Міністерство освіти і науки України

Національний транспортний університет

Ільченко Володимир Васильович

УДК 625.7/.8.032.32

Удосконалення оцінки шорсткості
поверхні дорожнього покриття

Спеціальність 05.22.11 – Автомобільні шляхи та аеродроми

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному транспортному університеті (м. Київ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: |

доктор технічних наук,
старший науковий співробітник

Павлюк Дмитро Олександрович,

Національний транспортний університет,

професор кафедри аеропортів (м. Київ).

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор

Савенко В’ячеслав Якович,

Національний транспортний університет,

декан дорожньо-будівельного факультету,

завідувач кафедри будівництва
та експлуатації доріг (м. Київ); |

кандидат технічних наук, доцент

Кияшко Ігор Володимирович,

Харківський національний автомобільно-
дорожній університет,

декан дорожньо-будівельного факультету,

доцент кафедри будівництва та експлуатації автомобільних доріг (м. Харків). |

Провідна установа: |

Харківська національна академія
міського господарства

Міністерства освіти і науки України,
кафедра міського електротранспорту (м. Харків). |

Захист відбудеться “ 20 ” жовтня 2005 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м.Київ, вул.Суворова, 1, зал засідань (ауд. 333).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий “ 19 ” вересня 2005 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент І.А.Рутковська

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз аварійності на дорогах свідчить, що причиною майже половини дорожньо-транспортних подій, які сталися внаслідок незадовільних дорожніх умов, є недостатні зчіпні якості дорожнього покриття. У решті випадків незалежно від основних причин виникнення ДТП стан поверхні покриття значною мірою впливає на вірогідність виникнення різних аварійно-небезпечних ситуацій і тяжкість їх наслідків. Тому без об’єктивної інформації про зчіпні якості дорожніх покриттів не можуть бути обґрунтовані розроблення та впровадження заходів щодо поліпшення умов та безпеки руху.

Традиційно склалося так, що оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття відбувається за двома напрямами. Перший із них є більш розповсюдженим і пов’язаний із визначенням функціонального показника - коефіцієнта зчеплення, який дає кількісну характеристику процесу взаємодії колеса з покриттям. Недоліком цього способу є те, що за величиною коефіцієнта зчеплення не можливо виявити причини низьких зчіпних якостей покриттів, які в більшості випадків пов’язані із шорсткістю їх поверхні. Шляхи технологічного забезпечення зчіпних якостей покриттів при новому будівництві чи ремонті дорожніх одягів у першу чергу спрямовані на зміну їх параметрів шорсткості. Окрім того, коефіцієнт зчеплення не дає достовірної інформації про стан покриття в широкому діапазоні швидкостей: для різних типів покриття значення коефіцієнту зчеплення, які виміряні при одній швидкості руху, можуть співпадати, а при інших швидкостях – вони відрізняються.

Другий напрям оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття пов’язаний із визначенням структурних показників, котрі визначають геометричні характеристики шорсткості покриття. Цей напрям не отримав широкого практичного застосування, оскільки перелік параметрів шорсткості, що застосовувалися до цих пір, виявляється недостатнім для встановлення зв’язку між структурними і функціональними показниками для оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття. Вирішити це питання можна шляхом встановлення математичних залежностей між певними параметрами шорсткості та коефіцієнтом зчеплення, який слугуватиме комплексним показником оцінювання зчіпних якостей. Це в свою чергу потребує вдосконалення способів та методів вимірювання параметрів шорсткості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до планів науково-дослідних робіт Державної служби автомобільних доріг України за темами: “Розробити ДСТУ “Зчіпні якості покриття автомобільних доріг. Параметри. Методи вимірювання” (номер державної реєстрації 0100U003849); “Розробити ГСТУ “Автомобільні дороги. Визначення транспортно-експлуатаційних показників дорожніх покриттів. Методи та засоби” (номер державної реєстрації 0101U007606).

Мета й задачі дослідження. Метою даної роботи є удосконалення оцінки шорсткості дорожнього покриття за рахунок врахування випадковості розподілу значень структурних параметрів поверхні дороги та уточнення їх впливу на величину коефіцієнту зчеплення.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено такі задачі:

-

-

-

-

-

-

Об’єкт дослідження – поверхня дорожнього покриття.

Предмет дослідження – структурні та функціональні параметри поверхні дорожнього покриття, що визначають його зчіпні якості.

Методи дослідження. Для реалізації задач дослідження в роботі використано методи математичного моделювання й аналізу, математичної статистики та теорії ймовірності.

Наукова новизна одержаних результатів:

- виявлено належність значень глибини впадин, кроків та радіусів виступів шорсткості поверхні дорожнього покриття до нормального розподілу, встановлено залежність між обсягами вимірювань та точністю результатів визначення параметрів шорсткості при заданій довірчій імовірності;

- запропоновано аналітичні залежності для визначення вірогідного значення коефіцієнта зчеплення як функції параметрів шорсткості - вірогідних значень глибини впадин, кроку та радіусу виступів шорсткості, які характеризуються середніми значеннями та параметрами розсіювання;

- встановлено, що найбільший вплив на коефіцієнт зчеплення та точність його обчислення мають відповідно величина середнього радіусу виступів шорсткості та похибка його вимірювання.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в тому, що розроблена методика оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття за параметрами шорсткості дозволяє оптимізувати процес оцінки транспортно-експлуатаційних показників доріг за рахунок скорочення обсягу робіт при їх обстеженні до достатнього мінімуму, а також виявити причини низьких зчіпних якостей покриттів і встановити шляхи їх покращання.

На основі проведених теоретичних досліджень та практичного рішення поставлених у роботі задач запропоновано рекомендації щодо визначення параметрів шорсткості дорожнього покриття профільним методом. Результати досліджень використані при розробленні ДСТУ Б.В.2.3-8-2003 “Дорожні покриття. Методи вимірювання зчіпних якостей” та ГСТУ 218.02070915-102-2003 “Автомобільні дороги. Визначення транспортно-експлуатаційних показників дорожніх покриттів. Методи та засоби”.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що:

- встановлено перелік параметрів шорсткості, які характеризують зчіпні якості дорожнього покриття;

- виконано метрологічне забезпечення процесу вимірювання ;

- розроблено методику вимірювань параметрів шорсткості дорожнього покриття за допомогою профілографа „ДПП-3”;

- проведено експериментальні дослідження на ділянках доріг з різними типами та станом покриттів;

- розроблено методику обробки профілограм для кількісної оцінки параметрів шорсткості дорожнього покриття;

- встановлено аналітичні залежності для визначення коефіцієнта зчеплення колеса з дорожнім покриттям розрахунковим шляхом

- запропоновано методику визначення зчіпних якостей дорожнього покриття за параметрами шорсткості його поверхні.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались та обговорювались на: Першій науково-практичній конференції Міжнародної ради дорожників “Научно-технические проблемы дорожной отрасли стран СНГ” (Москва, Росія, 2000 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми енергозбереження і сучасних технологій в дорожньому будівництві” (Київ, 2001 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожньо-будівельного комплексу України” (Київ, 2004 р.); Обласній науково-практичній конференції “Шляхи підвищення ефективності впровадження науково-технологічних розроблень і засобів механізації в будівництво Полтавщини” (Полтава, 2002 р.); семінарі “Методи, прилади та обладнання для контролю якості дорожніх робіт” (Київ, 2003 р.); наукових конференціях професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету (Київ, 2000-2004 рр.); науково-технічних конференціях Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (Полтава, 2000-2005 рр.).

Публікації. Основні положення роботи опубліковано в 9 наукових роботах, у тому числі: 4 статті в журналах і збірниках наукових праць, 2 нормативно-технічних документи та 3 – матеріали конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 193 сторінки, у тому числі 133 сторінки основного тексту, 50 рисунків, 55 таблиць, список використаних джерел із 152 найменувань на 16 сторінках, а також 6 додатків на 31 сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету й намічено задачі її досягнення, наведено наукову новизну і практичне значення результатів, дані про апробації та публікації основних положень роботи.

У першому розділі проведено аналіз питань, пов’язаних із визначенням параметрів шорсткості поверхні дорожніх покриттів.

Дослідженню поверхні дорожнього покриття присвячені роботи таких науковців, як Астров В.О., Богомольний І.Н., Боровий М.В., Васильєв О.П., Гончаренко Ф.П., Єлисеєв Б.М., Жуков В.І., Замахаєв М.С., Іваніца Є.В., Кизима С.С., Кияшко І.В., Косарєв Б.М., Кузнєцов Ю.В., Кульмурадов Н.І., Лукашук Р.Ф., Лушніков Н.А., Мар’яхін Л.Г., Нємчінов М.В., Павлюк Д.О., Паршин М.О., Подліх Е.Г., Порожняков В.С., Савенко В.Я, Сіденко В.М., Сіденко С.В. Стефанович О.Є., Стецюк Л.С., Христолюбов І.Н., Юмашев В.М., Abe H., Andersen A., DescornetDoyen A., Gothie M., Henri J., Kameyama S., Lukas J., Mazur A., PasquetSabeyWambold J. та ін.

На Україні дослідження, пов’язані з шорсткістю та її впливом на зчіпні якості дорожніх покриттів, проводилися в НТУ, ХНАДУ, ДержшляхНДІ, ДНТЦ “Дор’якість” і деяких дорожньо-експлуатаційних організаціях.

Загалом дослідження можна поділити на такі напрями: вивчення впливу шорсткості дорожнього покриття на умови та безпеку руху; обґрунтування переліку параметрів шорсткості; побудова і дослідження математичних моделей взаємодії колеса з покриттям; розроблення способів та засобів оцінки параметрів шорсткості, включаючи їх метрологічне забезпечення; нормування значень параметрів шорсткості та технологічне забезпечення влаштування шорстких дорожніх покриттів. Вивчення кожного з указаних напрямів взаємопов’язані та переплітаються між собою: результати одних є складовими або вихідними даними для дослідження за іншими напрямами. Проте не всі наве-дені напрями досліджень, на наш погляд, мають достатню глибину вивчення.

Найбільшого поширення для оцінки шорсткості дорожнього покриття набув такий параметр як середня глибина впадин шорсткості hср, використання якого передбачено рядом нормативних документів. Цьому сприяло простота його визначення методом піщаної плями. Однак дослідження показують, що покриття з однаковими величинами hср можуть мати різні значення коефіцієнта зчеплення. З наведеного випливає, що одного параметра шорсткості не достатньо для оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття.

Про це також свідчать теоретичні дослідження та математичні моделі взаємодії колеса з дорожнім покриттям Ларіна О.Н., Левіна Ю.С., Крагельського І.В., Павлюка Д.О., Петрова І.П. та ін. В них використовуються декілька параметрів шорсткості поверхні, а також емпіричні залежності та комплексні показники, що описують форму виступів шорсткості.

З відомих теоретичних розробок найбільш повно шорсткість дорожньої поверхні описується в роботі Д.О.Павлюка. У ній при побудові моделі поверхні покриття (рис. 1) використано такі параметри: середня глибина впадин шорсткості hср, середній радіус виступів шорсткості Rср та щільність виступів шорсткості ін (обернена величина до середнього кроку виступів шорсткості Sср). Всі вони є усередненими значеннями результатів вимірювання. Однак із теорії ймовірності відомо, що середні значення випадкових величин, якими є hi, Rі та Si, мають достатню репрезентативність лише при їх належності до нормального розподілу, що в даній роботі не було перевірено. Також при розрахунках коефіцієнта зчеплення не було досліджено похибку від застосування середніх значень параметрів шорсткості.

Рис. 1. Схема до визначення параметрів шорсткості поверхні покриття

Аналіз відомих методик визначення параметрів шорсткості поверхні дорожнього покриття показує, що всі вони вимагають проведення значної, часто надлишкової, кількості вимірювань. Причина насамперед полягає в недосконалості конструкцій засобів вимірювання, які не мали, окрім того, необхідного метрологічного забезпечення.

Все це призвело до того, що визначення параметрів шорсткості дорожнього покриття на практиці майже не виконувалось, оскільки інформація про них не забезпечувала об’єктивної оцінки зчіпних якостей та розроблення дієвих заходів щодо їх покращення.

Поданий у першому розділі аналіз досліджень дозволив сформулювати мету та задачі даної роботи.

У другому розділі проведено обґрунтування методики визначення параметрів шорсткості дорожніх покриттів профільним методом та виконано метрологічне забезпечення профілографа „ДПП-3”.

Профільний метод передбачає зйомку профілю нерівностей шорсткості та перетворення його в графічний вигляд (профілограму). Конструкції відомих дорожніх профілографів мають недоліки – недостатня довжина зйомки профілю та незначне його збільшення при записі профілограми, особливо в горизонтальному напрямку. Вказані недоліки практично звели нанівець можливість застосування цих приладів на практиці, зокрема для дослідження дрібношорстких покриттів.

В кінці 90-х років у Національному транспортному університеті на кафедрі будівництва та експлуатації доріг під керівництвом та за ідеєю Д.О.Павлюка почалися розроблення профілографа нової конструкції. Перша й друга модифікації (у розробленні другої брав участь С.С.Кизима) мали ручний привід та низьку продуктивність роботи. Найбільш вдалою виявилась третя модифікація приладу – “ДПП-3” (рис. 2), яка мала електричний привід (конструкторська розробка належить А.Л.Зайченку, доведення – О.С.Лєбєдєву).

Особливістю “ДПП-3”, на відміну від конструкції аналогічних приладів, є те, що перетворення профілю покриття відбувається одночасно в одному масштабі в горизонтальному та вертикальному напрямках, що є досить зручним під час обробки профілограм.

Рис. 2. Дорожній портативний профілограф “ДПП-3”

З метою визначення точності відтворення профілю покриття на профілографі та метрологічних характеристик приладу було побудовано його кінематичну схему рис. 3.

Рис. 3. Кінематична схема профілографа “ДПП-3”

та встановлено його передавальну функцію

, | (1)

де ZA – апліката нерівностей профілю на профілограмі, ZA = АА1 (рис. 3);

ZC – величина переміщення щупа СС1;

ОА, ОВ – радіус екрана та переміщення щупа, відношення яких визначає масштаб перетворення профілю на профілограмі.

У результаті аналізу передавальної функції профілографа (рис. 4) встанов-лено, що в інтервалі ZA = 30 мм вона має лінійний характер, а похибка перетворення профілю не перевищує 5 %. Оскільки на існуючих дорожніх покриттях максимальні перепади нерівностей профілю не перевищують 40 мм, то профілограф “ДПП-3” можна використовувати для зйомки профілограм поверхні дорожніх покриттів.

Рис. 4. Графік передавальної функції профілографа ZA = f (ZC)

Зокрема, встановлено, що при виборі масштабу перетворення слід дотримуватись таких умов:

- масштаб 1:2 слід використовувати для зйомки профілограм поверхні нових і незношених поверхневих обробок при величині перепаду нерівностей до 20 мм;

- масштаб 1:8 приймається для асфальтобетонних покриттів та зношених по-верхневих обробок при величині найбільших нерівностей до 3 мм;

- проміжні значення масштабу вибираються таким чином, щоб амплітуда переміщень не перевищувала 20 мм, а сам профіль був зручний для обробки.

Результати досліджень використані при розробленні „Програми та методики метрологічної атестації дорожнього портативного профілографа „ДПП-3” (ПМА 081/23.36-99), яка затверджена УкрЦСМ, та “Керівництва з експлуатації пристрою”.

Перед експериментальними дослідженнями профілограф „ДПП-3” пройшов метрологічну атестацію (Свідоцтво № 23-3/0258 від 16.07.1999 р.)

Визначення параметрів шорсткості за допомогою профілографа “ДПП-3”, проведені на ділянках із різними типами та станом поверхні покриття, поділено на три групи:

- АБ - асфальтобетонні покриття;

- АБп - покриття з піщаного асфальтобетону;

- ПО - покриття з поверхневою обробкою.

Приклад запису профілограми наведено на рис. 5.

Рис. 5. Приклад запису профілю шорсткості на ділянці ПО-4

Для визначення висотних параметрів шорсткості в процесі обробленні профілограм в якості базової системи відліку прийнята лінія виступів - лінія, яка проходить через вершини двох найвищих виступів профілю, рівновіддалено від нерівностей профілю в межах базової довжини (рис. 6).

На деяких профілограмах, зокрема на покриттях із поверхневою обробкою, мали місце "пікові" виступи, які не були характерними для всього профілю.
У таких випадках при встановленні положення лінії виступів ці виступи не враховувались, а частина їх вершини, яка знаходиться вище даної лінії, не використовувалась для визначення висотних параметрів шорсткості.

Рис. 6. Схема профілю шорсткості до визначення базової системи відліку

Обґрунтування порядку визначення кожного з параметрів шорсткості проведено шляхом обробки профілограм декількома способами, які принципово відрізнялись один від одного. Було використано як відомі підходи до визначення параметрів шорсткості, так і запропоновані особисто автором.

При виборі способів визначення параметрів шорсткості враховувались точність отриманих значень, трудоємкість та зручність процесу обробки профілограм.

Виходячи з проведених досліджень, прийнято наступні визначення параметрів шорсткості:

- середня глибина впадин шорсткості Hm визначається відносно лінії виступів через ординати найбільших виступів та впадин нерівностей профілю

, | (1)

де n – кількість виступів та впадин профілю, що взято для розрахунку в межах базової довжини lb ; о – коефіцієнт перетворення профілю, о = 2, 4, 5, 8 ;
Hрі , Hvі – ординати відповідно найбільших виступів і впадин профілю (рис. 7);

- середній крок виступів шорсткості Sm установлюються прямим обрахунком відстаней між виступами профілю

; | (2)

- середній радіус виступів шорсткості Rm визначається обрахунком радіусу виступів шорсткості графічним способом за допомогою шаблону

. | (3)

Рис. 7. Схема до визначення параметрів шорсткості

Під час обробки профілограм установлено, що значення параметрів шорсткості залежать від обсягу проведених вимірювань n (рис. 8).

Рис. 8. Графік залежності значень параметрів шорсткості
від обсягу вимірювань n

Внаслідок впливу ряду незалежних факторів, наприклад, різний фрак-ційний склад щебеню та його випадкове розташування на поверхні покриття, значення параметрів шорсткості можуть значно змінюватися навіть на сусідніх ділянках проїзної частини. З метою врахування цих обставин при визначенні параметрів шорсткості проведено статистичний аналіз результатів оброблення профілограм, а саме: оцінювання похибок вимірювань із виявленням грубих похибок методом -критерію; встановлення закону розподілу значень параметрів шорсткості; визначення довірчих меж для параметрів розподілу.

Припускаючи правомірність використання закону нормального розподілу, в якості оцінки параметрів шорсткості прийнято їх вірогідні значення Х, які враховують випадковість розподілу

, | (4)

де – середньоарифметичне значення результатів вимірювання;

– середньоквадратична похибка результату;

, | (5)

де – середньоквадратичне відхилення значень статистичного ряду, який складається з n вимірювань.

Перевірку відповідності статистичних даних результатів обробки профілограм нормальному розподілу проведено за критерієм 2 Пірсона. Приклад порівняння теоретичної та емпіричних кривих сумар-ного розподілу значень параметрів шорст-кості наведено на рис. 9 (теоретична крива показана жирною лінією з маркерами). |

Рис. 9. Теоретична та емпіричні криві розподілу значень параметрів шорсткості профілограми ПО-4

Результати розрахунків критерію 2 наведено у табл. 1.

Таблиця 1

Розрахункові та критичні значення критерію 2 Пірсона

Тип профілограми | Значення критерію 2(кр2) для параметрів шорсткості

H | S | R

АБп-4 | 6,57 (11,1) | 4,19 (6,00) | 2,73 (7,80)

ПО-4 | 5,13 (6,00) | 2,88 (6,00) | 8,58 (9,50)

Як свідчать результати табл. 1, для всіх параметрів шорсткості необхідна умова 2 = < кр2 виконується, тобто розподіл випадкових величин значень цих параметрів відбувається за нормальним законом.

Використовуючи положення про нормальний розподіл випадкових величин значень параметрів шорсткості встановлено мінімальний обсяг вимірювань. Так, при довірчій імовірності Рд = 0,90 для отримання стабільних значень параметрів шорсткості необхідно на поверхні дослідних ділянок зняти не менше трьох профілограм, а при Рд = 0,95 – не менше п’яти.

Значення параметрів шорсткості, які розраховані з урахуванням запропонованої методики оброблення профілограм, наведено в табл. 2.

Таблиця 2

Результати визначення параметрів шорсткості
дослідних ділянок дорожнього покриття

Ділянка та

її шифр | Вірогідні значення параметрів шорсткості, мм

H | S | R

АБ-1 | 0,670,12 | 3,900,35 | 2,460,21

АБ-2 | 0,510,08 | 3,820,20 | 2,970,38

АБ-3 | 0,550,09 | 2,310,18 | 1,730,16

АБ-4 | 0,280,05 | 2,880,18 | 2,700,21

АБп-1 | 0,890,12 | 2,760,24 | 1,480,18

АБп-2 | 0,650,14 | 3,330,22 | 2,090,26

АБп-3 | 0,480,08 | 3,880,34 | 2,380,31

АБп-4 | 0,680,11 | 3,590,27 | 1,260,18

ПО-1 | 0,780,14 | 10,750,77 | 13,241,35

ПО-2 | 2,300,37 | 9,710,64 | 5,100,58

ПО-3 | 1,680,26 | 9,280,52 | 6,150,66

ПО-4 | 3,230,43 | 13,600,88 | 4,050,44

Таким чином, нами розв’язано питання визначення та характеристики значень параметрів шорсткості поверхні дорожнього покриття.

У третьому розділі проведено оцінювання зчіпних якостей дорожніх покриттів на дослідних ділянках за параметрами шорсткості їх поверхні.

Значення коефіцієнта зчеплення, який обрано в якості комплексного показника оцінки шорсткості поверхні дорожнього покриття, запропоновано розраховувати за формулою

= 1,25 Rд / N , | (6)

де 1,25 – коефіцієнт, що враховує молекулярну складову сили зчеплення;
Rд –дотична реакція в зоні контакту колеса з поверхнею дороги;

N вертикальне навантаження на колесо.

Значення дотичної реакції Rд приймається для випадку повного блокуван-ня колеса, коли вона складається із сили тертя кочення R1 та сили зміщення RS

Rд = R1 + 2 RS . | (7)

Складові дотичної реакції залежать від умов контакту протектора з виступами шорсткості, які визначаються співвідношенням фактичної глибини проникнення виступів шорсткості в протектор m (рис. 10) та оптимального її значення mo , при якому відбувається найбільш повний контакт між протектором колеса й виступами шорсткості.

Рис. 10. Модель поверхні дорожнього покриття

Величина m визначається за параметрами шорсткості, які пов’язуються між собою виразом

, | (8)

Параметр mo визначається за формулою

, | (9)

де Q сила тиску колеса на покриття;

Q = N – Fп , | (10)

де Fп гідродинамічна підйомна сила, що виникає при взаємодії колеса з мокрим дорожнім покриттям (для сухого покриття Fп = 0);

b1, b2 емпіричні коефіцієнти, які визначають номінальну площу контакту;
Eо динамічний модуль пружності гуми протектора;

kн коефіцієнт насиченості рисунка протектора;

В ширина зони контакту колеса з покриттям.

У випадку, коли m > mo , складові дотичної реакції в (7) визначаються виразами

;

; | ((11)

Якщо m mo , то R1 і RS визначаються таким чином:

;

. | ((12)

Вирази (6) – (12) являють собою математичну модель взаємодії колеса з дорожнім покриттям і встановлюють залежність між середніми значеннями параметрів шорсткості та коефіцієнтом зчеплення.

Аналіз математичної моделі взаємодії колеса з дорожнім покриттям підтверджує, що параметри шорсткості H, R та S мають вплив на зчіпні якості дорожнього покриття. Приклад розрахунку коефіцієнта зчеплення за параметрами шорсткості наведено на рис. 11.

Рис. 11. Графік залежності від Sm при Rm = 0,001 м, m = 0,002 м

Розрахунки показують, що довільні параметри шорсткості можуть мати лише одне оптимальне співвідношення, при якому буде досягнуто найбільш повний контакт між колесом і дорожнім покриттям, а отже й максимальне значення коефіцієнта зчеплення. Для прикладу, що зображено на рис. 11, найкращі зчіпні якості ( = 0,41) поверхня покриття матиме при Sm = 0,007 м, Rm = 0,001 м та m = 0,002 м.

Таким чином оцінка шорсткості поверхні дорожнього покриття за його зчіпними якостями зводиться до виконання ряду операцій, які покладено в основу алгоритму та програми розрахунку коефіцієнта зчеплення.

Оскільки при визначенні коефіцієнту зчеплення використано середні значення параметрів шорсткості Hm , Sm та Rm , було проведено аналіз точності математичної моделі взаємодії колеса з дорожнім покриттям.

Похибка функції = f (Hm , Sm , Rm ) складає

, | (13)

де mRі – похибки деформаційної складової дотичної реакції Rд

;

, | (14)

де (Ri/Rm), (Ri/Sm) – значення часткових похідних відносно Sm та Rm ;

mRm, mSm – похибки визначення параметрів шорсткості.

У випадку m > mo , який більш часто трапляється при розрахунках коефіцієнта зчеплення на реальних дорожніх покриттях, маємо

;

;

;

. | (15)

Результати визначення вірогідних значень коефіцієнта зчеплення колеса з дорожнім покриттям для дослідних ділянок, на яких визначено параметри шорсткості, наведено в табл.3.

Таблиця 3

Результати оцінки зчіпних якостей
на дослідних ділянок дорожнього покриття

Ділянка

та її шифр | Вірогідне значення коефіцієнта зчеплення | Відносна похибка вимірювань , %

АБ-1 | 0,314 0,006 | 2,05

АБ-2 | 0,285 0,006 | 2,14

АБ-3 | 0,302 0,006 | 2,04

АБ-4 | 0,277 0,005 | 1,63

АБп-1 | 0,337 0,008 | 2,44

АБп-2 | 0,316 0,007 | 2,33

АБп-3 | 0,327 0,009 | 2,73

АБп-4 | 0,375 0,010 | 2,65

ПО-1 | 0,253 0,005 | 2,07

ПО-2 | 0,332 0,007 | 2,01

ПО-3 | 0,320 0,006 | 2,03

ПО-4 | 0,414 0,008 | 2,05

У результаті аналізу математичної моделі взаємодії колеса з дорожнім покриттям встановлено, що найбільший вплив на точність обчислення коефіцієнта зчеплення має похибка визначення Rm , тому для отримання вірогідних значень необхідно враховувати радіуси всіх виступів шорсткості в межах профілограми.

У четвертому розділі наведено практичні рекомендації щодо застосування методики оцінки шорсткості поверхні дорожніх покриттів, а саме: вибору місць для проведення вимірювання, порядку проведення вимірювань та обробки профілограм, аналізу результатів та визначення вірогідних значень параметрів шорсткості - глибини впадин H, кроку S та радіусу R виступів шорсткості.

Наведено приклади застосування результатів проведеного дослідження для таких випадків :

- розрахунку вірогідного значення коефіцієнта зчеплення за параметрами шорсткості, який виконується при визначенні транспортно-експлуатаційних показників дорожнього покриття під час його експлуатації;

- визначення оптимальних параметрів шорсткості на стадії проектування та будівництва, за яких буде забезпечено найкращі зчіпні якості коліс автотранспортних засобів з дорожнім покриттям.

Основні результати роботи та висновки

У роботі виконано науково-практичне обґрунтування та дослідження способу оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття за параметрами шорсткості його поверхні, що має важливе значення у створенні та підтриманні безпечних умов руху автомобільного транспорту. При цьому отримано наступні результати, що мають наукову та практичну цінність:

1. Для оцінки шорсткості поверхні дорожнього покриття слід використовувати вірогідне значення коефіцієнта зчеплення як функції структурних показників покриття – вірогідних значень глибини впадин H, кроку S та радіусу R виступів шорсткості. Останні, в свою чергу, характе-ризуються середніми значеннями Hm, Sm, Rm та параметрами розсіювання окремих значень глибини впадин Hі, кроків Sі та радіусів Rі виступів шорсткості, які залежать від прийнятої довірчої ймовірності.

2. На основі математичного моделювання роботи профілографа “ДПП-3” встановлено, що при використанні на реальних дорожніх покриттях його пере-давальна функція близька до лінійної, а похибка перетворення профілю не перевищує 5%.

Розроблено практичні рекомендації щодо застосування профілографа в дослідженнях та на виробництві. Роботи з метрологічного забезпечення процесу вимірювання параметрів завершилися отриманням свідоцтва про метрологічну атестацію.

3. Шляхом аналізу профілограм поверхні дослідних ділянок дорожніх покриттів, отриманих за допомогою профілографа “ДПП-3”, обґрунтовано застосування лінії виступів в якості базової системи відліку для визначення Hі , виявлена збіжність величин Hі, Sі та Rі до відповідних граничних значень при зростанні кількості вимірювань; за критерієм 2 Пірсона встановлено належність значень параметрів шорсткості Hі, Sі та Rі до нормального розподілу.

4. В результаті зіставлення та порівняння точності обчислення результатів, трудоємності та зручності оброблення профілограм різними способами обґрунтовано оптимальний порядок визначення Hm, Sm та Rm.

Встановлено мінімальну кількість вимірювань при оцінці шорсткості поверхні дорожнього покриття. Зокрема, при довірчій імовірності Рд = 0,90 необхідно зняти не менше трьох профілограм, а при Рд = 0,95 – не менше п’яти.

5. Для обчислення вірогідного значення коефіцієнта зчеплення за параметрами шорсткості запропоновано математичну модель взаємодії колеса з поверхнею дорожнього покриття, встановлено аналітичні залежності між параметрами S , R та коефіцієнтом зчеплення, які реалізовано програмою розрахунку на ЕОМ. Встановлено, що найбільший вплив на значення коефіцієнту зчеплення та точність його обчислення мають відповідно похибка визначення Rm та похибка його вимірювання. Тому для отримання вірогідних значень необхідно враховувати радіуси всіх виступів шорсткості в межах профілограми.

6. Результати досліджень використано при розробленні державного та галузевого стандартів по методах та засобах вимірювання транспортно-експлуатаційних показників дорожніх покриттів. Застосування результатів дослідження дозволяє розрахунковим шляхом визначити вірогідне значення коефіцієнта зчеплення колеса з дорожнім покриттям під час його експлуатації, а також встановити оптимальні параметри шорсткості на стадії проектування та будівництва, за яких буде забезпечено найкращі зчіпні якості.

публікації за темою дисертації

1. Ільченко В.В. Удосконалення методики оцінки шорсткості дорожнього покриття // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. Випуск 62. Київ, 2001. С. 25-28.

2. Павлюк Д.О., Ільченко В.В. “ Застосування теоретико-ймовірнісного підходу до визначення параметрів шорсткості дорожніх покриттів” // Вісник Національного транспортного університету. Випуск 8. – Київ, 2003. – С. 46-49.

3. Ільченко В.В. Оцінка зчіпних якостей дорожнього покриття за параметрами шорсткості його поверхні // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. Випуск 68. Київ, 2003. С. 45-47.

4. Павлюк Д.О., Ільченко В.В., Захарченко Т.М. “Розроблення сучасного підходу до оцінки шорсткості поверхні дорожніх покриттів” // Збірник наукових праць Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка. Випуск 13. – Полтава: ПолтНТУ, 2003. – С. 133-137.

5. ДСТУ Б.В.2.3-8-2003. Дорожні покриття. Методи вимірювання зчіпних якостей / Держбуд України. – К., 2003. – 25 с.

6. ГСТУ 218.02070915-102-2003. Автомобільні дороги. Визначення транспортно-експлуатаційних показників дорожніх покриттів. Методи та засоби / Державна служба автомобільних доріг України – К., 2003. – 38 с.

7. Павлюк Д.А., Ильченко В.В., Рыбицкий Л.Л. Некоторые аспекты совершенствования оценки сцепных качеств дорожных покрытий // Сборник научных трудов Первой научно-практической конференции Меж-правительственного совета дорожников “Научно-технические проблемы дорожной отрасли стран СНГ”. М.: МАДИ(ТУ), 2000. С. 193-195.

8. Ільченко В.В. Удосконалення способів оцінки шорсткості поверхні дорожніх покриттів // 60 наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. К.: НТУ, 2004. С. 84-85.

9. Павлюк Д.О., Іваніца Є.В., Булах О.І., Лєбєдєв О.С., Ільченко В.В. Проблеми оцінки транспортно-експлуатаційних якостей покриттів автомобільних доріг // Міжнародна науково-технічна конференція “Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожньо-будівельного комплексу України”. Тези доповідей. К.: НТУ, 2004 с. С. 65.

Анотація

Ільченко В.В. Удосконалення оцінки шорсткості поверхні дорожнього покриття. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11 – Автомобільні шляхи та аеродроми. – Національний транспортний університет, Київ, 2005.

У роботі виконано науково-практичне обґрунтування та дослідження способу оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття за параметрами шорсткості його поверхні.

Встановлено перелік параметрів шорсткості, які характеризують структуру поверхні дорожнього покриття, а також порядок їх визначення профільним методом та мінімально необхідний обсяг вимірювань.

Запропоновано аналітичні залежності, які базуються на математичному моделюванні процесу взаємодії колеса з дорожнім покриттям, для визначення розрахунковим шляхом коефіцієнту зчеплення.

Ключові слова: дорожнє покриття, профілограф, профілограма, параметри шорсткості, зчіпні якості, математична модель, коефіцієнт зчеплення.

Аннотация

Ильченко В.В. Усовершенствование оценки шероховатости поверхности дорожного покрытия. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11 – Автомобильные дороги и аэродромы. – Национальный транспортный университет, Киев, 2005.

В работе выполнено научно-практическое обоснование и исследование способа оценки сцепных качеств дорожного покрытия по параметрам шероховатости его поверхности.

Одной с основных причин высокого уровня аварийности на автомобильных дорогах являются неудовлетворительные дорожные условия, а прежде всего - недостаточное сцепление колес с дорожным покрытием. В остальных случаях, состояние поверхности в значительной мере влияет на вероятность возникновения различного рода аварийно опасных ситуаций и тяжесть их последствий. Таким образом, обеспечение сцепных качеств дорожного покрытия можно считать одним из основных направлений повышения безопасности дорожного движения.

Сцепные качества дорожных покрытий зависят прежде всего от шероховатости их поверхности - совокупности неровностей, которые образуются частицами каменного материала на поверхности покрытия. Для оценки шероховатости применяются различные параметры, которые в различной степени влияют на процесс взаимодействия колес с покрытием.

Критерием выбора структурных показателей принята их значимость при вычислении коэффициента сцепления, который можно считать комплексным показателем, поскольку произвольному сочетанию параметров шероховатости соответствует определенный уровень сцепных качеств поверхности дорожного покрытия. Исходя из этих условий, установлен следующий перечень параметров шероховатости: средняя глубина впадин шероховатости Hm , средний шаг Sm и средний радиус выступов шероховатости Rm.

Определение параметров шероховатости выполнено профильным методом с помощью дорожного профилографа ДПП-3, который предусматривает точечное сканирование исследуемой поверхности и воспроизведение её профиля в графическом виде. В отличие от аналогичных средств измерения, конструкция ДПП-3 позволяет записывать профилограммы с одним масштабом увеличения в горизонтальном и вертикальном направлениях, что упрощает последующий процесс их обработки.

Одной из основных характеристик профилографа как средства измерения, является точность преобразования профиля шероховатости покрытия. Путем математического моделирования процесса съемки профилограмм установлено, что в диапазоне неровностей поверхности 30 мм погрешность измерений не превышает 5%, что является допустимым для технических средств измерения.

Вследствие влияния различных независимых факторов, например, различный размер частиц каменного материала, случайное их распределение в слое износа, неравномерность нагрузки от подвижного состава и другое, значения параметров шероховатости изменяются в определенном диапазоне. Для получения объективной оценки о шероховатости измерение параметров производились на основании методов статистики, которая предусматривает: оценку погрешностей измерений и выявление возможных ошибок методом
-критерия; установление законов распределения показателей; вычисление доверительных границ и интервалов для параметров распределения показателей шероховатости.

Обосновано применение линии выступов в качестве базовой системы отсчета для вычисления высотных параметров, которая проходит через вершины двух наивысших выступов профиля, равноудаленно по отношению к неровностям профиля в пределах базовой длины.

На экспериментальных участках различных типов дорожных покрытий выполнена съемка профилей неровностей их поверхности. Обработка профилограмм для определения каждого из показателей производилась несколькими способами, которые отличаются по своей физической сути. Сравнения результатов обработки профилограмм по точности и трудоемкости процесса вычисления позволило установить оптимальный порядок определения параметров шероховатости.

Путем статистического анализа установлены принадлежность значений параметров шероховатости нормальному распределению и необходимое количество измерений. Установлено, что при доверительной вероятности Рд = 0,9 для получения стабильных значений параметров шероховатости необходимо на поверхности участка дорожного покрытия снять не менее трех профилей, а при Рд = 0,95 – не менее пяти.

Разработана методика оценки сцепных качеств дорожного покрытия, которая базируется на математическом моделировании процесса взаимо-действия колеса с дорожным покрытием. В качестве исходных параметров при вычислении коэффициента сцепления расчетным путем приняты параметры шероховатости.

Методика оценки сцепных качеств дорожных покрытий предназначена для использования на разных стадиях существования дорожных покрытий. Во время устройства слоев износа существует возможность подобрать такие сочетания параметров шероховатости, которые обеспечат максимальные сцепные качества. На стадии приемки покрытий в эксплуатацию и далее – выполнять оперативный контроль сцепных качеств дорожных покрытий.

Ключевые слова: дорожное покрытие, профилограф, профилограмма, параметры шероховатости, сцепные качества, математическая модель, коэффициент сцепления.

Abstract

Ilchenko V.V. Perfection of roughness evaluation of road surface pavement. Manuscript.

Dissertation for Ph.D degree by specialty 05.22.11 Automobile roads and aerodromes. National Transport University, Kyiv, 2005.

Scientific and practical proof and investigation of methods determination grip qualities of road pavement according the parameters of surface roughness have been made.

The list of roughness parameters, which characterize the structure of road surface pavement, has been defined as well as the way of their determination by profile method and minimal necessary measurement volume.

Also has been proposed analytical dependence – witch is based on the mathematical modeling of interaction between a tyre and road pavement – for determination of grip coefficient of a tyre with road pavement by way of calculation.

Key words: road pavement; profilograph, profilogram, parameters of roughness; grip qualities of road pavement; mathematical model, grip coefficient of a tyre with road pavement.

Підписано до друку 12.09.2005 р.

Формат 6090/16. Папір для лазерних принтерів.

Умовн. друк. арк. 0,9. Обл.-вид. арк. 1,0.

Замовлення № 22/11. Тираж 100 прим.

Поліграфічний центр “Скайтек”

36000, Україна, Полтавська обл.,
с. Розсошенці, вул. Горбанівська, 1.

тел. (0532) 59-04-08.