СПОСОБ И МОБИЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СТОЛКНОВЕНИЯ ИЛИ НАЕЗДА АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
METHOD AND MOBILE STAND FOR DETERMINATION OF VEHICLE COLLISION VELOCITY

Изобретение относится к технологии расследования дорожно-транспортных происшествий (ДТП) и позволяет повысить объективность и достоверность оценки скоростных характеристик столкнувшихся автомобилей или автомобиля, совершившего наезд, в момент столкновения (наезда), в результате которого произошло разрушение стекла автомобиля, например его фары.
Чаще всего основной целью проведения экспертизы ДТП является определение кинематических параметров автомобиля в некоторые характерные моменты времени, например в начале тормозного пути или в момент столкновения. При этом скорость автомобиля в момент столкновения можно определить по анализу повреждений транспортных средств, участвовавших в столкновении [1]. Однако, как отмечается в этой же работе [1], надежных методов определения скорости по повреждениям транспортных средств не разработано.
В монографии [2] предлагается определять скорость движения автомобиля в момент столкновения по характеру разлета осколков разбившегося во время столкновения стекла. Так, в соответствии с формулой (12.4) [2], описывающей свободное движение осколка стекла до момента его соприкосновения с полотном дороги, начальная скорость полета осколка стекла и, соответственно, скорость движения автомобиля определяется по формуле:
где h - расстояние от полотна дороги до центра осколка стекла до столкновения;
l - расстояние от места столкновения автомобиля до места расположения осколка после столкновения;
g - ускорение свободного падения;
0
V - начальная скорость движения осколка стекла, а соответственно, и скорость движения автомобиля в момент столкновения.
Поскольку в формуле (1) параметры 1 и h определяются с большой погрешностью, то определение скорости по формуле (1) имеет низкую точность и достоверность.
Для повышения точности и достоверности определения скорости автомобиля в момент столкновения, в результате которого произошло разрушение стекла, в патенте на изобретение №2281875 [3] предлагается скорость в момент столкновения определять исходя из длины оси эллипса рассеивания осколков стекла a, который образуется на месте совершения ДТП.
Расчетная длина оси a эллипса рассеивания осколков, как отмечается в [3], будет равна:
0
где V - скорость автомобиля в момент столкновения (наезда);
H - высота расположения верхней границы разбившегося в результате столкновения стекла относительно полотна дороги;
h - высота расположения нижней границы разбившегося стекла относительно полотна дороги;
R - коэффициент восстановления скорости отдельного осколка стекла при его ударах о полотно дороги.
Исходя из формулы (2) в соответствии с патентом на изобретение №2281875 [3], принятым за прототип, скорость автомобиля в момент столкновения (наезда) предлагается определять по зависимости:
Формула (3), как отмечается в [3], позволяет более точно, чем формула (1), определять скорость столкновения автомобилей или скорость наезда, поскольку для этого используются более достоверно определяемые параметры, чем параметр l для формулы (1). Параметр a измеряется по эллипсу рассеивания осколков, коэффициент восстановления скорости R определяется в результате проведения дополнительных экспериментов, проводимых непосредственно на месте ДТП. Однако, как показывает практика, формула (2) является недостаточно точной, поскольку она получена исходя из гипотезы квазиупругого взаимодействия отдельного осколка стекла с полотном дороги при его движении с отскоками.
0
Проекция траектории движения каждого отдельного осколка, начавшего свое движение с начальной горизонтальной скоростью V на высоте Н относительно полотна дороги, на полотно дороги имеет три характерных участка [3]:
1-й участок - свободное падение осколка - ;
2-й участок - движение осколка с отскоками - ;
3-й участок - участок скольжения осколка по полотну дороги - .
Полная длина горизонтальной проекции траектории движения отделившейся относительно дорожного полотна на высоте Н части автомобиля (осколок стекла), исходя из гипотезы о квазиупругом взаимодействии осколка стекла с полотном дороги, определяется выражением [4]
2
где g=9,81 м/с - ускорение свободного падения;
f - коэффициент трения скольжения осколка стекла о полотно дороги.
Несоответствие модели (4) реальному процессу формирования эллипса рассеивания осколков стекла на месте аварии показано в работе [4]. Для этого введена в рассмотрение функция Ф в виде
которая с учетом (4) для квазиупругой гипотезы взаимодействия осколка стекла с полотном дороги будет иметь вид
0
0
Некоторые результаты экспериментальных исследований по выявлению структуры функционала Ф(V) приведены на фиг.1 и фиг.2. В ходе экспериментальных исследований в горизонтальном направлении бросались различные мелкие предметы - копеечная монета, галька, металлическая гайка, осколки пластмассы, осколки стекла. Предметы бросались с различной высоты и с различной скоростью. В качестве контактной поверхности использовался асфальтобетон, деревянный пол, грунтовая дорога. Как показали эксперименты, характер изменения функции Ф от аргумента V не зависит от изменения условий эксперимента. При этом, как следует из фиг.1 и фиг.2, функционал вида (6) позволяет описать только начальную ветвь экспериментальных кривых, построенных путем обработки экспериментальных данных, то есть только для относительно невысоких скоростей столкновения автомобилей с преградой (менее 5-7 м/с).
1
Как следует из фиг.1 и фиг.2, используемая модель квазиупругого взаимодействия осколка стекла с полотном дороги, которая заложена в формулу для определения скорости автомобиля с преградой в виде выражения (3) по патенту [3], не описывает реальную физику процесса. Поэтому математическая модель, заложенная в способ определения скорости столкновения автомобиля с преградой по патенту [3], имеет ограниченное применение для небольших скоростей столкновения автомобилей - менее 7 м/с. Это и является основным недостатком способа-прототипа. При этом эффект аэродинамического сопротивления ввиду скоротечности протекания процесса также не существенно сказывается на законе изменения скорости движения осколка стекла в продольном направлении. Поэтому для получения математической модели расчета скорости столкновения автомобиля с преградой необходимо выявить истинный механизм формирования эллипса осколков стекла на полотне дороги, в частности, необходимо построение адекватной модели ударного взаимодействия отдельного осколка стекла непосредственно с полотном дороги (участок траектории движения осколка с отскоками). При этом, какую бы теорию ударного взаимодействия осколка стекла с полотном дороги не брать за рабочую модель, в траектории движения осколка стекла первый участок его движения (L) будет всегда одинаков.
Исходя из теории квазипластического удара, изложенной в монографии [5], для движения тел с повторными затухающими соударениями в работе [4] получено выражение для скорости продольного движения осколка стекла после К-ого отскока в виде
где υ - коэффициент ударного трения.
2
Тогда длина траектории L (движение осколка с отскоками) будет иметь вид [4]
Последним участком движения осколка стекла по полотну дороги будет движение после завершения квазипластических ударов, в конце которых скорость осколка стекла будет равна, исходя из (7), [4]
Поскольку оставшаяся кинетическая энергия осколка стекла полностью пойдет на преодоление силы трения, будем иметь
где m - масса осколка стекла;
∞
V - скорость осколка стекла перед началом торможения за счет сил трения;
f - коэффициент трения скольжения.
Откуда получим
Тогда функционал (5) может быть записан в виде
0
*
Функция Ф имеет экстремум при V=V
Тем самым можно утверждать, что функция (12) адекватно описывает характер распределения экспериментальных точек (см. фиг.1 и фиг.2). Тогда общая длина траектории движения отдельного осколка для квазипластической гипотезы соударения осколка стекла с полотном дороги будет равна
Тогда для эллипса рассеивания осколков стекла по модели квазипластического удара будем иметь
В последней формуле H и h соответственно:
- высота расположения верхней границы разбившегося в результате столкновения стекла относительно полотна дороги;
- высота расположения нижней границы разбившегося стекла относительно полотна дороги.
В соответствии с прототипом скорость автомобиля в момент столкновения определяется после измерения параметра «a» на месте совершения ДТП по зависимости
полученной без учета трения удара
По модели квазипластического удара из формулы (15) будем иметь
В отличие от формулы (16) формула (17) является более громоздкой и требует определения на месте ДТП кроме общих для них параметров еще и такие дополнительные параметры, как коэффициент ударного трения ν и коэффициент трения скольжения f, что значительно усложняет процедуру (способ) определения скорости столкновения автомобиля с преградой.
2
3
1
2
3
Однако можно показать, что при разбрасывании осколков стекла на месте ДТП с помощью мобильного стенда [3] с различными скоростями V и V длины эллипсов рассеивания осколков стекла будут подобны друг другу. Тогда при измерении на месте ДТП длины оси эллипса разлета осколков разбившегося при столкновении стекла, равной а, и при измерении длин эллипсов разлета принудительно разбросанных осколков стекла с длинами осей эллипса, соответственно равными a и a, скорость столкновения автомобиля с преградой, как следует из (17), будет равна
Тем самым не требуется на месте ДТП определять специально характеристики взаимодействия отдельного осколка стекла с полотном дороги (параметры R, ν, f), чтобы определить скорость столкновения автомобиля с преградой. Единственным условием является соблюдение идентичности условий позиционирования осколков стекла при их принудительном разбрасывании и позиционирования целого стела автомобиля до его столкновения, то есть соблюдение равенства параметров Н и h для столкнувшегося автомобиля и экспериментальных условий.
Цель изобретения - повышение точности определения скорости автомобиля в момент столкновения, в результате которого произошло разрушение стекла, упрощение способа ее определения по параметрам эллипса рассеивания осколков разбившегося стекла, расширение диапазона скоростей столкновения автомобиля с преградой, которые могут быть определены предлагаемым способом.
Указанная цель достигается тем, что в отличие от известного способа определения скорости столкновения, заключающегося в том, что измеряют параметры позиционирования (до столкновения) разбившегося стекла (измеряют отклонение от полотна дороги верхней и нижней границы разбившегося стекла), измеряют длину оси эллипса рассеивания осколков разбившегося стекла, после чего определяют на месте ДТП коэффициент восстановления скорости осколков стекла при их разлете и вычисляют скорость столкновения по формуле (16), предлагается определять скорость столкновения автомобиля с преградой по формуле (18), для которой не требуется определение на месте ДТП коэффициента восстановления скорости осколков стекла, что само по себе является достаточно сложной задачей.
Однако в предлагаемом способе определения скорости столкновения автомобиля с преградой требуется, по крайней мере, не менее двух раз экспериментально смоделировать процесс формирования эллипса разлета осколков стекла на полотне дороги, причем для различных начальных скоростей движения осколков стекла, поскольку аргументами предлагаемой формулы (18) являются скорости разбрасывания на месте ДТП осколков стекла и соответствующие им длины осей эллипса разлета осколков стекла. Как и в прототипе, в предлагаемом способе также определяется длина оси эллипса рассеивания осколков стекла, непосредственно образованного после столкновения автомобиля с преградой. Для экспериментального моделирования разброса осколков стекла на месте ДТП может быть использован мобильный стенд по патенту [3]. При этом для мобильного стенда по предлагаемому изобретению в отличие от прототипа нет необходимости обеспечивать скорость движения подвижной платформы стенда с уложенными на ней осколками стекла в момент ее торможения, равной скорости движения автомобиля в момент столкновения (наезда). Более того, не надо добиваться, чтобы длина оси эллипса рассеивания осколков стекла в этом случае была бы равна длине оси эллипса рассеивания осколков стекла, определенная на месте ДТП, для того чтобы подтвердить рассчитанную скорость столкновения автомобиля с преградой. Кроме этого, нет и необходимости с помощью мобильного стенда вообще формировать эллипс разлета осколков стекла на месте ДТП при экспериментальном моделировании их полета: достаточно получить информацию о крайних точках длины оси эллипса рассеивания осколков стекла. То есть достаточно разбрасывать осколки стекла с высоты h и Н относительно полотна дороги. Однако, как показывает практика, нет четкой границы формирования эллипса рассеивания осколков разбившегося стекла, что определяется стохастичностью движения отдельного осколка стекла. Поэтому целесообразно разбрасывать осколки стекла с помощью мобильного стенда не с высот h и H, а с высот h±ε и Н±ε, где 2ε ширина полосы (по высоте относительно полотна дороги) формирования осколков стекла при моделировании разлета осколков стекла с помощью мобильного стенда. Середина полосы рассеивания осколков стекла соответственно при бросании с номинальной высоты h и Н позволяет определить более точно точку разлета осколков стекла с этих высот, а следовательно, более точно определить параметры соответствующих эллипсов рассеивания для формулы (18). Однако экспериментально моделировать процесс формирования эллипса рассеивания осколков стекла надо из точки, соответствующей месту столкновения, и в направлении продольной оси эллипса рассеивания осколков стекла, разбившегося при столкновении. При этом измеряя в ходе каждого из таких экспериментов скорость движения осколков стекла над местом столкновения и измеряя расстояния между местом столкновения и ближней к нему границей разброса осколков стекла, а также между местом столкновения и дальней границей разброса осколков стекла. Осколки разбрасываются при таких экспериментах с высот относительно полотна дороги, соответствующих верхней и нижней границам положения разбившегося стекла относительно полотна дороги, а разность между этими экспериментальными расстояниями соответствует длине оси эллипса рассеивания осколков стекла при экспериментальном моделировании формирования эллипса разлета осколков стекла. Перед экспериментальным моделированием процесса формирования эллипса разлета осколков стекла должна быть произведена фиксация на полотне дороги, например мелом, границы эллипса рассеивания осколков стекла, разрушенного в результате ДТП. После такой фиксации можно собрать осколки стекла на месте дорожно-транспортного происшествия для использования их в экспериментах по моделированию процесса формирования эллипса рассеивания осколков стекла. Непосредственно скорость осколков стекла в момент его разрушения, что соответствует скорости автомобиля в момент столкновения (наезда) вычисляют по формуле (18).
Устройством, реализующим способ определения скорости автомобиля в момент столкновения с преградой, в результате которого произошло разрушение стекла, по формуле (18), может быть любое устройство, состоящее из основания, разгонного блока, который в дальнейшем будем называть динамической платформой, подвижно установленного относительно основания, установленной на основании преграды и механизма ограничения обратного хода динамической платформы. При этом устройство должно иметь тестированную (паспортизованную) систему разгона динамической платформы для определения ее скорости в момент столкновения с преградой. Примером такого устройства может быть устройство по патенту РФ №2281875 [3], которое взято за прототип. Динамическая платформа в устройстве-прототипе выполнена в виде штока, на одном конце которого закреплена кассета для размещения в ней осколков стекла, которые разбрасываются на месте ДТП. Для разгона динамической платформы в устройстве-прототипе используется пневматическая система в виде газового аккумулятора давления, рабочая полость которого газоводом с вентилем сообщена с ресивером сжатого газа, а на корпусе аккумулятора давления установлен манометр для определения величины давления газа в нем. Величина давления газа в аккумуляторе коррелируется с величиной скорости движения динамической платформы в момент ее столкновения с преградой. Конструктивная сложность такого стенда, необходимость использования баллонов со сжатым газом, отсутствие отдельной независимой от пневматической системы, системы измерения скорости движения динамической платформы в момент ее столкновения с преградой, определяют сложность конструкции и эксплуатации такого мобильного стенда.
Отказ в конструкции мобильного стенда, предназначенного для моделирования разлета осколков стекла, разбившегося в результате ДТП, непосредственно на месте ДТП, от движителя динамической платформы в виде пневматического аккумулятора, что используется в устройстве-прототипе, позволит упростить и конструкцию, и эксплуатацию мобильного стенда. Однако в конструкции такого стенда должна быть предусмотрена система определения скорости столкновения динамической платформы с преградой.
На фиг.3 изображен общий вид мобильного стенда, предназначенного для моделирования разлета осколков стекла, разбившегося в результате ДТП, непосредственно на месте ДТП, с измерением начальной скорости движения осколков стекла в момент столкновения.
Мобильный стенд состоит из основания 1, на котором выполнен прилив 2 с направляющим пазом в виде отверстия, в котором установлена динамическая платформа, состоящая из штока 3 с опорными дисками 4 и 5, выполненными оппозитно относительно направляющего паза прилива 2. На одном конце штока 3 на оси, не обозначенной позицией на фиг.3, с возможностью поворота в вертикальной плоскости на угол α закреплена траверса 6 с узлом фиксации ее положения относительно горизонта, который также не показан на фиг.3. На траверсе 6 установлены кассеты 7 и 8 с возможностью изменения их позиционирования относительно траверсы 6 для размещения в них осколков стекла 9, разбрасываемых на месте ДТП. Другой конец штока 3 выполнен в виде сферического закругления 10, на который для разгона динамической платформы оказывается ударное силовое воздействие, изображенное на фигуре вектором . Ударное силовое воздействие может быть реализовано с помощью обычного копра, имеющего соответствующую характеристику. Для нивелирования ударных нагрузок на элементы стенда в конструкцию устройства введены пружины 11 и 12. Для торможения динамической платформы на основании 1 установлена преграда, обозначенная на фиг.3 позицией 13, ударившись о которую опорным диском 5 динамическая платформа тормозится. Пружины 11 и 12 выполняют в предлагаемом устройстве функции механизма ограничения обратного хода динамической платформы.
Скорость движения динамической платформы в момент ее столкновения с преградой определяется как величиной импульса силы , приложенного к сферическому закруглению 10 штока 3, так и жесткостью пружин 11 и 12. Как следует из формулы (18), нет необходимости задавать определенную скорость движения динамической платформы в момент столкновения, а достаточно измерять эту скорость при работе со стендом. Поэтому мобильный стенд для тестирования места ДТП должен иметь систему измерения скорости движения динамической платформы (штока 3), в качестве которой может быть использована обычная известная реостатная система. С той же целью может быть использована оптическая система, элементы которой приведены на фиг.3. Оптическая система позволяет фиксировать моменты прохождения осколками стекла некоторой контрольной плоскости, перпендикулярной продольной оси штока 3. Для этого используются источники 14 и приемники 15 светового потока, выполненные в виде фотодиодных гребенок. Гребенки установлены оппозитно друг другу с возможностью прохождения между ними потоков метаемых осколков стекла. Осколки стекла перекрывают световые потоки между источниками и приемниками света, и фиксация этого момента при фиксации момента останова динамической платформы, что может быть сделано с помощью концевого выключателя, установленного на преграде 13, позволяет, исходя из геометрических параметров E, B, h, H, 2ε, α, δ, C, показанных на фиг.3, определить скорость движения платформы в момент ее останова. Необходимые для этого элементы электронного оборудования на фиг.3 не показаны.
Мобильный стенд используют следующим образом.
1
После доставки мобильного стенда на место ДТП производится его настройка на экспериментальные исследования. Предварительно фиксируются все обстоятельства ДТП, в частности длина оси эллипса рассеивания осколков стекла, параметры позиционирования (h, H) разбившегося в результате аварии полотна стекла относительно полотна дороги и непосредственно определяется место столкновения (наезда) автомобиля. После чего фиксируются границы эллипса рассеивания осколков стекла на полотне дороги, например, мелом. И производится сбор и удаление с места ДТП осколков стекла. После чего мобильный стенд устанавливается на место ДТП, причем продольная ось штока 3 должна быть соосна с осью «a» эллипса рассеивания осколков стекла на месте ДТП. В кассеты 7 и 8 укладывают осколки стекла, собранные на месте ДТП, с учетом выполнения позиционирования полотна разбившегося стекла при столкновении относительно полотна дороги (параметры α, h, H). Положение траверсы 6 жестко фиксируется, как и положения кассет 7 и 8 на траверсе. Далее включают систему измерения скорости движения динамической платформы в момент ее торможения. После завершения этой операции мобильный стенд готов к работе.
Работает мобильный стенд следующим образом.
2
3
2
3
На сферическое закругление 10 штока 3 оказывается импульсное силовое воздействие , под действием которого шток приходит в движение, постепенно разгоняясь до скорости, равной скорости столкновения динамической платформы с преградой 13. Эту же скорость движения (столкновения) имеют осколки стекла 9, уложенные в кассеты 7 и 8. После столкновения опорного диска 5 с преградой 13 скорость движения динамической платформы полностью гасится. Уложенные в кассеты 7 и 8 осколки стекла 9 продолжают свое движение, конечным результатом которого является формирование на полотне дороги двух параллельных полос осколков стекла. Расстояние между полосами осколков стекла соответствует длине оси эллипса рассеивания осколков стекла при скорости движения динамической платформы в момент ее столкновения с преградой 13. Эта скорость определяется системой измерения скорости столкновения динамической платформы с преградой 13. Два подобных эксперимента позволяют определить для выражения (18) параметры a, a, V, V, а по самой формуле (18) определить скорость столкновения автомобиля с преградой.
Источники информации
1. Байков В.П., Кисилев В.Б. Ударное взаимодействие транспортных средств при их столкновении. // Науково-техничний вiсник "Безпека дорожного руху Украiни" - №1 (8). - 2000. - С.81-96.
2. Боровский Б.Е. Безопасность движения автомобильного транспорта. - Л.: Лениздат, -1984. - 304 с.
3. Способ и мобильный стенд для определения скорости столкновения или наезда автотранспортных средств. // Патент РФ на изобретение №2281875. / Березуев М.Н., Кузнецов Н.П. / Опубл. 20.08.2006. Бюл. №23. MПК В62D 101/00.
4. Кузнецов Н.П. Новые подходы при реконструкции механизма дорожно-транспортного происшествия. / Н.Л.Кузнецов, П.Н.Кузнецов, В.В.Пенкин, С.А.Рассохин // Вестник ИжГТУ. - 2009. - №4. - 12-15.
5. Нагаев Р.Ф. Механические процессы с повторными затухающими соударениями. - М.: Наука, 1985. - 200 с.