УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА С ПОВЕРХНОСТЬЮ ИСКУССТВЕННОГО ПОКРЫТИЯ
DEVICE TO DETERMINE WHEEL GRIP COEFFICIENT REGARDING ARTIFICIAL SURFACE

Изобретение относится к устройствам для определения коэффициента сцепления на сооружаемых и эксплуатируемых автомобильных дорогах, проверке состояния дорожных покрытий в населенных пунктах, а также проверке состояния взлетно-посадочных полос аэродромов.
Известен деселерометр маятникового типа, используемый для определения коэффициента сцепления взлетно-посадочной полосы аэродрома. Данное устройство состоит из амортизированного воздухом маятника, соединенного со стрелкой, показывающей отрицательное ускорение.
Для измерения коэффициента сцепления автомобиль разгоняется до заданной скорости, затем водитель нажимает на педаль тормоза. Маятник деселерометра вместе с фиксирующей стрелкой отклоняется в направлении движения. Считывается величина отрицательного ускорения. Путем несложных вычислений определяется коэффициент сцепления. Данное устройство имеет значительные погрешности в определении коэффициента сцепления (устройство и работа деселерометра приведены в «Руководстве по эксплуатации гражданских аэродромов в Российской Федерации»).
Другим известным устройством является ″Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием″ (Авторское свидетельство №630982).
Известное устройство содержит измерительное колесо, блокировочную муфту, редуктор, измерительный элемент, вычислитель, пульт управления, измерительный прибор, раму измерительной тележки, центральную тягу, боковую тягу, направляющую тягу и ведущее колесо.
Определение коэффициента сцепления известным устройством заключается в том, что при движении измерительной тележки из-за разницы в диаметрах ведущего и измерительного колеса, соединенных через блокировочную муфту с редуктором, осуществляется вращение измерительного колеса с заданной пробуксовкой относительно покрытия. Соотношение диаметров ведущего и измерительного колеса обеспечивает заданную пробуксовку измерительного колеса. Вследствие пробуксовки измерительного колеса возникает продольная сила сцепления (Fсцп.). Коэффициент сцепления вычисляют как отношение продольной силы сцепления к нормальной нагрузки измерительного колеса на поверхность покрытия.
Недостатком известного устройства является. При определении коэффициента сцепления и достижении заданной скорости движения появляется занос измерительной тележки - появляется поперечная сила торможения, что занижает точность определения коэффициента сцепления. Занос измерительной тележки обусловлен наличием разных диаметров у измерительного и ведущего колеса.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является ″Устройство для измерения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием″, имеющее максимальное количество сходных существенных признаков с признаками заявленного устройства и поэтому принятого за прототип (патент Российской Федерации, RU 2244057 C1; 7 E01C 23/07).
Известное устройство-прототип (Фиг. 1) содержит измерительное колесо 1, вспомогательное колесо 2, раму 3, подшипниковые опоры 4, датчик 5 числа оборотов, соединенный с блоком регистрации 6, нагрузочное устройство 7, вращающуюся электромагнитную муфту 8 с обмоткой возбуждения 9, привод 10, блок питания 11, управляемый блок питания 12. При этом нагрузочное устройство 7 устанавливают на раме 3. Ведущая часть электромагнитной муфты 8 соединена с приводом 10, а ведомая с измерительным колесом 1. Привод 10 соединен с блоком питания 11. Обмотка возбуждения 9 подключена к управляемому блоку питания 12.
Работа известного устройства.
Перед проведением измерений поверхность дорожного покрытия увлажняют. На привод 10 подается питание от блока питания 11. Вращающий момент от привода 10 через шестеренную передачу передается на вращающуюся электромагнитную муфту 8. Величина крутящего момента измерительного колеса 1 зависит от величины управляющего сигнала управляемого блока питания 12. С блока регистрации 6 подается сигнал управления, который плавно увеличивает мощность управляемого блока питания от нуля до максимального значения. Начало буксования измерительного колеса 1 регистрируется датчиком 5 числа оборотов. Сигнал с датчика 5 передается в блок регистрации 6, в котором регистрируется начало буксования и величина сигнала управления, соответствующего момента, который передается на измерительное колесо 1 через вращающуюся электромагнитную муфту 8. Момент, передаваемый вращающейся электромагнитной порошковой муфтой 8, прямо пропорционален величине управляющего сигнала блока регистрации 6. Коэффициент сцепления определяют по моменту, необходимому для приведения измерительного колеса 1 из состояния покоя в режим буксования. Для получения достоверных данных о величине коэффициента сцепления, перед началом использования устройства необходимо получить экспериментальным путем зависимость величины управляющего сигнала от величины коэффициента сцепления. Для этого проводят измерения на участках с известным коэффициентом сцепления и фиксируют величину сигнала, идущего на обмотку возбуждения 9 вращающейся электромагнитной порошковой муфты.
Недостатком известного устройства-прототипа является:
- значительный предел допустимой абсолютной погрешности измерения, который объясняется сложностью определения начала пробуксовки измерительного колеса;
- диапазон рабочих температур измерения от +1 до +50 градусов. Измерения проводятся только в летнее время, так как исследуемая поверхность дорожного покрытия увлажняется.
Целью предлагаемого устройства (Фиг. 2) является повышение точности измерений критического коэффициента сцепления покоя Ксцп1, определяемого при равенстве момента торможения Мт электромагнитного тормоза моменту сцепления M1 измерительного колеса, а также точности измерений коэффициента сцепления Ксцп. взлетно-посадочной полосы аэродрома и коэффициента сцепления Ксцп.2 автомобильных дорог. Измерения проводятся в любое время года.
Поставленная цель в устройстве определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью искусственного покрытия достигается тем, что в нем, как в прототипе, содержится измерительное колесо, рама, блок регистрации и управляемый блок питания, при этом первый выход блока регистрации подключен к первому входу управляемого блока питания,
Дополнительно в устройство включены ведущая автомобильная ось, второе измерительное колесо, управляемый тормоз, первый и второй датчики крутящего момента. Управляемый тормоз через ведущую автомобильную ось механически соединяют с первым и вторым измерительными колесами, а первый и второй датчики крутящего момента размещают соответственно на первом и втором измерительном колесе. Датчики крутящего момента имеют по два выхода - выход скорости вращения измерительного колеса и крутящего момента, которые соответственно подключают от первого датчика крутящего момент к первому и второму входам блока регистрации, а от второго датчика к третьему и четвертому входам блока регистрации. Второй выход блока регистрации является выходом критического коэффициента сцепления покоя Ксцп.1, а второй его выход является выходом коэффициента сцепления Ксцп.2 дорожного покрытия, измеренного вторым измерительным колесом, или коэффициента сцепления Ксцп. взлетно-посадочной полосы аэродрома, при этом ко второму входу управляемого блока питания подключают источник питания. Выход управляемого блока питания подключают к входу управляемого тормоза. Аппаратуру устройства размещают на раме, которая опирается на измерительные колеса и воздействует на поверхность искусственного покрытия как нормальная сила нагрузки. При этом коэффициенты сцепления определяют по формулам
Ксцп.1=M1/P1·R; Ксцп.2=М2/Р2·R Ксцп.=Ксцп.2·f,
где Ксцп.1 - критический коэффициента сцепления покоя первого измерительного колеса;
Ксцп.2 - коэффициент сцепления, измеренный вторым измерительным колесом;
Ксцп. - коэффициент сцепления взлетно-посадочной полосы аэродрома;
f - поправочный коэффициент;
M1 и М2 - моменты силы сцепления соответственно первого и второго измерительного колеса с поверхностью искусственного покрытия, Нм;
Р1 и Р2 - нормальные силы нагрузки соответственно первого и второго измерительного колеса на поверхность искусственного покрытия, Н;
R - радиус измерительного колеса, м.
В известных технических решениях признаков, сходных с отличительными признаками заявленного устройства, не обнаружено, вследствие чего можно считать, что предлагаемое устройство соответствует изобретательскому уровню.
Использование предлагаемого устройства при его реализации позволит улучшить качество эксплуатации и ремонт дорожных покрытий на автотрассах и в населенных пунктах, а также достоверно оценивать состояние искусственных покрытий взлетно-посадочных полос аэродромов. Сущность предлагаемого устройства определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью искусственного покрытия поясняется чертежами, где представлены:
на фиг. 1 - структурная схема прототипа;
на фиг. 2 - структурная схема предлагаемого устройства;
на фиг. 3 - алгоритм определения коэффициента сцепления дорожного покрытия;
на фиг 4 - алгоритм определения коэффициента сцепления взлетно-посадочной полосы аэродрома;
на фиг. 5 - рисунок, поясняющий определение максимально предельного коэффициента сцепления Ксцп.макс.
Предлагаемое ″Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью искусственного покрытия″, как прототип содержит: измерительное колесо 1, раму 3, блок регистрации 6 и управляемый блок питания 12. При этом первый выход блока регистрации 5 подключен к первому входу управляемого блока питания 12.
Дополнительно в устройство включены: ведущая автомобильная ось 13, второе измерительное колесо 14, управляемый тормоз 15, первый 16 и второй 17 датчики крутящего момента. Причем управляемый тормоз 15 через ведущую автомобильную ось 13 механически соединяют с первым 1 и вторым 14 измерительными колесами, а первый 16 и второй 17 датчики крутящего момента размещают соответственно на первом 1 и втором 14 измерительном колесе. Датчики крутящего момента имеют по два выхода - выход скорости вращения измерительного колеса и крутящего момента, которые соответственно подключают от первого 16 датчика крутящего момент к первому и второму входам блока регистрации 6, а от второго 17 датчика к третьему и четвертому входам блока регистрации 6. Второй выход блока регистрации 6 является выходом критического коэффициента сцепления покоя Ксцп.1, а третий его выход является выходом коэффициента сцепления Ксцп.2 дорожного покрытия, измеренного вторым измерительным колесом, или коэффициента сцепления Ксцп. взлетно-посадочной полосы аэродрома. При этом ко второму входу управляемого блока питания подключают источник питания. Выход управляемого блока питания 12 подключают к входу управляемого тормоза 15. Аппаратуру устройства размещают на раме 3, которая опирается на измерительные колеса и воздействует на поверхность искусственного покрытия как нормальная сила нагрузки. Коэффициенты сцепления определяют по формулам
Ксцп.1=M1/P1·R; Ксцп.2=М2/Р2·R Ксцп.=Ксцп.2·f,
где Ксцп.1 - критический коэффициент сцепления покоя первого измерительного колеса;
Ксцп.2 - коэффициент сцепления, измеренный вторым измерительным колесом;
Ксцп. - коэффициент сцепления взлетно-посадочной полосы аэродрома;
f - поправочный коэффициент;
M1 и М2 - моменты силы сцепления соответственно первого и второго измерительного колеса с поверхностью искусственного покрытия, Нм;
Р1 и Р2 - нормальные силы нагрузки соответственно первого и второго измерительного колеса на поверхность искусственного покрытия, Н;
R - радиус измерительного колеса, м.
Конструктивное исполнение предлагаемого устройства
Заявленное устройство измерения выполнено на двух измерительных колесах, на которые устанавливают раму 3. Измерительные колеса 1 и 14, рама 3 и размещенная на ней аппаратура устройства составляют нормальную силу нагрузки на поверхность искусственного покрытия. Нормальные силы Р1 и Р2 известны и остаются постоянными в процессе эксплуатации устройства. Нормальные силы Р1 и Р2, радиус измерительных колес R и поправочный коэффициент f заносятся в помять блока регистрации 6 для вычисления коэффициентов сцепления.
Ведущая автомобильная ось 13 состоит из ряда взаимодействующих органов, которые передают тормозной момент от управляемого тормоза 15 к измерительным колесам. Ведущая автомобильная ось 13 содержит: коробку передач, распределительную коробку, главную передачу, дифференциал, полуоси, на которые установлены ступицы. Дифференциал симметричный с коэффициентом блокирования равным 1. Управляемый тормоз 15 подключен к распределительной коробке, а первое 1 и второе 14 измерительные колеса устанавливают на ступицы ведущей автомобильной оси 13.
Для проверки состояния дорожного покрытия на измерительных колесах 1 и 14 используют автомобильное шасси, а для проверки состояния взлетно-посадочной полосы аэродрома - авиационное шасси.
Блок регистрации 6 выполнен на микроконтроллере PIC18. Микроконтроллер имеет программируемую память, оперативное запоминающее устройство, аналого-цифровые преобразователи, встроенные интерфейсы, таймеры, таймер реального времени, входы и выходы для ввода и вывода информации.
Первый 16 и второй 17 датчики крутящего момента устанавливают соответственно на первое 1 и второе 14 измерительные колеса. Датчики используются для измерения моментов сил сцепления M1 и М2 с поверхность искусственного покрытия. Каждый датчик снабжен телеметрической системой передачи полезного сигнала. Каждый датчик имеет по два выхода - по первому передается момент силы М сцепления измерительного колеса с поверхностью покрытия, а по второму выходу - скорости вращения N измерительного колеса. Выходы датчиков крутящего момента 16 и 17 подключены к входам блока регистрации 6.
Управляемый тормоз 15 - электромагнитный порошковый тормоз. Управляемый тормоз 15 имеет два соосных элемента; корпус с обмоткой электромагнита и ротор. Корпус от ротора отделен кольцевым зазором, который заполнен сухим легированным ферромагнитным порошком. Крутящий тормозной момент Мт передается легированным ферромагнитным порошком, вязкость которого изменяется в соответствии с изменением тока в обмотке возбуждения управляемого тормоза 15. Крутящий момент торможения Мт управляемого тормоза 15 прямопропорционален току обмотки возбуждения электромагнита. Скорость вращения ротора управляемого тормоза 15 не влияет на момент торможения Мт.
Управляемый блок питания 12 - силовой блок, который по управляемому напряжению с блока регистрации 6 формирует ток возбуждения обмотки электромагнита управляемого тормоза 15.
Измерение коэффициента сцепления дорожных покрытий
С началом движения измерительного устройства датчиками крутящего момента 16 и 17 измеряются моменты сил сцепления M1 и М2 измерительных колес с поверхностью искусственного покрытия (Фиг. 3). При этом первый датчик 16 крутящего момента является управляющим, по сигналам которого определяют момент силы торможения Мт управляемого тормоза 15. Напряжение первого датчика 16 поступает в блок регистрации 6, где в соответствии с величиной напряжения сигнала датчика 16 формируется управляющее напряжение. Управляющее напряжение поступает в управляемый блок питания 12, где в соответствии с управляющим напряжением определяют величину тока, передаваемого через управляемый блок питания 12, на обмотку возбуждения управляемого тормоза 15. Ток обмотки возбуждения управляемого тормоза создает момент торможения Мт, который воздействует на измерительные колеса. В ведущей автомобильной оси 13 используется симметричный дифференциал, который позволяет тормозной момент Мт управляемого тормоза 15 делить поровну (Мт/2) между измерительными колесами.
При этом работа первого измерительного колеса 1 определяется тремя его состояниями:
- при проведении измерений измерительное колесо 1 не пробуксовывает и M1…>Мт/2 в этом случае напряжением первого датчика 16 через блок регистрации 6 и управляемый блок питания 12 увеличивает ток возбуждения обмотки возбуждения управляемого тормоза 15, при этом увеличивается момент торможения Мт управляемого тормоза;
- при проведении измерений измерительное колесо 1 пробуксовывает, тогда M1<Мт/2 и в этом случае напряжением первого датчика 16 через блок регистрации 6 и управляемый блок питания 12 уменьшается ток возбуждения обмотки возбуждения управляемого тормоза 15 - уменьшается момент торможения Мт;
- при проведении измерений измерительное колесо 1 не пробуксовывает, но M1=Мт/2 - напряжение первого датчика 16 сохраняется, сохраняется момент торможения Мт управляемого тормоза 15. При равенстве M1=Мт/2 между измерительным колесом 1 и поверхностью искусственного покрытия появляется максимальное тормозное усилие Fтор.макс., которое равно силе сцепления. Fсцп. измерительного колеса 1 с поверхностью покрытия. В этом случае измерительное колесо 1 находится на границе начала его пробуксовки. Коэффициент сцепления, измеренный на границе пробуксовки - критический коэффициент сцепления покоя Ксцп.1. Критический коэффициент сцепления покоя первого 1 измерительного колеса Ксцп.1 в блоке регистрации 6 вычисляют по формуле
Ксцп.1=M1/P1·R,
где Ксцп.1 - критический коэффициент сцепления первого 1 измерительного колеса;
M1 - момент силы сцепления первого 1 измерительного колеса с поверхностью искусственного покрытия, Нм;
P1 - нормальная нагрузка первого 1 измерительного колеса на поверхность покрытия, Н;
R - радиус измерительного колеса, м.
Состояние дорожного покрытия определяется одновременно по двум колеям. По одной колее первым 1 измерительным колесом определяют критический коэффициент сцепления покоя Ксцп.1, а по второй колее дорожного покрытия вторым 14 измерительным колесом определяют коэффициент сцепления Ксцп.2,
при этом на второе измерительное колесо действует тормозной момент Мт/2. Коэффициент сцепления Ксцп.2 в блоке регистрации 6 вычисляют по формуле
Ксцп.2=М2/Р2·R,
где Ксцп.2 - коэффициент сцепления второй колеи дорожного покрытия;
М2 - момент силы сцепления второго 14 измерительного колеса с поверхностью искусственного покрытия, Нм;
Р2 - нормальная нагрузка второго 14 измерительного колеса на поверхность покрытия, Н;
R - радиус измерительного колеса, м.
Состояние дорожного покрытия определяют на строящихся, ремонтируемых и действующих автотрассах, а также в населенных пунктах в любое время года. Скорость движения устройства измерения не влияет на результат проводимых измерений.
Определение состояния взлетно-посадочной полосы аэродрома
Состояние взлетно-посадочной полосы определяют в соответствии с требованиями ИКАО (международной организации гражданской авиации) Фиг. 4.
На стадии изготовления устройства осуществляется его торрирование. Торрирование проводится на роликовом динамическом стенде. Ролики стенда имеют специальное покрытие с известным коэффициентом сцепления, что позволяет в условиях, близких к реальным, производить проверку и настройку измерительного устройства. А также на динамическом стенде, в соответствии с требованиями ИКАО, при некотором значении относительного скольжения S (от 0,1 до 0,3) на втором измерительном колесе 14 получают максимально предельный коэффициент сцепления Ксцп.макс. (Фиг. 5). Относительное скольжение S измерительных колес определяют по формуле
S=N1-N2/N1,
где N1 и N2 - скорости вращения соответственно первого 1 и второго 14 измерительного колеса.
Величина относительного скольжения второго измерительного колеса 14, соответствующая максимальному коэффициенту сцепления, называется критической Sк. При Sк определяют Ксцп.1 и Ксцп.мак. По отношению Ксцп.мак. к Ксцп.1 определяют поправочный коэффициент f
f=Ксцп.Макс/Ксцп.1.
При определении состояния взлетно-посадочной полосы аэродрома одновременно определяют критический коэффициент покоя Ксцп.1=M1/Р R, а также в соответствии с требованиями ИКАО коэффициент сцепления Ксцп.
Ксцп.=Ксцп.2·f,
где Ксцп. - коэффициент сцепления взлетно-посадочной полосы аэродрома;
Ксцп.2 - коэффициент сцепления, измеренный вторым измерительным колесом;
f - поправочный коэффициент.
Положительный эффект от реализации предложенного устройства заключается в повышении точности определения коэффициента сцепления. Коэффициент сцепления определяется независимо от скорости движения измерительного устройства и в любое время года. При проведении измерений увлажнения поверхности не требуется. Состояние дорожного покрытия может проверяться в населенных пунктах с соблюдением правил дорожного движения.