Автоматизированное конструирование виражей безопасных конструкций на закруглениях автомобильных дорог

УДК 528.4

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ ВИРАЖЕЙ БЕЗОПАСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ЗАКРУГЛЕНИЯХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

В.И. Кузьмин, профессор, д.т.н., А.И. Левтеров, профессор, к. т.н.,

ХНАДУ

Аннотация. Для улучшения условий и повышения безопасности движения в предлагаемых конструкциях отгонов виражей на левоповоротных закруглениях полностью устранены участки с обратным уклоном, направленным в сторону от центра закругления.

Ключевые слова: виражи безопасных конструкций, автоматизированное конструирование.

Введение

Геометрические параметры автомобильных дорог играют такую же роль в определении их транспортно-эксплуатационных качеств, какую «костяк» играет в определении жизнеспособности живого организма. Строительство каждой автомобильной дороги начинается с сооружения именно этого «костяка». Если геометрические параметры дороги не отвечают действующим нормам и требованиям, то эти ее недостатки нельзя исправить самыми лучшими покрытиями полотна.

Анализ публикаций

В.Ф. Бабков и О. В. Андреев [1] подчеркивают, что дороги проектируют и строят таким образом, чтобы автомобили могли реализовать свои динамические качества при нормальном режиме работы двигателя, чтобы на поворотах, подъемах и спусках автомобилю не грозили занос или опрокидывание.

М.Н. Кудрявцев и В.Е. Каганович [4] отмечают, что при движении транспорта на закруглении с двускатным профилем проезжей части условия устойчивости для автомобилей, движущихся в разных направлениях, не одинаковы. Это вызывает стремление водителей автомобилей, движущихся по внешней полосе движения, съезжать на внутреннюю полосу, что может привести к аварии.

А.К. Бируля [3] указывает, что при движении автомобиля на участке отгона виража возникает перегрузка его внешних (по отношению к центру закругления) колес. Она усугубляется влиянием обратного поперечного уклона внешней полосы движения. Он отмечает также, что поперечная сила вызывает боковую деформацию шин и явление бокового увода колес. Водитель вынужден компенсировать боковой увод поворотом колес на угол 5 к направлению движения. Экспериментальные исследования показали, что при угле увода 5 > 1° износ шин увеличивается в 5 раз.

Известно, что наибольшее количество дорожно-транспортных происшествий приходится на транспортные развязки и закругления, поэтому геометрия этих участков дороги должна в максимальной степени отвечать требованиям безопасности и оптимальности условий движения.

Цель и постановка задачи

Цель статьи - познакомить специалистов в области проектирования автомобильных дорог с теоретическими и практическими разработками авторов по проблеме автоматизированного конструирования виражей новых («безопасных») конструкций на левопово-ротных закруглениях. Излагаются основные результаты.

Решение проблемы

В последнее время у нас и за рубежом [4 - 8] уделяется значительное внимание поиску конструкций так называемых безопасных отгонов виражей. Объясняется это тем, что на левоповоротных закруглениях с отгонами виражей традиционных конструкций автомобиль, движущийся по внешней полосе полотна дороги, начиная от начала закругления, на участке длиною [5]

АЬ =

Ьо

1 +

вир

I

испытывает на себе действие поперечной силы

л. т  V

Y =-+ т

Я

где Ьотг - длина отгона виража; I - поперечный уклон полотна дороги на вираже; 'поп - поперечный уклон проезжей части в начале отгона; т - масса автомобиля; V -скорость движения; Я - радиус закругления в данной точке кривой; I - поперечный уклон полотна дороги в той же точке отгона.

Если непосредственно перед началом лево-поворотного закругления на участке дороги длиной 15 - 20 м внешнюю половину полотна дороги вместе с обочиной постепенно привести в горизонтальное положение в перпендикулярном к оси дороги направлении, то второе слагаемое в (2) будет равно нулю, т.к. уклон I будет равен нулю.

В связи с этим поперечная сила (2) уменьшится в каждой точке отгона виража на т  g  I, а коэффициент поперечной силы - на I. При этом I будет изменяться от нуля до

вир

1 =--вир_

Ьо

где ё - расстояние от начала отгона виража до данной точки; остальные обозначения прежние.

С учетом сказанного, выражение (2) можно представить в виде

т  V

У =--т '

Я

Ьо

Приведенные зависимости показывают, что если на левоповоротных закруглениях внешнюю половину полотна дороги перед началом закругления привести в горизонтальное положение, то на всем отгоне виража коэффициент поперечной силы уменьшится в каждой точке в соответствии с уравнением

У V

о Я  g Ь0

где О = т  g - прижимающая автомобиль сила.

В результате улучшаются условия и повышается безопасность движения.

Одновременно решается еще одна проблема, связанная с улучшением условий движения. Отгон виража представляет сложную поверхность, «склеенную» из полос разных колец Мебиуса [5]. При конструировании отгонов современных конструкций внешнюю половину полотна дороги как бы вращают вокруг оси дороги (или вокруг другой ее характерной линии) до положения, когда ее поперечный уклон будет равен I . При этом поверхность полотна дороги проходит через горизонтальное положение II, когда /поп = 0 (рис. 1).

Рис. 1. Общий вид отгона виража на левопо-воротном закруглении

В положении II на внешней половине полотна скапливаются дождевые и талые воды и возникает проблема водоотвода. Если внешнюю половину движения до начала закругления привести в горизонтальное положение (гпоп = 0), то в конце участка АЬ она будет иметь поперечный уклон

1 = —

-АЬ.

Ьо

направленный к центру закругления.

Проблема талых вод из конца участка АЬ переносится в начало закругления, что несомненно лучше, чем организация водоотвода на криволинейном участке дороги.

Авторами предложены различные модели конструкций отгона виража. Если обозначить бровку внутренней обочины левоповоротно-го закругления 11' и производить «вращение» всего полотна дороги вокруг этой линии, то такую конструкцию можно назвать «модель 1» (рис. 2).

Рис. 2. Поверхность отгона виража вращением вокруг бровки внутренней обочины дороги

Она характерна тем, что внешняя половина проезжей части отгона виража и сам вираж приподнимаются на величину (2 • а + Ь) • / .

Это свойство модели можно использовать при решении вопросов видимости, уменьшении влияния грунтовых вод на состояние земполотна и др.

При «вращении» полотна дороги вокруг внутренней кромки покрытия 22' получим новую конструкцию отгона (модель 2). «Вращение» полотна дороги вокруг ее оси 33' позволяет получить модель 3. «Вращение» полотна дороги вокруг наружной кромки проезжей части 44' дает модель 4. Наконец, «вращение» полотна дороги вокруг бровки внешней обочины 55' позволяет сконструировать модель 5, которая характерна тем, что полотно дороги опущено на величину (2 • а + Ь) • / . Это свойство может быть использовано при формировании перспективы дороги, ландшафтном проектировании и др. Разработаны математические модели всех указанных конструкций виражей и их отгонов, которые позволяют автоматизировать процесс конструирования.

Таблица 1 Дополнительные и общие уклоны характерных линий моделей 1, 2, 3, 4, 5 отгона виража без уширения проезжей части

Линия, вокруг которой выполняется вращение полотна дороги Индекс линии полотна дороги Дополнительный уклон линии Общий уклон линии

1 2 3 4

Бровка внутренней обочины 11' Модель 1 11' 'дол! = 0  Т . ь = т' V ч

22' . = а • ('вир - 'поп) 'доп2 ь Ь2  Ь . . 12 = т ' 'пр + 'доп2 Ь2

33' (а + Ь /2) • (7 - /пш) 1 =--- доп3 г Ь3 /' = 1 +1 3 пр доп3

44' . = (а + Ь) • 'вир - (а + Ь/2) • 'поп 'доп4 ь Ь4  Ь . . 1 = —3 • 1 +1 4 -г пр доп4 Ь4

55' . = (2 • а + Ь) • ¿вир - (а + Ь/2) • 'поп 'доп5 ь Ь5  =Ь3 . . 15 т ' 'пр + 'доп5 Ь5

Внутренняя кромка проезжей части 22' Модель 2 11' а • (1 -1 ) вир поп 1 . =----  = т3 . . Ч т "'пр + 'доп1

22' 'доп2 = 0  т . '2 = -Г' 'пр 2

33' . = (Ь/2) • (/ВИр - и,) 'доп3 ь Ь3 13 = 'пр + 'доп3

Продолжение табл. 1

1 2 3 4

44' . _ Ь • (/ВИр - 0,5/ПоП) 'доп4 т Ь4  _ Ьъ   14 т "'пр + 'доп4 Ь4

55' . (« + Ь) • /вир - (Ь/2) • /поп 1 < _--- доп5 т Ь5 . ь3 . . i5 т ' гпр + /доп5 Ь5

Ось дороги 33' Модель 3 11' (а + Ь /2) • (/'вир - /'поп ) 1 . _---- доп1 г  _т   11 т ' 'пр + 'доп1 А

22' . _ (Ь /2) • (/'вир - /'поп ) /доп 2 т    '2 т ' 1пр + 'доп2 Ь2

33' 'доп3 _ 0 Н _ /'пр

44' . _ (Ь/2) • /вир /доп4 т т4  _т3 . . г4 т ' 'пр + 'доп4 Ь4

55' (а + Ь/2) • /'вир 1 1 _-~ доп 5 т Ь5  _   15 т ' 'пр + 'доп5 Ь5

Внешняя кромка проезжей части 44' Модель 4 11' (а + Ь) • /'вир - (а + Ь/2) • /'поп 1 . _---- доп1 т  _ 4   г1 т ' 'пр + 'доп1 А

22' . _-Ь • /'вир - (Ь /2) • /'поп /доп2 т Ь2  _ т   г2 т "'пр + 'доп2 т2

33' . -(Ь/2) • /вир / , _-— доп3 т /' _ /' + /' 3 3 пр доп3

44' 'доп4 _ 0  ¿3  '4 _ т 'пр 4

55' . _ а • /'вир /доп5 т Ь5 . т3   15 _ т ' гпр + /доп5 т5

Бровка внешней обочины Модель 5 11' . _ (2 • а + Ь) • (/'вир - 0,5 • /поп) /доп1 т  _ т3   11 т ' 'пр + 'доп1 т1

22' . _ (а + Ь) • /вир -(Ь/2)• /поп /доп 2 т т2  _ т3   12 т "'пр + 'доп2 т2

33' . (« + Ь/2) • /'вир / , _--— доп3 /' _ /' + i 3 пр доп3

44' а . 'доп4 г 'вир Ь4  т3   / _ —3 • 1 +1 4 -г пр доп4 т4

55' 'доп5 _ 0  т,  i5 _ "Г- • 'пр т5

В табл. 1 представлены дополнительные и общие уклоны характерных линий моделей 1, 2, 3, 4, без уширения отгона виража. Они учитывают как проектный уклон по оси дороги / , так и дополнительные уклоны /доп

характерных линий, зависящие от положения каждой линии в конструкции отгона. Учитывается также схождение радиальных линий к центру закругления при расчетах высотных отметок точек на радиальных линиях.

Аналогичные математические модели разработаны при уширении проезжей части за счет внутренней обочины и при уширении за счет внутренней и внешней обочин.

Выводы

1. Автоматизированное конструирование виражей и их отгонов на закруглениях автомобильных дорог - наиболее производительная

и современная технология решения проблемы, позволяющая учитывать большое число факторов и ситуационных особенностей, влияющих на проектные решения.

2. Предлагаемые «безопасные» конструкции отгонов виражей позволяют улучшить условия и повысить безопасность движения на левоповоротных закруглениях за счет приведения внешней полосы движения вместе с обочиной в горизонтальное положение в перпендикулярном к оси дороги направлении непосредственно перед началом закругления.

3. Сформулированный выше вывод необходимо включить в новую редакцию ДБН. Автомобильные дороги, как норму.

Кафедрами изысканий и проектирования дорог и информатики ХНАДУ подготовлено учебно-производственное пособие «Автоматизированное конструирование виражей на закруглениях автомобильных дорог», которое содержит необходимые теоретические, методические разработки и практические указания для применения пособия в учебном процессе и на производстве. Программа автоматизированного конструирования виражей записана на прилагаемом к пособию компакт-диске.

Литература

1. Бабков В.Ф., Андреев О.В. Проектирование автомобильных дорог: в двух томах - Т. 1. - М.: Транспорт, 1987. - 368 с.

2. Бабков В.Ф., Андреев О.В. Проектирова-

ние автомобильных дорог: в двух томах

- Т.2. - М: Транспорт, 1987. - 415 с.

3. Бируля А.К. Проектирование автомобиль-

ных дорог: в двух томах. - Т. 1. - М: Научно-техническое издательство министерства автомобильного транспорта и шоссейных дорог РСФСР, 1967. -500 с.

4. Кудрявцев М.Н., Каганович В.Е. Изыска-

ния и проектирование автомобильных дорог. - М: Транспорт, 1980. - 296 с.

5. Кузьмин В.И. Конструирование виражей

на закруглениях автомобильных дорог.

- Харьков: ХНАДУ, 2007. - 162 с.

6. Кузьмш В.1., Левтеров А.Ф1., Гунбша А.М.

Програми для автоматизованого конс-труювання безпечних конструкцш вщ-гошв вiражiв // Автошляховик Украши.

- 2008. - №2. - С. 24 - 25.

7 Кузьмш В.1., Левтеров А.1. Автоматизоване конструювання безпечних конструкцш вщгошв вiражiв // Автошляховик Укра!-ни. - 2008. - №1. - С. 28 - 32. 8. Лобанов Е., Поспелов П., Величко Г., Филиппов В. Виражи безопасности. Как совершенствовать СНиП 2.05.02...8 // Автомобильные дороги. - 2002. - №4. -С. 60 - 63.

Рецензент: В.В. Филиппов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила редакцию 15 апреля 2009 г.