Измерение коэффициента сцепления автомобильной дороги нового поколения

Измеритель коэффициента сцепления автомобильной дороги нового поколения
С.В. Никаноров,

Все транспортно-эксплуатационные показатели автомобильной дороги так или иначе оказывают влияние на ее потребительские качества. При оценке этих качеств специалисты все большее значение придают такому, достаточно абстрактному показателю, как безопасность автомобиля при современных скоростных режимах. С принятием закона об обязательном страховании транспортных средств все большее значение будет уделяться всем аспектам безопасности движения, в том числе и, как важнейшему, скользкости дорожного покрытия.
Для количественной оценки этого показателя принято пользоваться понятием коэффициента сцепления автомобильного колеса с дорожным покрытием. В совокупности факторов, влияющих на безопасность движения (наличие разделительных полос, освещенность проезжей части, ширина проезжей части и обочин, наличие или отсутствие пересечений и примыканий и т.д.) особенностью коэффициента сцепления является изменение его величины во времени. В процессе эксплуатации дорожного покрытия оно подвергается интенсивному воздействию колес автотранспортных средств. Это воздействие, наряду с импульсным динамическим характером нагрузки, создает также и абразивный (истирающий) эффект, приводящий к изменению текстуры поверхности покрытия. В начальный период эксплуатации это воздействие приводит, как правило, к повышению сцепных качеств большинства типов покрытий и объясняется стиранием битумной пленки, покрывающей твердые каменные частицы. При длительной эксплуатации покрытия происходит снижение его сцепных качеств за счет абразивного износа (истирания) твердых шероховатых каменных фракций. Кроме того, увлажнение покрытия при неблагоприятных атмосферных условиях приводит к резкому снижению этих качеств, что не всегда с достаточной для безопасного движения степенью точности может быть оценено водителем. Указанные изменения обуславливают необходимость периодического контроля коэффициента сцепления.
Измерение этого показателя в России производится в соответствии с требованиями ГОСТ 30413-96 « Дороги автомобильные. Метод определения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием ». Этот документ предусматривает использование в качестве испытательного оборудования автомобильную установку ПКРС-2. Аналогичные установки, как прицепные, так и смонтированные непосредственно в кузове автомобиля, используются за рубежом. Однако, высокая стоимость такого оборудования (не менее 1,5 млн. рублей) резко ограничивает возможность их использования малыми и средними организациями.
Вместе с тем, СНиП 2.05.02 – 85 « Автомобильные дороги » допускает возможность применения наряду с этой установкой и портативных приборов при условии, что их показания должны быть приведены к показаниям ПКРС-2.
Не смотря на большое количество разработок портативных приборов, в настоящее время на рынке ощущается значительный дефицит приборов именно этого класса. Этим обстоятельством и обосновывалась необходимость проведения научно-исследовательской работы, конечной целью которой должен был стать серийный портативный прибор для измерения коэффициента сцепления. Его отличительными особенностями должны были стать незначительные габариты и вес, удобство использования и транспортирования в полевых условиях. При этом он должен обеспечивать достаточную точность и достоверность показаний.
Все этапы разработки были проведены сотрудниками предприятия ФГУП СНПЦ «РОСДОРТЕХ» в течение 2001 – 2002 годов. К работе над прибором привлекались как инженеры-механики, так и ведущие специалисты-дорожники, имеющие большой практический опыт диагностики состояния автомобильных дорог. Этап сопоставительных испытаний происходил при непосредственном участии специалистов-метрологов, заключительный этап испытаний – совместно с представителями Саратовского центра стандартизации и метрологии.
За прототип был принят известный прибор Кузнецова (ППК-МАДИ), ранее выпускавшийся серийно. Была тщательно проанализирована кинематическая схема, измерительная концепция, определены и придуманы новые совершенствования, позволившие повысить эффективность прибора как средства измерения.
Выбор направления работ проводился на основе анализа и других существующих типов приборов, используемых ими способов измерения коэффициента сцепления, достоинств и недостатков с точки зрения достоверности показаний и удобства использования в полевых условиях.
На основании этого были сформулированы следующие обязательные технологические требования к прибору:
- соблюдение условий взаимодействия протекторного слоя реального автомобильного колеса с дорожным покрытием. Для этого в качестве материала имитатора прибора должна быть использована протекторная резина;
- обязательное увлажнение покрытия в зоне измерения с созданием водяной пленки на поверхности толщиной около 1 мм;
- для возможно более полной имитации процессов скольжения с элементами как сухого трения, так и гидродинамического сопротивления (аквапланипования), перемещение имитатора по измеряемому дорожному покрытию должно происходить со скоростью, при которой моделируются эти процессы;
- проведение измерений, а также транспортировка прибора и подготовка его к измерениям должны производиться не более, чем одним оператором;
- удельные давления, возникающие в зоне контакта имитатора с измеряемым дорожным покрытием, должны быть аналогичны удельным давлениям в зоне взаимодействия автомобильного колеса с покрытием;
- для повышения достоверности показаний прибора на одном и том же измеряемом участке необходимо проводить многократные (не менее 3 – 5) циклы измерения с определением среднего арифметического значения.
Предложенная и реализованная в опытном образце кинематическая схема прибора позволяет при помощи его подвижного элемента (башмака) имитировать процесс скольжения заблокированного автомобильного колеса по увлажненному дорожному покрытию. При этом, конечно же, с учетом некоторых масштабных коэффициентов, воспроизводятся все основные влияющие факторы, имеющие место при реальном торможении автомобиля, такие как скорость, удельное давление в зоне контакта, наличие водяной пленки и даже материал резины. Прибор получил название «Измеритель коэффициента сцепления портативный», сокращенно – «ИКСп» (далее по тексту – измеритель).
Принцип работы измерителя основан на широко известном и хорошо зарекомендовавшем себя способе использования кинетической энергии падающего груза. На фотографии представлен один из образцов опытной партии.
Он состоит из вертикальной трубчатой штанги высотой около 1 метра, нижней частью закрепленной на плоском основании. По штанге перемещается груз массой 5,2 кг. В верхней части штанги установлена рукоятка с механизмом фиксации груза. В нижней части штанги имеется ползун, также перемещающийся вертикально на подшипниках качения. Ползун удерживается в своем верхнем положении возвратной пружиной, располагаемой внутри штанги, и взаимодействует с кулисой, входящей в состав кулисно-рычажного механизма. Один шарнир кулисы неподвижно закреплен на основании, а второй, подвижный, через рычаг соединен с башмаком-имитатором. Башмак дополнительно связан с основанием двумя пружинами растяжения.
Механизм отсчета представляет собой втулку, свободно перемещающуюся по рычагу с нанесенной на него шкалой. Втулка соединяется тягами с кулисой. Вместе с втулкой по рычагу перемещается специальное разрезное пружинное кольцо, указывающее на шкале величину максимального перемещения втулки.
Для проведения испытаний предварительно собранный в рабочее положение измеритель устанавливается на дорожное покрытие. Исходное положение узлов измерителя:
- груз в крайнем верхнем положении зафиксирован механизмом фиксации;
- разрезное кольцо в крайнем нижнем положении прижато к торцу подвижной втулки;
- исследуемый участок дорожного покрытия под башмаком и на расстоянии приблизительно 0,2 м перед ним необходимо увлажнить водой в объеме около 0,1 л.
Башмак-имитатор в исходном положении приподнят над поверхностью дорожного покрытия на 5-12 мм. Оператор, встав на основание, нажимает на спусковой элемент механизма фиксации груза. Груз свободно падает по вертикальной штанге до соприкосновения с фланцем ползуна. При этом кинетическая энергия падающего груза через ползун и кулисный механизм передается башмаку-имитатору, совершающему поступательное движение по предварительно увлажненной поверхности дорожного покрытия. Величина коэффициента сцепления, обратно пропорциональная величине перемещения башмака-имитатора, считывается по шкале прибора.
После прекращения действия силы, вызвавшей перемещение, механизм под действием пружины возвращается в исходное положение (за исключением груза, который необходимо поднять вручную в крайнее верхнее положение, где он будет зафиксирован механизмом фиксации).
Для транспортирования измерителя на незначительные расстояния необходимо за рукоятку наклонить его в сторону имеющихся на основании колес и, удерживая за рукоятку, переместить его к следующему участку измерений.
В конструкции измерителя учтены производственно-технологические особенности нашего предприятия, что позволило быстро освоить его производство.
Конструкторская проработка измерителя включала в себя аналитические расчеты кинематической схемы, скорости перемещения конечного звена, усилия прижима башмака-имитатора к измеряемой поверхности.
Наиболее трудоемким и продолжительным этапом разработки явился этап сопоставительных испытаний опытного образца измерителя с уже упоминавшейся установкой ПКРС-2. Положительным обстоятельством на этом этапе явилось то, что установки ПКРС-2 уже много лет изготавливаются на нашем предприятии и накопленный в этом плане опыт, а также возможность использования этих установок при испытаниях, позволял производить сотни замеров на различных видах покрытий при различных климатических условиях.
Результатом этого этапа явилось достаточно высокое совпадение показаний измерителя с имеющимся поверенным образцом