Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цели и задачи исследования 8
1.1 Сцепление автомобильных шин и шероховатость поверхности дорожных покрытий 8
1.2 Роль макро и микрошероховатости в обеспечении сцепных качеств дорожных покрытий 16
1.3 Условия и характер работы дорожных покрытий с шероховатой поверхностью 21
1.4 Исследование силового воздействия колеса на поверхность качения 26
1.5 Требования к шероховатым слоям износа 30
1.6 Цели и задачи исследования 32
2 Исследование взаимодействия автомобильного колеса с шероховатым дорожным покрытием 34
2.1 Передача сил и моментов от двигателя к ведущим колесам 34
2.2 Анализ нормальных сил, действующих в контакте автомобиль ного колеса с покрытием дороги 38
2.3 Выводы по главе 2 44
3 Исследование фрикционных качеств каменных материалов, используемых для строительства шероховатых слоев износа 46
3.1 Теоретическое обоснование необходимости изучения фрикци-онных качеств каменных материалов 46
3.2 Методика и оборудование для оценки фрикционных свойств каменных материалов 54
3.3 Оценка горных пород по фрикционным качествам 57
3.4 Результаты экспериментальной оценки фрикционных качеств каменных материалов 60
4 Экспериментальное исследование воздействия автомобильных колес на шероховатые покрытия автомобильных дорог 65
4.1 Методическое обеспечение экспериментального исследования.. 65
4.1.1 Выбор типов автомобилей для исследований 66
4.1.2 Методика оценки динамического воздействия автомобиля на поверхность покрытия дороги
4.1.3 Методика оценки влияния текстуры поверхности дорожного покрытия на давление в контакте автомобильных шин 73
4.1.4 Методика оценки работы шероховатых слоев износа на авто-мобильных дорогах 78
4.2 Результаты исследований 79
4.2.1 Оценка динамического воздействия автомобиля на поверхность покрытия 79
4.2.1.1 Оценка нормальных усилий в контакте шин 79
4.2.1.2 Исследование тангенциальных усилий в контакте шин с покрытием дороги 4.2.2 Оценка влияния текстуры поверхности дорожных покрытий на давление в контакте автомобильных шин 90
4.2.3 Оценка работы слоев износа на автомобильных дорогах 100
5 Рекомендации по повышению требований к строительству шероховатых слоев износа 103
Заключение 111
Литература 114
- Условия и характер работы дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
- Анализ нормальных сил, действующих в контакте автомобиль ного колеса с покрытием дороги
- Оценка горных пород по фрикционным качествам
- Методика оценки работы шероховатых слоев износа на авто-мобильных дорогах
Условия и характер работы дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
В соответствии с современными воззрениями внешнее трение имеет двойственную природу [18, 23, 35, 58-61, 168, 170 и др.], и обусловлено преодолением сил молекулярного взаимодействия между поверхностями и механического сопротивления, связанного с деформацией их поверхностного слоя. Это находит свое отражение и в зависимостях для определения сцепной силы и коэффициента сцепления (см., например, формулу (1.1)).
Деформация резины протектора в контакте происходит в результате вдавливания выступов шероховатости в резины протектора шин. Анализ, проведенный в работах [18, 19, 35, 53, 59-61 и др.], показал, что увеличение неровностей шероховатости должно приводить к уменьшению молекулярной составляющей и росту механической составляющей сцепной силы и коэффициента сцепления. При этом уменьшение молекулярной составляющей объясняется уменьшением фактической площади контакта шины с покрытием.
По существующей классификации [145], неровности шероховатости разделяют на макрошероховатость и микрошероховатость. Под макрошероховатостью понимают, как правило, выступающую над поверхностью покрытия часть зерен 7 щебня (или неровности на поверхности самих зерен) с высотой не менее 0,3 мм, длиной не менее 2-3 мм (до 40-50 и более мм). Микрошероховатость обусловлена собственной шероховатостью щебня (шероховатостью скола каменного материала, из которого изготовлен щебень) с высотой выступов не более 0,3 мм и длиной не более 2-3 мм. Установлено, что и макро, и микрошероховатость играют важную роль в обеспечении высоких значений коэффициента сцепления, как на сухих, так и мокрых покрытиях дорог (таблица 1.1, рисунок 1.7).
Рисунок 1.7 показывает, что на мокрых покрытиях роль макро и микрошероховатости не остается постоянной. На мелкошероховатых покрытиях при относительно малой высоте выступов макрошероховатости (менее 2 мм – при скорости 80км/ч) она имеет превалирующее значение по сравнению с микрошероховатостью. На крупношероховатых покрытия (R более 2 мм), наоборот, превалирующая роль принадлежит микрошероховатости (т.к. дренажная способность поверхности покрытия достаточно высокая и дальнейшее ее увеличение не имеет существенного значения).
Рассмотрение исследований в области изучения связи сцепных качеств дорожных покрытий и шероховатости их поверхности показало, что основное внимание было уделено изучению вопросов обеспечения макрошероховатости их поверхности [9, 38, 46, 62, 82, 111 и др.] работы. Вопросу обеспечения микрошероховатости внимание уделено значительно меньше [87, 91]. При этом в основном изучалось сопротивление шлифованию каменного материала, используемого для приготовления дорожного щебня, причем для сравнительно малого набора горных пород (следует отметить, что даже одна горная порода, но из разных карьеров, может обладать во многом отличающимися физико-механическими показателями). Испытания проводились в лабораторных условиях на установках, как правило, не моделирующих процесс взаимодействия автомобильной шины с покрытием дороги (в контакт подавался абразивный материал, значительно ускоряющий процесс шлифовки, но нарушающий реальную картину взаимодействия резины протектора и связанный с ним износ; качение колеса осуществлялось с проскальзыванием – колесо устанавливалось под определенным углом к траектории качения, что и обеспечивало его проскальзывание в зоне контакта; все это справедливо при оценочных сравнительных испытаниях, как материала покрытия, так и шин, но не характеризует истинные свойства материала, в том числе и абразивные). В то же время важное значение микрошероховатости (т.е. природных абразивных качеств каменного материала) хорошо видно из таблицы 1.2 [170].
В ряде исследований (например [151, 153, 158-160 и др.]) обобщены данные о связи коэффициента сцепления с показателями полируемости каменных материалов, полученные в результате наблюдений за работой дорожных покрытий (таблицы 1.2-1.3). Установлена достаточно тесная корреляционная связь между ними. Однако в тех случаях, когда диапазон разброса показателя полируемости для какого-либо материала относительно не велик, эта связь оказалась весьма слабой. Кроме того, для некоторых видов горных пород (например, кварцитов и ряда других) отмечено значительное отличие показателей корреляционной связи (показателя полируемости и коэффициента сцепления) от средних значений для остальных горных пород.
Анализ нормальных сил, действующих в контакте автомобиль ного колеса с покрытием дороги
Действие нормальных сил в контакте шин с покрытием дороги обычно характеризуют величиной давления от колеса автомобиля [112]: где Gk - вертикальная нагрузка на колесо; со - площадь фактического контакта; к - насыщенность рисунка протектора; pw - давление воздуха в шине; г - радиус шины; Р „ - ширина беговой дорожки шины; qu - давление, вызванное только изгибом оболочки шины; т - коэффициент, учитывающий изгибную жёсткость резины боковин шины (т 1); а, /5– углы расположения нитей корда: /5– угол наклона нити корда к меридиану, а - угол, под которым нить корда выходит из ленты (лента - упрощённая модель автомобильной шины в виде жёсткой в по 3 9 перечном сечении и гибкой в окружном направлении кольцевой ленты, связанной нитями корда с ободом колеса) [112].
Также традиционно считается, что давление в контакте зависит от вертикальной нагрузки передаваемой от автомобиля на колесо (с учетом массы колеса – Gк), размера и конструкции автомобильных шин, рисунка протектора и физико-механических свойств его резины. Однако на давление Р оказывают влияние и режим (скорость) движения автомобиля, конструктивные особенности его кузова (аэродинамическая характеристика), а также характеристики дорожного покрытия - шероховатость и ровность.
Известно [9, 87, 91 и др.], что увеличение шероховатости поверхности дорожных покрытий сопровождается уменьшением площади фактического контакта, а, следовательно, ростом давления. Данные об изменении площади фактического контакта приведены в таблице 2.3. При этом следует ожидать влияния на давление такого фактора, как скорость движения.
От скорости движения зависит продолжительность внедрения выступов шероховатости (а следовательно и глубина) в резину протектора, а также уровень динамического воздействия шина на выступ шероховатости. Вибрация колес, генерируемая выступами шероховатости, характеризуется достаточно высокой составляющей виброскорости. 0
Неровности дорожного покрытия (в данной работе к ним отнесены выступы и впадины длиной от 0,10 до нескольких метров, т.е. короткие неровности), в отличие от шероховатости, оказывает влияние на колебание кузова автомобиля. Это приводит к переменности вертикальной нагрузки от автомобиля на его колеса.
Влияние неровности дорожного покрытия на давление в контакте можно рассмотреть, используя упрощенную расчетную схему, показанную на рисунке 2.4 [21, 130, 131].
Выбираем в качестве координат вертикальные перемещения переднего Хх и заднего Х2 мостов и расположенных над ними точек кузова. Высоты неровностей под передними и задними колесами обозначим соответственно Ь\и h2.
Такой выбор координат позволяет получить уравнения движения для передней и задней осей в одинаковой форме. Обозначим через М - массу подрессоренной части (как твердое тело); т\, т2 - неподрессоренные массы переднего и заднего мостов, соединенных упругими элементами, имеющими жесткость 2Ср\ и 2Ср2, и амортизаторами с неупругим сопротивлением 2К\ и 2К2. Неподрессоренные массы связаны с проезжей частью шинами с радиальной жесткостью 2Сш1 и 2Сш2.
Величину вертикального динамического воздействия можно записать как сумму инерционных сил подрессоренной Мі, неподрессоренной Zm массы и нагрузки от статического веса Zcm автомобиля [28,34] где Za = 2к(Х- ) - сила неупругого сопротивления в подвеске; Zp = 2CP{X -Z) — сила упругого сопротивления рессор; Zmp = ±F - постоянная сила трения в подвеске. Рисунок 2.4 - Упрощенная расчетная схема автомобиля [21]
Преобразуя уравнение (2.10) с учетом (2.11) получим в итоге выражение для коэффициента динамичности Kg = (Zg/Zcm) = {Mf mx+{M+m)g)l{{M+m)g) = \+((M -mx)/(M+ni)g). (2.12) Из уравнения (2.12) видно, что величина коэффициента динамичности образуется соотношением подрессоренной и неподрессоренной масс и их ускорениями при колебаниях. В общем виде дифференциальное уравнения движения колебательной системы, эквивалентной автомобилю, можно записать в форме [28, 34]: Kg =\+((2Clu(q-X))/M(\+M)g). (2.15) При постоянной жесткости шин нагрузка от автомобиля пропорциональна разности двух переменных: ординаты (высоты) неровности и ординаты траектории движения колеса при проезде по поверхности.
Таким образом, определение переменной нагрузки от колеса автомобиля при его движении состоит в решении дифференциальных уравнений (2.13) относительно (X-h) при условии, что изменение h является случайным стационарным процессом. Величина (cok2h); (сок2 - частота колебаний неподрессоренной массы на шинах) рассматривается как вход динамической системы, эквивалентной подвеске автомобиля, а Z - как выход в этой же динамической системе.
Передаточная функция динамической системы вычисляется по параметрам колебательной системы с помощью преобразования по Лапласу дифференциальных уравнений (2.13). Линейность операции Лапласа позволяет простым способом вычислить квадрат модуля передаточной функции, которой численно равен квадрату амплитудной частотой характеристики.
Силовое воздействие колёс движущегося автомобиля на дорожное покрытие обычно оценивается в режиме их 100% блокировки, т.е. скольжения. Предполагается, что при этом режиме движения в контакте шин действует наибольшая продольная сила. Однако и при режиме качения – движении автомобиля с передачей крутящего момента от двигателя к ведущим колёсам (вследствие колёса, вращающиеся вокруг своей оси, перекатываются /катятся/ по дорожному покрытию) в контактной зоне действует вертикальная сила (определяемая массой автомобиля и конструкцией его подвески) и касательная сила, вызываемая наличием крутящего момента.
Анализ сил и моментов, передаваемых от двигателя автомобиля к ведущим колёсам, позволил определить величину окружной (касательной) силы, действующей в контакте шины ведущего колеса с дорожным покрытием при режиме качения колеса. Она оказалась достаточно значительной. В зависимости от передачи (в коробке передач), при которой происходит движение, она достигает 220…290 Н. Расчёт сделан для легкового автомобиля М-412, двигатель которого обладает достаточно высокой мощностью, вполне соизмеримой с двигателями современных автомобилей этого же класса (класс В). Повышение мощности двигателя лишь увеличивает окружную силу, действующую в контакте колеса с дорожным покрытием.
Традиционно считается, что давление в контакте шин зависит от вертикальной нагрузки, передаваемой от автомобиля на колесо (с учётом массы колеса), размера и конструкции автомобильных шин, рисунка протектора и физико-механических свойств его резины. Проведённый теоретический анализ выявил влияние на давление динамического фактора, обусловленного движением автомобиля, колебаниями его подрессоренных масс и выступами шероховатости на дорожном покрытии. Анализ позволил получить уравнение для расчёта коэффициента динамичности, являющегося следствием наличия и действия сопротивлений в подвеске и рессорах автомобиля при режиме качения колёс. При анализе была учтён динамический прогиб шин в зависимости от колебаний подрессоренной массы автомобиля. В конечном итоге получена зависимость (2.28), отражающая связь коэффициента динамичности с неровностями шероховатости поверхности дорожного покрытия, характеристиками автомобиля и скоростью его движения. Со стороны дорожного покрытия характер этой зависимости является функцией высоты, длины, плотности распределения неровностей на поверхности дорожного покрытия.
Оценка горных пород по фрикционным качествам
Для оценки давления на выступы макрошероховатости на поверхности дорожного покрытия в пределах площади контакта колеса с поверхностью качения С.К. Актановым было разработано специальное оборудование – миниплатформа МАДИ, приведенная на рисунке 4.4.
Миниплатформа представляет собой металлическую конструкцию из трёх стальных листов, каждый толщиной 8 мм, размерами в плане 400х400 мм, устанавливаемую жёстко в тело дорожной одежды. Верхний лист устанавливается на уровне поверхности покрытия с целью недопущения динамического удара при наезде на неё колеса автомобиля. Силовоспринимающий (верхний) лист минип-латформы имеет набор отверстий диаметром 12 мм (с шагом 25 мм) в которые (в соответствующем порядке) устанавливаются инденторы со сферической поверхностью. Во втором (среднем) листе имеются обоймы, куда устанавливалась фигурная пружина конструкции С.П. Захарова (НИИШП) [39] с тензорезистрами, конец которой в виде штока выступал через сквозные отверстия верхнего листа. При наезде колеса на миниплатформу через сферические выступы (головки ин-денторов) на шток передавалось давление, фигурная пружина изгибалась и тензо-резисторы фиксировала изменение давления. Электрические сигналы поступали в усилитель 8АНЧ-7м и регистрировались осциллографом Н-117.
Для получения достаточно достоверных результатов был проведён расчёт минимального количества измерений: Nmin = 12. В результате суммарная погрешность измерений с учётом погрешности обработки составила 3,02 %. fi
Выступы макрошероховатости моделировались инденторами (общий вид которых показан на рисунке 4.4). В работе использованы выступы макрошероховатости сферической формы. Такая форма выбрана исходя из очертания выступов макрошероховатости многочисленных профилей макрошероховатости на поверхности дорожных покрытий (по данным собственных измерений авторов, приведенных на рисунке 4.5), а также данным В.А. Астрова, Б.М. Косарева, С.Ю. Ткачёва, по форме похожих на усечённую пирамиду.
Под воздействием колёс автомобилей выступы макрошероховатости (в большинстве усечённые многогранные пирамиды) постепенно полируются и принимают окатанную форму. Кроме того, многочисленные физические испытания эластомеров, в том числе по оценке силы трения, обычно проводятся с инденто-рами сферической формы, наилучшим образом моделирующими процессы деформации резины (без её разрыва) и скольжения.
При «изображении» шероховатости инденторами учтены фактические виды макрошероховатости на поверхности дорожных покрытий, различающиеся плотностью размещения выступов макрошероховатости. Использована классификация текстуры поверхности покрытий, предложенная Л.Г. Паниной [103-106], разделяющая текстуру на следующие виды: шероховатые (при плотном размещении макровыступов), шероховато-шипованные (при появлении расстояний между подошвами макровыступов) и шипованные (при достаточно заметном удалении друг от друга выступов макрошероховатости). К первым относят поверхности, для которых объём выступов превышает объём впадин. В этом случае протектор шины контактирует непосредственно только в вершинами макровыступов. В последнем случае объём впадин превышает объём выступов и непосредственный контакт протектора шины и дорожного покрытия осуществляется через вершины выступов и в пространстве между ними. Второй тип – промежуточный между ними.
В работе рассмотрены модели поверхности со сферическими выступами с радиусами 2,5; 5,0; 7,5 и 10 мм при расстоянии между осями (центрами) выступов, соответственно, 25, 50, 75 и 100 мм, перекрывающие весь реальный диапазон макрошероховатости поверхности дорожных покрытий [145]. Измерение объёмов выступов и впадин на моделях макрошероховатости показало (таблица 4.3), что реально получаемые макрошероховатости можно отнести к двум типам: - шероховатые, при R = 7,5 мм и l = 25 мм и при R = 10 мм и l = 25-50 мм; - шипованные, при: R = 2,5 мм и l = 25-100 мм; R = 5,0 мм и l = 25-100 мм; R = 7,5 мм и l = 50-100 мм; R = 10 мм и l = 75 мм. В таблице 4.3 в числителе указана площадь выступов, в знаменателе – площадь впадин. Таблица 4.3 – Площадь выступов и впадин шероховатости при различной плотности распределения щебня (сферическая модель) рассмотренных моделей поверхности покрытия, мм № l, мм R, мм 10 15 25 50 75 100
Исследования проводились на автомобильных дорогах действующей сети на участках, имеющих асфальтобетонное покрытие с шероховатым слоем износа. Оценивалась макрошероховатость поверхности покрытия методом «песчаного пятна» [145]. Интенсивность движения и состав транспортного потока оценивалась визуальным методом (с помощью счётчиков) и по данным ежегодного учёта движения дорожно-эксплуатационными организациями. Продолжительность учёта движения «собственными силами» – по месяцам года, дням недели, часам суток - назначалась в соответствии с рекомендациями работы [16] с целью получения достоверных данных (95 % обеспеченность). По данным учёта движения проводился подсчёт числа прошедших по рассматриваемому участку дороги «расчётных» автомобилей. В качестве расчётного принят расчётный – грузовой – автомобиль с нагрузкой на ось 130 кН (нагрузка Н-30) (с учётом перспективы увеличения массы грузовых автомобилей и частой их перегрузки в период их эксплуатации). Методика расчёта подробно описана в работах [87, 91]. На опытных участках оценивалась твёрдость асфальтобетонного покрытия с помощью твердомера [145].
Были рассмотрены три типа текстуры, отличающиеся размерами выступов макрошероховатости: типа «наждачная бумага» (R = 0,10 мм), из щебня размера 5-10 мм (R = 2,45 мм) и из щебня размера 20-25 мм (R = 5,55 мм). Измерения проведены для легковых автомобилей с нагрузкой на переднее (ведомое) колесо 1,9 кН, 3,0 кН, 3,12 кН (ВАЗ-2107) и для микроавтобусов с нагрузкой на переднее (ведомое) колесо 6,0 и 6,10 кН. В диапазоне скорости движения от 0 до 90 км/ч.
Методика оценки работы шероховатых слоев износа на авто-мобильных дорогах
Повышение коэффициента сцепления – это рост обеспеченности безопасного движения при росте скорости автомобилей. Увеличение коэффициента сцепления от 0,20 до 0,30 уменьшает количество дорожно-транспортных происшествий на мокрых покрытиях на 10-20 % при значительном снижении тяжести последствий ДТП [8, 9, 87, 91].
Ранее было показано (рисунки 1.3-1.4), что микрошероховатость поверхности щебня положительно влияет на стабильность значений коэффициента сцепления, т.е. уменьшает его изменчивость при увлажнении дорожных покрытий.
Исследования взаимодействия автомобильного колеса с дорожным покрытием позволили установить значительный рост колёсной нагрузки на дорожное покрытие с ростом скорости движения. При этом шероховатость на поверхности покрытия увеличивает этот рост. При скорости 90 км/ч зафиксирован рост нагрузки до 2-х раз при макрошероховатости поверхности покрытия 5,55 мм и до 30 % (в 1,3 раза) при макрошероховатости 2,45 мм. В то же время на гладком покрытии рост нагрузки проявляется очень слабо ( при макрошероховатости 0,10 мм всего на 5 % - при скорости движения 90 км/ч).
Это, в определённой мере, заставляет задуматься о необходимости учёта легковых автомобилей при расчёте прочности дорожных одежд, особенно, покрытий этих одежд. Исследование взаимодействия автомобильной шины с неровностями разной высоты, находящимися на дорожном покрытии, показало, что даже при сравнительно малой их высоте (например, 20 мм) сила удара шины о неровность достигает 3,5 – 5,0 кН (в зависимости от скорости), что опасно для её прочности и, следовательно, безопасности движения автомобилей. Такая высота препятствий обеспечивается поперечными (морозобойными) трещинами асфальтобетонного покрытия, если их своевременно не ремонтировать.
Результаты исследования позволяют сделать рекомендации по совершенствованию технологии строительства шероховатых слоёв износа, направленные на повышение их прочности и долговечности (в ракурсе, обозначенном при постановке цели и задач исследования):
1. Шероховатые слои износа на асфальтобетонных покрытиях автомобильных дорог следует устраивать при интенсивности движения по дороге не менее 1000 авт./сутки. При очень высоких интенсивностях движения (более 10 000 авт./сутки) шероховатые слои износа эффективны, но имеют очень короткий срок службы (долговечность) в результате погружения щебня слоя износа в покрытие (при асфальтобетоне типа В). Частота ремонтов (устройство новых слоёв взамен изношенных), нарушающих режим движения автомобилей, снижение скорости движения, делает их нерациональными. При высоких интен-сивностях движения требуемая макрошероховатость поверхности дорожного покрытия должна обеспечиваться иными технологическими методами. В настоящее время наиболее целесообразна технология устройства шероховатых покрытий из щебнемастичных асфальтовых бетонов (типа ШМА 10).
2. При приобретении камня для приготовления щебня необходимо ориентироваться на горные породы с максимальными фрикционными качествами (см. таблицы 3,4…3.6) исходя из критерия «цена – качество». Необходимо оценивать фрикционные качества горных пород, не входящих в таблицы 3.4…3.6 в лабораториях, при сухом и мокром их состоянии.
3. Размер щебня слоя износа следует выбирать с учётом интенсивности и состава движения транспорта по дороге, объёма движения за планируемый срок службы слоя и типа асфальтобетона покрытия, например, пользуясь [145]. Это позволит обеспечить закрепление (посредством погружения в покрытие) щебня слоя износа, обеспечивающее восприятие колёсных нагрузок от автомобилей.
4. Изменить технологию устройства слоя износа в части прикатки щебня: щебень надо не прикатывать (приклеивать), а втапливать, погружать в асфальтобетонное покрытие до глубины, обеспечивающей его прочное закрепление. При этом необходимо контролировать высоту оставшейся на поверхности части щебёнок, которая позволяет делать расчёт максимальной допустимой силы вырывания щебёнки.
5. Ограничение скорости движения автомобилей в первые дни работы слоя износа назначается в зависимости от глубины заделки щебня слоя износа в асфальтобетонное покрытие.
6. Плотность распределения щебня, т.е. решение вопроса, какую поверхностную обработку (слой износа) надо устраивать – шероховатую или шипованную, должна назначаться в зависимости от назначенной высоты выступов макрошероховатости (см. рисунок 4.22).
7. Расчёт размера щебня для устройства шероховатого слоя износа должен проводится на этапе проектирования дорожной одежды – выбора типа асфальтобетонной смеси для верхнего слоя покрытия (типа В иди Б, с назначением количества щебня в её составе). Расчёт следует вести по методике [145].
Для обеспечения заделки щебня на требуемую глубину за короткое время работы катков при строительстве шероховатого слоя износа необходимо в состав битумной эмульсии (или битума) вводить специальный компонент, в определённой мере разжижающий битум покрытия – на время работы катков, т.е. на очень короткое время, с последующим восстановлением его вязкости до прежнего или более высокого уровня.
