Харківський національний

автомобільно-дорожній університет

Смолянюк Роман Володимирович

УДК 625.768.5

ОЦІНКА ЕКСПЛУАТАЦІЙНОГО СТАНУ

ДОРОЖНІХ ПОКРИТТІВ НА ОСНОВІ ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ

ВИМІРЮВАННЯ РІВНОСТІ ТА ЗЧІПНИХ ЯКОСТЕЙ

05.22.11 – Автомобільні шляхи та аеродроми

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівництва та експлуатації автомобільних доріг Харківського національного автомобільно-дорожнього університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Стороженко Михайло Семенович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет (м. Харків), професор кафедри будівництва та експлуатації автомобільних доріг.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Савенко В’ячеслав Якович, Національний транспортний університет (м. Київ), завідувач кафедри будівництва та експлуатації доріг;

кандидат технічних наук, доцент

Ряпухін Віталій Миколайович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет (м. Харків), завідувач кафедри вишукувань та проектування автомобільних доріг.

Провідна установа: Харківська національна академія міського господарства

Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться “ 26 ” жовтня 2005 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.01 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий “ 23 ” вересня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, кандидат технічних наук,

доцент І.В. Кіяшко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення нормального експлуатаційного стану автомобільних доріг є одним з найважливіших завдань дорожньої служби. Швидкість, безпека та комфорт руху, економічні показники роботи транспорту в першу чергу залежать від стану покриття. Характер і ступінь впливу покриття на умови руху автомобілів визначається насамперед рівністю та зчіпними якостями.

В процесі експлуатації внаслідок дії автомобільного транспорту та атмосферних чинників поверхня дорожнього покриття спотворюється як у поздовжньому, так і у поперечному профілях, тобто погіршується рівність покриття. Разом з рівністю змінюються і зчіпні властивості покриттів. Внаслідок нерівномірного розподілу транспортних засобів по ширині проїзної частини її експлуатаційні якості також змінюються нерівномірно.

Відомі методи оцінки рівності та зчіпних якостей покриттів не відображають реального стану поверхні, оскільки оцінка проводиться переважно по смугам накату, або по одній із смуг. Такі методики не дозволяють оцінити умови руху автомобілів під час виконання маневрів та гальмування. За статистичними даними у 90 % випадків для попередження дорожньо-транспортних пригод водії виконують різні маневри з’їжджаючи зі смуг накату. Тобто, відомі методи оцінки стану покриття не дозволяють об’єктивно обґрунтувати види та обсяги робіт з ремонту дороги для підвищення безпеки руху.

Таким чином, удосконалення оцінки експлуатаційного стану дорожніх покриттів є актуальною науковою задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності з планом науково-дослідних робіт Державної служби автомобільних доріг України (розділ “Якість”) на 2002-2004 р. в рамках наступних робіт: “Розробити методику, обладнання та комп’ютерне забезпечення для оцінки рівності дорожніх покриттів у відповідно до міжнародного індексу рівності IRI”, (№ V004143); “Розробити рекомендації щодо оцінки зчіпних якостей дорожніх покриттів з урахуванням неоднорідності по площі проїзної частини” (№ V004216); “Розробити рекомендації щодо оцінки рівності дорожніх покриттів у відповідності з міжнародним індексом рівності IRI” (№ 0104V004217) та держбюджетної науково-дослідної роботи кафедри будівництва та експлуатації автомобільних доріг ХНАДУ “Вдосконалення будівництва та експлуатації автомобільних доріг”. Особистий внесок – розробка обладнання у вигляді приладу ЕПХ-ХНАДУ-1 та комп’ютерного забезпечення для оцінки рівності у відповідності до IRI, виконання приймальних випробувань та дослідної перевірки розробленого приладу, виконання вимірювань рівності поверхні та зчіпних якостей дорожніх покриттів різними способами, статистична обробка отриманих даних, встановлення закономірностей та розробка на їх основі методик вимірювання рівності і зчіпних властивостей.

Метою роботи є удосконалення методів оцінки експлуатаційного стану дорожніх покриттів за показниками рівності та зчіпних якостей на основі закономірностей їх впливу на коливання підвіски при різних режимах руху, закономірностей зміни рівності та зчіпних якостей по ширині проїзної частини, а також розробка методики призначення ремонтних робіт.

Задачі досліджень. Для досягнення поставленої в роботі мети вирішувались наступні задачі:

1. Удосконалити методи оцінки рівності та зчіпних властивостей дорожніх покриттів для забезпечення оцінки поверхні покриття з урахуванням режимів руху.

2. Експериментально та за допомогою моделювання на ЕОМ визначити закономірності впливу нерівностей поверхні проїзної частини на умови виконання маневрів автомобілями.

3. Експериментально дослідити закономірності зміни коефіцієнту зчеплення та шорсткості дорожніх покриттів; закономірності зміни коефіцієнту зчеплення в залежності від рівності поверхні дорожнього покриття.

4. За результатами теоретичних і експериментальних досліджень зробити оцінку ступеню впливу нерівностей поверхні дорожніх покриттів на автомобілі при основних режимах руху.

5. Розробити рекомендації щодо оцінки рівності та зчіпних якостей покриттів, методики проведення випробувань та обробки даних, шкали оцінки якості покриттів за рівністю та зчіпними властивостями, та методики призначення полегшеного капітального ремонту.

Об’єкт дослідження. Процеси впливу характеристик поверхні дорожнього покриття на автомобіль при різних режимах руху.

Предмет дослідження. Методи оцінки рівності і зчіпних якостей дорожніх покриттів автомобільних доріг.

Методи дослідження. Вивчення впливу на автомобіль характеристик поверхні покриття при різних режимах руху проводиться теоретичними та експериментальними методами. Обробка отриманих даних здійснюється статистичними методами. Теоретичні методи досліджень базуються на моделюванні різних режимів руху легкового автомобіля по поверхнях з різною рівністю. Моделювання руху виконується за допомогою програми для оцінки рівності за Міжнародним Індексом Рівності IRI (International Roughness Index) – „RoadRuf”. Експериментальні дослідження полягали у вимірюванні рівності за допомогою поштовхоміру, 3-х метрової рейки та електронного профілометру „ЕПХ-ХНАДУ-1”; коефіцієнту зчеплення за допомогою „ППК-МАДИ-ВНИИБД” та шорсткості за допомогою методу „піщаної плями” на дослідних ділянках доріг І – ІV категорій.

Наукова новизна отриманих результатів:

· обґрунтовано принципово новий підхід до оцінки рівності та зчіпних якостей покриттів, який полягає у диференціації впливу нерівностей покриття на коливання підвіски автомобіля при різних режимах руху, урахуванню неоднорідного розподілу нерівностей та шорсткості по ширині покриття та їх комплексної дії;

· отримані нові закономірності впливу нерівностей на коливання підвіски автомобілів під час виконання маневрів;

· вперше запропоновано оцінювати рівність дорожнього покриття з урахуванням основних режимів руху, яка полягає у визначенні впливу на автомобіль поверхні дорожнього покриття під час виконання маневрів та розроблена нова методика;

· розроблено оцінку якості покриття за зчіпними якостями з урахуванням їх неоднорідного розподілу по поверхні покриття, яка передбачає оцінку за 4 критеріями: коефіцієнтом зчеплення колеса автомобіля з покриттям, різницею між максимальною і мінімальною величиною коефіцієнта зчеплення колеса автомобіля з покриттям по ширині проїзної частини, шорсткістю поверхні покриття та рівністю покриття;

· розроблено нову методику призначення ремонтних робіт за результатами аналізу показників рівності та зчіпних властивостей всієї поверхні покриття.

Практичне значення отриманих результатів:

· розроблено нові методики, які дозволяють більш обґрунтовано призначати ремонти доріг та зменшити аварійність на відремонтованих ділянках на 12-15 %, в залежності від інтенсивності руху;

· за результатами досліджень Державною службою автомобільних доріг України введені в дію наступні нормативні документи: Р.В.2.3-218-02071168-385-2004 „Рекомендації щодо оцінки рівності дорожніх покриттів у відповідності з міжнародним індексом рівності IRI”; Р.В.2.3-218-02071168-386-2004 „Рекомендації щодо оцінки зчіпних якостей дорожніх покриттів з урахуванням неоднорідності по площі проїзної частини”;

· розроблений прилад для оцінки рівності ЕПХ-ХНАДУ-1, який дозволяє виконувати оцінку рівності при різних режимах руху.

Особистий внесок здобувача:

· за результатами огляду літературних джерел та нормативних документів визначені основні недоліки існуючих методик оцінки якості покриттів за рівністю та зчіпними властивостями;

· удосконалені методи оцінки рівності та зчіпних властивостей, та розроблені методики оцінки поверхні дорожніх покриттів за рівністю та зчіпними властивостями;

· виконані експериментальні дослідження показників рівності та зчіпних властивостей покриттів на дослідних ділянках доріг І – ІV категорій: Київ-Харків-Довжанський, Харків-Сімферополь-Севастополь, Харків-Щербаківка, Харків-Суми-Ахтирка, Харків-Вовчанськ;

· за результатами експериментальних та теоретичних досліджень визначені закономірності впливу нерівностей поверхні проїзної частини на коливання підвіски автомобілів під час виконання маневрів;

· розроблений прилад ЕПХ-ХНАДУ-1, що дозволяє виконувати оцінку рівності у відповідності до IRI при різних режимах руху;

· на підставі отриманих теоретичних і експериментальних залежностей розроблені рекомендації щодо оцінки рівності та зчіпних властивостей покриттів, з урахуванням неоднорідності поверхні проїзної частини.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на міжнародних науково-технічних конференціях: „Прогресивні технології і енергозбереження в дорожньому будівництві” (м. Київ, 24–26 жовтня 2001 р.); „Досвід та проблеми сучасного розвитку дорожнього комплексу України на етапі входження у європейське співтовариство” (м. Харків, 20 – листопада 2002 р.); „ІХ міжнародна конференція довговічні та безпечні дорожні покриття” (м. Кельц, Польща, 6 – 7 травня 2003 р.); „Забезпечення якості в дорожньому господарстві” (м. Київ, 4 – 5 листопада 2003 р.); „Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожньо-будівельного комплексу України” (м. Київ, 30 вересня – 1 жовтня 2004 р.).; „Транспорт, екологія – сталий розвиток” (м. Варна, Болгарія, 15 – 17 травня 2003 р.); науковому семінарі молодих вчених та аспірантів „Сучасні технології та матеріали для будівництва й експлуатації автомобільних доріг” (м. Харків, 23 – 24 вересня 2004 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 12 наукових роботах. З них 6 – у виданнях, рекомендованих ВАК України для публікації результатів дисертаційних робіт та 3 у країнах ближнього та дальнього зарубіжжя.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 154 найменувань, 2 додатків. Загальний обсяг дисертації 157 сторінок. Основна частина роботи викладена на 121 сторінці і містить 63 рисунка і 6 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, наукову новизну і практичну цінність роботи, дана її загальна характеристика.

В першому розділі дисертаційної роботи приводиться огляд літературних джерел, присвячених існуючим методам та приладам для оцінки рівності та зчіпних властивостей проїзної частини автомобільних доріг, області їх застосування, експериментальним дослідженням.

Дослідженнями в області оцінки якості покриттів займалися такі вчені, як: О.П. Алексєєв, В.А. Астров, С.І. Андрєєв, О.К. Біруля, А.П. Васильєв, Н.Б. Демкін, В.К. Жданюк, В.О. Золотарьов, С.С. Кизима, В.Д. Казарновський, І.В. Кіяшко, Р.Ф. Лукащук, С.Г. Михович, М.В. Німчинов, Д.О. Павлюк, Є.Д. Прусенко, В.С. Порожняков, В.М. Ряпухін, В.Я. Савенко, М.С. Стороженко, А.П. Соловчук, М.В. Сэйрс, С.М. Карамигас, Т.Д. Гиллеспа, Е.С. Новак, Г.С. Бендат та інші.

Огляд літературних джерел та нормативних документів показав, що оцінка рівності та зчіпних властивостей покриттів проводиться переважно на смугах накату, а саме на ширині шин автомобіля-лабораторії чи приладу. Виходячи з методик оцінки та конструкцій приладів можна зробити висновок, що вони не відображають реального стану всієї поверхні проїзної частини. Виконання маневрів пов’язане зі зміною швидкісного режиму та знаходження автомобіля по ширині проїзної частини, тобто з переходом із смуг накату в ті зони, де оцінка якості проїзної частини не виконується. Тому за існуючими методиками неможливо оцінити умови руху автомобіля під час виконання маневрів. Як свідчить статистика, для попередження дорожньо-транспортних пригод у 90 % випадків водії використовують різні маневри. Тому вдосконалення методів оцінки рівності та зчіпних якостей для вираховування стану всієї поверхні проїзної частини є важливим.

Другий розділ присвячений теоретичним дослідженням щодо вдосконалення оцінки експлуатаційного стану дорожніх покриттів.

Зміна експлуатаційних характеристик поверхні покриття відбувається під впливом багатьох чинників: інтенсивності і складу руху, температурного режиму та режиму зволоження дорожньої конструкції, неоднорідності шарів дорожнього одягу та земляного полотна, недостатньої міцності та зв’язаності шарів та інших.

Найбільший вплив на виникнення деформацій дорожньої конструкції в поперечному напрямку здійснює автомобільне навантаження. Такий висновок можна зробити, порівнявши гістограму розподілу транспортних засобів по ширині проїзної частини і відповідний поперечний профіль (рис.1).

Рис.1. Гістограма розподілу транспортних засобів по ширині проїзної частини та відповідний поперечний профіль.

В місцях концентрації автомобілів (рис.1) також спостерігається істотне зменшення значення коефіцієнта зчеплення внаслідок зменшення шорсткості (полірування та втоплювання кам’яних матеріалів). В разі зволоження покриття в цих зонах може спостерігатися накопичення води, яка перешкоджає зчепленню коліс автомобілів з покриттям, особливо при замерзанні.

Для аналізу впливу нерівностей покриття на умови руху автомобілів були розглянуті можливі схеми виконання маневрів: поворот, зміна смуги руху, виконання обгону або об’їзду (рис. 2).

Рис. 2. Траєкторія руху автомобіля під час виконання обгону чи об’їзду.

им – максимальний кут повороту коліс;

t2p – час запізнювання кермового керування;

АВ – дуга з радіусом, що зменшується;

ВС – проміжна ділянка;

CD – дуга з радіусом, що збільшується;

D – точка нейтрального положення коліс.

Для можливих схем виконання маневрів були використані рівняння складені проф. В.А. Іларіоновим, які дозволяють визначити місцеположення коліс автомобіля в будь-який момент часу (табл. 1).

Таблиця 1

Залежності для розрахунку параметрів маневру автомобіля

Параметри | Тип маневру“

Вхід у поворот”“ | Вхід-вихід”“ | Зміна смуги руху”

ф1, с | xм/хa | xм/(2хa) | xм/(4хa)

и0, рад/с | gLцy/(хaxм) | 2gLцy/(хaxм) | 4gLцy/(хaxм)

xм, м | хa ф1 | 2хa ф1 | 4хa ф1

yм, м

Продовження таблиці 1

гм, м | 0

Умовні позначення: ? – кут повороту коліс, ? – курсовий кут, L – база автомобіля, ха – швидкість руху автомобіля, ф – час, xм , yм,– координати знаходження коліс при закінченні маневру.

Як видно з наведеної схеми руху автомобіля під час виконання обгону (об’їзду) (рис. ), траєкторія руху складається з двох траєкторій маневрів “зміна смуги руху”. Для побудови повної траєкторії обгону чи об’їзду використовувалися формули для зміни смуги руху, але значення курсового кута підставлялися у відповідності з графіком, наведеним на рис. 2.

Маневр “вхід в поворот” виконується лише на низьких швидкостях (на перехрестях та з’їздах), тому в подальших дослідженнях він не розглядався. Маневр “вхід-вихід” розглядався лише як складова частина маневрів “обгін” та “зміна смуги руху”.

Для повної оцінки ділянки, що досліджується, за рівністю необхідно зробити вимірювання не лише по смугам накату, а й по всім можливим траєкторіям руху. При використанні традиційних технологій для цього потрібно виконати велику кількість вимірювань. В роботі була розроблена методика, котра дозволяє істотно зменшити їх кількість.

Для реалізації цієї методики проводяться вимірювання безпосередньо геометричних параметрів поверхні проїзної частини та побудова її трьохвимірного графіку за результатами обробки даних вимірювань (рис. 3).

Рис. 3. Трьохвимірний графік поверхні проїзної частини ділянки автомобільної дороги Харків-Вовчанськ км 15+000 – км 15+300, побудований за даними вимірювань 3-х метровою рейкою.

Вимірювання можуть проводитися за допомогою різних інструментів, в тому числі і за допомогою 3-х метрової рейки. В роботі розроблені схеми вимірювань для різних приладів.

За допомогою трьохвимірного графіку поверхні проїзної частини дослідної ділянки відбувається побудова профілів покриття за різними траєкторіями руху автомобілів. Далі проводиться оцінка рівності цих профілів.

Оцінка рівності відбувається шляхом моделювання руху автомобіля на отриманих профілях. Однією з таких моделей є модель “золотого” автомобіля (рис. ), яка розроблена для оцінки рівності покриттів за Міжнародним Індексом Рівності (IRI).

Рис. 4. Математична модель і параметри “золотого” автомобіля:

М – підресорна маса;

m - непідресорна маса;

Ks – характеристика пружного елементу;

Cs – характеристика амортизатора;

Kt – характеристика шини.

Z, Zs, ZR – вертикальні переміщення відповідних частин моделі.

Оцінка отриманих даних відбувається за шкалою IRI, наведеною на рис. 5.

Рис. 5. Шкала оцінки рівності по IRI.

За результатами досліджень запропоновано математичну модель для визначення рівності покриття за IRI для основних маневрів (1):

y = 6,16+3,97x1+5,3x2+3,62x1x2, (1)

де x1 – коефіцієнт, що враховує глибину нерівностей на покритті;

x2 – коефіцієнт, що враховує кут виконання маневру;

y – рівність по IRI.

Зміна рівності поверхні покриття (рис. 1, 3) відбувається разом із зміною його зчіпних властивостей. В місцях утворення колій спостерігається зменшення шорсткості та зменшення коефіцієнту зчеплення. Гальмування автомобіля на ділянці, де під різними бортами знаходиться покриття з різними зчіпними властивостями, призводить до утворення обертового моменту, який може викликати розворот автомобіля та аварійну ситуацію. При зволоженні покриття на ньому утворюється шар води змінної товщини внаслідок наявності колій та інших нерівностей, що перешкоджають стоку води. Вода на поверхні покриття призводить до зменшення площі контакту шин автомобіля з покриттям та виникнення ефекту аквапланування при позитивних температурах повітря, а при негативних температурах – до утворення льоду, особливо у коліях, що істотно зменшує зчеплення колеса автомобіля з покриттям.

Проф. М.В. Німчиновим встановлені залежності зміни коефіцієнта зчеплення від товщини плівки води на покритті. Для використання цих залежностей необхідно встановити товщину плівки води в кожній точці проїзної частини, що можливо лише за умови вимірювання рівності всієї поверхні проїзної частини.

Для врахування всіх аспектів зміни зчіпних властивостей покриттів в роботі розроблена методика оцінки зчіпних властивостей дорожніх покриттів, що базується на вимірюванні та комплексному аналізі 4-х показників: величини коефіцієнту зчеплення колеса автомобіля з покриттям, різниці між максимальним і мінімальним значенням коефіцієнта зчеплення по ширині проїзної частини, глибини западин шорсткості поверхні покриття, рівності поверхні покриття.

В третьому розділі дисертації описано моделювання на ЕОМ та експериментальні дослідження рівності та зчіпних властивостей, які проводилися на автомобільних дорогах I – IV категорій. Метою проведення досліджень було встановлення закономірностей впливу нерівностей поверхні покриття на коливання підвіски автомобіля під час виконання маневру при різній глибині колій та куті виконання маневру; встановлення закономірностей утворення шару води на поверхні покриттів при їх зволоженні.

Моделювання на ЕОМ проводилося за допомогою програмного пакету „MathLab 7.0” та програми „RoadRuf”. Засобами „MathLab 7.0” були створені моделі поверхонь проїзних частин з різною глибиною колій.

У відповідності до залежностей, наведених у 2 розділі (табл. 1), розраховані траєкторії руху автомобіля для різних кутів виконання маневру. Для оцінки умов виконання конкретного маневру його траєкторія накладається на модель поверхні. Січна, проведена через траєкторію руху автомобіля, перетинає поверхню проїзної частини в певній лінії, яка являє собою профіль, що буде знаходиться під колесом автомобіля в процесі виконання маневру (рис. 6).

Рис. 6. Модель поверхні покриття з коліями глибиною 50 мм та з нанесеною січною по траєкторії обгону під кутом 5є.

Отримана множина профілів під різними кутами виконання маневрів була проаналізована шляхом моделювання руху “золотого” автомобілю за допомогою ЕОМ. За результатами розрахунків побудовані залежності зміни IRI від кута виконання маневру та глибини колій. Одна з таких залежностей наведена на рис. 7.

Рис. 7. Залежність рівності по IRI для маневру “зміна смуги руху” в залежності від кута виконання маневру та глибини колії.

Отримані дані дозволяють зробити висновок, що вплив проїзної частини на автомобіль під час виконання маневру може істотно змінюватися, в залежності від кута виконання маневру та глибини колій на покритті. При великих значеннях глибини колій навіть незначна зміна кута виконання маневру призводить до істотного збільшення коливання підвіски автомобіля.

Для експериментальних досліджень на автомобільних дорогах загального користування були обрані дослідні ділянки з різними значеннями рівності, визначеної поштовхоміром у відповідності до існуючих стандартів. Експериментальні дослідження рівності полягали у наступному: визначення необхідної кількості вимірювань, точності, зв’язку рівності по IRI з рівністю по поштовхоміру та підтвердження результатів моделювання на ЕОМ.

При визначенні необхідної кількості вимірювань було з’ясовано, що при проведенні вимірювань 3-х метровою рейкою закономірності розподілу просвітів найкраще всього описуються законом Вейбула:

, (2)

де t – випадкова величина;

– параметр масштабу;

n – параметр форми.

За результатами розрахунків побудовані гістограми розподілу значень просвітів (рис. 8).

Рис. 8. Гістограми значень просвітів під 3-х метровою рейкою на автомобільній дорозі Харків – Вовчанськ км 15+000 – км 16+000:

а – поздовжній напрямок;

б – поперечний напрямок.

Для визначення необхідної кількості вимірювань обчислювався ряд послідовних значень середнього арифметичного за зростаючим об’ємом вибірки. За даними обчислювань побудовані відповідні графіки (рис. 9).

Рис. 9. Залежність середнього арифметичного значення просвіту від кількості вимірювань:

а - поздовжній напрямок;

б – поперечний напрямок.

Керуючись необхідною довірчою ймовірністю 0,95 та точністю вимірювання за цими графіками визначили необхідну кількість вимірювань, яка складає 150 вимірювань просвітів на кілометр у поздовжньому напрямку та 300 вимірювань на кілометр у поперечному напрямку.

Для визначення необхідного кроку вимірювань на 5 дослідних ділянках були проведені вимірювання поздовжніх профілів для розрахунку IRI з різним кроком. Оцінка отриманих профілів виконувалася за допомогою ЕОМ. Результати експерименту наведені на рис. 10.

Аналізуючи наведені залежності, можна зробити висновок, що оптимальним є крок вимірювань 0,25 – 0,3м. Такий крок вимірювань забезпечує необхідну довірчу ймовірність на рівні 0,95.

Рис. 10. Залежності значень IRI від кроку вимірювань.

Для встановлення зв’язку між показниками рівності за поштовхоміром та за IRI, був проведений експеримент, який полягав у визначенні цих показників на одних і тих же ділянках. Довжина ділянок під час випробувань складала 100 м (рис. ).

Рис. 11. Результати вимірювання рівності за допомогою поштовхоміру та за IRI.

Визначення зв’язку між наведеними даними полягало у розрахунку коефіцієнта кореляції, що склав 0,984. Це свідчить про наявність прямого зв’язку між показниками рівності. Похибка коефіцієнта кореляції складає 0,0337.

Для підтвердження залежності, отриманої шляхом моделювання на ЕОМ (рис. 9), був проведений ряд експериментальних досліджень, які полягали у вимірюванні рівності поверхні проїзної частини дослідних ділянок і розрахунку IRI для усього можливого спектру маневрів.

Отримання розрахункового профілю для конкретного маневру проводилось таким же шляхом, як і при виконанні машинного експерименту, тобто на отриману модель поверхні (рис. 12) накладалися можливі траєкторії руху автомобілів, через які проводилися перетини та знаходилися розрахункові профілі. Оцінка отриманих профілів виконувалася за допомогою ЕОМ.

Рис. 12. Графік рівності поверхні автомобільної дороги Харків – Вовчанськ на ділянці км 15+000 – км 15+100, складений за результатами вимірювань 3-х метровою рейкою.

За результатами визначення профілів для різних типів маневрів на дослідних ділянках були розраховані значення рівності за IRI. Отримані на фактичних профілях дані ідентичні даним числового експерименту на ЕОМ. На рис. 13 фактичні дані є середніми значеннями за результатами вимірювань на 4 дослідних ділянках доріг І – ІV категорій.

Різниця у фактичних і теоретичних значеннях (рис. 13) обумовлена тим, що у моделі поверхні не враховувалися дрібні дефекти покриття проїзної частини.

Теоретичні та фактичні залежності рівності для різних кутів виконання маневрів носять ідентичний характер. Для встановлення адекватності теоретичної моделі рівності під час виконання маневрів розраховано експериментальне значення критерію Фішера, яке складає 1,02.

Рис. 13. Теоретичні і фактичні дані рівності для маневру “зміна смуги руху”, який виконується під кутом 10°.

Для встановлення адекватності теоретичної моделі рівності під час виконання маневрів розраховано експериментальне значення критерію Фішера, яке складає 1,02. Оскільки експериментальне значення критерію Фішера менше теоретичного значення Kфэ = 1,02 Kфт = 1,80, то модель адекватна, тобто отримана математична модель описує процес, що вивчається, з довірчою ймовірністю 95 %.

Експериментальні дослідження зчіпних властивостей полягали у визначенні необхідної кількості вимірювань для оцінки зчіпних властивостей всієї поверхні покриття, та у вивченні закономірностей утворення шару води від глибини нерівностей (рис. 14).

Рис. 14. Зміна глибини шару води в залежності від глибини нерівностей на покритті.

Аналізуючи результати досліджень можна зробити висновок, що нерівності створюють значну небезпеку при зволоженні покриття, оскільки шар води на поверхні покриття може істотно зменшувати значення коефіцієнта зчеплення.

Використання отриманих залежностей для аналізу графіків рівності поверхні проїзної частини (рис. 12) дозволяє встановити зони істотного зменшення коефіцієнта зчеплення при зволоженні покриття.

В четвертому розділі на основі проведених досліджень розроблені рекомендації з оцінки покриттів за рівністю та зчіпними якостями.

Рекомендації щодо оцінки рівності проїзної частини включають в себе: методики проведення вимірювань рівності поверхні проїзної частини за допомогою стандартних приладів, а також розробленого електронного профілометру ЕПХ-ХНАДУ-1; методику обробки отриманих даних та шкалу для оцінки стану покриття за рівністю. Методика вимірювання рівності з застосуванням стандартних приладів відрізняється від методики, наведеної в нормативних документах, схемою виконання випробувань, яка дозволяє оцінити рівність всієї поверхні покриття.

Також розроблена спрощена методика оцінки рівності покриттів, яка дозволяє оцінити рівність всієї поверхні покриття без застосування моделювання.

Рекомендації щодо оцінки зчіпних якостей покриттів включають в себе оцінку за 4 критеріями: коефіцієнтом зчеплення колеса автомобіля з покриттям, різницею між максимальною і мінімальною величиною коефіцієнта зчеплення колеса автомобіля з покриттям по ширині проїзної частини, шорсткістю поверхні покриття та рівністю покриття.

Економічний ефект від використання розроблених рекомендацій складає 49,4 тис. грн./рік, на кожен кілометр дороги та досягається за рахунок зниження кількості дорожньо-транспортних пригод на ділянці відремонтованої автомобільної дороги (ефект розрахований для аварійно-небезпечної ділянки автомобільної дороги Харків-Вовчанськ на ділянці км 15 – км 18).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Запропоновано принципово новий метод оцінки транспортно-експлуатаційного стану покриття за критеріями рівності та зчіпних якостей, який полягає у диференціації впливу нерівностей покриття на коливання підвіски автомобіля при різних режимах руху, врахуванні взаємодії та неоднорідності розподілу по ширині проїзної частини показників рівності і зчіпних якостей. На основі запропонованого методу розроблено методику призначення ремонтів покриттів.

2. Розроблено нову оцінку рівності всієї поверхні покриття проїзної частини автомобільної дороги з урахуванням основних можливих траєкторій руху. Ця оцінка полягає у вимірюванні геометричних характеристик поверхні і оцінки її рівності шляхом моделювання проїзду автомобіля по різних траєкторіях. В основу розробленої оцінки поверхні покриттів за зчіпними якостями покладено принцип їх визначення в найхарактерніших місцях по ширині проїзної частини. Вперше як один з критеріїв оцінки зчіпних якостей використовується рівність поверхні покриттів.

3. За результатами числового експерименту на ЕОМ встановлені закономірності впливу дорожнього покриття на автомобіль залежно від глибини нерівностей на покритті і кута виконання маневру. При куті виконання маневру 5° дія на автомобіль за шкалою IRI може змінюватися від 1,5 м/км (безпечна швидкість більше 100 км/год) при колії глибиною до 3 мм, до 7,5 м/км (безпечна швидкість 70 км/год) при колії глибиною 50 мм.

4. Експериментальні дослідження рівності на 5 дослідних ділянках доріг різних категорій дозволили визначити оптимальну кількість вимірювань для характеристики рівності поверхні, яка складає 150 вимірювань просвітів під 3-х метровою рейкою або вимірювань перевищень в подовжньому напрямі і 300 вимірювань в поперечному напрямі на 1 км. Також встановлено, що при значенні довірчої ймовірності 0,95 значення рівності, що отримані шляхом моделювання, адекватні експериментально отриманим за допомогою розробленого приладу ЕПХ-ХНАДУ-1. На прилад ЕПХ-ХНАДУ-1 отриманий декларативний патент України № , МКИ Е01С23/07.

5. Результати експериментальних досліджень зчіпних якостей покриттів показали, що розроблені схеми, в яких по ширині смуги руху проводиться 5 вимірювань, є оптимальними. Експериментальні дослідження глибини шару води дозволили вперше виконати нормування значень рівності виходячи із зміни зчіпних властивостей покриттів при зволоженні та їх впливу на безпеку руху. Визначені наступні максимальні значення нерівностей: для I категорії – 5 мм, для II – 7 мм, III – 7 мм, IV – 10 мм. Нормовані значення гранично допустимих мінімальних глибин западин шорсткості, які складають: ІІ дорожньо-кліматична зона – 0,45–0,40 для легких умов руху (в залежності від категорії); 0,55–0,5 для небезпечних умов руху; ІІІ – IV дорожньо-кліматична зона – 0,40–0,35 для легких умов руху, 0,5–0,45 для небезпечних умов руху.

6. Розроблені та введені в дію наступні нормативні документи: Р.В.2.3-218-02071168-385-2004 “Рекомендації щодо оцінки рівності дорожніх покриттів у відповідності з міжнародним індексом рівності IRI”, і Р.В.2.3-218-02071168-386-2004 “Рекомендації щодо оцінки зчіпних якостей дорожніх покриттів з урахуванням неоднорідності по площі проїзної частини”.

7. Очікуваний економічний ефект від впровадження розроблених рекомендацій складає 49,4 тис. грн/рік на 1 км і досягається в результаті зниження кількості ДТП при своєчасно виконаних ремонтних роботах а також за рахунок зменшення собівартості перевезень в результаті підвищення швидкості руху.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

а) фахові видання за переліком ВАК України

1. Смолянюк Р.В., Стороженко М.С., Кияшко И.В. Оценка потребительских свойств дорожных покрытий с учетом неоднородности ровности и сцепных качеств // Сб. науч. трудов. Вестник ХНАДУ. – Харьков, 2002. – Вып. 19. – С. 189 – 191.

Особистий внесок – аналіз неоднорідності рівності та зчіпних властивостей по поверхні проїзної частини та вплив цих чинників на умови та безпеку руху автомобілів.

2. Смолянюк Р.В. Учет неровности покрытий при анализе прочности дорожной одежды // Зб. наук. праць „Автомобільні дороги і дорожнє будівництво”. – Київ: НТУ, 2001. – Вип. 63. – С. 73 – 76.

3. Смолянюк Р.В., Стороженко М.С., Кияшко И.В. Совершенствование методов оценки показателей ровности и сцепных качеств дорожных покрытий // Автошляховик України. – 2003. - №5. – С. 33 – 36.

Особистий внесок – аналіз вітчизняних та закордонних методів оцінки рівності автомобільних доріг, виконання оцінки рівності дослідних ділянок за допомогою Міжнародного Індексу Рівності IRI та засобами статистики.

4. Смолянюк Р.В., Стороженко М.С. Забезпечення однорідності рівності та зчіпних якостей по поверхні експлуатуємих покриттів // Зб. наук. праць „Автомобільні дороги і дорожнє будівництво”. – Київ: НТУ, 2004. – Вип. 70. – С. 31 – 36.

Особистий внесок – експериментальне дослідження зчіпних властивостей покриттів, що експлуатуються та покриттів, на котрих виконане фрезерування. Аналіз отриманих результатів з точки зору безпеки руху.

5. Смолянюк Р.В., Стороженко М.С., Кияшко И.В. Изменение подходов к оценке ровности автомобильных дорог // Автошляховик України. – 2004. - №5. – С. 41 – 44.

Особистий внесок – аналіз недоліків існуючих методів оцінки рівності та розробка нових методів, виконання експериментальних досліджень та обробка отриманих результатів.

6. Смолянюк Р.В., Стороженко М.С., Кіяшко І.В. Вплив рівності поверхні проїжджої частини на умови виконання маневрів автомобілями // Зб. наук. праць „Автомобільні дороги і дорожнє будівництво”. – Київ: НТУ, 2004. – Вип. 72. – С. 61 – 65.

Особистий внесок – виконання експериментальних досліджень та математичного моделювання, аналіз отриманих даних, побудова залежностей.

б) інші публікації

7. Смолянюк Р.В. Комплексная оценка потребительских свойств автомобильных дорог // Материалы международной научной конференции “Опыт и проблемы современного развития дорожного комплекса Украины”. – Харьков: ХНАДУ, 2002. – С. 106 – 107.

8. Smolianyk R. V., Velichko G.V., Krupa N. V., Filippov V. V. Estimation and attainment road evenness // ІХ International Conference Durable and save road pavements. – Kielce, 6–7 may, 2003. – Р. 583 – 592.

Особистий внесок – аналіз чинників, що впливають на формування рівності автомобільних доріг,

9. Смолянюк Р.В., Стороженко М.С. Нетрадиционные методы оценки ровности и сцепных качеств эксплуатируемых дорог // Материалы международной научной конференции “Транспорт, екология – устойчиво развитие”. – Варна: 2003. – Т.10. – С. 313 – 320.

Особистий внесок – аналіз літературних джерел, планування та виконання експерименту, обробка і аналіз отриманих даних.

10. Смолянюк Р.В., Новаковский Д.Н. Совершенствование метода измерения сцепных качеств дорожных покрытий // Сб. тез. докл. II Международного студенческого форума “Образование, наука, производство”. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004. – Ч.5. – С. 53.

Особистий внесок – аналіз існуючих методів вимірювань, розробка нового методу.

11. Стороженко М.С., Смолянюк Р.В. Обеспечение однородности ровности и сцепных качеств по поверхности эксплуатируемых покрытий // Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції, яка присвячена 60-річчю Національного транспортного університету “Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожньо-будівельного комплексу України”. – Київ: НТУ, 30 вересня – 1 жовтня 2004 р. – С. .

12. Смолянюк Р.В. Комплексная оценка потребительских свойств автомобильных дорогМатеріали наукового семінару молодих вчених та аспірантів “Сучасні технології та матеріали для будівництва й експлуатації автомобільних доріг”. – Харків: ХНАДУ, 2004. – С. 55 – 56.

АНОТАЦІЯ

Смолянюк Р.В. Оцінка експлуатаційного стану дорожніх покриттів на основі вдосконалення методів вимірювання рівності та зчіпних якостей. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11 – Автомобільні шляхи та аеродроми. Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2005.

Дисертація спрямована на вирішення проблеми оцінки якості покриттів за рівністю та зчіпними властивостями. В роботі вдосконалені методи оцінки рівності та зчіпних властивостей покриттів для врахування всієї поверхні покриття.

Експериментальними та теоретичними шляхами встановлені закономірності впливу нерівностей на автомобіль під час виконання маневрів. Вперше запропонована оцінка якості дорожнього покриття з урахуванням основних режимів руху, яка полягає у визначенні впливу на автомобіль поверхні дорожнього покриття під час виконання маневрів. Розроблена оцінка якості покриттів за зчіпними властивостями з урахуванням їх неоднорідності по поверхні покриття та відповідна методика, котра включає 4 критерії: коефіцієнт зчеплення колеса автомобіля з покриттям, різниця між максимальною і мінімальною величиною коефіцієнта зчеплення колеса автомобіля з покриттям по ширині проїзної частини, шорсткість поверхні покриття, рівність поверхні покриття.

За результатами досліджень розроблені “Рекомендації щодо оцінки рівності дорожніх покриттів у відповідності з міжнародним індексом рівності IRI”, та “Рекомендації щодо оцінки зчіпних якостей дорожніх покриттів з урахуванням неоднорідності по площі проїзної частини”, втілення котрих дозволяє підвищити якість оцінки експлуатаційних показників покриттів для своєчасного виконання ремонтних робіт.

Ключові слова: автомобільна дорога, рівність, зчіпні властивості, маневр, профіль.

SUMMARY

Smolyanuk R.V. Pavement operating condition estimation based on the improved measuring methods of flatness and bond properties. – Manuscript.

Dissertation for Ph.D. degree by speciality 05.22.11 – Highways and aerodromes, Kharkov National Automobile & Highway University, Kharkov, 2005.

Dissertation aims at solving the problem of pavement quality estimation based on its flatness and bond properties. Methods for determining pavement flatness and bond properties including total pavement surface were improved in the given work.

According to the experimental and theoretical researches the conformities of influence of a road roughness on an automobile during a maneuvering process were established. For the first time pavement quality estimation is carried out taking into account basic traffic modes and consists of defining the influence of pavement surface on an automobile during a maneuvering process. Pavement quality estimation according to the bond properties including their heterogeneity along a pavement surface and also corresponding technique, which consists of 4 criteria, namely factor of a road grip of a tyre, difference between the maximal and minimal value of a factor of a road grip of a tyre along the width of a travel part, pavement roughness, pavement flatness were developed.

Result from the researches are the "Recommendations concerning pavement flatness estimation according to the international index of a flatness ІRІ " and "Recommendations concerning pavement bond properties estimation in view of heterogeneity on the area of a travel part". Implementation of the recommendations, in question, enables increasing the estimation quality of pavement’s operational parameters for carrying out the repair work in proper time.

Key words: highway, flatness, bond properties, maneuvers, profile (section).

АННОТАЦИЯ

Смолянюк Р.В. Оценка эксплуатационного состояния дорожных покрытий на основе совершенствования методов измерения ровности и сцепных качеств. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11 – Автомобильные дороги и аэродромы. Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2005.

Диссертация направлена на решение научной и практической задачи оценки ровности и сцепных свойств покрытия по всей поверхности. Анализ отечественных и зарубежных литературных источников, а также нормативных документов показал, что оценка ровности покрытия и его сцепных свойств базируется на устаревших принципах, заключающихся в оценке этих показателей по полосам наката. Такая оценка не является достаточной, поскольку автомобили совершают различные маневры и переходят из полос наката в те зоны, где оценка покрытия не выполняется. По сведениям статистики в 90 % случаев для предотвращения ДТП водители используют маневры, поэтому оценка условий движения во время выполнения маневра является актуальной задачей.

Для изучения влияния ровности поверхности проезжей части на условия движения автомобиля во время выполнения маневра, выполнено моделирование на ЭВМ и экспериментальные исследования. Моделирование на ЭВМ заключалось в имитации различных маневров на условной поверхности проезжей части с нанесенными колеями различной глубины, созданной средствами MathLab7.0. Моделирование осуществлялось при помощи программы “RoadRuf”, используемой в проектах Мирового банка для оценки ровности покрытий.

Экспериментальные исследования заключались в измерении ровности всей поверхности проезжей части при помощи различных приборов, в том числе и разработанным прибором ЕПХ-ХНАДУ-1, а также в оценке сцепных качеств при помощи приборов ППК-МАДИ-ВНИИБД, песчаного пятна.

В работе на основе полученных закономерностей впервые разработана методика оценки ровности дорожного покрытия с учетом