ПРИЦЕПНОЙ ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

Полезная модель относится дорожному строительству, точнее, к устройствам для оперативного измерения сцепных свойств, в том числе, коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным или аэродромным покрытием.
Выбор способов и устройств для измерения сцепных качеств дорожных покрыти 0439 определяется целью измерений. Для антиблокировочных систем автомобилей, научных исследований свойств вновь разрабатываемых дорожных покрытий или материалов шин, этот выбор почти ничем не ограничен, и все они обладают определенными достоинствами. Так, известен ряд разнообразных технических решений, основанных на прижатии в момент измерения предварительно раскрученного измерительного колеса к исследуемой поверхности [см., например, RU 1236043, RU 1604881, US 6681614]. Но для оценки качества дорожно-строительных работ или определения состояния дорожной поверхности способ и устройство, его осуществляющее, должны быть едиными для всей страны. Нет необходимости и расточительно допустить существование нескольких способов и устройств, и потом вводить методики пересчета для приведения к единообразию результатов измерений.
Поэтому в Российской Федерации единая методика и устройство для измерений установлены ГОСТ 30413-96: «Дороги автомобильные. Метод определения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием». Стандарт требует использовать в качестве испытательного оборудования автомобильную установку типа ПКРС-2, состоящую из прицепного одноколесного прибора, оборудованного тормозом, устройством для увлажнения дорожного покрытия, датчиками горизонтального и вертикального усилий, а также средствами для передачи информации на автомобиль-тягач.
ГОСТ 30413-96 определяет коэффициент сцепления как «…отношение максимального касательного усилия, действующего вдоль дороги на площади контакта сблокированного измерительного колеса с дорожным покрытием, к нормальной реакции в площади контакта колеса с покрытием.» (Цитата из п. 3.1 ГОСТ 30413-96). Иными словами, измерительное колесо прицепного прибора типа ПКРС-2 в момент измерения должно быть заблокировано, то есть не вращаться.
Методику измерения согласно этому стандарту детализируют «Технические указаниям по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью» ВСН 38-90, утв. Минавтодором РСФСР 01.02.1989 г. / М.: Транспорт, 1990. Согласно этим указаниям, «Для измерения коэффициента сцепления следует … резко нажав педаль тормоза прицепа, затормозить колесо прибора [ПКРС-2У(КП-511)] до его полной блокировки, через 3-4 с провести растормаживание колеса прибора.» Коэффициент сцепления вычисляется по величине тягового усилия при заблокированном измерительном колесе. Указаний о том, как определять момент блокировки измерительного колеса ГОСТ 30413-96 и ВСН 38-90 не содержат.
Известно устройство для измерения сцепных свойств дорожных покрытий с устройством для определения момента блокировки измерительного колеса [SU 1493712]. Оно включает средства для регистрации измеряемых параметров, установленные в автомобиле, одно из снабженных тормозами колес которого является измерительным и соединено с электрогенератором, подключенным к электромагниту, установленному в рабочей зоне геркона с нормально замкнутым контактом. Геркон включен в цепь питания акселерометра, подключенного к регистрирующему прибору. При блокировке измерительного колеса генератор перестает питать электромагнит, магнитное поле которого уменьшается до нуля, вследствие чего контакт геркона возвращается в нормальное положение, то есть замыкается, и включает цепь питания ртутного акселерометра, сигнал с которого записывается средствами для регистрации измеряемых параметров. Момент включения питания акселерометра принимается за момент начала блокировки измерительного колеса.
Недостатком известного устройства является техническая сложность приспособления для фиксации момента блокировки измерительного колеса, установка которого на автомобиль, в частности, соединение генератора с колесом, требует значительного объема подготовительных работ. Точность фиксации момента блокировки невелика из-за того, что в момент остановки генератора переходные процессы в системе двух связанных индуктивных элементов, - генератора и электромагнита, носят колебательный характер, что приводит к дребезгу контакта геркона. Серьезным недостатком известного устройства является быстрый износ всех шин автомобиля, поскольку при блокировке измерительного колеса заодно могут быть заблокированы и колеса автомобиля.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является прицепной прибор ПКРС-2 для измерения сцепных свойств дорожных покрытий, содержащий измерительное колесо, тормоз, средства для передачи информации об измеряемых параметрах, выполненные в виде проводной линии, и устройство для определения момента начала блокирования и факта блокировки измерительного колеса, соединенное со средствами для передачи информации, выполненное в виде рычага, установленного на одной оси с измерительным колесом и соединенного одним концом с тормозным щитом, а другим, через шарниры и тягу - с концевым выключателем, размещенным на мотор-редукторе, подключенном к вычислительному лабораторному прибору [«Прибор контроля ровности и коэффициента сцепления ПКРС-2 РДТ. Руководство по эксплуатации РДТ 697.00.00.000 РЭ». ОАО «Саратовский научно-производственный центр «РОСДОРТЕХ»].
Из-за отсутствия четкой связи между поворотом тормозного диска и началом блокирования колеса, наличия зазоров в шарнирах и свободного хода концевого выключателя, известное устройство не позволяет определить момент начала блокирования с необходимой для измерений точностью. Хуже того, даже если концевой выключатель сработал, это не обязательно означает, что колесо блокировано.
Блокирование измерительного колеса, обладающего значительной энергией вращения, не происходит мгновенно, что создает возможность произвольного определения момента, в который блокировка произошла. На практике момент блокировки измерительного колеса оценивается оператором по рывку, испытываемому им при срабатывании тормозной системы и по измерительному сигналу коэффициента сцепления, отображенному на экране компьютера, что добавляет к техническим источникам погрешности человеческий фактор, обусловленный различиями навыков и реакций разных операторов.
Таким образом, известное устройство не гарантирует безотказного и стабильного определения ни момента начала блокирования, ни самого факта блокирования измерительного колеса. Поэтому значение продольного усилия, действующего на колесо, являющегося исходным для вычисления коэффициента сцепления, становится неопределенным. Связанные с этим погрешность измерения и воспроизводимость результатов таковы, что отдельные участки дороги с абсолютно идентичным по свойствам покрытием могут быть забракованы, либо, наоборот, приняты в эксплуатацию, будучи с браком. Экономические последствия таких ошибок очень велики.
Предложенная полезная модель направлена на решение задач гарантированной фиксации момента начала блокирования и факта блокировки измерительного колеса, а также упрощение устройства для этой фиксации. Техническими результатами, достигаемыми предложенной полезной моделью является повышение точности и воспроизводимости измерения коэффициента сцепления дорожного покрытия.
Указанные результаты достигаются тем, что в известном прицепном приборе для измерения сцепных свойств дорожных покрытий, содержащем измерительное колесо, тормоз, средства для передачи информации об измеряемых параметрах и устройство для определения момента начала блокирования и факта блокировки измерительного колеса, указанное устройство выполнено в виде соосно скрепленного с измерительным колесом сенсорного кольца автомобильной антиблокировочной системы и датчика антиблокировочной системы, подключенного к указанным средствам для передачи информации.
Кроме того, в качестве средств для передачи информации с датчика антиблокировочной системы в известном прицепном приборе использованы передающие устройства для широкополосной радиосвязи, предназначенной для организации локальных беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11.
Кроме того, в качестве средств для передачи информации с датчика антиблокировочной системы в известном прицепном приборе использованы передающие устройства для беспроводной передачи данных на базе стандарта Wireless USB.
Кроме того, в качестве средства для передачи сигналов с датчика антиблокировочной системы в известном прицепном приборе использована оптоволоконная связь.
Благодаря выполнению устройства для определения момента начала блокирования и факта блокировки измерительного колеса в виде соосно скрепленного с измерительным колесом сенсорного кольца автомобильной антиблокировочной системы и датчика антиблокировочной системы, подключенного к средствам для передачи информации, многократно повышается точность определения момента начала блокировки измерительного колеса и подтверждения факта блокирования, что, соответственно, повышает точность и воспроизводимость результатов измерения коэффициента сцепления.
Благодаря тому, что в устройстве для определения момента начала блокирования и факта блокировки измерительного колеса измерительного колеса использован в качестве источника сигнала о начале блокировки датчик автомобильной антиблокировочной системы, взаимодействующий с сенсорным кольцом автомобильной антиблокировочной системы, соосно скрепленным с измерительным колесом, упрощается по сравнению с прототипом конструкция этого устройства, повышается его надежность и точность.
Благодаря применению в качестве средств для передачи информации передающих устройств для широкополосной радиосвязи, либо передающих устройств для беспроводной передачи данных, либо оптоволоконной связи, повышаются точность и производительность измерений за счет снижения уровня помех в линии передачи данных от слаботочного источника сигнала, каковым является датчик антиблокировочной системы, сокращения количества бракованных измерений, вызванных плохим контактом в разъемных проводных соединениях.
Существо полезной модели поясняется чертежом фиг. 1, на котором схематически изображен предложенный прицепной прибор с указанием основных датчиков, необходимых для измерения коэффициента сцепления.
Предложенный прицепной прибор 1 (далее - прибор) для измерения сцепных свойств дорожных покрытий в рабочем состоянии сцеплен с автомобилем-буксировщиком 2, в салоне которого установлено вычислительное устройство 3 на основе персональной ЭВМ, включающее в себя средства для регистрации измеряемых параметров. Прибор 1 содержит измерительное колесо 4 с тормозом 5, динамометрический датчик 6 или динамометр, служащий для измерения горизонтального усилия, приложенного к измерительному колесу 4. Для того чтобы вертикальная нагрузка на измерительное колесо 4 была близка к той, что в реальном автомобиле, прибор утяжеляют грузами 7. Для определения момента начала блокирования и факта блокировки измерительного колеса 4 соосно с ним скреплено сенсорное кольцо 8 автомобильной антиблокировочной системы (далее - АБС). Кольцо 8 содержит расположенные по его окружности периодически чередующиеся участки, отличающиеся по своим магнитным свойствам. Например, кольцо 8 может быть выполнено из ферромагнитного материала зубчатым (как на чертеже), или с отверстиями, или с насечками, либо быть собрано из небольших магнитов, установленных так, чтобы полярности смежных магнитов были противоположными, то есть в виде многополюсного кольцевого магнита.
Напротив кольца 8, в непосредственной близости от него установлен датчик 9, сигнал с которого пропорционален величине и/или скорости изменения магнитного поля. Сенсорное кольцо 8 и датчик 9 - серийные, от АБС легковых автомобилей. Конкретное исполнение пары кольцо-датчик и принцип действия датчика (индукционный, датчик Виганда, датчик Холла) для достижения заявленного технического результата значения не имеет, поскольку вычислительные возможности современных персональных ЭВМ позволяют воспринимать и обрабатывать сигнал с датчиков АБС любой конструкции со скоростью многократно превышающую требуемую для измерения коэффициента сцепления. Уровень сигнала с датчика лежит в пределах единиц (до 5…6) вольт, что позволяет подключать его непосредственно ко входу персональной ЭВМ, минуя промежуточные усилители или делители в случае, если между датчиком 9, и вычислительным устройством 3 установлена проводная связь. Однако сигнал с датчика является слаботочным, что выдвигает особо жесткие требования к надежности связи.
Недостатком проводного соединения является низкая надежность передачи слаботочных сигналов. Поскольку прибор 1 может быть отцеплен от автомобиля 2, в проводной линии должен быть, по меньшей мере, один штепсельный разъем, причем установленный вне кузова автомобиля. Поскольку передаваемые сигналы слаботочные, малейший дефект в разъеме, находящемся под открытым небом, приводит к отказу. Кроме того, при измерениях прибор с автомобилем проходят под такими мощными источниками помех, как высоковольтные линии, которые своими наводками на проводную линию связи прибора с вычислительным устройством 3 искажают сигнал, делая измерения в местах их расположения очень недостоверными. Поскольку высоковольтные линии зачастую проходят не поперек, а параллельно дороге вблизи нее, протяженность участков дорог с недостоверными данными измерений может быть значительной.
Поэтому предпочтительным является исполнение прибора с беспроводной передачей данных с прицепа на вычислительное устройство, не подверженной воздействию помех от линий электропередач и не требующей разъемных соединений. Для этого на приборе 5 устанавливается многоканальное передающее устройство 10 для беспроводной передачи данных, к которому подключены все источники сигналов об измеряемых параметрах, в том числе и с датчиков 6 и 9. Сигнал с антенны 11 устройства 10 принимается антенной 12 приемного устройства, соединенного с вычислительным устройством 3, где преобразуется, обрабатывается и регистрируется.
Передающее устройство 10 может использовать стандарт IEEE 802.11 для организации локальных беспроводных сетей, либо стандарт Wireless USB. Эффективным является также использование оптоволоконной связи.
Для привязки момента блокирования измерительного колеса 4 к конкретному углу его поворота, периодичность расположения чередующихся участков сенсорного кольца 8, отличающихся по своим магнитным свойствам, может быть нарушена в одном или нескольких местах, например, посредством изъятия зуба или одного из магнитов, пропуска отверстия или насечки. В сочетании с надлежащим программным обеспечением такое решение позволяет выявлять систематические ошибки измерения, обусловленные неоднородностью свойств измерительного колеса по его окружности.
Предложенный прицепной прибор, в котором, в качестве примера, использован датчик 9 индукционного типа, а сенсорное кольцо 8 выполнено зубчатым из ферромагнитного материала, работает следующим образом. Автомобиль 2 с прибором 1 разгоняют до заданной условиями измерения скорости (по ГОСТ 30413-96 это (60±5) км/ч). Изменения магнитного поля, создаваемого магнитом, входящим в состав индукционного датчика 9, вызываемые прохождением мимо датчика зубцов 13 сенсорного кольца 8, наводят в обмотке датчика 9 всплески напряжения синусоидальной формы амплитудой до (5…6) В, передаваемые на вычислительный комплекс 3. Момент прекращения сигналов с датчика, означающий прекращение возмущения магнитного поля зубцами, считается моментом начала блокировки колеса.
Использование датчика Холла в качестве датчика 9 и выполнение сенсорного кольца 8 в виде многополюсного кольцевого магнита повышает точность определения момента начала блокировки, хотя и с индукционным датчиком она остается достаточной для целей измерений.
Перед измерением увлажняют поверхность измеряемого участка дорожного покрытия с помощью специального устройства, на чертеже не показанного, и резко затормаживают измерительное колесо 4 до полной блокировки. Вычислительный комплекс 2 обнаруживает прекращение поступления сигналов с датчика 9, возникающее, когда измерительное колесо 3 перестает вращаться, то есть блокируется, и в этот момент фиксирует величину горизонтального усилия, действующего на колесо 3, сигнал о котором поступает с датчика 6. Нормальная нагрузка колеса 4 прибора 1 на дорожное покрытие установлена заранее, в ходе калибровки, и может не измеряться. Так, для ПКРС-2У оно определено в процессе поверки и находится в пределах (3±0,03) кН.
Отношение горизонтального усилия, возникающего в площади контакта полностью заблокированного колеса и увлажненного покрытия, к вертикальной реакции колеса на дорожное покрытие принимается за коэффициент сцепления. Благодаря точной фиксации момента начала блокирования и подтверждению факта блокировки колеса, предложенное устройство обеспечивает высокую - не хуже ±2% воспроизводимость результатов измерения, проводимых на участке с однородным по свойствам покрытием. По сравнению с прототипом это снижает количество бракованных измерений на 27%, повышая тем самым настолько же производительность измерений.