Содержание к диссертации
Введение
I Анализ способов борьбы с зимней скользкостью, методик испытаний и оценки эффективности применения противогололедных реагентов .. 8
1.1.. Юридические и технические аспекты проблемы нормирования и контроля зимней скользкости 8
1.2. Виды зимней скользкости и причины её образования 10
1.3. Механизм взаимодействия колеса с дорожным покрытием в зимних условиях 15
1А Влияние зимней скользкости на безопасность дорожного движения 19
L5. Способы борьбы с зимней скользкостью, применяемые в России и за рубежем 28
1.6. Современные методы оценки эффективности применения химических реагентов, используемых для борьбы с зимней скользкостью 42
Выводы по первой главе 54
Цели и задачи исследования 54
II. Исследование факторов, влияющих на сцепные качества дорожных покрытий, увлажненных реагентами 56
2.1. Обоснование способа определения сцепных качеств покрытий, увлажненых реагентами 56
2.2. Роль макро- и микрошероховатости в обеспечении сцепных качеств дорожных покрытий при применении реагентов 66
2.3. Влияние физических характеристик реагентов на сцепные качества покрытий 69
2.4. Роль маслянистости реагентов в снижении сцепных качеств дорожных покрытий 76
2.5 Влияние погодных условий на сцепные качества дорожных покрытий 83
Выводы по второй главе 85
III Методика оценки влияния реагента на безопасность движения ,. 87
3.1. Зависимость показателей аварийности от сцепных качеств дорожного покрытия 87
3.2, Выбор и обоснование характеристик погодных условий, подлежащих учету при оценке реагентов 89
33. Учет влияния реагентов на сцепные качества покрытий сети дорог 92
3 А Методика испытаний реагентов в лабораторных условиях 102
3.5. Методика учета влияния реагента на безопасность движения 104
Выводы по третьей главе 111
IV. Прогнозирование влияние реагента ХКМ на безопасность движения. Сравнение результатов прогноза с фактическими данными 113
4.1. Состояние сцепных качеств и шероховатости покрытий на Московской кольцевой автомобильной дороге 113
4.2. Результаты лабораторных испытаний реагентов ХКМ и NaCl 114
4.3. Оценка влияния ХКМ и NaCl на безопасность движения 115
Выводы по четвертой главе 121
Основные выводы и результаты работы
Список используемой литературы
- Виды зимней скользкости и причины её образования
- Роль макро- и микрошероховатости в обеспечении сцепных качеств дорожных покрытий при применении реагентов
- Выбор и обоснование характеристик погодных условий, подлежащих учету при оценке реагентов
- Результаты лабораторных испытаний реагентов ХКМ и NaCl
Введение к работе
По данным различных литературных источников число дорожно-транспортных происшествий (ДТП) в зимний период времени по сравнению с летним увеличивается в несколько раз [42, 71? 73, 78]. Это происходит из-за существенного снижения сцепных качеств дорожного покрытия, которое наблюдается по причине образования на проезжей части снежно-ледяных отложений.
Исследованиям сцепных свойств колеса с дорожным покрытием посвящены работы В.А. Астрова, МС. Замахаева, Ю,Б, Зонова, Ю.В, Кузнецова, КА. Лушникова,Д. Мура, М.В. Немчинова, Р.Ю.Юсифоваит.д.
В зимних условиях способами призванными снижать скользкость покрытия являются: тепловой, фрикционный, механический, химический и комбинированный [38], Следует констатировать тот факт, что не один из этих способов ни в отдельности, ни в сочетании с другими не в состоянии полностью решить проблему снижения сцепных качеств дорожного покрытия в холодное время года. В настоящее время наиболее действенным считается химический способ ликвидации зимней скользкости, который основан на применении противогололедных реагентов (111 Р),
Исследования свойств ПГР и их влияние на различные объекты взаимодействия можно найти в работах: Н.В. Борисюка, В.И. Мазеповой, Л.Ф, Николаевой, Т.В. Самодуровой, В.Л. Подольского, Ю.Н, Розова, О.А. Швагиревой и т.д.
Требования к ПГР во многих странах стандартны: низкая температура замерзания растворов, высокая плавящая способность, минимальная экологическая нагрузка, низкая коррозионная активность при взаимодействии с металлическими частями транспортных средств и дорожных сооружений [11, 13, 93, 104]. Однако необходимо признать, что главным требованием к ПГР является обеспечение значений коэффициента сцепления, достаточных для безопасного движения.
Существуют различные методики оценки влияния ПГР на сцепные качества дорожных покрытий [13,93, 104],
В г. Москве зимой 2002-2003 гг. различные реагенты разливали на дорожное покрытие и при помощи динамометрических установок, работающих в режиме скольжения заблокированного колеса, определяли коэффициенты сцепления при различных скоростях скольжения.
Аналогичные испытания проводили и при участии автора на автополигоне в г. Дмитрове- При этом на различных по шероховатости и сцепным качествам покрытиях, как правило, получали различные, часто противоречащие друг другу результаты.
Испытывали реагенты и при помощи портативного прибора МП-3. В частности, по результатам таких испытаний РОСДОРНИИ выдал положительное заключение о возможности использовании тогда вновь разработанного реагента ХКМ для борьбы с зимней скользкостью на улично-дорожной сети (УДС) г. Москвы.
Решение о возможности применения ПГР выносится в результате сравнения полученных в ходе выполнения лабораторных или дорожных испытаний данных для испытуемого реагента и контрольного, апробированного практикой борьбы с зимней скользкостью. Но в ходе таких сравнительных испытаний нередко в зависимости от шероховатости покрытия, температуры, концентрации реагентов получаются противоположные результаты - в одних условиях преимущества демонстрирует один реагент, в других - реагенты меняются местами. Причина таких расхождений не в недостаточной точности и надежности получаемых данных, а в фактическом положении. Реагенты характеризуются большим количеством свойств, которые проявляют себя по-разному в зависимости от конкретных характеристик условий взаимодействия шины с покрытием. Делается очевидным, что методика проведения сравнительных испытаний должна охватывать все условия возможной работы реагентов, однако достичь этого нельзя, поскольку на практике число сочетаний параметров, определяющих сцепные качества покрытий, имеющих на своей поверхности реагенты,
7 стремится к бесконечности. В связи с этим представляется целесообразным выделить главные факторы, влияющие на сцепные качества покрытий, обработанных реагентами- Необходимо разработать комплексную методику, которая бы по результатам ограниченного количества лабораторных испытаний реагентов позволила бы прогнозировать их влияние на безопасность движения при применении испытанных реагентов на конкретной сети дорог в конкретных погодных условиях, присущих холодному периоду года. Решению этой задачи и посвящается настоящее исследование.
Виды зимней скользкости и причины её образования
В зимний период наблюдается рост числа ДТП по сравнению с летними месяцами [42,71,73,78].
В Финляндии, занимающей на момент исследования четвертое место по уровню безопасности движения, относительная аварийность зимой также мак симальна и колеблется от 0,62 до 0,9 ДТП на 1млн.авт-км, Аварийность в зимний период времени превышает летнее число ДТП в 1,5 раза (табл. 1,3) [73], Одной из причин возникновения ДТП, как в летнее, так и в зимнее время является несоответствие дорожных условий требованиям современного движения (табл. 1.4, [20, 21, 39, 53]), Доля дорожного фактора в причинах ДТП определя-ется путем сопоставления данных аварийности, приходящейся на единицу пробега автомобилей, для автомагистралей, где дорожные условия наиболее благоприятны, с аналогичными данными для дорог низких категорий.
Сопоставление этих данных показывает увеличение аварийности в несколько раз, что и отражает прямое и косвенное влияние дорожных условий на безопасность движения, поскольку и на тех, и на других дорогах эксплуатируются одни и те же автомобили, управляемые одними и теми же водителями.
В зависимости от времени года набор факторов, определяющих дорожные условия как неудовлетворительные, различен. В летний период времени процент, приходящийся на роль дорожного фактора, складывается в основном из наличия явных неисправностей дороги (выбоины, колея) и дорожных сооружений (освещение).
В зимний период времени несоответствие дорожных условий определяется наличием на покрытии снежно-ледяных отложений, которые снижают значение коэффициента сцепления и в большей степени влияют на увеличение аварийности, чем освещение, запроектированные геометрические характеристики дороги, ограждения и прочие дорожные факторы.
Норвежские исследования (Leden og Salusjarvi, 1989; Schandersson, 1989), выполненные по скандинавским странам показали, что степень риска попасть в ДТП на сухом дорожном покрытии практически не зависит от его характеристик. На влажном покрытии и покрытии со снежно-ледяными образованиями риск ДТП возрастает. На мокром покрытии при снижении сцепных свойств с ф = 0,5 до ф - 0,3 тормозной путь автомобиля, движущегося со скоростью 80 км/ч, увеличивается с 73 до 106 м. При наличии ледяных отложений больший рост тормозного пути неизбежен вследствие снижения сцепных свойств до значений ф = 0,06 -0,1 [94].
В ряде шведских исследований показано, что степень риска попасть в ДТП на полностью или частично покрытом снегом или льдом дорожном покрытии в 1,5 - 4,5 раза выше, чем на чистом сухом покрытии. В период с 1990-1993 гг. в Швеции около 16 % всех ДТП, зарегистрированных полицией, совершилось на покрытой снегом или льдом проезжей части, 5 % на дорожном покрытии, частично покрытом льдом или снегом, и 1 % на покрытии, причиной снижения сцепных качеств которых не являлась зимняя скользкость [98],
В Финляндии подсчитали уровень ДТП на сухом и заснеженном покрытии в северной и южной части страны. Уровень ДТП в течение двух зимних периодов (ноябрь - март) на сухом покрытии повсеместно составил 0,09 ДТП на 1 млн.авт-км, т.е. в отсутствии скользкости уровень ДТП в разных частях Финляндии одинаков. На заснеженных покрытиях, а именно на дорогах, содержащихся в снежном накате, уровень ДТП по сравнению с сухим покрытием увеличился: в южной части до 0,39, в северной - 0,39 - 0,2 ДТП на 1 млн.авт-км. При этом в южной части страны процент дорог, эксплуатируемых в снежном накате, составляет 25 %, в северной - 50 - 70 % всей сети дорог. Неравномерное увеличение показателя ДТП объясняется частым образованием ледяной корки снежного наката вследствие характерных для Южной Финляндии погодных условий и меньшей готовностью водителей к движению по ледяной поверхности [95].
Роль макро- и микрошероховатости в обеспечении сцепных качеств дорожных покрытий при применении реагентов
При мокром состоянии покрытия из-за проникающего в зону контакта колеса с дорогой клина жидкости, находящейся на покрытии, сцепление может существенно снижаться. В этих условиях реализуемый коэффициент сцепления определяется целым рядом факторов, характеризующих автомобильную шину, дорожное покрытие, жидкость, разобщающую взаимодействующую пару, условия взаимодействия [49].
Роль дорожного покрытия в вопросах обеспечения сцепных качеств зимой при мокром состоянии проезжей части, также как и летом при положительных температурах, является главной. Текстура дорожного покрытия в этих условиях должна позволить шине отжать слой жидкости из зоны контакта колеса и разрушить ее тонкие молекулярные пленки. При высоких скоростях движения все это необходимо осуществить в кратчайший момент взаимодействия шины с единицей площади покрытия. Быстрое отжатие слоя жидкости из зоны контакта шины может произойти только в том случае, если дорога будет обладать макрошероховатостью - иметь на своей поверхности выступающие каменные частицы, создающие впадины и каналы.
Важнейшую роль в отводе слоя воды из зоны контакта шины имеет вязкость жидкости- Роль вязкости в снижении сцепных качеств хорошо иллюстрируется широко известным фактором увеличения аварийности в начале дождя летом, когда находящиеся на покрытии пыль, частицы резины и масла еще не смыты водой и существенно увеличивают ее вязкость. Очевидно, что при наличии на покрытии слоя вязкой жидкости для обеспечения ее быстрого отвода из зоны контакта шины требуются большие по площади каналы, чем для отжатая менее вязкой жидкости, например, чистой воды. Увеличение дренирующей способности шины и покрытия можно достичь использованием специальных рисунков шины с малой насыщенностью и созданием крупношероховатых покрытий. Однако, согласно адгезионно-деформационной теории трения, и то, и другое приводит к снижению сцепления по причине уменьшения площади действительного контакта резины протектора с поверхностью покрытия. Таким обра-зом, отрицательную роль повышенной вязкости находящейся на покрытии жидкости невозможно полностью компенсировать увеличением макрошероховатости поверхности покрытия или дренирующей способности рисунка протектора шин.
После отжатия слоя жидкости на поверхности выступающих каменных частиц, образующих макрошероховатость покрытия, остается ее пленка. Эта тончайшая пленка предотвращает адгезионное взаимодействие между выступающими частицами и резиной протектора. В отличие от процессов, происходящих при отжатии слоя жидкости, разрушение пленок в малой степени зависит от времени взаимодействия резины протектора с выступом шероховатости. Известно, что пленку воды5 находящуюся между двумя стеклышками, невозможно отжать и в течение нескольких часов. Решающими факторами в разрушении пленок являются прочность самих пленок и наличие на поверхности частиц микровыступов. Для разрыва пленки необходима высокая концентрация напряжений, которая достигается только в том случае, когда сам выступ обладает шероховатостью. Собственная шероховатость выступающих частиц - микрошероховатость - столь же необходима для обеспечения сцепления, как и макрошероховатость.
Прочность пленок не определяется только вязкостью жидкости. Иллюстрацией этого являются примеры использования трансмиссионных масел для гипоидных передач, работающих в режиме трения скольжения. В трансмиссионных маслах вчерашнего дня трение скольжения и износ в этих передачах уменьшали за счет применения вязких масел. Современные трансмиссионные масла не обладают высокий вязкостью, однако в контакте взаимодействующей пары создают очень прочную пленку, что позволяет снизить износ при одновременном уменьшении потерь мощности в трансмиссии. По аналогии с этим, жидкость, находящаяся на покрытии, будет влиять на сцепление не только через собственную вязкость, но и через прочностные характеристики пленки, которая остается на выступе после отжатия основного ее количества.
При отсутствии достаточной макрошероховатости и наличии хорошей микрошероховатости сцепление будет высоким при низких скоростях, но быстро снижаться с ростом скорости движения, поскольку слой жидкости не будет успевать покидать зону контакта.
Выбор и обоснование характеристик погодных условий, подлежащих учету при оценке реагентов
Недостаточные сцепные качества дорожных покрытий могут явиться первопричиной дорожно-транспортного происшествия, но могут служить и сопутствующим фактором. Обычно первопричиной аварии являются низкие значения коэффициента поперечного сцепления. В этом случае, как правило, происходит занос автомобиля при его движении по кривой в плане, либо при перестроении - когда на автомобиль действуют поперечные силы. В качестве сопутствующего фактора низкие сцепные качества проявляют себя, как правило, при продольном скольжении автомобиля, когда водитель, пытаясь предотвратить аварию, прибегает к резкому торможению. При снижении сцепных качеств наблюдается увеличение и тех и других аварий. Поскольку зависимости фиксируемого числа происшествии от коэффициента сцепления во всех странах служат основой нормирования коэффициента сцепления, эти зависимости подробно исследовались как у нас в стране, так и за рубежом.
В ряде зарубежных исследований влияния сцепных качеств покрытия на аварийность состояние покрытия характеризовали коэффициентами, получаемыми при поперечном проскальзывании колеса или при его частичном продольном проскальзывании [48, 58]. Те зарубежные методики, которые, как и в Российской Федерации, характеризуют состояние сцепных качеств покрытия коэффициентов сцепления в режиме скольжения заблокированного колеса, имеют ряд отличий по применяемому оборудованию, скорости, при которой проводят измерения, поэтому представляется целесообразным оценивать влияние сцепных качеств на аварийность известными отечественными зависимостями.
В Российской Федерации методика и оборудование по измерению продольного значения коэффициента сцепления определены ГОСТ Р 30413-96. Доку мент предусматривает измерение коэффициента сцепления в режиме скольжения со скоростью 60 км/ч заблокированного колеса, оборудованного гладкой шиной, по мокрому покрытию при толщине пленки воды 1 мм.
Канд. техн. наук НА. Лушников на сети дорог, протяженностью около 10000 км, выполнил исследование влияния коэффициента сцепления покрытий на аварийность и доказал, что оценивать сцепление целесообразно, используя на колесе прибора шины с гладким протектором. При использовании для измерений сцепления шины с протектором, имеющим рисунок, получена менее тесная корреляционная связь между аварийностью и коэффициентом сцепления мокрых покрытий. Шина с гладким протектором в большей степени реагирует на состояние шероховатости покрытия, чем обычная, имеющая рисунок- Используя гладкую шину, создается возможность измерять коэффициент сцепления на удобной для проведения массовых замеров скорости 60 км/ч, поскольку процессы, протекающие в зоне контакта гладкой шины при такой скорости, идентичны процессам, имеющим место при скольжении со скоростью 80 - 90 км/ч шины с рисунком [50].Это и послужило основанием рекомендовать контроль скользкости выполнять на шине с гладким протектором [58].
НА. Лушниковым получена зависимость числа ДТП от коэффициента сцепления дорожных покрытий, которая использовалась им при оценке ущерба от происшествий при различных коэффициентах сцепления дорожного покрытия, находящегося в мокром состоянии (рис.3Л).
В 90-х годах канд. техн. наук Р.Ю. Юсифов выполнил исследования влияния сцепных качеств покрытия на безопасность движения [85]. В отличие от исследования НА. Лушникова, которое выполнялось на сети загородных дорог, Р.Ю. Юсифовым исследования выполнены на городских дорогах (рис.3.1). Исследование выполнено с той же целью - для нормирования коэффициентов сцепления в городских условиях,
По литературным источникам [20, 58] известны и другие зависимости числа дорожно-транспортных происшествий от коэффициента сцепления. Эти зависимости получены в 50 - 60-е годы, когда движение на дорогах не было столь интенсивным и высокоскоростным, поэтому использовать их в настоящей работе представляется нецелесообразным.
Для учета влияния реагентов на безопасность движения может быть использована зависимость НА. Лушникова или Р.Ю. Юсифова. Они не имеют значительного различия и отражают одну и ту же тенденцию: при уменьшении значения коэффициента сцепления, аварийность увеличивается, С учетом того, что при обосновании зависимости НА, Лушниковы м проанализировано существенно большее количество экспериментальных данных, положенных в основу установленной зависимости, эта зависимость и была использована в настоящей работе.
Результаты лабораторных испытаний реагентов ХКМ и NaCl
Для предотвращения образования зимней скользкости современными нормами [4] предусматривается превентивное распределение ПГР, которое заключается в распределении реагента плотностью рі за время Ті до выпадения осадков в количестве Qr. Примем допущение, что оцениваемым реагентом одновременно увлажняется вся дорожная сеть. После выпадения осадков для повторной обработки покрытия с целью недопущения образования зимней скользкости на покрытие наносится следующая порция реагента плотностью р 3 в коли честве Q2, причем используемые плотность и количество реагента могут не соответствовать соответствующим величинам, используемым при превентивной обработке покрытия.
Сцепные качества покрытий за время Ті будут определяться свойствами применяемого реагента, зависящими от его плотности и температуры. По данным лабораторных испытаний для заданного промежутка времени вычисляются величины снижения коэффициентов сцепления покрытий в каждом интервале, а по этим величинам с использованием кривой распределения сцепных качеств сети дорог при ее увлажнении водой» рассчитывается кривая распределения коэффициентов сцепления сети при применении рассматриваемого реагента.
С момента выпадения снегопада плотность ПГР будет уменьшаться пропорционально интенсивности выпадающих осадков, и ее значение р[ через выбранный промежуток времени будут определяться: где рх - плотность раствора ПГР, распределяемая согласно нормам инструкции по технологии зимней уборки, г/см ; Qx - количество ПГР, распределяемое на единицу площади покрытия согласно нормам инструкции по технологии зимней уборки, л/м2; рй- плотность воды, г/см; QB - количество воды, приходящееся на единицу площади в результате вы-падения осадков, л/м ; N - интенсивность осадков, мм/ч; t - продолжительность выпадения осадков? ч. Расчет снижения плотности ПГР по временным интервалам будет производиться до достижения той плотности, при которой рассматриваемый реагент начнет замерзать. Таким образом, расчет плотности реагента в конце первого цикла р]к будет вестись с учетом оставшегося количества реагента после механической очистки дороги: где раам - плотность раствора ПГР, близкая к концентрации замерзания раствора, г/см3; GCh - количество раствора ПГР, оставшегося на квадратном метре покрытия после механической очистки? л/м2; рв- плотность воды, г/см3; QB - количество воды, приходящееся на единицу площади в результате выпадения осадков, л/м .
Для каждого интервала времени по средним значениям плотности по интервалу с использованием данных лабораторных испытаний реагентов должна быть рассчитана кривая снижения коэффициентов сцепления. По полученным значениям снижения коэффициентов сцепления с использованием кривой распределения, построенной для случая увлажнения сети водой, для каждого временного интервала рассчитываются новые кривые распределения сцепных качеств сети. При последующем замерзании реагента производится распределение новой порции ПГР в количестве Q2 плотностью р 2 и весь расчет, необходимый для построения кривых распределения коэффициентов сцепления сети, повторяется. В зависимости от плавящей способности реагента при одном и том же снегопаде количество циклов розлива и уборки для различных ПГР будет не одинаково,
В настоящей методике не учитывается прогрев дорожного покрытия шинами автомобилей, его выхлопными газами, радиационный прогрев нагретыми частями автомобиля (двигателем, выхлопной трубой, глушителем и т. д.), тепло выделение, наблюдаемое при замерзании реагента, прогрев покрытия геотеплом. Поэтому фактически замерзание реагентов будет наступать несколько позже того момента, когда температура замерзания разбавленного осадками реагента будет равна фактической температуре воздуха, С учетом этого розлив новой порции реагента целесообразно планировать не до, а после момента замерзания.
После прекращения снегопада в течение времени Т2 происходит увеличение плотности реагента за счет испарения воды, сопровождаемое снижением сцепных качеств покрытия до его высыхания. После момента высыхания для реагентов, обладающих маслянистостью, необходимо учитывать снижение сцепных качеств дорог на части протяженности сети в течение времени T3j
Для реагентов, не обладающих маслянистостью, в течение времени Т3 для всех интервалов коэффициента сцепления сети должен быть принят коэффициент сцепления, соответствующий сухому состоянию и равный 0,6. Образец графика изменения сцепных качеств дорожного покрытия во времени приведен нарис. 3.4.
После окончания времени последействия реагента принимается допущение, что вся дорожная сеть, независимо от того, каким реагентом боролись с зимней скользкостью, находится в одинаковом состоянии. Поэтому до следующего снегопада для всех реагентов состояние сцепных качеств не оценивается. При следующем снегопаде весь цикл приведенных выше расчетов повторяется.
Таким образом, для всех участвующих в испытаниях реагентов для каждого временного интервала должна быть построена кривая распределения состояния сцепных качеств сети.
