УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ
DEVICE FOR MEASURING STRENGTH OF ROAD TOPPINGS BY DYNAMIC LOADING METHOD

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для измерения прочности дорожных одежд методом динамического нагружения.
Известно устройство для измерения прочности УДН-нк. Устройство смонтировано на грузовом автомобиле. Оно состоит из двускатного пневматического колеса, балласта, механизмов подъема-сброса, датчика ускорения и регистрирующей аппаратуры. Для измерения прочности дорожной одежды автомобиль со смонтированным на задней стенке кузова устройством останавливается в заданном месте, при помощи механизма подъема двускатное пневматическое колесо вместе с балластом поднимается на заданную высоту, после чего сбрасывается на покрытие. Предварительно на покрытие устанавливается датчик ускорения, измеряющий ускорения, возникающие при динамическом воздействии на дорожную одежду подающего колеса совместно с балластом. Регистрирующая аппаратура фиксирует эти ускорения и по их величине рассчитывается прогиб дорожной одежды, характеризующий ее прочность [1].
Недостатком устройства является то, что оно является очень тяжелым и громоздким. На современных мощных дорожных одеждах для создания необходимой величины прогиба нужно применять очень тяжелый балласт. Параметры динамического импульса, воздействующего на покрытие, гистерезисные потери в резине деформируемых при ударе пневматических шин зависят от внутреннего давления воздуха в шинах и от температуры. Конструкция устройства не позволяет учесть влияние этих параметров на величину и продолжительность динамического импульса, что снижает точность получаемых результатов. Конструкция устройства не позволяет измерить силу динамического воздействия, которая в зависимости от перечисленных выше параметров, характеризующих падающее колесо, и упругих свойств дорожной одежды может меняться в широких пределах, что снижает точность вычисляемых значений модуля упругости.
Известно устройство для измерения прочности дорожной одежды методом динамического нагружения УДК-3. Устройство монтируется на задней стенке автомобиля малой грузоподъемности, оборудованного системой подготовки сжатого воздуха и ресивером. Оно состоит из рамы, механизма, перемещающегося в вертикальной плоскости относительно рамы, который включает в себя падающий груз, имеющий свободу перемещения в вертикальном направлении, устройство его подъема и сброса, демпфирующий элемент, выполненный в виде рессоры, формирующий параметры динамического импульса, штамп, передающий динамическое воздействие на покрытие, датчик ускорения, и устройства, опускающего механизм из транспортного положения в рабочее и прижимающего штамп к покрытию с необходимым усилием, а после проведения замера поднимающего механизм в транспортное положение [2].
Недостатком устройства является то, что оно укомплектовано грузом небольшой массы (40 кг), что не позволяет создать на дорожную одежду динамическое усилие более пяти тонн. Увеличить массу падающего груза не представляется возможным, поскольку устройство входит в состав комплексного оборудования дорожной лаборатории, смонтированной на автомобиле небольшой грузоподъемности. Кроме того, консольное размещение установки создает момент относительно задних колес автомобиля, разгружающий передние его колеса, что при увеличении веса установки отрицательно сказывается на управляемости автомобиля. Поскольку современные грузовые автомобили имеют в ряде случаев колесные нагрузки, существенно превышающие 5 тонн, для адекватной оценки дорожных одежд необходимо создавать нагрузку не ниже фактически воздействующей на дорожную одежду. Другим недостатком устройства является тот, что его конструкция не позволяет быстро менять параметры динамического воздействия - его время и форму эпюры динамического импульса, что бывает необходимо для решения ряда научно-исследовательских задач, например, связанных с определением модулей упругости на границе слоев, составляющих дорожную одежду. Также рассматриваемое устройство не дает возможности зафиксировать усилие, воздействующее на покрытие при динамическом нагружении, что снижает точность рассчитываемых модулей из-за влияния на величину динамического воздействия упругопластичных свойств оцениваемой дорожной одежды.
Технической задачей заявленного изобретения являются увеличение силы динамического воздействия на дорожную одежду с возможностью изменения параметров, характеризующих динамическое воздействие, при одновременном повышении точности получаемых результатов и сохранении габаритов устройства, позволяющих выполнить его навесным на автомобиле небольшой грузоподъемности.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что устройство для измерения прочности дорожных одежд, содержащее установленные на автомобиль ресивер со сжатым воздухом, раму с закрепленным на ней механизмом динамического нагружения, в состав которого входят падающий груз, перемещающийся в вертикальном направлении, демпфирующий элемент и контактирующий с дорожным покрытием при динамическом нагружении штамп с датчиком ускорения, а также устройство перевода механизма динамического нагружения из транспортного положения в рабочее и обратно, согласно изобретению дополнительно снабжено ресивером нагружения, пневмоцилиндром нагружения, а падающий груз выполнен в виде поршня, перемещающегося в вертикально ориентированном пневмоцилиндре нагружения, верхняя полость которого соединена с ресивером давления, имеющим заданное избыточное давление, а нижняя полость снабжена электрокраном быстрого сброса давления и подключена через электрокран к центральному ресиверу, при этом в нижней полости пневмоцилиндра нагружения размещена пята, соединенная со штоком, свободно перемещающимся в нижней крышке пневмоцилиндра нагружения, конец штока соединен с демпфирующим элементом, который выполнен в виде вертикально установленного пневмоцилиндра давления, верхняя полость которого сообщается с атмосферой, а нижняя - с ресивером давления, имеющим датчик давления и подключенным через электрокран к центральному ресиверу, причем нижняя крышка пневмоцилиндра давления соединена со штампом.
Кроме того, на решение поставленной технической задачи направлено то, что устройство снабжено динамометрическим датчиком, вертикально установленным между нижней крышкой пневмоцилиндра давления и штампом.
Решение поставленной технической задачи становится возможным благодаря тому, что в устройстве падающий груз выполнен в виде поршня пневмоцилиндра нагружения, верхняя полость которого сообщена с ресивером нагружения, который обеспечивает в ней заданное давление, необходимое для создания на поршень направленного вниз усилия. Поскольку нижняя полость пневмоцилиндра нагружения оснащена электрокраном быстрого сброса давления, то при его срабатывании падающий груз разгоняется не только под действием собственного веса, но и под воздействием избыточного давления в верхней полости пневмоцилиндра нагружения. За счет высокой скорости перемещения падающего груза при соударении достигаются значительные усилия на штоке пневмоцилиндра нагружения, которые передаются на штамп и дорожную одежду через демпфирующий элемент. Последний представляет собой пневмоцилиндр давления, корпус которого через динамометрический датчик связан со штампом, а шток верхней своей частью свободно перемещается в нижней полости пневмоцилиндра нагружения, а нижним концом связан с поршнем пневмоцилиндра давления, который за счет давления в нижней полости амортизирует ударную нагрузку и окончательно формирует заданные параметры динамического импульса. То есть, при резком сбросе давления из нижней полости пневмоцилиндра нагружения за счет давления в верхней его полости скорость падения груза значительно возрастает, что повышает энергию динамического воздействия.
Таким образом, не увеличивая массу груза и габариты устройства создается возможность получить значительное динамическое воздействие на дорожную одежду, а следовательно, есть возможность выполнить устройство навесным и устанавливать его на автомобилях небольшой грузоподъемности. Изменением давления в пневмоцилиндре давления создается возможность в широких пределах менять параметры динамического воздействия на дорожную одежду. Введение между демпфирующим элементом и штампом динамометрического датчика дает возможность параметры воздействующего на дорожную одежду динамического импульса, зависящие не только от характеристик движения падающего груза при соударении, но и от упругих свойств испытуемой дорожной одежды, определять с повышенной точностью.
Конструкция устройства поясняется чертежом, на котором изображена его схема.
Устройство включает в себя установленные на автомобиль, оборудованный системой подготовки сжатого воздуха (на чертеже не показана), центральный ресивер 1 со сжатым воздухом, раму 2, на которой закреплен со свободой вертикальных перемещений относительно рамы 2 механизм динамического нагружения, имеющий вертикально установленный пневмоцидиндр 3 нагружения, поршень 4 которого, снабженный уплотнительными кольцами 5, играет роль падающего груза, перемещающегося по вертикали. Верхняя полость 6 пневмоцилиндра 3 нагружения трубопроводом 7 соединена с ресивером 8 нагружения, который оборудован датчиком 9 давления.
Ресивер 8 нагружения при помощи трубопровода 10 через электрокран 11 соединен с центральным ресивером 1. В нижней герметичной полости 12 пневмоцилиндра 3 нагружения размещена пята 13, воспринимающая удар поршня 4 при его падении. Пята 13 соединена со штоком 14, имеющим свободу вертикальных перемещений в нижней крышке 15 пневмоцилиндра 3 нагружения. При этом конец штока 14 соединен с демпфирующим элементом (на чертеже не обозначен). Нижняя полость 12 пневмоцилиндра 3 нагружения оборудована электрокраном 16 быстрого сброса давления, а также трубопроводом 17 и электрокраном 18, через которые соединяется с центральным ресивером 1.
Демпфирующий элемент, воспринимающий динамическое воздействие поршня 4 и формирующий параметры динамического импульса, включает в себя установленный вертикально пневмоцилиндр 19 давления, выполняющий функцию амортизирующего элемента. Его шток 20 в верхней своей части соединен со штоком 14, размещенным в нижней крышке 15 пневмоцилиндра 3 нагружения, а в нижней части шток 20 соединен с поршнем 21. Причем верхняя полость 22 пневмоцилиндра 19 давления сообщена с атмосферой, а нижняя полость 23 - трубопроводом 24 с ресивером 25 давления. Ресивер 25 давления для поддержания заданного давления оборудован датчиком 26 давления и подключен к центральному ресиверу 1 трубопроводом 27 через электрокран 28. Нижняя крышка 29 пневмоцилиндра 19 давления соосно соединена со штампом 30 через вертикально установленный динамометрический датчик 31, измеряющий и передающий воздействующее усилие на штамп 30. Последний оборудован датчиком 32 ускорения, фиксирующим прогиб дорожной одежды. Установка управляется контроллером (на чертеже не показан).
Работа устройства осуществляется следующим образом. Автомобиль, оборудованный устройством для определения прочности дорожных одежд методом динамического нагружения, останавливается в месте, где необходимо выполнить измерение. При этом в центральный ресивер 1 закачивается требуемое избыточное давление в пределах 7-8 атм. Избыточное давление из ресивера 1 через электрокран 11 по трубопроводу 7 подается в ресивер 8 нагружения, где контролируется датчиком 9 давления. Обычно в ресивере 8 нагружения устанавливается давление в пределах от 0 до 7 атм. Одновременно из центрального ресивера 1 по трубопроводу 27 через электрокран 28 требуемое избыточное давление устанавливается в ресивере 25 давления, который трубопроводом 24 соединяется с нижней полостью 23 пневмоцилиндра 19 давления. После этого устройство опускается из транспортного положения в рабочее и его штамп 30 с необходимым усилием (система спуска-подъема и нагружения штампа на чертеже не показана) прижимается к дорожному покрытию.
Затем электрокран 18 открывается, и по трубопроводу 17 избыточное давление из центрального ресивера 1 поступает в нижнюю полость 12 пневмоцилиндра 3 нагружения. При этом давление в ресивере 8 нагружения и в соединенной с ним трубопроводом 7 верхней полости 6 пневмоцилиндра 3 нагружения должно быть меньше давления в центральном ресивере 1, с которым соединена нижняя полость 12 пневмоцилиндра 3 нагружения. Под действием разности давления в нижней и верхней полостях 12 и 6 пневмоцилиндра 3 поршень 4, выполняющий роль падающего груза, поднимается вверх и при достижении заданной высоты, фиксируемой, например, датчиком Холла (на схеме не показан), открывается электрокран 16 быстрого сброса давления, а электрокран 18 подачи воздуха в нижнюю полость 12 пневмоцилиндра 3 нагружения закрывается. Поршень 4 под действием заданного избыточного давления в верхней полости 6 пневмоцилиндра 3 нагружения, соединенной трубопроводом 7 с ресивером 8 нагружения, и под собственным весом набирает требуемую скорость и ударяется о пяту 13, которая передает нагрузку через штоки 14 и 20 на поршень 21 пневмоцилиндра 19 давления. Поршень 21 перемещается вниз, и давление в нижней полости 23 пневмоцилиндра 19 давления создает вертикальную силу, воздействующую через динамометрический датчик 31 на штамп 30. Под действием этой силы дорожная одежда испытывает упругий прогиб, который рассчитывается компьютером путем двойного интегрирования по ускорению, фиксируемому датчиком 32 ускорения.
Параметры создаваемого на дорожную одежду динамического воздействия могут регулироваться в широких пределах диаметром применяемого пневмоцилиндра 3 нагружения, высотой падения и массой поршня 4, играющего роль падающего груза, а также величиной избыточного давления в ресивере 8 нагружения, диаметром пневмоцилиндра 19 давления, величиной избыточного давления в ресивере 25 давления и его объемом. Поставленная техническая задача решается за счет того, что в верхней полости 6 пневмоцилиндра 3 нагружения создается избыточное давление, значительно увеличивающее скорость падения поршня, играющего роль груза, что позволяет существенно увеличить динамическое воздействие при той же массе груза.
Конструкция механизма динамического нагружения позволяет в установках для измерения прочности дорожных одежд грузом малой массы создавать динамическое воздействие большой величины, что дает возможность выполнять установки легкими, навесными. Конструкция устройства позволяет без каких-либо конструктивных изменений, варьируя лишь давление воздуха в ресиверах 8 и 25, в зависимости от решаемой задачи, в широких пределах менять характеристики динамического воздействия. Движение поршня 4, играющего роль падающего груза, происходит в герметичном пневмоцилиндре 3 без значительных потерь на трение, что делает динамическое воздействие стабильным, поскольку отсутствует возможность увлажнения и загрязнения плоскостей скольжения.
Выполнение демпфирующего элемента в виде пневмоцилиндра 19, давление воздуха в нижней полости 23 которого можно изменять, позволяет в зависимости от решаемой задачи в широких пределах менять характеристики динамического воздействия. Изменением диаметра пневмоцилиндра 19, объемов нижней полости 23 и ресивера 25, пропускной способности трубопровода 24 можно в широких пределах менять и величину динамического воздействия на штамп 30, и закон его изменения во времени. Так, уменьшение объема ресивера 25 ускорит рост вертикальной силы давления на штамп 30, а после достижения его максимума при обратном ходе вверх поршня 4 пневмоцилиндра 19 давления - ускорит темп снижения этой силы. При объеме ресивера 25, многократно превышающем объем нижней полости 23 пневмоцилиндра 19 давления, движение поршня 21 пневмоцилиндра 19 давления вниз не будет сопровождаться существенным ростом давления в его нижней полости 23, при этом сила давления на штамп 30 будет изменяться незначительно. Для достижения постоянной силы давления на штамп в ресивер 25 давления может быть введен редукционный клапан, сбрасывающий избыточное давление в атмосферу.
Выполнение демпфирующего элемента в виде пневмоцилиндра 19 давления позволяет в зависимости от соотношения объема ресивера 25 и нижней полости 23 пневмоцилиндра 19, а также в зависимости от предварительно установленного в ресивере 25 давления в широких пределах изменять продолжительность динамического воздействия и характер его изменения во времени.
Размещением динамометрического датчика 31 между демпфирующим элементом и штампом 30 за счет фиксации фактически действующих усилий на штамп 30 достигается существенное повышение точности расчета модулей упругости. Введение в устройство динамометрического датчика, измеряющего величину динамического воздействия, позволяет определить параметры динамического импульса, что дает возможность по величине зафиксированного усилия и прогиба дорожной одежды независимо от упругих свойств испытуемой дорожной одежды точно рассчитать модуль упругости конструкции.
Таким образом, изобретение позволяет увеличить силу динамического воздействия на дорожную одежду, дает возможность изменять параметры, характеризующие динамическое воздействие, повышает точность получаемых результатов при сохранении габаритов устройства, позволяющих выполнить его навесным на автомобиле небольшой грузоподъемности.
Источники информации
1. В.В. Сильянов, Э.Р. Домке. Транспортно-эксплуатационные качества автомобильных дорог и городских улиц. Ученик, Москва: Академия, 2008 г., стр. 75.
2. Мордвин С.С. Совершенствование метода определения прочности нежестких дорожных одежд динамическим нагружением. Автореферат диссертации, Москва, МАДИ, 2011 г. (см. www.zazdoc.ru) - прототип.