрытия у автомобилей на
шинах с шипами, тогда, как по этой же причине в ДТП участвовали 4-5%
автомобилей с неошипованными шинами.
С целью получения объективных данных на ряд автомобилей, занятых на
внутригородских и междугородних перевозках были установлены тахографы,
фиксирующие скорости движения, время движения и время простоя каждого
автомобиля.Полученные результаты показали, что скорости и производительность
автомобилей с ошипованными шинами на междугородних перевозках
существенно возрастают. В частности, у ошипованных грузовых автомобилей,
по сравнению с неошипованными, производительность во время гололеда
увеличилась более чем в 1,5 раза и всего на 1...1,5% уступает
производительности в летний период.Производительность грузовых автомобилей на внутригородских
перевозках возрастает всего на 10%. Это объясняется короткими пробегами,
длительными простоями при погрузке и разгрузке, а также тем, что скорость
движения транспортного потока в городе лимитируется автомобилями без
шипов. Эффективность таксомоторных перевозок возрастает примерно на 18%,
из них 6% за счет повышения скоростей движения и 12% — ускорение
оборачиваемости транспорта.Ошиповка городских автобусов позволила им выдерживать график
движения независимо от состояния дорог. Увеличения скоростей, естественно,
быть не могло, т.к. графики движения едины для ошипованных и
неошипованных автобусов. Применение ошипованных шин на междугородних
автобусах привело к таким же результатам, как и на грузовых междугородних
перевозках. Устойчивость и надежность управления обеспечивались в любую
погоду, а возросшие скорости позволили без особого труда выдерживать летние
графики движения.Высокие скорости движения и сложная дорожная обстановка
предъявляют повышенные требования к управляемости и динамическим
качествам автомобилей. Например, в городе только 15...25% времени
автомобиль движется равномерно, а остальное — разгон и торможение. Очень
важно, чтобы во время обгонов, на поворотах и при других манёврах
автомобиль двигался устойчиво, без заносов [28, 52].НИИАТ провёл комплексные испытания с целью определения влияния
расположения ошипованных шин на автомобилях на безопасность движения
[28, 52]. Объектами испытаний были автомобили ГАЗ-ЗПО, ГАЭ-53А, ЗИЛ-
431410, ЗИЛ-431410 с прицепом ИАПЗ-754В и МАЗ-5429 с полуприцепом
МАЗ-5245. Каждый автомобиль или автопоезд испытывался со всеми
возможными вариантами расположения ошипованных шин.Результаты испытаний показали, что на легковом автомобиле
наибольший эффект даёт ошиповка всех четырёх шин, сокращающая
тормозной путь в 2...2,5 раза по сравнению с автомобилем без шипов. При
ошиповке передних шин тормозной путь снижается меньше - на 35...40 %, а
задних - всего на 25...30%. Любая асимметричная ошиповка вызывает
стабильный занос автомобиля.Тормозные пути одиночных грузовых автомобилей со всеми
ошипованными шинами уменьшаются примерно в 2,5 раза, а при ошиповке
передних и двух задних (по одной с каждой стороны) — почти в 2 раза. При
ошиповке только четырёх задних шин результат почти такой же, как и при
ошипованных передних и по одной из двух парных задних шин.
Несимметричная ошиповка приводит к заносу, правда, не к такому сильному,
как у легковых автомобилей. Торможение с одной ошипованной передней
шиной приводит к немедленному развороту автомобиля независимо от
скорости.Испытания автопоездов показали, что заносов и «складывания» не
происходит только в том случае, когда все шины тягача и прицепа ошипованы,
или если на прицепе ошипованных шин больше, чем на тягаче. При
несимметричном расположении ошипованных шин на любой оси занос
неизбежен, причём, если на прицепе ошипованы только передние шины, то
занос, переходящий в складывание происходит даже при неошипованном
тягаче. В среднем у автопоездов со всеми ошипованными шинами, тормозной,
путь уменьшается в 2,2...2,6 раза.Разгонная динамика зависит, естественно, только от ошиповки шин на
ведущих колесах. На заднеприводных автомобилях со всеми ошипованными
шинами на ведущих колёсах динамика улучшается на 30...45% по сравнению с
неошипованными. На переднеприводных — на 28... 30% [52].Наличие одного ведущего колеса с ошипованной шиной с каждой
стороны ведущей оси одиночного грузового автомобиля улучшает динамику на
20...25%.Испытания на прохождение поворота показали, что наибольшая скорость
до момента заноса отмечена у автомобилей со всеми ошипованными шинами.
По сравнению с неошипованными прирост скорости составил 70 ... 100% у
легкового и одиночных грузовых автомобилей, и более 100% у автопоездов.Таким образом, результаты исследований доказывают целесообразность
ошиповки зимних автомобильных шин. При этом все шины автомобиля
(автопоезда) должны быть ошипованы [28, 52].1.3. Мировой опыт эксплуатации ошипованных шин
Значительная доля информации, относящаяся к проблемам эксплуатации
ошипованных шин, была получена с интернет-страниц библиотек США:
Washington State of Transportation Library, Transportation Research Board
Publication Index, University of California Institute of Transportation Studies
Harmer E. Davies Library, Northwestern University Transportation Library,
National Transportation Library, а также с помощью системы «Orion»
Калифорнийского университета, проводящей поиск по университетским
библиотекам США. Кроме того, производилась выборка информации из
исследовательских отчетов скандинавских стран: Technical Research Centre of
Finland, Norvegian Public Roads Administration, Institute of Transport Economics,
Swedish National Road and Transport Research Institute, Iceland Public Road
Administration.Одной из центральных тем, рассмотренных во всех анализируемых
источниках, является проблема негативного влияния ошипованных шин на
дорожное покрытие, его стойкость к износу и долговечность.Износу дорожного покрытия под воздействием ошипованных шин
посвящены работы [72, 76, 84, 116, 118, 119, 121, 122, 126, 134, 136, 140, 146,
149, 150, 152].Проблема износа дорожного покрытия шипами противоскольжения
привела многие страны к необходимости принятия ограничительных или
запретительных мер в отношении шипов противоскольжения и
финансирования многочисленных исследований, направленных на
совершенствование шипов и шин, а также на создание новых износостойких
видов дорожного покрытия.Результатом исследований стало введение сезонных ограничений на
использование ошипованных шин в скандинавских странах и странах
восточной Европы.Civil Engineering Research Institute (США) в конце 90-х годов провел
исследования по применению шипов противоскольжения, направленные на
изучение их влияния на интенсивность износа дорожного покрытия. К
исследованиям были привлечены такие исследовательские учреждения, как
VTT/Transport Research (Финляндия), Nordic Transport Research (Швеция) и
отдельные исследователи из США, Канады, Германии и Японии. Результатом
стало подтверждение и уточнение уже существующего законодательного
регулирования использования ошипованных шин во всех 50 штатах и округе
Колумбия. Так в 32 штатах были продолжены сезонные ограничения
(например, возможно применение с 1 ноября до 1 апреля), в 7 штатах
(северных) осталась возможность неограниченного применения, а в 11 штатах
(южных) подтвержден полный запрет на ошипованные шины.Большие расходы на исследовательские работы обоснованы тем, что
дорожные службы затрачивают огромные средства на восстановление и ремонт
дорог, поврежденных шипами противоскольжения. ODOT (Oregon Department
of Transportation) оценил ежегодный ущерб от ошипованных шин только на
дорогах штата Орегон в 40 млн. долларов.При этом практически во всех исследовательских отчетах утверждается,
что ошипованные шины более эффективны на льду по сравнению с любыми
другими шинами, в том числе всесезонными и специальными зимними без
шипов. Однако они менее эффективны в других условиях, в частности на сухом
асфальте.Целью многих исследований также был социоэкономический эффект от
использования ошипованных шин [85, 93, 96, 97, 98, 102, 106, 123, 125, 127,
128, 138, 150] и экологическое влияние на окружающую среду [121].
Исследования, проведенные в Alaska Department of Transportation, показали, что
при использовании ошипованных шин значительно уменьшается время
междугородних перевозок, достигается сокращение расхода топлива и
транспортных расходов. Кроме того, ущерб от аварийности по своему уровню
сопоставим с расходами на ремонт дорог.В Японии ошипованные шины полностью запрещены вследствие их
значительного влияния на уровень концентрации дорожной пыли. При этом,
как указывается в исследованиях, количество дорожной пыли после введения
запрета было уменьшено, однако, увеличилось число ДТП в периоды, когда
дороги покрывались снежным накатом и льдом. Кроме того, в исследованиях
приводятся данные о том, что неошипованные шины полируют дорогу,
покрытую снегом, снижая тем самым коэффициент сцепления, в то время как
ошипованные шины разрушают укатанный снег и лед, обеспечивая лучшие
условия для неошипованных шин.Исследования, проведенные в Японии, показали также, что одной из
альтернатив ошипованным шинам может быть соль. Приводятся расчетные
данные, что если 75% проезжающих автомобилей оснащены ошипованными
шинами, то достичь эквивалентной безопасности можно, если на каждый
километр дороги высыпать 10 тонн соли [118, 126].В финских источниках 70-х годов отмечается, что наилучший эффект
безопасности достигается при одновременном применении соли и
ошипованных шин, но с середины 80-х годов соль в Финляндии практически
перестала использоваться для целей повышения безопасности дорожного
движения.В России применение ошипованных шин в настоящее время остается не
регламентированным, несмотря на значимость проблемы износа дорожного
покрытия и больших расходов на поддержание исправного состояния
федеральной дорожной сети.1.4. Кинематика и геометрия автомобильного колеса
У эластичного колеса вследствие его деформации под нагрузкой
различают свободный радиус гсв, статический радиус гст, динамический радиус
г дин и радиус качения гк [27].Свободный радиус представляет собой радиус беговой дорожки колеса,
свободного от внешней нагрузки. Он определяется непосредственным
измерением расстояния от беговой дорожки до оси колеса. Свободный радиус
колеса изменяется с изменением давления воздуха в шине и с изменением
скорости вращения. Он несколько увеличивается с возрастанием давления
воздуха и скорости вращения колеса.Статическим радиусом гст называется расстояние от оси неподвижного
колеса, нагруженного нормальной нагрузкой, до плоскости его опоры.Расстояние от оси движущегося колеса до плоскости опоры называется
динамическим радиусом гдип.Статический и динамический радиусы уменьшаются с увеличением
нормальной касательной нагрузки и уменьшением давления воздуха в шине.
Динамический радиус зависит также от скорости движения: с увеличением
скорости он несколько возрастает. При движении колеса с малой скоростью
статический и динамический радиусы почти одинаковы.Динамический радиус колеса, движущегося по твердой опорной
поверхности, является плечом приложения толкающей силы. Величина его
может быть определена либо непосредственным изменением расстояния от оси
движущегося колеса до дороги, либо расчетом, т. е. отношением разности
крутящего момента и момента, обусловленного произведением
равнодействующей нормальных сил на плечо сноса, к толкающей силе.В расчетах обычно пренебрегают разностью между статическим и
динамическим радиусами колеса вследствие сложности определения
последнего и незначительности отличия от первого [27].Радиусом качения (кинематическим радиусом) гк принято называть
радиус такого фиктивного жесткого колеса, которое при отсутствии
пробуксовывания и проскальзывания, имея одинаковую с действительным
колесом скорость вращения, одновременно с этим имеет и одинаковую с ним
скорость качения [27]. Радиусом качения характеризуется путь, пройденный
колесом за один оборот. По определению радиус качения равен отношению
скорости поступательного движения оси колеса к его угловой скорости.1.5. Динамические эффекты, возникающие при столкновении шипа
противоскольжения с поверхностью дорогиПроблема возникновения динамических эффектов, т.е. ударов шипа
противоскольжения о дорогу при столкновении с ее поверхностью, отражена
почти во всех исследованиях, посвященных эксплуатации ошипованных шин.
Многие исследователи пришли к выводу, что неизбежный удар шипа при
вхождении в контакт с поверхностью дороги негативно влияет на
долговечность дорожного покрытия, т.е. ускоряет его износ.
1.5.1. Теория ударных взаимодействий
Ударом называется явление, при котором скорости взаимодействующих
тел изменяются на конечную величину за очень малый промежуток времени.
Сила, возникающая в момент удара, называется силой удара Fyd. А промежуток
времени т, в течение которого происходит удар, - временем удара [7, 21, 24,
37, 38, 43, 59, 68].Так как сила удара очень велика и за время удара изменяется в широких
пределах, то в базовой теории удара в качестве меры взаимодействия тел
рассматривается не сама сила удара, а ее импульс (ударный импульс).Ударный импульс является величиной конечной и определяется по
формуле:IydJ\Fyddt = F^r. (1.1)
Импульсы неударных сил за время т имеют очень малые значения,
поэтому ими можно пренебречь.Обозначим скорость тела в начале удара, т.е. в момент первоначального
касания взаимодействующих тел — v, скорость в конце удара — и. Тогда теорема
об изменении количества движения при ударе будет иметь вид:m(u-v) = Y.Sk, (1.2)
т. е. изменение количества движения материальной точки за время удара равно
сумме действующих на точку ударных импульсов. Данное уравнение является
основным уравнением базовой теории удара.Величина ударного импульса, появляющегося при соударении двух тел,
зависит не только от их масс и скоростей удара, но и от упругих свойств
соударяющихся тел. Эти свойства характеризуются величиной, называемой
коэффициентом восстановления при ударе.Рассмотрим падение и удар шара о неподвижную горизонтальную
жесткую плиту (рис. 1.1). Если перпендикулярная к нормали плиты скорость
Рис. 1.1. Падение шара на горизонтальную жесткую поверхность.
Для прямого удара можно выделить две стадии. На первой стадии удара
первоначальная скорость шара, равная v, убывает до нуля. Шар при этомдеформируется, и вся его начальная кинетическая энергия 0,5-M-v переходит
во внутреннюю потенциальную энергию деформированного тела. На второй
стадии удара шар под действием внутренних упругих сил начинает
восстанавливать свою форму переводя накопленную внутреннюю
потенциальную энергию в кинетическую энергию движения шара от плиты. В
конце удара скорость шара будет равна и, а кинетическая энергия - 0,5-M-v . Но
полного восстановления механической энергии шара при этом не произойдет
вследствие того, что часть ее уйдет на необратимые пластические деформации
взаимодействующих тел и их нагрев. Поэтому скорость и будет меньше скоростиV.
шара равно нулю, удар считается прямым, т.е. траектория падания и отскока
шара совпадают.Величина R, равная при прямом ударе тела о неподвижную преграду
Отношение модуля скорости и к модулю скорости v, называется
коэффициентом восстановления при ударе:
R = ~. (1.3)
Значение коэффициента восстановления определяется опытным путем.
Для рассмотренного ранее случая свободного падения шара на
неподвижную плиту величину R можно найти измерив высоту падения Нпад и
высоту отскока Нотс. Тогда по формуле Галилеяv = ^2gHnad, и = 4lgHomc . (1.4)
"innad
Для некоторых материалов значения коэффициента восстановления (при
скоростях соударения порядка 3 м/с) приведены в табл. 1.1.Таблица 1.1
Значение коэффициентов восстановления
1.5.2. Интенсивность ударного воздействия шипа на поверхность дороги
Для выявления факторов, варьируя которыми можно управлять
интенсивностью ударного воздействия шипа на дорогу, в работе [46] был
проведен рад опытов на специально изготовленном динамическом стенде,
схема которого приведена на рис. 1.2.В результате проведенных исследований были получены зависимости
условного ударного импульса (1уд), характеризующего интенсивность ударного
воздействия шипа на дорогу, от угловой жесткости посадки шипов (рис. 1.3) и
от величины выступания шипов из протектора шины (рис. 1.4) для автошин
175/70 R13 моделей Я-620, К-190 М, Кама-578.
\ Ч 4 -А Ч". Ч Ч Ч V Ч.1"чТ -
Рис. 1.2. Динамический стенд ИС - 1:
1 - рама; 2 — автомобильное колесо; 3 — барабан; 4 — опора барабана; 5 —
механизм нагружения; 6 - динамометр ДПУ-О- 2; 7 — коробка передач; 8 -
электродвигатель; 9 - шип противоскольжения; 10 - пластина датчика; 11 —
датчик.Анализ полученных в исследовании данных позволил прийти к
следующим заключениям:при уменьшении исходной угловой жесткости посадки шипа (путем
увеличения диаметра отверстия) наблюдается стабильное увеличение ударного
импульса;при уменьшении выступания шипов из протектора шины наблюдается
стабильное уменьшение ударного импульса;увеличение твердости материала протектора приводит к некоторому
уменьшению ударного импульса;для минимизации динамического воздействия шипов
противоскольжения на твердые элементы дорожного покрытия в процессе
эксплуатации шины следует: снижать твердость материала протектора;
устанавливать шипы в отверстия меньшего диаметра, но это снижает
долговечность системы; уменьшить высоту выступания шипов из протектора
шины, но это снижает коэффициент сцепления протектора шины со скользкими
поверхностью протектора, мм
Рис. 1.4. График зависимости
условного ударного импульса Sy$ от
величины выступания шипов из
протектора шины 1 — Кама-578,1 -К-
190 М, З-Я-620.1.6. Виды и свойства дорожного покрытия
Дорога - это сложное инженерно-техническое сооружение (рис. 1.5),
основными элементами которой являются земляное полотно и расположенная
на нем проезжая часть, в свою очередь, состоящая из основания,
дополнительного слоя основания и покрытия [8, 19, 23, 34, 70].Рис. 1.3. График зависимости
условного ударного импульса Syd от
угловой жесткости посадки шипа
1 - Кама-578, 2 - К-190 М.З-Я-
620.поверхностями [46].
Дорожные покрытия подразделяются на четыре основные группы:
— усовершенствованные капитальные (асфальто- и цементо-бетонные,
брусчатые и мозаиковые мостовые), применяемые на дорогах I - III категорий;
усовершенствованные облегчённые (щебеночные, гравийные и
клинкерные, обработанные органическими вяжущими материалами на
битумной основе), применяемые на дорогах II - IV категорий;переходные (гравийные, щебеночные, шлаковые, булыжные и из
колотого камня мостовые, а также грунтовые, пропитанные вяжущими
веществами), применяемые на дорогах III - V категорий и предназначенные для
использования в будущем, как основание для усовершенствованных покрытий;грунтовые и другие виды покрытий из местных материалов,
применяемые на дорогах IV — V категорий.1 - дорожное покрытие, верхний слой дорожной одежды; 2 -
основание дорожного покрытия, несущий слой дорожной
одежды; 3 - дополнительный слой основания дорожного
покрытия, дренирующий слой; 4 - дерн; 5 - крупный щебень; П. Ч, -
проезжая часть. О - обочины. К - кюветы; а-а, б-б, в-в, г-г, д-д, е-
е - последовательность оттаивания дорожного полотна.В свою очередь, категории дорог устанавливаются в зависимости от их
значения (республиканские, областные, районные и т.п.) и технико-
эксплуатационных характеристик (перспективная интенсивность движения,
расчетная скорость, ширина проезжей части, величина продольных уклонов и
т.д.). Дороги I и II категорий допускают нагрузку на одиночную ось не более 10
т. Дороги остальных категорий - не более 6 т [8, 19, 23, 34, 70].Шипы противоскольжения оказывают разрушительное воздействие на
дорожное покрытие из-за ударного взаимодействия с поверхностью дороги,
вследствие которого происходит выкрашивание минеральных составляющих
дорожного покрытия.В состав дорожного покрытия входят минеральные составляющие
различной твердости. Одной из основных характеристик минералов является
твердость. Стандартная шкала твердости была предложена Фридрихом Моосом
в 1811 году. Она представляет собой список из 10 минералов под номерами от 1
до 10 (см. табл. 1.2), расположенных в порядке возрастания твердости. Алмаз,
как самое твердое природное вещество, имеет номер 10.Таблица 1.2
Шкала твердости Мооса
Следует отметить, что разница в твердости между каждыми двумя
соседними эталонами не одинакова.Обычно твердость испытуемого образца определяется путем нанесения
на нем царапины каким-либо предметом с уже известной твердостью.
Некоторые минералы имеют, относительно малую твердость, но при этом
почти не поддаются излому или дроблению. Это свойство называется
жесткостью минералов, значения которой варьируют в широких пределах.В дорожном строительстве в качестве материалов для дорожного
покрытия применяются твердые скальные грунты. К ним относятся: гранит,
сиенит, диорит, габбро, порфир, базальт, андезит, диабаз, доломит, кварцит.
Жесткость этих грунтов в водонасыщенном состоянии больше 50 МПа.
Твердость минералов, входящих в их состав находится в пределах 5 — 7 единиц
по шкале Мооса.Исходя из того, что жесткость и твердость минералов, входящих в состав
дорожного покрытия, влияет на коэффициент восстановления скорости при
ударе шипа о поверхность дороги, она является одним из основных факторов,
определяющих интенсивность ударного взаимодействия шипов
противоскольжения с дорожным покрытием.1.7. Износостойкость и работоспособность шипов противоскольжения
Износостойкость и работоспособность шипов определяется целым рядом
факторов, которые можно разделить на конструктивные и эксплуатационные
[28,52].Конструктивными факторами являются:
размеры и конструкция шипа;
высота выступания шипа из протектора шины;
жесткость резины протектора;
степень натяга при посадке шипа в отверстие протектора (определяется
разностью диаметров шипа и отверстия);Эксплуатационными факторами:
дорожные условия, т.е. степень обледенения дороги в местах
эксплуатации автомобиля, наличие воды, соли и песка на дороге.
— стиль вождения (наличие постоянных резких разгонов и торможений
или плавность трогания с места и торможения).С точки зрения конструктивных факторов, наивысшей износостойкостью
и работоспособностью обладают те шипы, у которых обеспечено надежное
удерживание их в протекторе шины, минимальное раскрытие зазоров при
отклонении шипа, в которые может попасть соль и песок, и имеется
возможность их утапливания в протекторе шины при движении автомобиля по
очищенному ото льда и снега дорожному покрытию (голому асфальту или
асфальтобетону).С точки зрения эксплуатационных факторов, наибольшую долговечность
и работоспособность может обеспечить плавность трогания автомобиля с
места, отсутствие на поверхности дороги песка и соли, а также избежание езды
по чистому асфальту.Рис.
Как показали испытания, проведенные НИИАТ, правильно ошипованные
шины в условиях нормальной эксплуатации сохраняют эффективность до
35...40 тыс. км пробега на легковых автомобилях и до 60 тыс. км на автобусах.
Графики изменения выступания шипов и износа шин в зависимости от пробега,
составленные по результатам испытаний представлены на рис. 1.6.Автобус ЛиАЗ
шины 280-508
— Автомобидь ЗиЛ
шины 260-50820 L,
тыс.км1.6. Изменение выступания шипов и износа шин в
зависимости от пробега.
1.8. Анализ причин нарушения работоспособности шипов в шине
Нарушение работоспособности ошипованной шины происходит вследствие
выпадения, ослабления посадки, залегания, утапливания, износа или
разрушения шипов [46]. Причинами этого являются усталостный и абразивный
износ стенок отверстия, старение материала протектора, коррозионное и
абразивное разрушение корпуса шипа и его твердосплавной вставки и др.Более подробно причины нарушения работоспособности шипов
противоскольжения рассмотрены в табл. 1.3.Таблица 1.3
Причины нарушения работоспособности шипов
Ослабление
Залегание
Утапливание
Выпадение
Разрушение
Износ корпуса
шипа
(абразивный или
коррозионный)Недостаточные
упругие силы
(исходные или
снизившиеся в
результате
износа) для
возвращения
шипа в исходное
положениеИзнос материала
стенок гнезда
(истирание илиРазрушение
(разрыв) мате-
риала протек-
тора в зоне дна
отверстияТяжелые
условия работы
вследствие
избыточного
"усилия
прокола"Усталостное
разрушение
стенок отверстия
- следствие по-
вышенной амп-
литуды наклонов
шипа. Результат
- разрывы
резины.Усталостное
разрушение
стенок отверстия
- следствие
повышенных
исходных
растягивающих
напряжений.
Результат -
разрывы резины.Повышенная
коррозионная
активность
материала
корпуса шипа.Недостаточно
надежная
антикоррозион-
ная защита
корпуса шипаНесоответствие
диаметра
отверстия,
диаметра шипа и
свойств
материала
протектораИзнос материала
стенок гнездаНесоответствие
диаметра
отверстия,
диаметра
верхнего фланца
шипа и свойств
материала
протектораУсталостное
разрушение
материала
донной части
отверстияНедостаточная
глубина
отверстияНедостаточная
толщина
подканавочного
слоя.Продолжение таблицы 1.3
Все перечисленные дефекты нарушения нормальной работоспособности
шипа в процессе эксплуатации ошипованной шины непосредственно связаны с
двумя факторами: состоянием шипа и состоянием упругой связи в месте
посадки шипа в отверстие выступа протектора. Анализ дефектов ошипованных
шин показывает, что в большинстве случаев критичным в этой
взаимосвязанной системе является именно прочность посадки шипа. Так как
крепление шипа в протекторе шины осуществляется за счет сил, вызванных
упругой деформацией материала протектора, любые нагрузки на шип
непосредственно воспринимаются материалом протектора и вызывают в нем
нарастание механических напряжений. Кроме того, в процессе работы
ошипованной шины присутствует перемещение шипа относительно
прилегающего материала, вызывающее механический износ как шипа, так и
стенок отверстия под шип.Физико-механические процессы износа, протекающие в области посадки
шипа при его работе, условно можно разделить на три группы [52, 46]:Эти группы процессов износа резины тесно взаимосвязаны между собой.
Так абразивный износ, сопровождающийся истиранием резины с образованием
микротрещин и царапин, усиливает усталостный. Под воздействием
повышенной температуры изменяются механические свойства материала
протектора, что также ускоряет износ.1.9. Износ дорожного покрытия ошипованными шинами
1.9.1. Анализ значимости износа дорожного покрытия ошипованнымишинами в разных странах
Значимость проблемы износа дорожного покрытия шипами
противоскольжения отражается официальной статистикой затрат на ремонт
изношенных шипами дорог в различных странах мира.Так, в штате Аляска (США), согласно исследованиям, проведенным
Бартером и Джонсоном, до введения ограничений на использование шипов
противоскольжения ежегодно тратилось 5 млн. $ на восстановление износа
дорожного покрытия, вызванного использованием ошипованных шин [81, 82,
114, 115]. От 3 % до 6 % автомобилей, продолжающих использование
ошипованных шин в течение летнего сезона, приводили приблизительно к 20 %
ежегодного износа дорожного покрытия и были ответственны за 1 млн. $
ежегодных затрат на восстановления дорог штата Аляска.Эти расчеты были основаны на средней величине нормы изнашивания
дорожного покрытия ошипованными шинами для Аляски: 3,3 мм или 22 тонны
сношенного дорожного покрытия на миллион проездов ошипованных шин.Министерство транспорта штата Орегон (США) оценило износ дорожного
покрытия за 1974 г. в 1,1 млн. $ [86]. Эта величина существенно увеличилась с
началом массового использования ошипованных шин, возросшего с 1974 г. по
1994 г. в два раза. Оценка полного ежегодного ущерба государственной
дорожной сети штата в 1994 г. составила 37 млн. $, а по всем дорогам штата,
включая частные - 70 млн. $. Продолжительность жизни дорожного покрытия
для асфальтированных дорог до начала использования ошипованных шин
составляла 14 лет, но с началом их использования существенно сократилась,
вследствие ускорившегося роста глубины колеи на дорожном покрытии из-за
его разрушения шипами противоскольжения. А согласно правилам
эксплуатации дорог штата Орегон, при превышении 19-ти миллиметровой
глубины колеи необходимо восстановление дорожного покрытия. С
плотностью транспортного потока в 120000 автомобилей в сутки такая глубина
колеи достигалась менее чем за 10 лет [86].На рис. 1.7 показан пример колеи, образованной ошипованными шинами
на одной из дорог штата Орегон.Более свежие исследования проблемы износа дорожного покрытия
ошипованными шинами, проведенные в 2000 г. в штате Орегон, показали
следующие результаты [130]:Рис. 1.7. Колея, образованная ошипованными зимними шинами.
По исследованиям, проведенным в Финляндии, автомобиль с четырьмя
ошипованными шинами проезжая 100 км со скоростью 100 км/ч вынашивал 11
кг материала дорожного покрытия в 1960-ых годах, и 2,5 кг в 1990-ых. Текущее
изнашивание дорожного покрытия в Финляндии составляет только 22 % от
величины 1960-ых годов и является следствием положительного эффекта от
принятия ограничительных мер для ошипованных шин и совершенствования
дорожного покрытия. Согласно [99], сокращение износа дорожного покрытия и
образования колеи в Финляндии стало последствием создания эффективной
системы ухода за дорогами, введения контроля над использованием шипов
противоскольжения, уменьшения скорости движения автомобилей зимой и
применением высококачественных дорожных покрытий. Повреждение
дорожного покрытия шипами противоскольжения, как оценивалось, составляло
45- 100 млн. $в 1980 г. и 35-50 млн. $ в 1990 г.уменьшить ежегодные расходы до 50 % - 35 % от первоначальной суммы, т.е.
до 52 - 34 млн. $.В исследовании также было установлено, что в Финляндии приблизительно
70 - 80 % износа дорожного покрытия путем образования колеи обусловлено
ошипованными шинами.
Якобсон в своем исследовании изнашивания шведских дорог установил,
что износ дорожного покрытия шипами противоскольжения в Швеции составил
100 г/автомобиль/км в 1975 г. и только 20 г/автомобиль/км в 1995 г. [110].По оценкам Густафсона за зиму с 1988 - 1989 гг. со шведских дорог было
выношено 450000 тонн материала дорожного покрытия, что обошлось Швеции
приблизительно в 300 млн. шведских крон (приблизительно 35 млн. $ в ценах
соответствующих лет) [103]. Полное изнашивание дорожного покрытия к 1994
— 1995 гг. было уменьшено до 300000 тонн за зиму, что уже стоило
приблизительно 200 млн. шведских крон (23 млн. $).Якобсон и Хорнвэл в своем исследовании [111] установили, что от 60% до
90% образования колеи на дорожном покрытии обусловлено использованием
ошипованных шин. Но эта величина может быть уменьшена благодаря
изменению конструкции шипов противоскольжения. Согласно результатам
экспериментов Шведского дорожно-транспортного научно-исследовательского
института (Swedish Road and Transport Research Institute (VTI)) по имитации
износа дорожного покрытия, «легкие» шипы массой до 1 г сокращают износ
дорожного покрытия ошипованными шинами приблизительно на 50 % в
сравнении с более тяжелыми стальными шипами массой более 1,8 г. [113].Шведское правительство в настоящее время разрешает использование
ошипованных шин только в течение зимних месяцев. В результате, даже с
ростом использования ошипованных шин, благодаря принятым мерам в
отношении шипов противоскольжения, изнашивание дорожного покрытия на
дорогах Швеции значительно уменьшилось [111, 113].Согласно норвежскому исследованию на 63000 км норвежских дорог
шипами противоскольжения ежегодно вынашивается 300000 тонн материала
дорожного покрытия. Если глубина колеи превышает 25 мм для более чем 10 %
поперечного сечения дороги, то, согласно норвежским правилам обслуживания
дорог, дорожное покрытие укладывается заново. В черте города с
ограничениями скорости до 60 км/ч по тем же правилам глубина колеи
ограничена 35 мм. Т.е. и в Норвегии затраты на восстановление дорожного
покрытия, изношенного шипами противоскольжения, имеют большие значения.
Однако в то время как есть несомненное подтверждение того, что
ошипованные шины являются причиной интенсивного изнашивания дорожного
покрытия, необходимо отделять и другую разновидность ускоренного износа
дороги вследствие движения по ней большегрузных автомобилей с высокими
нагрузками на осях. Качественное исследование должно отличать колею,
появляющуюся от продавливания дорожного покрытия большегрузными
автомобилями, от колеи, образующейся в результате поверхностного
изнашивания дорожного покрытия ошипованными шинами.Эти типы износа приводят к появлению колеи различного вида. Колея,
образованная при износе дорожного покрытия ошипованными шинами
представляет собой выемку с острыми углами (рис. 1.8), в то время как колея,
образованная деформацией дорожного покрытия иод действием чрезмерных
вертикальных нагрузок является более широкой и имеет меньшие размеры в
поперечном сечении (рис. 1.9).В некоторых исследованиях износ дорожного покрытия полностью
приписывается ошипованным шинам [85], если ширина образованной колеи не
совпадает по размерам с шириной шасси большегрузных автомобилей.Рис.1.8. Колея при износе дорожного покрытия ошипованными шинами.
Другие исследования признают, что приблизительно 20% — 30%
изнашивания дорожного покрытия относятся к неошипованным шинам и
большегрузным автомобилям [99].
Рис. 1.9. Колея, образованная под действием чрезмерных вертикальных
нагрузок, возникающих от большегрузных автомобилей.Таким образом, в результате анализа информации, собранной в различных
странах, можно сделать вывод, что износ дорожного покрытия ошипованными
шинами является существенным, и приводит к миллионным ежегодным
убыткам.1.9.2. Анализ исследований, посвященных износу дорожного покрытия
ошипованными шинами
1.9.2.1. ФинляндияВ Финляндии одним из наиболее масштабных исследований, посвященных
износу дорожного покрытия ошипованными шинами, было исследование
Лампинена. В период с 1982 г. по 1988 г. он ежегодно измерял глубину колеи
на протяжении 10000 км дорог Финляндии и исследовал воздействие
отдельных факторов на образование колеи с целью определения их
относительной значимости. По его заключению, образование колеи было
вызвано главным образом изнашиванием дорожного покрытия ошипованными
шинами (70 - 80 %). Пластическая деформация дорожного покрытия под весом
большегрузных автомобилей, приводящая к образованию колеи, составила
всего 10-20%.Интенсивность образования колеи на финских дорогах в этот период
времени (с 1982 г. по 1988 г.) равномерно уменьшалась. В 1982 г. средняя
глубина колеи составляла 9,5 мм, тогда как в 1988 г. это были уже только 5,9
мм. Причинами для уменьшения глубины колеи послужило принятие новой
эффективной системы управления состоянием дорог и увеличение масштабов,
ремонтных работ по восстановлению изношенного дорожного покрытия,
направленных прежде всего на ремонт дорог с самой глубокой колеей.Средний ежегодный измеренный рост колеи (увеличение площади
поперечного сечения колеи) составил 487 мм на каждые 1000 автомобилей
среднегодового ежедневного транспортного потока (или 0,36 мм глубины
колеи на каждые 1 ООО автомобилей среднегодового ежедневного транспортного
потока). Один автомобиль по данным исследования приводил к потере 24 г
дорожного покрытия на каждый пройденный километр, при этом один удар
шипа удалял с поверхности дороги 100 микрограммов материала дорожного
покрытия.Полный ежегодный ущерб от использования ошипованных шин в
Финляндии в период с 1982 г. по 1988 г. составил 140 млн. финских марок (840
млн. $ США).Основываясь на результатах лабораторных и натурных экспериментов,
Лампинен пришел к выводу, что интенсивность образования колеи
существенно зависит от типа шипа. По его данным изнашивание дорожного
покрытия вызывается первичным ударом шипа о дорогу при входе в контакт с
дорожной поверхностью и последующим царапаньем дорожного покрытия
шипом противоскольжения при перекатывании шины через шип. Энергия удара
шипа о поверхность дороги зависит от массы шипа и его вертикальной
скорости. Вертикальная скорость шипа составляет приблизительно от 10 % до
15 % от скорости движения автомобиля и зависит от типа шины и величины
выступания шипа из протектора. Интенсивность царапанья поверхности дороги
шипом противоскольжения определяется силой давления шипа на дорогу,
которая зависит от величины выступания шипа из протектора шины и
структуры дорожного покрытия.Научные исследования конструктивных и технологических параметров
шипа противоскольжения сконцентрировались на величине выступания шипа
из протектора шины, массе шипа и силе давления шипа на поверхность дороги.
Одно из оригинальных исследований, на которые чаще всего ссылается
большинство ученых, занимающихся данной проблемой (например, Саарела
[139], Кеки [124]) было проведено Систоненом и Алкио. Они устанавливали в
дорожное покрытие плиту с 44 цилиндрическими вертикально стоящими
образцами горных пород: 22 гранитных цилиндра и 22 цилиндра кварцевого
полевого шпата. Цилиндры были жестко закреплены, и легковой автомобиль с
одной ошипованной шиной проезжал по плите по 100 раз в каждом
направлении (т.е. общее количество проездов равнялось 200). Ошипованная
шина была установлена на передней оси автомобиля. Другие шины были
летними. Образцы горной породы перед экспериментом специально
увлажнялись. Температура эксперимента колебалась в пределах от 4 до 8 С.
Изнашивание, о котором сообщают, измерялось общей суммой потери
цилиндрических образцов в весе, преобразованной к объему (см3).Эксперимент проводился на скорости автомобиля в 100 км/ч для трех
масс шипа: 1,0 г, 2,3 г и 4,1 г. А также для фиксированной массы шипа (2,3 г) на
различных скоростях движения автомобиля: 60, 80, 100 и 120 км/ч.Результаты эксперимента показали, что чем легче шип, тем меньше он
изнашивает дорожное покрытие.Рис. 1.10. Зависимость износа дорожного покрытия от массы
шипа противоскольжения.
Масса шипа, г
Рис. 1.10 показывает влияние массы шипа на интенсивность изнашивания
дорожного покрытия.
Влияние скорости автомобиля на интенсивность изнашивания дорожного
покрытия представлено графиком на рис. 1.11.Рис. 1.11. Зависимость износа дорожного покрытия от вертикальной
скорости шипа противоскольжения в момент удара о поверхность дороги.Скорость шипа в момент удара, м/с
Последующие эксперименты также подтвердили, что основным
конструктивным параметром, определяющим интенсивность изнашивания
дорожного покрытия шипами противоскольжения, является масса шипа, и не
предоставили устойчивых доказательств того, что величина выступания шипа
из протектора шины или сила статического давления шипа на поверхность
дороги оказывают существенное влияние на интенсивность изнашивания
дорожного покрытия.В исследовании [76] было изучено влияние политики обслуживания дорог
в зимних условиях на интенсивность изнашивания дорожного покрытия.
Исследование сообщает, что одновременное использование соли и
ошипованных шин ускоряет изнашивание дорожного покрытия. Соль является
причиной того, что поверхность дорожного покрытия остается влажной дольше
и, как следствие, изнашивается быстрее, чем сухое дорожное покрытие.
Использование соли как метод борьбы с зимней скользкостью также вызывает
коррозию и негативно влияет на качество грунтовых вод.Как следует из представленной зависимости, чем выше скорость
автомобиля, тем выше износ дорожного покрытия шипами противоскольжения.
Однако, согласно политике финских властей, одновременное
использование «легких» шипов и соли на главных дорогах Финляндии все еще
является оправданным, поскольку потери от ДТП считаются наиболее важным
экономическим фактором.1.9.2.2. Швеция
В Швеции детальным исследованием проблемы износа дорожного
покрытия шипами противоскольжения занимался Якобсон. Он изучал влияние
на интенсивность износа дорожного покрытия таких факторов, как объем
перевозок, количество шипов в шине, скорость движения автомобиля,
присутствие воды на поверхности дороги, тип шипа, величина его выступания
из протектора и сила статического давления шипа на дорогу. В результате его
исследований была вычислена удельная величина изнашивание шведских дорог
ошипованными шинами: в 1975 г. - 100 г/автомобиль/км и в 1995 г. — 20
г/автомобиль/км, опытным путем подтвержден тот факт, что интенсивность
изнашивания влажного дорожного покрытия выше по сравнению с сухим, а
также установлено, что «легкие» шипы (массой от 0,7 г до 1,0 г) уменьшают
изнашивание дорожного покрытия на 50% по сравнению с 1,8-граммовыми
стальными шипами [110, 111, 112, 113].1.9.2.3. Северная Америка
Последние исследования проблемы использование ошипованных шин в
США были проведены в штатах Аляска, Орегон и Вашингтон. Базой для
исследования послужили главным образом отчеты по той же проблеме,
опубликованные в скандинавских странах.Бартер и Джонсон [81, 82, 114, 115] для того, чтобы представить
предложения по снижению интенсивности износа дорожного покрытия
ошипованными шинами в США, провели сбор информации в Норвегии,
Швеции и Финляндии и выяснили влияние отдельных факторов на скорость
износа дорожного покрытия шипами противоскольжения.Основываясь на исследованиях, проведенных данными странами и своем
опыте, накопленном в штате Аляска, Бартер и Джонсон пришли к выводу, что
использование «легких» шипов (массой < 1,1 г) может уменьшить износ
дорожного покрытия на 50 % по сравнению с обычными шипами (массой >1,8
г). Они также заявили, что дополнительно к этому, износ дорожного покрытия
может быть уменьшен еще на 30 % при условии использования износостойких
дорожных смесей (SMA) при укладке дорожного покрытия.В 1995 г. Ланди провел исследование глубины колеи на дорогах штата
Орегон. В результате последующего сравнения полученных данных с
показателями 1974 г. (до начала регулирования использования ошипованных
шин) он установил, что благодаря предпринимаемым мерам интенсивность
износа дорожного покрытия штата удалось снизить более чем на половину,
несмотря на продолжающийся рост масштабов использования ошипованных
шин [85, 86].Исследования Малика, посвященные сопротивлению асфальтобетонных
покрытий износу шипами противоскольжения и основанные на информации,
собранной со всей территории США, показали, что бетонные дорожные
покрытия в два раза устойчивей к износу по сравнению с асфальтобетонными
[130].Другое исследование, проведенное в 1999 г., было направлено на изучение
влияния скорости движения автомобиля на интенсивность износа дорожного
покрытия ошипованными шинами [78]. В результате данного исследования
была установлена количественная зависимость интенсивности износа
дорожного покрытия от скорости автомобиля на примере автомагистралей
между городами штата Вашингтон. Как показали измерения, увеличение
скорости движения автомобилей с 88 км/ч (55 миль в час) до 113 км/ч (70 миль
в час) привело к ускорению износа дорожного покрытия более чем в два раза
[78].
1.9.2.4. Другие страны
Многие страны также проводили исследования с целью количественной и
денежной оценки степени изнашивания дорожного покрытия ошипованными
шинами. Так, например, норвежские ученые определили интенсивность
изнашивания асфальтового дорожного покрытия в 20 - 50 г/км/автомобиль. В
целом, они оценили ежегодный износ норвежских дорог в 250 тыс. тонн
асфальта, приводящий к затратам на ремонт приблизительно в 250 млн.
норвежских крон (в долларах США ~ 28 млн. $) [94].Министерство транспорта канадской провинции Онтарио оценивает свои
ежегодные затраты, вызываемые дополнительным износом дорожного
покрытия шипами противоскольжения, приблизительно в 39 млн. $ [133].1.10. Экологическая безопасность использования ошипованных шин
Ошипованные шины используются как одна из основных мер обеспечения
безопасности дорожного движения в зимних условиях. Когда поверхность
дороги покрыта слоем льда или снега, ошипованные шины позволяют повысить
коэффициент сцепления колес с дорогой и, тем самым, уменьшить число ДТП.
Но когда поверхность дороги очищена от снежно-ледяной корки, ошипованные
шины вызывают интенсивное изнашивание дорожного покрытия. Сторонники
ошипованных шин утверждают, что повышение безопасности дорожного
движения, связанное с использованием ошипованных шин, перевешивает
убытки от повреждения дорожного покрытия. Однако японские исследователи
выявили другой негативный эффект, возникающий при использовании
ошипованных шин — это воздействие на человеческое здоровье пыли,
появляющейся при износе дорожного покрытия шипами противоскольжения.
Это негативное воздействие, с их точки зрения, не может возместиться
незначительным повышением безопасности дорожного движения при
использовании ошипованных шин в Японии.
Поскольку ошипованные шины, изнашивают дорожное покрытие, это
приводит к появлению частиц пыли, имеющих достаточно малые размеры для
попадания в легкие человека при дыхании. Повышение уровня пылевой
загрязненности вблизи дорог может крайне негативно сказываться на здоровье
особо чувствительных слоев населения, таких как, дети, пожилые люди и люди
больные астмой и другими заболеваниями дыхательной системы.Японские исследователи первыми признали тот факт, что широкое
распространение ошипованных шин приводит к значительному повышению
уровня городской пыли, представляющей угрозу для человеческого здоровья.
Основываясь на этом в 1990 г. правительство Японии запретило использование
ошипованных шин внутри городов.Как показали последующие исследования, запрет использования
ошипованных шин привел к некоторому снижению количества дорожной пыли,
однако, одновременно произошло увеличение количества ДТП в зимний
период, происходивших вследствие повышенной скользкости дорожного
покрытия.В литературе, посвященной ошипованным шинам, повсеместно
отмечается, что использование ошипованных шин приводит к усилению износа
дорожного покрытия и увеличению уровня концентрации дорожной пыли.
Однако, исходя из того, что значимость загрязнения воздуха дорожной пылью
для различной местности неодинакова, решение разрешить использование
ошипованных шин или запретить, зависит от многих социально-экономических
факторов.Например, в Аляске, в то время как пыль от ошипованных шин конечно
способствует повышению уровня загрязнения воздуха в черте города, гораздо
большую проблему представляет образование дорожной пыли на грунтовых
дорогах в сельской местности [120]. Пыль от износа дорожного покрытия
ошипованными шинами — городское явление, применимое, главным образом, к
городской черте Аляски, где есть протяженные участки заасфальтированных
дорог наряду с высокой плотностью населения. Но даже в городах пыль от
износа дорожного покрытия ошипованными шинами является только частью
суммарного объема пыли, так как наряду с шипами существуют и другие
антропогенные и естественные источники пылевого загрязнения воздуха. По
обобщенным данным, основные источники пылевого загрязнения воздуха в
Аляске имеют естественное происхождение — это вулканические извержения и
лесные пожары. Исследования также установили, что неубранный песок,
рассыпаемый на дороги Аляски в течение зимы, весной становится главным
источником дорожной пыли [91].Таким образом, ключевыми факторами, определяющими интенсивность
негативного влияния на здоровье человека дорожной пыли, образующейся в
результате износа дорожного покрытия шипами противоскольжения, являются:
тип дорожного покрытия, плотность населения вдоль шоссе, скорость и
интенсивность транспортных потоков, методы обслуживания дорог, а также
местные метеорологические условия.1.10.1. Вклад ошипованных шин в образование дорожной пыли
Первые исследования воздействия ошипованных шин на дорожное
покрытие начались в 1960-ых годах, когда популярность ошипованных шин
стала стремительно расти. Одно из наиболее масштабных исследований,
проведенное в Миннесоте (США) в течение 1960-ых и 1970-ых, показало, что
ошипованные шины вызывают существенный износ дорожного покрытия в тех
областях, где они используются. Количественно интенсивность изнашивания
дорожного покрытия в данном исследовании была представлена в дюймах на
миллион проездов ошипованных шин, обеспечивая тем самым ясное
доказательство того, что ошипованные шины приводят к образованию пыли
при езде по заасфальтированным дорогам.Однако объемы производимой ошипованными шинами пыли, измеренные
различными исследователями, существенно отличаются из-за неоднородности
условий, в которых данные измерения были произведены. В частности,
каждому исследованию, соответствовали свой тип дорожного покрытия;
скорость осаждения пыли, способы и полнота удаления снега с поверхности
дороги и т.д. Но все исследователи сошлись во мнении, что изнашивание
дорожного покрытия ошипованными шинами интенсивнее протекает на
асфальтовых покрытиях, чем на бетонных и асфальтобетонных; а в областях,
где шипы противоскольжения были запрещены, повреждение дорожного
покрытия удалось существенно уменьшить.Величина дорожного ремонта, потребность в котором ежегодно возникает
в большинстве стран, разрешающих ошипованные шины, обеспечивает
неопровержимые доказательства того, что ошипованные шины приводят к
существенному изнашиванию дорожного покрытия и образованию из
продуктов износа большого количества дорожной пыли.1.10.2. Влияние ошипованных шин на безопасность и здоровье человека
В то время как научные исследования ясно доказывают, что ошипованные
шины повреждают дорожное покрытие, они также подтверждают и реальное
повышение безопасности дорожного движения благодаря использованию
ошипованных шин [75]. Шины, оборудованные шипами противоскольжения,
не только обеспечивают повышение коэффициента сцепления для автомобиля
на котором они установлены, но и истирают снежный накат и наледь, тем
самым, повышая безопасность движения для других автомобилей, не
оборудованных ошипованными шинами [79].В одном из последних исследований, включающем литературный обзор и
экономический анализ безопасности дорожного движения автомобилей при
использовании ошипованных шин, автор заключил, что ошипованные шины
уменьшают число ДТП приблизительно на 5 % на заснеженной или
обледенелой дороге и приблизительно на 2 % для дороги, очищенной от снега и
льда [95]. В качестве исходных данных автором были взяты многочисленные
уже существующие исследования, в которых снижение ДТП на заснеженных
или обледенелых дорогах при использовании ошипованных шин колебалось в
пределах от 72 % до 4%, а на сухих дорогах — от 70 % до 10 %. Автор отклонил
большую часть данных исследований, поддерживающих высокие оценки,
указывая на ошибки в методиках, а также предположил, что истинное
повышение безопасности дорожного движения при использовании
ошипованных шин в сравнении с неошипованными уменьшилось за последние
годы, поскольку новшества в используемых для шин материалах и форме
протектора улучшили коэффициент сцепления неошипованных зимних шин с
дорогой.Использование ошипованных шин на дорогах с твердым покрытием
приводит к появлению пыли, приносящей реальный вред здоровью, величина
которого должна оцениваться для каждого случая в отдельности. В городской
черте с высокой плотностью населения и большой интенсивностью
транспортных потоков риск для здоровья от повышенной концентрации пыли в
воздухе, вызванной износом дорожного покрытия шипами, может перевесить
увеличение безопасности дорожного движения в связи с использованием
ошипованных шин.До настоящего времени ни одно из опубликованных исследований
непосредственно не сравнивало опасность для здоровья человека повышенной
концентрации дорожной пыли, образующейся вследствие интенсивного износа
дорожного покрытия шипами, с риском получить вред здоровью в ДТП,
произошедшем в результате запрета ошипованных шин.1.11. Зарубежный опыт регулирования использования ошипованных шин
Использование ошипованных шин в большинстве стран мира запрещено
или строго регламентировано национальными стандартами. Основными
критериями для запрещения или ограничения использования ошипованных
шин является повышение безопасности движения автомобилей на покрытых
наледью дорогах, влияние ошипованных шин на дорожное покрытие и
воздействие продуктов износа дорожного покрытия, образующихся при
эксплуатации ошипованных шин, на человеческое здоровье [95].На основании приведенных критериев принято множество подходов к
принятию решения о запрещении или ограничении использования
ошипованных шин. Каждая страна, где существует необходимость повышения
безопасности движения автомобилей на обледенелом дорожном покрытии,
самостоятельно выбирает подход к решению вопроса о запрете или разрешении
использования ошипованных шин, учитывая собственные особенности и
масштабы проблем с износом дорожного покрытия шипами
противоскольжения, влиянием пыли, образующейся при износе дорожного
покрытия, на здоровье человека и безопасностью дорожного движения в
зимних условиях.Такие страны, как Япония, Германия, Голландия, и Бельгия на основании
проведенных исследований запретили использование ошипованных шин [133].
Другие страны, например, Соединенные Штаты Америки и Канада, регулируют
использование ошипованных шин на государственном или провинциальном
уровне. При этом использование ошипованных шин в отдельных областях
данных стран запрещено, сезонно ограничено, или разрешено [141].Использование ошипованных шин не было запрещено в скандинавских
странах, хотя Дания, Финляндия, Швеция, и Норвегия все же ограничивают
использование шипов противоскольжения зимними месяцами [142].1.11.1. США
Инструкции по использованию ошипованных шин в Соединенных Штатах
Америки стали появляться сразу после начала их широкого использования в
1960-ых годах. Поскольку массовое использование ошипованных шин
становилось нормой, государство признало их полезность легализуя
использование ошипованных шин при определенных условиях. В 1963 г.
только 13 штатов разрешали ошипованные шины. К 1965 г. уже 28 штатов
позволили использование ошипованных шин, а к 1967 г. их было-уже 34 [78].
В настоящее время сорок два штата, плюс Округ Колумбия, позволяют
использование ошипованных шин на государственных дорогах, по крайней
мере, в зимний сезон с дополнительными ограничениями максимальной массы
шипа, выступания шипа из шины и др.Семь штатов (Алабама, Флорида, Гавайи, Иллинойс, Луизиана, Миссисипи
и Техас) в настоящее время полностью запрещают использование
ошипованных шин при любых обстоятельствах. Большинство Американских
штатов, которые запретили ошипованные шины, находятся в южных широтах и
имеют относительно умеренные зимы, за исключением Иллинойса и
Миннесоты, где ошипованные шины были запрещены для сокращения их
негативного воздействия на дорожное покрытие.Запрет ошипованных шин в Миннесоте, введенный в действие с 1972 г.,
был принят на основании исследований Департамента Автодорог Миннесоты
(Minnesota Department of Highways), в результате которых была выявлена
высокая степень повреждения дорожного покрытия ошипованными шинами.
Исследования также показали, что изнашивание дорожного покрытия,
вызванное ошипованными шинами, ускоряется при удалении льда с помощью
дорожной соли и в присутствии песка; однако, дорожная соль и песок, как
выяснилось, вызывали гораздо меньшее повреждение дорожного покрытия при
использовании только неошипованных шин [130].Тридцать шесть штатов включая Округ Колумбия разрешают
устанавливать на автомобили ошипованные шины, но ограничивают их
сезонное использование и устанавливают требования к конструкции шипов и
ошипованных шин. И только шесть штатов (Колорадо, Кентукки, Нью-
Хэмпшир, Нью-Мексико, Вермонт и Вайоминг) позволяют фактически
неограниченное использование ошипованных шин на государственных дорогах
и шоссе.Из штатов, которые регулируют использование ошипованных шин, почти
все тридцать три, включая Округ Колумбия, установили сезонные ограничения
на использование ошипованных шин. Промежуток времени, в течение которого
допустимо использование ошипованных шин, свой для каждого штата, но в
общем, как правило, он начинается осенью (сентябрь — ноябрь), и
заканчивается весной (март — май). Некоторые штаты, которые используют
такие сезонные ограничения (например, Калифорния, Массачусетс и
Вашингтон) позволяют по усмотрению государственного регулирующего
представительства (обычно, департамента транспорта) расширять период
допустимого использования ошипованных шин при определенных погодных
условиях или чрезвычайных обстоятельствах.Внутренние стандарты многих штатов также определяют допустимые
границы для конструктивных параметров шипов противоскольжения. К ним
относятся максимальный диаметр шипа, максимальное расстояние, на которое
шип может выступать из протектора шины, и максимальная допустимая масса
шипа.Например, максимальный диаметр для шипа противоскольжения в Округе
Колумбия равен 6,35 мм, в Небраске — 8 мм и в Нью-Йорке — 9,5 мм.Ограничением величины выступания шипа из протектора шины
признается тот факт, что увеличенное выступание шипа соответствует
увеличенному изнашиванию дорожного покрытия.В штатах Арканзас, Айова, Северная Каролина, Северная Дакота, Род-
Айленд, Южная Каролина и Вирджиния шипы могут выступать из протектора
не более чем на 1,6 мм. Другие штаты ограничивают данную величину в
пределах 3,2 мм (Округ Колумбия), 2,4 мм (Оклахома, Нью-Йорк и Индиана),
2,7 мм (Небраска и Миннесота).Штат Орегон — единственный штат, который устанавливает и верхний и
нижний предел для величины выступания шипа: 1,5 мм и 1 мм, соответственно.Предел выступания шипа для штата Юта составляет 1,3 мм.
В дополнение к величине выступания шипа из протектора несколько
штатов также регулируют максимальное количество шипов, которое может
быть установлено в шине. Это производится или ограничением числа шипов,
или ограничением процента площади поверхности шипов от полной площади
поверхности протектора шины. Законы штатов Аризона, Калифорния, Невада,
Оклахома и Вирджиния требуют, чтобы процент поверхности шипов,
установленных в шину, не превышал 3 % полной площади поверхности
протектора шины. В Мэриленде это число составляет 3,25 % полной площади
протектора, или максимум 150 шипов на одну шину.В штате Нью-Йорк допускается только 0,75 % полной поверхности
протектора шины занимать шипами противоскольжения, в то время как этот
предел в Миннесоте составляет 2 %.Нормативные документы по эксплуатации ошипованных шин в штате
Орегон, принятые в 1996 г. и пересмотренные в 1997 г., включают условие
законной продажи только тех ошипованных шин, которые оборудованы
"легкими" шипами противоскольжения. Определение «легкий» шип было
введено Институтом производства шипов противоскольжения для
автомобильных шин (Tire Stud Manufacturing Institute, USA) и призвано
разграничить допустимую массу для каждого типоразмера шипа в зависимости
от размера шины [78].Введение термина «легкий» шип было основано на признании того факта,
что масса шипа также оказывает существенное влияние на интенсивность
изнашивание дорожного покрытия.По исследованиям, проведенным в штате Орегон, было установлено, что
при переходе на использование «легких» шипов штат сэкономит
приблизительно от 43 % до 29 % затрат на восстановление износа автодорог,
вызванного ошипованными шинами [130].Еще одно исследование установило конкретную сумму экономии бюджета
штата Орегон от перехода на «легкие» шипы — 37 млн. $ (в ценах 1994 г.) [85].В 1999 г. соседний штат Вашингтон последовал за примером штата Орегон
и также добавил в нормативный акты, касающиеся шипов противоскольжения,
требование использовать подобные «легкие» шипы.В некоторых штатах дополнительно к перечисленным ограничениям
действуют ограничения на использование ошипованных шин для автомобилей
в зависимости от класса их массы. Например, в Теннесси и Юте на
большегрузных автомобилях с разрешенной максимальной массой более 4
тонн использование ошипованных шин не допускается, за исключением
школьных автобусов и спецавтомобилей служб спасения.В штатах Вирджиния и Вашингтон максимальная допустимая масса
автомобиля, на котором можно использовать ошипованные шины, составляет
4,5 тонны. При этом в штате Вирджиния есть исключения для определенных
фермерских автомобилей, а в штате Вашингтон исключения для школьных
автобусов и спецавтомобилей пожарной охраны.Исключения в ограничениях на использование ошипованных шин для
спецавтомобилей, школьных автобусов, автомобилей сельских почтальонов,
отдельных типов фермерских автомобилей, дорожно-строительной техники, а
также для определенных географических областей есть почти во всех
американских штатах.1.11.2. Канада
В Канаде нормативы по использованию ошипованных шин также как и в
США установлены на уровне штатов (провинций). При этом из двенадцати
провинций только в Онтарио ошипованные шины полностью запрещены.В провинциях Альберта, Северо-Западные территории, Саскачеван и Юкон
использование ошипованных шин разрешено без ограничений, хотя законы
Альберты включают условие, требующее, чтобы "у ошипованных шин,
устанавливаемых на одну ось автомобиля, разность между количеством
оставшихся в шине шипов не превышала 50 %" [89].В семи провинциях введены сезонные ограничения на использование
ошипованных шин. Период разрешенного их использования в Британской
Колумбии и Манитобе начинается с 1 октября и заканчивается 30 апреля. В
Нью-Брансуике и Новой Шотландии использование ошипованных шин
разрешено с 15 октября до 30' апреля. В Ньюфаундленде данный период
начинается 1 ноября и продолжается до 30 апреля. На Острове Принца Эдуарда
- с 1 октября до 31 мая. А в Квебеке — с 1 октября до 1 мая.Квебекские нормативные документы также включают ограничения на
максимальную допустимую массу для грузовых автомобилей, оснащенных
ошипованными шинами - 3 ООО кг и, подобно нормативам штата Мэна (США),
требования устанавливать ошипованные шины на все оси любого автомобиля
[137].В Британской Колумбии введены аналогичные требования установки
ошипованных шин на все оси автомобиля, и ограничена максимальная
разрешенная масса автомобилей, оборудованных ошипованными шинами. Но
есть исключение для снегоочистительной техники — для нее предел повышен до
9 100 кг.В Британской Колумбии также ограничена максимальная допустимая
величина выступания шипов из протектора шины — не более чем 3,5 мм, и
максимальное количество шипов, устанавливаемых на одну шину: до 130 для
транспортных средств, имеющих массу менее 4 600 кг, и не более 175 для
транспортных средств массой более 4 600 кг [90].1.11.3. Скандинавские страны
В Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции использование ошипованных
шин разрешено только в течение зимних месяцев.Периоды времени для разрешенного использования ошипованных шин
идентичны в Дании и Швеции — с 1 октября до 30 апреля.В Норвегии и Финляндии период разрешенного использования
ошипованных шин начинается с 1 ноября и заканчивается в первый
понедельник после Пасхи (исключение составляет Северная Норвегия, где
период времени немного расширен).На Острове Гренландия использование ошипованных шин разрешено в
течение шести месяцев осенне-зимнего сезона.
Финляндия, Норвегия и Швеция также ограничивают максимальное
количество шипов, устанавливаемых в одну шину, максимальную величину
выступания шипа из протектора и максимальную массу шипа. Во всех трех
странах установлены идентичные требования к максимальной допустимой
массе шипа, числу шипов в шине и величине выступания шипа из протектора.1.11.4. Япония
В 1990 г. в Японии с целью сокращения количества пыли образующейся от
износа дорожного покрытия ошипованными шинами был принят закон,
запрещающий их использование в черте города [119].В течение 1970-ых годов происходил постоянный рост использования
ошипованных шин в холодных северных областях Японии, достигший к концу
десятилетия 100 % (т.е. на всех автомобилях в зимнее время стали
устанавливаться ошипованные шины). К началу 1980-ых многие местные
органы самоуправления, включая управы городов Саппоро, Ниигаты, Нагано,
Акиты, Ишикава, Тоямы, Хоккайдо, Аомори, Фукуи, Тоттори, Фукусимы,
Ямагаты и Гифу, стали выпускать добровольные рекомендательные
инструкции, ограничивающие использование ошипованных шин.Однако, несмотря на эти добровольные меры продажи ошипованных шин
в Японии к 1985 г. достигли рекордно высоких уровней.Отвечая на растущие экологические проблемы и негативное воздействие
ошипованных шин на человеческое здоровье, японское правительство провело
ряд тестов с целью исследования биологического воздействия пыли,
образующейся в результате износа дорожного покрытия ошипованными
шинами. Результаты, полученные в данных исследованиях, привели к
принятию закона об остановке производства и продажи ошипованных шин и
полном запрете их использования в Японии [104].Оценка эффективности запрета на использование ошипованных шин в
Японии, проведенная спустя десять лет после принятия запрещающего закона,
показала, что запрет был действительно оправдан в отношении сокращения
дорожной пыли и в снижении зашумленности. Однако в последнем
экономическом анализе, который определял экономический эффект от
запрещения ошипованных шин, исследователи пришли к выводу, что запрет
ошипованных шин фактически увеличил ежегодный ущерб приблизительно на
137 млн. $ [80]. Часть этого ущерба относилась на увеличение дорожно-
транспортных происшествий из-за обледенения дорожного покрытия и
снижения сцепляемости неошипованных колес с дорогой. Другая часть
возникала из-за увеличения времени пробега автомобилей, вызванного
вынужденным снижением скорости на скользкой дороге, и увеличения затрат на
покупку шин вследствие того, что новые зимние шины, не требующие
ошиповки, изнашивались быстрее и требовали более частой замены, чем
ошипованные.Но проведенный экономический анализ не учитывал выгоды от
сокращения воздействия дорожной пыли на человеческое здоровье из-за
трудностей в установлении связи между пылевым загрязнением и
экономическим ущербом от вредного воздействия [80].Несмотря на то, что японские исследователи пришли к заключению, что
запрет использования ошипованных шин фактически привел к увеличению
общих затрат как правительства Японии, так и населения, они рекомендовали
все же оставить запрет без изменения, а особое внимание обратить на
улучшение политики ухода за дорожной сетью страны в зимнее время года [80].1.11.5. Другие страны
Ограничения на использование ошипованных шин в США, Канаде, Японии
и скандинавских странах были предметом многочисленных публикаций, в
которых были рассмотрены вопросы безопасности, стоимости и экологичности
ошипованных шин. Многие другие страны, имеющие проблемы с
обледенением дорожного покрытия в зимних условиях, также последовали их
примеру и разработали собственную политику использования ошипованных
шин, однако литературный поиск изданной англоязычной и русскоязычной
литературы не привел к хоть какой-либо существенной информации по данным
странам.Было установлено, что в Бельгии, Голландии, Великобритания и Германии
по примеру Японии был установлен полный запрет на использование
ошипованных шин [133], но никакая дополнительная информация,
описывающая причины данного запрета, а также последующий эффект от
запрещения ошипованных шин, не была найдена.Было выяснено только, что в Великобритании ошипованные шины были
запрещены "...из-за чрезмерного повреждения дорожного покрытия..." [101].1.12. Политика регулирования использования ошипованных шин
Во многих странах были проведены обширные исследование с целью
определения степени повышения безопасности дорожного движения в зимних
условиях при использовании ошипованных шин. Эти исследования связывали
безопасность движения автомобиля по заснеженным и обледенелым дорогам с
экономическим и экологическим воздействием ошипованных шин. Однако,
методика, использованная при проведении данных исследований, в каждой
стране отличалась.При исследовании последствий использования ошипованных шин в штате
Орегон (США) проводилась оценка величины расчетных потенциальных затрат
и выгод от использования ошипованных шин в зависимости от различных
подходов к регулированию их использования. Результат исследования показал,
что принятие таких требований, как сезонное ограничение сроков
использования ошипованных шин, запрет шипов, не входящих в категорию
«легких», введение платы за использование ошипованных шин и использование
более стойкого дорожного покрытия привело к снижению интенсивности
воздействия ошипованных шин на' дорожное покрытие. Авторы исследования
заключили, что одновременное введение требований использовать «легкие»
шипы, разграничение сроков использования ошипованных шин в течение года
и введение платы за использование шипов с целью возмещения затрат на
ремонт дорожного покрытия обеспечат уравновешенный и эффективный
подход к регулированию использования ошипованных шин.В канадской провинции Онтарио, где запрет на ошипованные шины был
введен еще в 1973 г., в результате усиленной критики данного запрета
аналитиками безопасности дорожного движения министерство транспорта в
1999 - 2000 гг. провело обширный обзор политики других канадских
провинций, а также других государств и оставило запрет на использование
ошипованных шин без изменения [87]. Результаты проведенных исследований
подтвердили утверждение о том, что, «...несмотря на постоянное
усовершенствование ошипованных шин, отрицательный эффект от их
использования продолжает перевешивать положительный... Значительный
вред здоровью и интенсивный износ дорожного покрытия, вызываемый
ошипованными шинами являются более значимыми по сравнению с
незначительным увеличением безопасности дорожного движения» [133].В результате анализа норвежским Институтом транспортной экономики
исследований, проведенных в Швеции, Финляндии, Германии, Франции,
Японии, Канаде и США было установлено, что ошипованные шины уменьшают
число ДТП зимой приблизительно на 5 % для заснеженных или обледенелых
дорог, на 2 % для очищенных дорог и на 4 % для совмещенных дорожных
условий. Авторы также отметили, что сокращение числа ДТП
непропорционально увеличению сцепляемости колес с дорогой, предполагая,
что водители, изменяют свое поведение на дороге, полагаясь на ошипованные
шины. Водители на автомобилях с неопшпованными шинами имеют тенденцию
ездить медленнее, чем на автомобилях с ошипованными шинами из-за
усиленного восприятия риска попасть в ДТП [95].Для стран, где был введен запрет или ограничения на использование
ошипованных шин, ключ к подобным решениям лежит во взвешивании
зарегистрированной степени повышения безопасности дорожного движения в
сравнении с труднооценимой степенью влияния ошипованных шин на
человеческое здоровье. В США запреты и ограничения на использование
ошипованных шин были введены на основе проведенных в 1970-ых гг.
исследований, сосредоточенных в основном на износе дорожного покрытия
шипами противоскольжения. Недавние повторные исследования этой
проблемы, в которых были учтены усовершенствования конструкции шипов,
привели к пересмотру регулирующих нормативов и введению таких
требований, как например, использование только «легких» шипов (штаты
Орегон и Вашингтон). Однако в США при регулировании использования
ошипованных шин по-прежнему основное внимание уделяется прежде всего
затратам на восстановление износа дорожного покрытия, вызванного шипами
противоскольжения, а не повышению безопасности дорожного движения или
уменьшению вреда здоровью.Для сравнения, политика регулирования использования ошипованных шин
в Японии и Норвегии, где было проведено множество исследований, связывает
использование ошипованных шин с увеличением количества образующейся
пыли и отражает преобладающее стремление снизить наносимый
ошипованными шинами вред здоровью.Обзорное исследование проблемы регулирования использования
ошипованных шин [95] привело к выводу, что ошипованные шины
"...немного..." улучшают безопасность дорожного движения в условиях зимы,
и запрет на использование ошипованных шин, вероятно, увеличит число
зимних ДТП в размере от 1 % до 10 %. Однако авторы исследования не
предлагают определенных рекомендаций, отмечая, что увеличение
безопасности дорожного движения, достигаемое благодаря ошипованным
шинам, недостаточно, чтобы безоговорочно разрешать их использования в
связи со значительным влиянием на экологию и интенсивность изнашивания
дорожного покрытия.
1.13. Анализ российской нормативной документации по эксплуатации
ошипованных шин
Применение ошипованных шин в России в последние годы приняло
массовый характер. Однако до настоящего времени не существует
законодательных нормативов на использование зимних ошипованных шин, и
нет единой, общепринятой методики оценки их состояния и эксплуатационных
характеристик.Что касается износа дорог такими шинами, то в России, в соответствии с
ГОСТ Р 50597-93, критерием необходимости ремонта дорог является
появление на дорожном покрытии отдельных повреждений, размеры которых
превышают по длине 15см, по ширине — 60 см и по глубине — 5 см. Влияние
шипов на образование дефектов таких размеров незначительно.Применение соли приводит к расширению температурного диапазона
присутствия жидкости на дороге. При отрицательных температурах в случае
наличия определенного количества соли на поверхности дороги образуется
жидкость, что создает условия для возникновения эффекта гидродинамического
разрушения дорожного покрытия шинами автомобилей и шипами
противоскольжения. Это негативно сказывается на состоянии дорог и приводит
к увеличению затрат на их содержание и ремонт.Напротив, при отказе от применения соли, при отрицательных
температурах на дорогах образуется прочная ледяная корка, которая
практически предотвращает разрушение дорожного покрытия."Правила эксплуатации автомобильных шин" (АЭ 001-04) являются
основным документом, определяющим порядок обслуживания и эксплуатации
автомобильных шин на территории Российской Федераций.Данный документ содержит классификацию шин по назначению, способу
герметизации, конструкции, форме профиля, рисунку протектора, габаритам и
климатическому исполнению, а также сведения по маркировке, приемке,
упаковке, транспортированию и хранению шин. В Правилах представлены
разделы по комплектации автомобилей шинами, по монтажу и демонтажу шин,
по уходу за шинами, по порядку учета их работы, ремонту и рекламации.Что касается зимних условий эксплуатации, то для улучшения сцепных
качеств шин и повышения безопасности движения автомобилей на
заснеженных и обледенелых дорогах правилами (АЭ 001-04) рекомендуется
применять шины с шипами противоскольжения. Шины с шипами
противоскольжения рекомендуется устанавливать на все колеса автомобиля,
включая запасное. Перестановка ошипованных шин при технической
необходимости должна выполняться без перемены направления вращения
колеса.При проведении ТО-1 автомобиля выполняются следующие работы:
шины осматриваются с целью определения их пригодности к дальнейшей
эксплуатации; удаляются застрявшие посторонние предметы в протекторе,
боковине, между сдвоенными колесами; выявляются шины, имеющие
механические повреждения; проверяется исправность вентилей, золотников,
наличие колпачков; определяется пригодность шин по износу протектора и
подбору шин по осям автомобиля.Требования по диагностированию ошиповки шин в Правилах
эксплуатации отсутствуют.В качестве условия запрета эксплуатации шин установлен предельный
износ протектора шины, который возникает, когда остаточная высота выступов
протектора становится меньше минимально допустимой на площади
прямоугольника, ширина которого равна половине ширины беговой дорожки
протектора, а длина составляет 1/6 длины окружности шины по середине
беговой дорожки протектора при равномерном износе, а при неравномерном
износе — на нескольких участках с разным износом на суммарной площади
такой же величины.Минимально допустимая остаточная высота выступов протектора, при
которой шина должна сниматься с эксплуатации, установлена в размере:— для шин легковых автомобилей — 1,6 мм;
для шин грузовых автомобилей — 1,0 мм;
для шин автобусов и троллейбусов - 2,0 мм;
для шин на прицепах и полуприцепах — такая же, как и для шин
автомобилей, с которыми они работают.На шинах с индикаторами износа предельно допустимая высота выступов
протектора определяется по появлению индикаторов (выступы по дну канавок
беговой дорожки, высота которых равна минимально допустимой величине).Для шин, имеющих индикаторы износа, при равномерном износе рисунка
протектора предельный износ определяется появлением одного индикатора,
при неравномерном износе - появлением двух индикаторов в каждом из двух
сечений.Состояние ошиповки шин в соответствии с "Правилами эксплуатации
автомобильных шин" не является условием запрета их дальнейшей
эксплуатации.Общие технические требования безопасности, предъявляемые к
пневматическим шинам в РФ изложены в ГОСТ Р 51893-2002. Показатели
качества, характеризующие безопасность шин, и их значения приведены в табл.
1.4 [10, И, 12, 13,14, 15, 16, 17, 42].Указанные требования в целом дают объективную оценку состояния шин
для обеспечения безопасности дорожного движения, однако при эксплуатации
шин в зимних условиях большое значение имеют сцепные свойства на льду и
снежном накате. Но таких требований в стандарте нет.В процессе эксплуатации ошипованной шины в результате износа
системы «протектор шины — шип противоскольжения» изменяются такие ее
эксплуатационные характеристики, как статическое давление шипа на
поверхность дороги, диаметр отверстий под шипы в протекторе шины, размеры
корпусов и твердосплавных вставок шипов; происходит выпадение шипов, а
так же существенно снижается коэффициент сцепления колес на льду и
снежном накате.
Таблица 1.4
Показатели качества, характеризующие безопасность шин
В результате анализа как действующей в РФ, так и зарубежной
нормативной документации, касающейся ошипованных шин, можно сделать
вывод о том, что отсутствие учета особенностей ошипованных шин в системе
регламентации и нормирования их эксплуатации в РФ является основанием для
разработки методики оценки их текущего технического состояния и разработки
нормативов по эксплуатации ошипованных шин, являющихся объективно
востребованными в практике эксплуатации автомобильного транспорта в
России.1.14. Выводы и постановка задач исследования
На основании анализа литературных источников, посвященных проблеме
использования ошипованных шин, можно сделать следующие выводы:для увеличения коэффициента сцепления колес автомобиля с
обледенелой поверхностью дороги необходимо использование ошипованных
зимних шин;срок эффективной работы шипов противоскольжения в протекторе шины
значительно меньше, чем срок эксплуатации самой шины;интенсивность износа ошиповки зимней шины в значительной степени
определяется конкретными условиями ее эксплуатации;использование ошипованных шин приводит к усиленному износу
дорожного покрытия;ошипованные шины являются причиной повышения уровня
запыленности воздуха вблизи автодорог и уровня шумности движения
автомобилей;в РФ отсутствуют нормативно-правовые акты, регулирующие
использование ошипованных зимних шин. В основном нормативном
документе, определяющем порядок обслуживания и эксплуатации
автомобильных шин на территории Российской Федерации ("Правила
эксплуатации автомобильных шин" (АЭ 001-04)) степень износа шины
определяется только остаточной высотой протектора. Распространение такой
характеристики износа на ошипованные шины не может дать объективную
информацию об изменении их эксплуатационных свойств, так как она не
учитывает состояние ошиповки.Поскольку физические процессы взаимодействия ошипованной шины с
поверхностью дороги имеют существенное отличие от физических процессов
взаимодействия неошипованной шины, использование нормативов,
разработанных для неошипованных шин, не обеспечит адекватного контроля за
состоянием ошипованных шин и может привести к снижению уровня
безопасности дорожного движения и к росту негативного воздействия шипов
противоскольжения на дорожное покрытие и запыленность околодорожного
пространства.Все вышеперечисленное явилось обоснованием для разработки цели
диссертационной работы:Выбор диагностических параметров для оценки текущего технического
состояния ошиповки зимних легковых шин и разработка методики расчета
величин предельных нормативов для данных параметров на основе требований
к безопасности эксплуатации легкового автотранспорта в зимнее время.Для обеспечения комплексного достижения поставленной цели
сформулированы следующие задачи работы:Исследовать напряженно-деформированное состояние выступа
протектора легковой шины с запрессованным в него шипом.Исследовать характер износа отверстия под шип в процессе эксплуатации
ошипованной легковой шины.Исследовать изменение интенсивности ударного воздействия шипа на
дорожное покрытие при износе отверстия по шип.Исследовать изменения коэффициента сцепления ошипованной
легковой шины с обледенелым дорожным покрытием при износе отверстия под
шип, выпадении или западни шипов и уменьшении выступания шипов из
протектора шины.
- Произвести выбор диагностических параметров для оценки текущих
эксплуатационных свойств ошипованной зимней легковой шины и разработать
методику расчета величин предельных диагностических нормативов для
данных параметров.Основными методами являются лабораторный эксперимент, натурный
эксперимент и математическое моделирование. Методика исследований по
данным направлениям, информация по лабораторным стендам и
математическим моделям, полученные данные и результаты их анализа
приведены в соответствующих главах.Похожие диссертации на Методика расчета величин предельных диагностических нормативов для ошипованных зимних легковых шин
