Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Перспективы совершенствования отраслевого банка дорожных данных и дорожных диагностических лабораторий 11
1.1. Отраслевая система диагностики автомобильных дорог 11
1.2. Анализ нормативных требований к точности измерений параметров автомобильных дорог 21
1.3. Принципы построения комплексных и специализированных диагностических лабораторий. Архитектура и пути совершенствования 23
1.4 Постановка задач исследований 25
Глава 2 Совершенствование научных основ системы диагностики и оценки состояния автомобильных дорог .27
2.1 Разработка предложений по совершенствованию системы
анализа информации о состоянии автомобильных дорог 27
2.2 Разработка методических рекомендаций по методам сбора информации о состоянии автомобильных дорог 32
2.3 Опытная апробация разработанной методики с использованием компьютерного моделирования 36
2.4 Совершенствование структуры отраслевой диагностики федеральных автомобильных дорог 37
2.5 Показатели оценки экономических затрат, планируемых на капитальный ремонт и ремонт дорог общего пользования 43
2.6 Разработка и совершенствование структуры и параметров АБДД «ДОРОГА» 46
2.7 Применение АБДД «ДОРОГА» для разработки специальных проектов перевозки тяжеловесных и крупногабаритных грузов 63
2.8 Выводы по главе 2 65
Глава 3 Научное обеспечение совершенствования системы диагностики автомобильных дорог и методов нормирования параметров диагностики 67
3.1 Научное обеспечение диагностики и восстановления ровности автомобильных дорог 67
3.2 Методы нормирования противогололедных дорожных покрытий с шероховатой поверхностью 72
3.3 Проектирование параметров макрошероховатости (на примере щебеночно-мастичного асфальтобетона) 79
3.4 Математическое моделирование положения зерен щебня на поверхности дорожного покрытия 86
3.5 Триботехнический анализ способов определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием. Новая концепция определения коэффициента сцепления 93
3.6 Геоинформационная система мониторинга состояния рабочих органов
дорожных машин 110
3.8 Возможности объединения АБДД «ДОРОГА» с геоинформационными системами на основе электронных карт и фотографий земной поверхности из
космоса 115
3.8 Выводы по главе 3 121
Глава 4. Разработка модульных автоматизированных информационно-измерительных подсистем передвижной дорожной лаборатории на основе концепции микромашин и лазерного датчика 123
4.1 Концепция создания средств измерения и автоматизации для передвижной дорожной диагностической лаборатории нового поколения 123
4.2 Разработка измерителя шероховатости дорожного покрытия 128
4.3 Оценка возможностей применения в дорожном хозяйстве систем глобального позиционирования 131
4.4 Выводы по главе 4 136
Заключение 138
Список использованных источников
- Принципы построения комплексных и специализированных диагностических лабораторий. Архитектура и пути совершенствования
- Разработка методических рекомендаций по методам сбора информации о состоянии автомобильных дорог
- Методы нормирования противогололедных дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
- Разработка измерителя шероховатости дорожного покрытия
Введение к работе
Дорожное хозяйство Российской Федерации в настоящее время подошло к необходимости перехода на современный мировой уровень качества строительства, реконструкции, ремонта и содержания автомобильных дорог, который должен быть основан на применении новейших средств получения оперативной диагностической информации. Необходима полная, объективная и достоверная информация о транспортно-эксплуатационном состоянии автомобильных дорог, условиях их работы, степени соответствия их фактических потребительских свойств, параметров и характеристик требованиям безопасности дорожного движения. Результаты диагностики и оценки состояния автомобильных дорог являются информационной базой для решения управленческих задач, определения и оценки технического уровня, потребительских свойств дорог, а также управления состоянием дорожной сети на основе рационального использования финансовых средств и материально-технических ресурсов [1, 10, 11,30].
Российская отраслевая система диагностики федеральной сети автомобильных дорог по своей структуре вполне сопоставима с аналогичными зарубежными системами. В ней присутствуют все элементы, необходимые для подобных систем: сбор информации о дорогах, формирование банка дорожных данных, анализ полученной в результате диагностики информации, ежегодное и среднесрочное планирование ремонтных работ, система контроля качества работ, система оперативного контроля.
Подпрограммой «Автомобильные дороги» ФЦП «Модернизация транспортной системы России» (2002-2010 годы) предусмотрено расширение существующих и создание новых систем мониторинга транспортно-эксплуата-ционного состояния федеральных дорог и мостов с применением современных информационных технологий в целях оптимизации на основе адресного и эффективного планирования работ по ремонту и содержанию федеральной
дорожной сети, обеспечения ее сохранности. Для научно-технического обеспечения решения указанных задач предусматривается совершенствование организации проведения работ по диагностике федеральных автомобильных дорог, разработка нового диагностического оборудования и приборов, создание и совершенствование автоматизированных банков дорожных данных, разработка компьютерных методов планирования дорожных работ с целью повышения эффективности принимаемых решений и сокращения затрат в сфере управления состоянием дорожной сети. Все эти вопросы систематизированы в разработанных автором проекте Программы модернизации системы диагностики федеральных автомобильных дорог и искусственных сооружений (Приложение 1) и в проектах Регламента проведения диагностики и оценки состояния федеральных автомобильных дорог и Концепции системы управления состоянием федеральных автомобильных дорог (Приложение 2).
Совершенствование организации проведения работ по диагностике федеральных автомобильных дорог в основном связано с уточнением перечня определяемых параметров и периодичностью их обновления. Разработка современных диагностических лабораторий должна ориентироваться на лучшие образцы зарубежной техники с учётом особенностей российских дорог. Банк дорожных данных должен удовлетворять запросам пользователей, поставленным перед системой диагностики федеральных автомобильных дорог задачами и действующим или планируемым корпоративным информационным системам. Разработанный под руководством автора автоматизированный банк дорожных данных АБДД «Дорога» первоначально создавался, как справочно-информационный фонд, дающий сведения о параметрах дороги, пересечениях и примыканиях, конструкции дорожных одежд, обустройстве, интенсивности и составе движения и т.д [1].
С развитием инструментального диагностического обследования стали расширяться номенклатура информационной модели и меняться качество информационных сведений о транспортно-эксплуатационном состоянии Феде-
ральных дорог. В последние годы на базе созданного информационного модуля АБДД «Дорога» разработан целый перечень прикладных задач, связанных с управлением дорожным хозяйством. Используя опыт ФГУП «РОСДОРНИИ» ряд дорожных организаций в различных регионах успешно создают и развивают свои информационные системы о состоянии территорииальных дорог. Все эти информационные системы лишь частично совместимы между собой, что вызывает определенные трудности при сборе и конвертации данных.
Одним из основных направлений является разработка прикладных программ на основе информации банка дорожных данных, содержащего полную информацию по диагностике, инвентаризации и паспортизации обследуемых автомобильных дорог и дорожных сооружений на них, с всесторонним анализом данных и последующей разработкой инженерных решений [30].
В настоящее время в дорожном хозяйстве существуют несколько банков дорожных данных, написанных разными разработчиками, имеющими разную архитектуру, структуру данных и решающие разные прикладные задачи. Главным недостатком существующих баз данных является то, что они не предназначены решать задачи на уровне отрасли. В частности, один из лучших банков данных АБДД «Титул» (ОАО «Росдортех», г. Саратов) [43] разрабатывался как территориальный банк данных, для решения задач на уровне территориальных управлений автомобильных дорог и таким образом не предусматривает решения специфических задач высшего звена управления дорожного хозяйства.
Целью исследований является повышение эффективности диагностических и ремонтных работ и сокращение затрат на диагностику автомобильных дорог и дорожных сооружений на основе совершенствования отраслевого автоматизированного банка дорожных данных, повышение уровня качества технических средств диагностики дорог, расширения их функциональных возможностей.
Результатом работы должно быть совершенствование системы управления дорожного хозяйства России, функционирующей на территории большой протяженности, имеющей развитую инфраструктуру и сложную многоуровневую и многоведомственную схему на основе создания единой системы управления состоянием сети дорог путем использования в обновленном отраслевом банке дорожных данных и электронного паспорта автомобильных дорог и электронной карты сети автомобильных дорог с геоинформационной системой (ГИС), для обеспечения объективной информации о фактических транспортно-эксплуатационных показателей сети автомобильных дорог [61] .
Главное преимущество совершенствуемого банка дорожных данных -решение задач управления непосредственно на уровне отрасли - дорожного хозяйства Российской Федерации. Использование новейших технологий в области создания программных приложений для поддержания режимов ввода и поиска требуемой информации с предоставлением данных в форматах определяемыми нормативными документами и запросами потребителей.
Диагностика является элементом системы управления состоянием автомобильных дорог. В настоящее время диагностика федеральных автомобильных дорог регламентируется двумя документами: это «Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог» ОДН 218.0.006-2002 [61] и «Классификация работ по ремонту и содержанию автомобильных дорог общего пользования» [49]. В соответствии с этими документами целью диагностики автомобильных дорог является получение информации о транспортно-эксплуатационном состоянии дорог, условиях их работы и степени соответствия фактических потребительских свойств, параметров и характеристик требованиям движения. По результатам диагностики дорог в процессе эксплуатации выявляют участки, не отвечающие нормативным требованиям. На основе полученных результатов, определяют виды и состав основных работ и мероприятий по ремонту и содержанию дорог для решения одной из основных задач, стоящей перед диагностикой - планирования
ремонтных работ. Результаты диагностики дорог являются предпроектным материалом и информационной базой для разработки в установленном порядке проектов реконструкции, капитального ремонта, ремонта и содержания эксплуатируемых дорог. Только в отдельных случаях, предусмотренных «Классификацией работ по ремонту и содержанию автомобильных дорог общего пользования», допускается разработка сметной документации на ремонт и содержание дорог на основании результатов диагностики и оценки их состояния вместо разработки полноценного проекта. Непосредственно по результатам диагностики и только в отдельных случаях могут выполняться работы по восстановлению и защите верхних слоев дорожных покрытий, а работы по усилению и перестройке дорожных одежд должны выполняться только по проектно-сметной документации, подкреплённой результатами детальных обследований ремонтируемых участков дорог. Этими принципами должны определяться методики полевых работ при диагностике. Что касается ежегодного и среднесрочного планирования ремонтных работ, то для него обычно используют укрупнённые технико-эксплуатационные показатели.
По результатам диагностики невозможно точно определить, какая именно технология восстановления дорожной одежды будет использована на участке дороги. Для этого необходимы детальные, трудоёмкие и достаточно дорогие обследования дорожной конструкции с использованием бурения, георадаров, вибродатчиков и т.п. Поэтому при планировании ремонтных работ используют средние укрупнённые показатели стоимости ремонтных работ. Что касается ровности и сцепных свойств дорожных покрытий, то здесь важно находятся ли значения показателей выше или ниже нормативных значений. Для планирования ремонтных работ важно знать не точные значения прочности дорожной одежды, ровности и сцепных свойств дорожного покрытия, а только выше или ниже норматива находятся эти показатели.
Следовательно, если принять, что основной целью диагностики федеральных автомобильных дорог является составление ежегодных и среднесрочных
программ ремонтных работ, то можно существенно снизить требования к точности результатов измерений и за счёт этого значительно уменьшить трудоёмкость и повысить производительность полевых работ. При таком подходе существенно возрастает роль оценки состояния дорожного покрытия. По состоянию дорожного покрытия можно выбирать участки дорог, на которых вообще не требуется проводить измерения, так как их характеристики заведомо выше или ниже нормативных. Целесообразно проводить оценку состояния дорожного покрытия два раза в год - весной и осенью.
Результаты литературного обзора подтверждают научную и практическую значимость основных положений, разработанных научной школой д.т.н., профессора А.П.Васильева, научных методов диагностики автомобильных дорог, в частности, методических рекомендаций по диагностике автомобильных дорог 2002 г. [61]. Фактически создано единое информационное пространство системы диагностики автомобильных дорог Российской Федерации. Российскими дорожниками были сформулированы основные требования к системе диагностики дорог, включающие единую нормативно-методическую базу по обследованию дорог, единую систему транспортно-эксплуатационных показателей дорог, использование метрологически аттестованных технических средств диагностики, использование нормативно-методической базы и технических средств диагностики, не уступающих международным стандартам. В настоящее время в России выпускаются опытные образцы и серийные партии диагностических лабораторий, реализующие механизированные или автоматизированные методы измерений основных параметров автомобильных дорог [43].
Принципы построения комплексных и специализированных диагностических лабораторий. Архитектура и пути совершенствования
В результате исследований разработаны основные требования, которым должны соответствовать перспективные диагностические лаборатории [32]: применение компьютера и современных цифровых устройств управления и обработки измерительных сигналов; модульный принцип построения, предусматривающий стандартные интерфейсы обмена измерительных данных; применение эффективных технологий обработки измерительных сигналов с целью повышения точности и надежности измерений; применение инерциальных и спутниковых навигационных систем; комплексирование измерительных каналов; возможность привязки и внесение дорожной информации в электронные карты местности; автономная система энергообеспечения; диагностика и самодиагностика измерительных модулей; калибровка измерительных систем при подготовке и в процессе измерений.
Центральной частью измерительной лаборатории является бортовой вычислительный комплекс, включающий блок управления и компьютер, и осуществляющий сбор информации, управление измерениями, обработку результатов измерений и диагностику функциональных узлов. Обработка данных — фильтрация, оценка параметров сигналов, оптимизация измерений - может производиться с помощью микроконтроллеров, цифровых сигнальных процессоров, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), обеспечивающих по быстродействию решение практически всех производственных за дач лаборатории. С помощью компьютера осуществляются визуальный контроль измерений, калибровка измерительных систем, постобработка информации, генерирование отчетов и ведомостей. Программное обеспечение новой лаборатории диагностики, включающее исполняемые и другие коды микроконтроллеров, цифровых процессоров, ПЛИС, универсального процессора (компьютера), библиотеки, интерфейсы, а также операционную среду, должно обеспечивать адаптируемость и расширяемость измерительного комплекса, возможность одновременного измерения нескольких параметров и настройки в любой необходимой пользователю конфигурации. При этом должны быть предусмотрены унификация программно-аппаратных интерфейсов, модульный принцип построения, объектно-компонентная архитектура.
Данные по основным элементам плана и профиля определяются с помощью гироскопической аппаратуры. В инерциальной навигационной системе дорожной лаборатории целесообразно использовать волоконно-оптические гироскопические датчики совместно с акселерометрами. Можно также воспользоваться выпускаемыми в России интегрированными системами навигации [37]. Экспериментальные исследования датчика пути, встроенного в привод спидометра, с целью количественной оценки температурного влияния на точность измерений, и использование полученной поправки, а также мерного колеса как эталона, позволят повысить точность измерения пройденного пути.
Для определения географических координат (в том числе для приложений ГИС) и коррекции измерений длины пройденного пути желательно применить приемную аппаратуру системы глобального позиционирования GPS/ГЛОНАСС. Комплекс ирование измерительных каналов (датчики углов тангажа и курса, датчик мерного колеса, GPS/ГЛОНАСС приемник) с применением алгоритмов фильтрации информационных сигналов позволят повысить точность определения плановых координат и длины пройденного пути.
В настоящее время сплошной контроль ровности дорожных покрытий осуществляют с помощью передвижной установки ПКРС-2 или толчкомера. Применение акселерометров для измерения вертикального перемещения колеса ПКРС-2 позволят устранить помеховые воздействия паразитных колебаний рамы прицепа на точность измерений. Фильтрация, корреляционный и спектральный анализ результатов измерений дают возможность определения структуры неровностей по длинам волн, а также поможет выработать рекомендации по количественной оценке продольной ровности и структуры неровностей.
Современное развитие георадаров позволяют разработать и создать мобильную установку измерения влажности грунта. Дальнейшим шагом развития такой измерительной системы будет разработка метода определения толщины слоев дорожной одежды. Для этой цели также необходимо исследовать использование ультразвуковых методов.
Создание автоматизированной системы измерения глубины колеи бесконтактным (ультразвуковым/лазерным) способом. Перспективными представляются: лазерный метод измерения; ультразвуковой метод измерения, использующий линейку ультразвуковых датчиков расстояний.
Одним из основных результатов измерений колейности на основе бесконтактных методов будет визуализация распределения деформаций дорожного покрытия и возможность оптимального выбора метода ремонтных работ по ликвидации колейности и расчета объемов строительных материалов.
Разработка методических рекомендаций по методам сбора информации о состоянии автомобильных дорог
Для оценки продольной ровности дорожного покрытия достаточно иметь один лазер. В тоже время при измерении продольной ровности дорожного покрытия не определяются наличие и глубина колеи, которая также характеризует ровность дорожных покрытий. Обычно для фиксации колеи используют поперечную рейку с установленными на ней средствами измерений (6-8 лазерных датчиков). Такая измерительная рейка позволяет получить поперечный профиль дорожного покрытия по ширине полосы наката. При этом необходимо принимать специальные меры для обеспечения безопасности проведения измерений в связи с большим поперечным габаритом измерительной рейки. Использование большого количества лазеров сильно удорожает диагностическую лабораторию. Более экономичным и технологичным решением является использование одного лазера в качестве продольного профилометра и ещё одного лазерного сканера для определения наличия и глубины колеи. Дефекты дорожного покрытия могут определяться с помощью видеосъёмки с дальнейшей ручной обработкой или с помощью видеокомпьютерного сканирования. Для новой лаборатории предпочтительней выбрать видеокомпьютерное сканирование, так как видеоинформация в отличие от результатов сканирования, пока не поддаётся автоматической обработке. Фиксация дефектов земляного полотна и элементов водоотвода пока возможна только путём использования видеосъёмки с дальнейшей ручной обработкой информации.
Таким образом, новая диагностическая лаборатория должна быть оснащена: измерителем пройденного пути; лазерным профилометром; видеокомпьютерным сканером; лазерным сканером; видеосистемой.
Дополнительно лаборатория может быть оснащена гироскопической системой и GPS-приёмником. Такая лаборатория может выполнять комплексные обследования автомобильных дорог на скорости 60-80 км/час в том числе в весенний и осенний периоды года.
Задачи, решаемые на основе диагностики федеральных автомобильных дорог, требуют определения коэффициента прочности и модуля упругости дорожных одежд [13, 14, 16, 17, 96]. Для оценки этих параметров на основе данных о видах дефектов дорожных одежд, были проанализированы результаты диагностики федеральных автомобильных дорог за пятнадцать лет. В частности по каждой автомобильной дороге были проанализированы виды и объёмы встречающихся дефектов, а также средние диапазоны вероятных слоев усиления для различных технических категорий автомобильных дорог и типов дорожного покрытия. Изучены суммарные данные об объёмах различного вида дефектов дорожных одежд, характеризующих их состояние. На основе выполненного анализа были получены зависимости между видами дефектов дорожного покрытия, условным коэффициентом прочности и требуемой, вероятной толщиной усиления дорожной одежды. Расчёты проводились дифференцировано для различных технических категорий дорог и типов дорожного покрытия. Для каждого типа дефекта с учётом технической категории дороги и типа дорожного покрытия определяли наиболее вероятные значение расчётного коэффициента прочности и толщину слоя усиления. Одновременно для каждого диапазона толщины слоев усиления определяли укрупнённую стоимость ремонтных работ исходя из наиболее распространённых технологий. Предусмотрена возможность корректировки этих стоимостей по мере получения уточняющей информации. При подсчёте стоимостей использовали фактическую информацию и расчётные данные, полученные по расчётной программе «Ремонт». Данные по программе «Ремонт» для конкретных видов работ приводили к текущему году, затем получали поправочные коэффициенты и далее проводили расчёты для различных вариантов усиления дорожных одежд.
Имея расчётные коэффициенты прочности и рассчитав требуемые модули упругости по ОДН 218.1.052-2002, определяют расчётный фактический модуль упругости, необходимый в частности при решении задачи об остаточном сроке службы дорожных одежд. Таким образом, занося в банк данных только коды дефектов покрытия, можно расчётным путём получить базу «BALL», в которой будут присутствовать фактический модуль упругости, требуемый модуль упругости и коэффициент прочности. Опытная апробация методики с использованием компьютерного моделирования (табл. 2.6) показала, что возникающая погрешность в расчётной стоимости ремонта гораздо ниже имеющегося разброса фактических цен на соответствующие ремонтные работы.
Начиная с 1990 года ФГУП «РОСДОРНИИ», как ведущий отраслевой институт, занимается исследованиями, организацией и проведением работ по диагностике федеральных автомобильных дорог и искусственных сооружений. Работы по диагностике дорог проводятся в соответствии с Правилами диагностики и оценки состояния автомобильных дорог (ВСН 6-90, а начиная с 2002 года - ОДН 218.0.006-2002. [10, 61]), разработанными ФГУП «РОСДОРНИИ» совместно с МАДИ. Кроме того, ФГУП «РОСДОРНИИ» разрабатывает нормативно-методические документы по оценке отдельных показателей при диагностике автомобильных дорог. Результаты диагностики заносят в разработанный ФГУП «РОСДОРНИИ» АБДД «ДОРОГА» [1]. При участии автора разработана система управления эксплуатационным состоянием федеральной дорожной сети основанная на данных её диагностики (рис. 2.1).
Методы нормирования противогололедных дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
В то же время для снижения уровня переменных напряжений в элементах конструкции транспортного средства ровность дорожного покрытия должна быть такой, чтобы напряжения при движении транспортного средства были минимальны. Вопрос повышения долговечности металлоконструкций транспортных средств и повышение комфортности езды пассажиров и водителей должен решаться на этапе проектирования и обеспечения качества при устройства и ремонте дорожного покрытия. Под качеством понимается связь волн микронеровностей автомобильной дороги со скоростью движения транспортного средства.
Спектральные плотности напряжений в сечении лонжерона рамы транспортного средства (датчик № 5, V-ЪО км/ч): 1 — по записи в эксперименте; 2 - при длине сглаживания профиля / = 25 мм; 3 - при длине сглаживания / = V
Как следует из обзора работ по измерению и анализу микропрофилей автомобильных дорог и оценке нагруженности и соответственно ускорений, профиль автомобильной дороги должен быть сформирован таким образом, чтобы он имел только длины волн, которые не влияют или мало влияют на нагруженность несущей системы и на величину ускорений транспортного средства. Таким образом, при устройстве и ремонте дорожного покрытия должны быть исключены длины волн, оказывающие влияние на нагруженность конструкции и комфорт пассажиров [35].
Современные дорожные покрытия с шероховатой поверхностью характеризуются приданием им новых свойств и выраженных особенностей [4, 5, 7, 12, 15, 18, 20, 39-42]. Известно, например, противогололедное покрытие «Грикол», которое выделяет из себя частицы реагента, содержащегося в материале покрытия.
На данном этапе развития дорожной науки и практики передачи новых дорожных технологий основным способом повышения коэффициента сцепления оказалось создание шероховатой поверхности дорожных покрытий, обеспечивающей требуемые эксплуатационные свойства автомобильной дороги, в том числе и при неблагоприятном состоянии покрытия (мокрое, грязное, покрытое снегом и т. п.) [45, 46, 66, 71-73, 75-76, 78-80].
Поверхностный слой является самостоятельным и важнейшим конструктивным элементом автомобильной дороги. Он должен проектироваться с целью повышения уровня безопасности, устойчивости и комфортности дорожного движения, обеспечения требуемой скорости, интенсивности и пропуска расчетных нагрузок, обеспечивать минимальную экологическую нагрузку на окружающую автомобильную дорогу местность, высокую ремонтопригодность и требуемый срок службы, экономичность и простоту содержания, иметь эргономичный внешний вид [12, 86, 87].
Однако со времени принятия основополагающего нормативного документа ВСН 38-90 «Технические указания по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью» [12], особенно за последние пять лет, появились новые конструкции, материалы и технологии устройства, которые отражают современный уровень развития дорожного хозяйства, например цветные шероховатые дорожные покрытия. 5 января 2004 года Росавтодором были приняты к использованию «Рекомендации по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью» (взамен ВСН 38-90) [77].
Новые дорожные противогололедные покрытия с шероховатой поверхностью SafeLane HDX и SafeLane СА-48 разработаны учеными Мичиганского технологического университета, передача новых технологий проводится компанией Cargill (США) и ООО «Зиракс». Они обладают способностью аккумулировать и своевременно выделять противогололедные материалы, распределяемые в существующих нормативах зимнего содержания авто мобильных дорог при угрозе образования гололеда и снегопадах. Покрытие позволяет обеспечить гидроизоляцию дорожной одежды от проникновения воды и реагентов, требуемый коэффициент сцепления, выполняет роль слоя износа, препятствует образованию гололеда и прилипанию снега. Покрытие предназначено для применения на автомобильных дорогах, мостовых сооружениях и тоннелях, в частности, на опасных перекрестках, местах концентрации ДТП, подъездах к шлагбаумам и пешеходным переходам, на открытых паркингах, тротуарах и пешеходных переходах, пешеходных мостах, велосипедных дорожках, местах посадки на общественный транспорт, примыканиях к объектам дорожной инфраструктуры [31, 36, 94].
Научной новизной предлагаемых технологий являются обеспечение требуемых размерных и физико-химических свойств применяемого щебня, а также новые методы нормирования впадин шероховатой поверхности, особенности свойств которой определяет случайный характер образования пятен гололеда на активных выступах зерен щебня, который не позволяет равномерному и одновременному образованию пленки гололеда и которые могут быть легко удалены колесами проходящих транспортных средств.
Разработка измерителя шероховатости дорожного покрытия
Триботехнический анализ способов определения коэффициента сцепления колеса щебеночно-мастичным асфальтобетоном, проведен совместно с Э.И. Деникиным (СПбГГТУ) [50] на основе стандартов, разработанных в прошлом веке. Он необходим для вывода о механизме контактирования колеса транспортного средства с поверхностью дорожного покрытияи принятия решения о модели и методе измерения макрошероховатости [38].
Физическая сущность коэффициента сцепления — это коэффициент трения покоя между шиной и поверхностью дорожного покрытия. Величина коэффициента сцепления зависит от степени шероховатости покрытия, его ровности, чистоты и влажности, скорости движения, давления воздуха в шине автомобиля, степени изношенности протектора и нагрузки на колесо [50]. Для возможности движения автомобиля без скольжения и буксования сила тяги автомобиля должна быть меньше силы сцепления. Поэтому представляется ошибочным требование измерять коэффициент сцепления как усилие сопротивления скольжению полностью заблокированного колеса измерительного комплекса ГЖРС-2У. При такой методике измеряется не коэффициент сцепления, а коэффициент трения скольжения, значение которого в 1,5-2 раза меньше коэффициента сцепления.
По ГОСТ 30413-96 «Дороги автомобильные и аэродромы. Метод определения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием» коэффициент сцепления (продольного) определяется как отношение максимального касательного усилия, действующего вдоль дороги на площади контакта сблокированного колеса с дорожным покрытием, к нормальной реакции в площади контакта колеса с покрытием [21, 22, 64].
Общий вид модели движения качения колеса по поверхности имеет вид, представленный на рис.3.10. V 2V Рис.3.10 Модель движения качения колеса по дорожному покрытию При этом в точке контактирования скорость перемещения колеса относительно поверхности дороги равна нулю, мгновенная скорость колеса в его центре и в максимально удаленной от точки контактирования в продольном направлении связаны соотношением один к двум. Поэтому с точки зрения механики следует учитывать, что в центре отпечатка колеса имеет место нулевая скорость колеса относительно поверхности дороги.
Так по взаимосвязи параметров шероховатости и коэффициента сцепления существует подавляющее мнение, что коэффициент сцепления в основном зависит от макрошероховатости, в то время как это не совсем так. Сцепление шины автомобиля с поверхностью покрытия это сложный физико-механический процесс взаимодействия катящейся по покрытию шины с поверхностью покрытия, выраженный контактными усилиями, предотвращающими проскальзывание шины (буксование, переход на юз) в процессе движения относительно покрытия в плоскости контакта.
Как известно, измерения коэффициента сцепления проводятся косвенным образом с помощью прибора ПКРС-2 (ПКРС-2У) путем блокирования колеса прибора на скорости 60 км/час с предварительным увлажнением поверхности, или, например приборами ППК-МАДИ или ИКСп (ОАО «Росдортех») или другими приборами, показания которых коррелируются с показаниями ПКРС-2. Однако доля объясненной дисперсии у них может быть не входящей в друг друга или даже вообще не пересекаться, при в общем удовлетворительной корреляции с показаниями ПКРС-2.
Если рассмотреть механику триботехники и процесс измерения для этих приборов и сравнить его с приведенным определением коэффициентом сцепления, то обнаруживается, что это два разных процесса, перечисленные приборы измеряют длину тормозного пути при скольжении при воздействии ударной нагрузки. Результат больше подходит к определению параметра, коррелирующего с длиной тормозного пути, а не с потерей устойчивости при качении.
Если провести анализ отпечатка контактирования колеса транспортного средства с дорожным покрытием с шероховатой поверхностью можно выделить зоны неподвижногого конактирования и зоны упругого деформирования. Причем в передней части колеса деформирование происходит при сжатии, а в задней — при растяжении поверхностного слоя колеса. Следует рассматривать две волны волны деформирования - растяжения и сжатия. Если расматривать трение скольжения, то в этом случае практически вся площадь отпечатка контактирования находится в состоянии скольжения, например, по увлажненной поверхности в процессе измерения.
Предлагается ввести в теорию и практику дорожного хозяйства новый параметр критический коэффициент сцепления покоя [50]. Известно, что коэффициент срыва покоя больше коэффициента скольжения, коэффициент качения меньше коэффициента скольжения. Достоверность определения коэффициента сцепления обеспечивается тем, что коэффициент сцепления больше коэффициента скольжения. Также известно, что коэффициент срыва больше коэффициента трения скольжения и больше коэффициента сцепления. Поэтому правилен вывод о запрещении определения коэффициента сцепления посредством приборов-склерометров. Предлагается рассмотреть модель с учетом упругости основания - эффект предварительного смещения. Она вполне реальна с учетом того, что в зоне контактирования колеса с дорожным покрытием относительная скорость контактирующих поверхностей равна нулю.
Налицо прямое противоречие: измерять надо сцепление колеса в зоне с неподвижным контактом, практически это коэффициент трения срыва катящегося колеса, а на самом деле коэффициент сцепления определяют измеряя параметры совсем другого процесса - трения скольжения. Существенным оправданием служит то, что коэффициент скольжения всегда не больше коэффициента сцепления и коэффициента сцепления.
Вместо коэффициента срыва катящегося колеса предлагается коэффициент сцепления покоя, определяемый для обратного исходному процессу — регистрируют момент сцепления катящегося колеса или скользящего резиного контактного элемента с поверхностью дороги.
Предполагается, что исходные доминирующие возмущающие факторы (температура, макро- микрошероховатость, влажность покрытия и калеса или его имитатора) влияют на изменение коэффициента сцепления одинаково.
