Устройство для испытания дорожного покрытия на износ ошипованными шинами, секторный элемент кольца дорожного покрытия для этого устройства и способ испытания дорожного покрытия на износ ошипованными шинами на этом устройстве
DEVICE FOR TESTING ROAD PAVEMENT FOR WEAR BY FLAT TIRES, SECTOR ELEMENT OF RING OF ROAD PAVEMENT FOR THIS DEVICE AND METHOD OF TESTING ROAD PAVEMENT FOR WEAR BY STUDDED TIRES ON THIS DEVICE

Изобретение относится к области испытания материалов и касается, в частности, испытания дорожного покрытия на износ, обусловленный взаимодействием с ошипованными шинами транспортных средств.
Опыт эксплуатации показывает, что резко увеличивается износ покрытий на дорогах в периоды использования на транспортных средствах ошипованных шин. Опыт шестилетнего использования шин с шипами показал, что износ цементобетонных покрытий достигает 8 мм после проезда 1,7 млн автомобилей, а асфальтобетонных за тот же период - 10 мм после проезда 1 млн автомобилей. Исследования динамики износа показали, что у цементобетонных покрытий наиболее интенсивно изнашивается поверхностный слой, состоящий из раствора. Износ дорожных покрытий особенно заметен при высоких скоростях движения автомобилей, чему, помимо динамического воздействия шипов на покрытие, способствует их нагрев до 150°С. Установлено, что на прямолинейных участках дорог при равномерном (без резких ускорений и торможений) движении автомобилей на шинах с шипами срок службы покрытия сокращается примерно на 20% от общей продолжительности. Наблюдается также повышенный износ линий разметки, срок службы которой уменьшается в 3-4 раза. Шипы могут отрывать от поверхности покрытия зерна крупного заполнителя достаточно больших размеров, которые при разлете представляют опасность для проезжающих автомобилей и пешеходов (ст."Износ дороги", А.Г. Спектор, главный специалист ООО «Дорсервис», выложена на сайте ГК «Дорсервис» по адресу: http://ywww.dor.spb.ru/index/technology/iznos-pokrytiy/).
В момент соприкосновения с покрытием каждый шип наносит удар с большой скоростью. Шип имеет очень маленькую массу, но многократное повторение этих ударов по одному месту способствует ослаблению верхнего слоя покрытия. Большее истирающее воздействие оказывает шип, выходящий из зоны контакта, где шина вместе с шипом проскальзывает по поверхности покрытия, истирая его. Опыт показывает, что шины с шипами эффективны для пользователей дорог при движении по дорогам с обледенелой или покрытой снежным накатом проезжей частью. Но зимняя скользкость на дорогах наблюдается лишь 20-30 дней в году. При этом скользкие участки дорог чередуются со свободными от снега и льда. Таким образом, большую часть зимнего периода шипы контактируют с дорожным покрытием, вызывая его повышенный износ.
При изучении взаимодействия шипов противоскольжения с дорожным покрытием можно выделить три основных механизма повреждения покрытия: ударное, царапание поверхности и компрессионное - при вдавливании шипа, с возникновением критических напряжений и краевых эффектов.
Установлено, что на образование колеи сильно влияет тип шипа. (Lampinen, 1993 г.) Износ является следствием удара шипа и соскабливания материала при выходе шипа из контакта с покрытием (напоминает работу дорожной фрезы). Энергия удара зависит от массы шипа и вертикальной скорости. Вертикальная скорость составляет 10-15% скорости автомобиля и зависит от типа шины и размера выступа шипа над поверхностью протектора. Сила удара зависит от размера выступа шипа и его конструкции. На абразивный эффект также влияют скорость и стиль вождения автомобиля, т.е. движение по прямой или кривой, ускорение и торможение. Исследования Lampinen так же были направлены на уточнение размера выступа и определение силы воздействия шипа: чем легче шип, тем меньше износ. Выявлено, что на износ сильно влияет тип каменного заполнителя (щебня). Величина выступа шипа и сила его воздействия влияют на износ меньше, чем тип каменного заполнителя, масса шипа и скорость движения автомобиля (Sistonen and Alkio, 1986 г.).
Несмотря на научно установленные факты негативного влияния шипов на дорожные покрытия, на сегодняшний день не представляется возможным найти подходящую альтернативу ошипованным шинам на период зимней эксплуатации колесных транспортных средств.
К сожалению, действующими в РФ нормативными документами износ дорожных покрытий ошипованной резиной практически не учитывается, отсутствуют методики прогнозирования данного износа, а также требования к износостойкости покрытий автомобильных дорог разных технических категорий.
Очевидно, что снижения ущерба можно добиться только при условии комплексного применения мероприятий по ограничению разрушающего воздействия ошипованных шин на дорожное покрытие и повышению его износостойкости. Опыт скандинавских стран свидетельствует об эффективности принятых ими законодательных требований, которые позволили значительно снизить износ дорожного покрытия.
При решении этой задачи очень важно создать соответствующую реальным условиям методику сертификации ошипованных шин по критерию износа дорожного покрытия, а также самих дорожных покрытий по тому же критерию. В настоящее время требования к шипам и ошипованным шинам регламентируются рядом документов, основным из которых является Технический регламент «О безопасности колесных транспортных средств» (TP ТС 018/2011). Вместе с тем, с целью обеспечения возможности совершенствования шин указано, что могут быть допущены отклонения в части увеличения количества шипов на 1 пог. м, в случае «если будет доказано, что это не приведет к увеличению износа дорожного покрытия». Поэтому создание и разработка дорожных покрытий должны учитывать условия эксплуатации на них ошипованных шин и, наоборот, конструирование новых видов шипов должно учитывать или соответствовать конструкции дорожного покрытия. В этом случае можно снизить наносимый шипами ущерб дорожному покрытию. В связи с этим необходимо учитывать все перечисленные ниже параметры при исследовании износа дорожных покрытий (ст."Об износе дорожного покрытия ошипованными шинами", авторы: Н.Л. Лушников, П.А. Лушников, Л.А. Горелышева (ФАУ "ГОСДОРНИИ"), А.В. Корниенко (ООО "АЛКОРН"), М.И. Новиков и А.Д. Хоружий (МИИТ), 10.04.2017 г., http://rosdornii.ru/files/dorogi-i-mosti/37/9.pdf):
1. Параметры шипов, влияющие на интенсивность изнашивания дорожного покрытия, в соответствии с TP ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств»: масса шипа, размер выступа шипа за пределы протектора и количество шипов на 1 пог. м.;
2. Параметры, влияющие на интенсивность изнашивания дорожного покрытия, не предусмотренные требованиями TP ТС 018/2011, но включенные в ГОСТ Р 54916-2012 «Шины пневматические ошипованные. Основные показатели качества»: сила давления износостойкого элемента шипа на дорожное покрытие, сила удержания шипа в протекторе шины;
3. Параметры, влияющие на интенсивность изнашивания дорожного покрытия, не предусмотренные требованиями TP ТС 018/2011 и ГОСТ Р 54916-2012 «Шины пневматические ошипованные. Основные показатели качества», но контроль которых необходим при проведении испытаний: площадь износостойкого элемента, воздействующего на дорожное покрытие, для различных типов шипов, скорость движения автомобиля, температура окружающего воздуха и состояние дорожного покрытия (мокрое, сухое, загрязненное и т.д.).
Существующие способы испытания ошипованных шин на их воздействие на дорожное покрытие или испытания дорожных покрытий на износ от взаимодействия с ошипованными шинами не дают реальной картины и достоверных данных, позволяющих их использовать в качестве оценочных параметров.
Например, известен способ оценки устойчивости образцов асфальтобетона к их износу шипованными шинами, в соответствии с которым изготавливают цилиндрический образец установленных размеров испытуемого асфальтобетонного покрытия и насыщают образец жидкостью, состав которой моделирует состав жидкости в реальных условиях эксплуатации асфальтобетонных покрытий, затем определяют объем образца гидростатическим путем и помещают его в герметичный барабан шаровой мельницы, в котором свободно размещены стальные шарики, имитирующие шипы шин, а также жидкость, состав которой моделирует состав жидкости в реальных условиях эксплуатации асфальтобетонных покрытий, потом размещают барабан с его приводом в морозильной камере и устанавливают в ней необходимую температуру для моделирования реальных условий эксплуатации, после этого вращают барабан, в котором при этом шарики ударяют по поверхности испытуемого образца, а также истирают его, вызывая его износ, по окончанию испытаний вынимают образец, промывают его водой и определяют оставшийся объем образца гидростатическим путем, а устойчивость испытуемого образца асфальтобетона к его износу ошипованными шинами оценивают по разнице объемов образца до и после испытаний (RU 2465389, Е01С 23/07, опубл. 27.10.2012 г.).
Параметр износа дорожного покрытия оценивается как условная единица, представляющая собой разницу в весе исследуемого образца покрытия до начала испытаний и после испытаний. Так, согласно известного способа изготовленный цилиндрический образец установленных размеров из испытуемого асфальтобетона насыщают жидкостью, состав которой моделирует состав жидкости в реальных условиях эксплуатации асфальтобетонных покрытий дорог. Затем определяют объем образца гидростатическим путем и помещают образец в герметичный барабан, в котором свободно размещены стальные шарики, имитирующие шипы шин, а также жидкость, состав которой моделирует состав жидкости в реальных условиях эксплуатации асфальтобетонных покрытий. Потом размещают барабан с его приводом в морозильной камере и устанавливают необходимую температуру в ней для моделирования реальных условий эксплуатации. После этого вращают барабан, в котором при этом шарики ударяют по поверхности испытуемого образца, а также истирают его, вызывая его износ. По окончании испытаний вынимают образец, промывают его водой и определяют оставшийся объем образца гидростатическим путем. Устойчивость испытуемого образца асфальтобетонного покрытия к его износу ошипованными шинами оценивают по разнице объемов образца до и после испытаний.
Таким образом видно, что полученный результат, который рассматривают как результат воздействия шипов на дородное покрытие - это результат ударов шариков об это покрытие. Известно, что шипы противоскольжения не являются шариками и имеют отличную от шариков конструкцию. Например, все известные шипы взаимодействуют с дорожным покрытием износостойкой вставкой, которая формирует не только ударное воздействие, но и скользящее царапающее и компрессионное. Кроме того, образуется ударная волна в структуре материала. Не учитывается сцепление резины шины с дорожным покрытием и ее деформация в пятне контакта, а так же ее волновое воздействие на это покрытие. Ко всему прочему, образец, изготовленный из испытуемого асфальтобетона повторяет материал покрытия, но не повторяет его структуру как уплотненного покрытия. Это приводит к тому, что образец не имеет поверхностно уплотненных слоев, его структура по плотности примерно однородна, что влияет на достоверность результатов по износу.
Так же известен стенд для определения характера износа испытуемого материала и автомобильного колеса с учетом массы транспортного средства, а также характеристик динамики движения и торможения, содержащий раму с электродвигателями испытуемого материала и автомобильного колеса, которые в совокупности функционально образуют динамическую систему, вал для закрепления на нем испытуемого материала, выполненного в виде цилиндра с центральным отверстием, который посредством муфты соединен с электродвигателем и имеет тормоз, при этом испытуемый материал взаимодействует с колесом автомобиля, которое закреплено на испытательном стенде посредством регулируемой планки, на которой закреплен вал автомобильного колеса, который соединен с электродвигателем автомобильного колеса и имеет тормоз вала автомобильного колеса (RU 184296, G01M 17/013, G01M 17/02, опубл. 22.10.2018 г.).
Данное решение принято в качестве прототипа для заявленных объектов.
Для испытаний испытуемый материал изготавливается в форме цилиндра с центральным отверстием и закрепляется на валу, затем на другой вал закрепляют автомобильное колесо. Включая электродвигатели, проводят испытания поведения испытуемого материала и автомобильного колеса при их одновременном вращении и в положении контакта автомобильного колеса с поверхностью исследуемого образца. При выключении одного из электродвигателей и нажатии тормоза обеспечивается испытания во время торможения.
Недостаток данного способа испытаний заключается в том, что полученный цилиндр, выполненный из материала, подлежащего исследованию на износ, в реальности, не совпадает по своим свойствам и структуре реальному дорожному покрытию, выполненному из этого же материала. Это объясняется разными технологиями получения образца и формирования покрытия. Дорожное покрытие формируют методом укатки (дорожным катком), при котором происходит уплотнение покрытия в нормальном направлении к поверхности взаимодействия с вальцом катка до тыльной стороны. Поэтому поверхностные слои имеют большее уплотнение, чем срединные. А при формовании цилиндрического образца уплотнение происходит по торцевым сторонам и имеет характер уменьшения к срединным слоям, при этом поверхность образующей остается недостаточно уплотненной, что приводит к повышенному ее износу под действием проскальзывания шипов. Кроме того, искажена картина взаимодействия шины с дорожным покрытием из-за невозможности получения полноценного пятна контакта на цилиндрической поверхности образца. Стенд сконструирован таким образом, что диаметр исследуемого образца существенно меньше диаметра беговой дорожки ошипованного колеса. Из-за этого происходит в большей части процарапывание поверхности образца без учета сцепления резины шины с образцом. Полученные результаты испытаний носят недостоверный характер из-за невозможности получения на этом стенде реальной картины взаимодействия шипов шины с дорожным покрытием в пятне контакта.
До настоящего времени стенды для реальных испытаний дородных покрытий на взаимодействие с автомобильными шинами, в том числе ошипованными, представляют собой развитые по площади полигонные установки. Так, в SU 1203178, Е01С 23/07, опубл. 07.01.1986 г., описан такой полигонного типа стенд, который включает в себя организованное в виде кольца большого диаметра дорожное покрытие из исследуемого материала. Дорожное покрытие выполнено в полном соответствии с требованиями к реальным дорожным покрытиям. Такое покрытие можно считать как участок реальной дороги. В центре этого кольца смонтирована ось, от которой в разные стороны протянуты траверсы, несущие на своих концах грузовые мосты с колесами, опирающимися на дорожное покрытие из исследуемого материала. Вращением траверс достигают качение колес по этому покрытию, а оценку износостойкости этого покрытия проводят по величине углублений царапин или колеи. Такой стенд позволяет однократно провести испытания конкретного дорожного покрытия, но подготовка к этому испытанию трудоемка и конструкция стенда сложна. Кроме того, затруднен процесс смены покрытия, так как ранее испытанное покрытие не подлежит восстановлению, а его замена относится к категории довольно сложных дорожно-строительных работ.
Аналогичный стенд так же описан в SU 1285346, EG01 N3/56, опубл. 23.01.1987 г., но в этом стенде кольцевой формы дорожное покрытие, подлежащее исследованию при взаимодействии с катящимися автомобильными шинами, выполнено составным из пристыкованных друг к другу секторной формы отдельных дорожных участков (каждый сектор - отдельный образец конкретного дородного покрытия - асфальтобетон, бетон, гравийный участок и т.д.). На этом стенде можно проводить сравнительные испытания, то есть получить информацию о том, какое из примененных покрытий служит дольше, является долговечнее и т.д.
В целом, стенды по SU 1203178 и 1285346 и аналогичные им максимально приближены к получению реальной информации о состоянии дорожного покрытия, взаимодействии на нее ошипованной шины и состояние самой шины. Но имеется один серьезный недостаток. Испытания на таких полигонного типа стендах зависят от климатических условий, сезона времени и трудоемкости смены покрытия. В результате невозможно получить высокую повторяемость результатов испытаний, летом невозможно получить достоверную информацию об износостойкости покрытия, при его эксплуатации в зимний период ошипованными шинами.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности получаемых данных контактного взаимодействия автомобильной шины с дорожным покрытием за счет формирования полноценного пятна контакта шины с исследуемым покрытием, сформированным по технологии создания дорожного покрытия транспортной инфраструктуры.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для испытания дорожного покрытия на износ ошипованными шинами, содержащем связанный с приводом вращения вал, на котором размещено колесо с ошипованной шиной, введенной в контакт с поверхностью исследуемого дорожного покрытия, при этом указанный вал с колесом с ошипованной шиной кинематически связан с узлом изменяемого нагружения этого колеса в направлении его контакта с поверхностью исследуемого дорожного покрытия, в качестве колеса с ошипованной шиной использовано колесо с пневматической шиной от картингового автомобиля, исследуемое дорожное покрытие сформировано на поверхности установленного на валу цилиндрического барабана и составлено из примыкающих друг к другу отдельных секторных элементов кольца, каждый из которых выполнен из исследуемого материала и закреплен на этом барабане, при этом диаметр наружной цилиндрической поверхности сформированного на барабане дорожного покрытия выполнен больше диаметра колеса с шиной от картингового автомобиля, ширина наружной цилиндрической поверхности сформированного на барабане дорожного покрытия выполнена, как минимум, в двое больше ширины пневматической шины.
Устройство может быть снабжено узлом перемещения колеса с пневматической шиной от картингового автомобиля вдоль образующей наружной цилиндрической поверхности сформированного на барабане дорожного покрытия, длина продольного перемещения по цилиндрической поверхности сформированного на барабане дорожного покрытия пневматической шиной от картингового автомобиля, равна как минимум ширине этой шины.
Для этого устройства вал барабана может быть связан с отдельным приводом вращения и оснащаться тормозным механизмом. А колесо с шиной от картингового автомобиля кинематически может быть связано с тормозным механизмом.
При этом по крайней мере часть смежно расположенных отдельных секторных элементов кольца может быть выполнена из исследуемого материала, отличного от материала другой части смежно расположенных отдельных сегментов.
Для этого устройства секторные элементы кольца дорожного покрытия для устройства для испытания дорожного покрытия на износ ошипованными шинами содержит стаканообразной формы основание, выполненное с элементами его закрепления на наружной поверхности цилиндрического барабана, и закрепленной в этом стакане вставки из исследуемого материала дорожного покрытия, выступающей из стакана частью, наружная цилиндрическая поверхность которой уплотнена по нормали к цилиндрической наружной поверхности и дугообразно отформована по радиусу, совпадающему с радиусом наружной цилиндрической поверхности сформированного на барабане дорожного покрытия.
Указанный технический результат достигается тем, что используемый для устройства для испытания секторный элемент кольца дорожного покрытия для устройства для испытания дорожного покрытия на износ ошипованными шинами содержит металлическое стаканообразной формы основание, выполненное с элементами его закрепления на наружной поверхности цилиндрического барабана, и отпресованной в этом стакане вставки из исследуемого материала дорожного покрытия, выступающей из стакана частью, наружная торцевая поверхность которой уплотнена и дугообразно отформована по радиусу, совпадающему с радиусом наружной цилиндрической поверхности сформированного на барабане дорожного покрытия.
В части способа испытания дорожного покрытия на износ ошипованными шинами указанный технический результат достигается тем, что колесо с ошипованной шиной прижимают к поверхности исследуемого дорожного покрытия и осуществляют вращение указанного колеса для прокатывания по этой поверхности, причем в качестве колеса с ошипованной шиной используют колесо с шиной от картингового автомобиля, а в качестве исследуемого дорожного покрытия используют беговую дорожку, сформированную на барабане из отдельных последовательно расположенных секторных элементов кольца выполненных из материала исследуемого дорожного покрытия, при этом колесо с шиной от картингового автомобиля прижимают к образующим кольцевых элементов секторов дорожного покрытия с усилием, меньшим допустимой нагрузки, предусмотренной для используемого типа шины, и при внутреннем давлении накачки, установленном производителем для этой шины, и осуществляют вращение колеса с шиной от картингового автомобиля по наружной цилиндрической поверхности дорожного покрытия на барабане, имеющей диметр, не менее двух диаметров шины от картингового автомобиля.
Для способа в зависимости от поставленных задач дополнительно осуществляют возвратно-поступательное перемещение пневматической шины от картингового автомобиля вдоль образующей барабана с секторными элементами дорожного покрытия.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства для испытания дорожного покрытия на износ ошипованными шинами;
фиг. 2 - вид сбоку на устройство по фиг. 1;
фиг. 3 - общий вид секторного элемента кольца дорожного покрытия стенда;
фиг. 4 - формовочное приспособление для изготовления секторного элемента кольца дорожного покрытия стенда.
Согласно настоящего изобретения рассматривается конструкция нового стенда - устройства для испытания дорожного покрытия на износ ошипованными шинами. Этот стенд содержит связанный с приводом вращения вал, на котором размещено колесо с ошипованной шиной, введенной в контакт с поверхностью исследуемого дорожного покрытия (фиг. 1).
При этом в качестве колеса с ошипованной шиной использовано колесо с шиной от картингового автомобиля, выполняемое производителем с внешним диаметром не более 290 мм. Выбор такого колеса обусловлен тем, что при проведении испытаний необходимо обеспечить образование на исследуемой поверхности полноценного пятна контакта ошипованной шины с покрытием. Только в этом случае возможно реально оценить в стендовых условиях испытаний действительную картину по воздействию резины шины и внедренных в нее шипов на поверхность этого покрытия. Так как в качестве исследуемой поверхности применяется уложенное на барабан реальное дорожное покрытие в виде секторных элементов кольца, то при вращении колеса с шиной на режимах, соответствующих движению автомобиля на скорости, например, 60 км/час, необходимо получить в пятне контакта соответствующую линейную скорость, которая для этого скоростного режима достигается при 9,1 об/сек. Для режима испытаний на скорости 90 км/час - 13,7 об/сек соответственно. Если учесть что футерованный дорожным покрытием барабан имеет вес, то при таких оборотах возможен отрыв элементов дорожного покрытия. Для исключения этого негативного явления необходимо минимизировать массу каждого элемента футеровки барабана увеличив количество секторных элементов кольца, надежно закрепить каждый элемент наружной футеровки барабана дорожным покрытием и уменьшить размер барабана, что приводит к уменьшению размера колеса. Но при этом колесо должно оставаться полноценным автомобильным колесом. Автомобильная промышленность выпускает полноценные автомобильные шины минимального диаметра только для картинговых автомобилей. Применение этого типа шин на колесах картингового класса позволяет максимально приблизить испытания к реальной картине взаимодействия автомобильной шины с дорожным покрытием.
Поведение шипов по отношению к дорожному покрытию не зависит от размера автомобильного колеса, а определяется давлением в шине, скоростным режимом, весом шипов, силой давления шипа приходящейся на площадь пятна контакта шипа с дорожным покрытием, структурой самого дорожного покрытия, и рядом других показателей. Поэтому использование ошипованных шин на колесах картингового размера позволяет не только получить реальную картину контактного взаимодействия с дорожным покрытием, но и исключить применение барабанов, несущих на внешней поверхности исследуемое покрытие, соответствующее по структуре и способу укладки реальному дорожному покрытию, большого диаметра для снижения габаритных размеров стенда, упрощения его изготовления, уменьшения размеров климатической камеры и снижения себестоимости стенда и испытаний в целом.
На фиг. 1 и 2 представлен один из возможных примеров исполнения такого устройства-стенда. В рамках настоящей заявки описание стенда представлено на уровне концепции, которая не рассматривает точное построение устройства с учетом принципов конструирования.
Устройство состоит из рамы основания 1, на которой закреплена стойка 2, несущая в подшипниковых узлах 3 вал 4, на котором закреплен с цилиндрической наружной поверхностью барабан 5, на наружной поверхности которого сформировано кольцевой формы исследуемое дорожное покрытие. Для этого устройства вал барабана может быть связан с отдельным приводом вращения 6 (например, в виде электродвигателя, ременной передачей 7 связанного с валом 4) и оснащаться тормозным механизмом (не показан).
В стенде исследуемое дорожное покрытие сформировано на поверхности установленного на валу цилиндрического барабана и составлено из примыкающих друг к другу отдельных секторных элементов 8 кольца, каждый из которых выполнен из исследуемого материала. Как вариант, все секторные элементы могут закрепляться на общей наружной поверхности барабана. Как вариант, барабан может быть выполнен из нескольких (например, двух, трех или более) дисков, несущих наружные цилиндрические поверхности для закрепления секторных элементов и которые после балансировки (вместе с секторными элементами дорожного кольца) соединяются между собой в общую сборку барабана.
Дорожное покрытие на барабане может быть полностью выполнено из секторных элементов кольца с подлежащего исследованию одним и тем же материалом, например, асфальтобетоном. Но возможен вариант, когда по крайней мере часть смежно расположенных отдельных секторных элементов кольца может быть выполнена из исследуемого материала, отличного от материала другой части смежно расположенных отдельных секторных элементов кольца. В этом случае появляется возможность исследовать причины износа двух или трех видов дородных покрытий при проведении одного испытания (появляется возможность проведения одномоментных сравнительных испытаний).
В этом случае появляется возможность варьировать расположением секторных элементов на барабане. Например, диски могут быть расположены друг относительно друга так, что стыки секторных элементов кольца дорожного покрытия, закрепленных на одном диске, смещены относительно стыков секторных элементов смежного диска. Кроме того, возможно использование операции по шлифовке или выравниванию наружной поверхности собранного барабана.
На раме основания 1 одним концом шарнирно (поз.9) закреплена подвижная рама 10, которая установлена с возможностью углового перемещения в сторону поверхности дорожного покрытия барабана от привода, например выполненного в виде силового цилиндра 11 (пневматического или гидравлического).
На подвижной раме 10 на направляющих 12 размещена каретка 13, по которым эта каретка 13 перемещается параллельно образующей барабана (покрытия) от силового привода 14, например, электропривода или гидравлического цилиндра. На каретке 13 в подшипниковых опорах расположен вал 15, на котором закреплено колесо с ошипованной шиной 16 от картингового автомобиля и который связан кинематически с отдельным приводом 17 вращения этого колеса (например, в виде электродвигателя, ременной передачей 18 связанного с валом 15). В данном случае, силовой цилиндр 11 является узлом изменяемого нагружения колеса в направлении контакта шины с поверхностью исследуемого дорожного покрытия. Колесо с шиной от картингового автомобиля кинематически так же может быть связано с отдельным тормозным механизмом (не показан).
Диаметр наружной цилиндрической поверхности сформированного на барабане дорожного покрытия выполнен больше диаметра колеса с шиной от картингового автомобиля. Опытные исследования показали, что для картингового колеса с шиной с наружным диаметром 260-290 мм диаметр барабана, измеренный по наружной беговой поверхности созданного покрытия может не превышать 580 мм. При этом на окружности в зоне контакта образуется пятно контакта с реальной площадью 90-95% от той площади, пятна контакта, которая имеет место при качении автомобиля по дороге.
Вал с колесом с шиной и вал с барабаном, на образующей поверхности которого закреплено дорожное покрытие, размещают в кожух 19 или корпус, обеспечивающий нераспространение продуктов износа, частиц покрытия, разлет вылетевших из шины шипов и т.д. в целях обеспечения безопасности проведения испытаний.
Стенд позволяет проводить испытания ошипованной шины на дорожном покрытии за счет принудительного вращения шины по этому покрытию. В этом случае на цилиндрической поверхности дорожного покрытия барабана вырабатывается колея, соответствующая размеру шины. В реальности разные автомобили имеют шины с разной шириной беговой дорожки протектора. При этом при движении автомобиль может не катиться по ранее выработанной другими автомобилями колее, а перемещаться по соседнему участку. На реальной дороге это выгляди г как широкая колея. Для имитации реальных условий необходимо, чтобы колесо с шиной 16 имело возможность перемещения вдоль образующей цилиндрического покрытия на барабане. С этой целью каретка 13 размещена на направляющих 12, по которым она перемещается параллельно образующей барабана (покрытия) от силового привода 14, например, электропривода или гидравлического цилиндра.
Такие возвратно-поступательные параллельно образующей барабана (покрытия) перемещения колеса по заданному алгоритму позволяют максимально имитировать реальные дорожные ситуации, в том числе и маневры, относящиеся к повороту колеса относительно покрытия.
Сформировать на наружной образующей поверхности барабана полноценное дорожное покрытие из реального материала, применяемого при строительстве дорог транспортной инфраструктуры представляет собой довольно сложно решаемую задачу, так как при этом необходимо на цилиндрической поверхности барабана получить уплотнение покрытия в радиальном направлении, которое соответствовало бы уплотнению покрытия от давления дорожного катка.
Особенностью заявленного стенда является то, что покрытие на барабане выполняется по технологии укатки катком, что позволяет получить структуру покрытия, практически совпадающую с реальным уплотнением дорожного покрытия.
В заявленном устройстве исследуемое покрытие образуют из примыкающих друг к другу отдельных секторных элементов кольца, каждый из которых выполнен из исследуемого материала и закреплен на этом барабане. Ниже приводится один из возможных примеров получения такого покрытия для барабана.
Каждый такой секторный элемент 8 дорожного покрытия для устройства для испытания дорожного покрытия (фиг. 3) на износ ошипованными шинами содержит основание 20 в виде стаканообразной формы элемента, выполненного с элементами его закрепления на наружной поверхности барабана или дисков, из которых собран цилиндрический барабан. В качестве таких элементов закрепления можно использовать приваренные к днищу стакана болты 21, которые пропускают через отверстия в поверхности барабана и приворачивают гайками 22, при этом днище стакана выполнено по радиусу в соответствии с радиусом поверхности барабана или диска на которую они устанавливаются.
В этом стакане формируется вставка 23 из исследуемого материала дорожного покрытия с выступающей из стакана частью, наружная торцевая поверхность 24 которой уплотнена по нормали к цилиндрической наружной поверхности и дугообразно отформована по радиусу, совпадающему с радиусом наружной цилиндрической поверхности сформированного на барабане дорожного покрытия.
Для закрепления вставки в стаканооборазном основании могут использоваться различные технические приемы. На фиг. 3 показано стаканообразное основание, в стенках которого выполнены проемы 25 или вырезы - окна. При формовании вставки часть материала заходит в эти проемы, что препятствует выпадению вставки из основания. Возможно образование в стакане основания внутренних выступов, которые внедряются в тело вставки и тем самым препятствуют ее выпадению.
Формуют вставку в матрице 26 (фиг. 4), в которую вставляют стаканообразное основание. Боковые стенки матрицы повторяют форму будущей вставки. После этого полость матрицы заполняют материалом 27 исследуемого дорожного покрытия и производят первичное уплотнение с целью полного заполнения объема основания. А затем производят уплотнение наружной внешней поверхности вставки за счет того, что эту поверхность оказывает давление пуансон 28 с выпуклой уплотняющей поверхностью (в виде сектора). При уплотнении производят качание как матрицы, так и пуансона (от привода, например силового цилиндра 29). Для этого матрица 26 и пуансон 28 поворачиваются относительно неподвижных шарниров 30 и 31, но пуансон имеет еще возможность перемещения в сторону вставки (для изменения силового воздействия на вставку). По мере качания пуансон пригружают нарастающим усилием, чтобы имитировать процесс уплотнения покрытия от действия дорожного катка (секторного пресса). Качание матрицы и пуансона позволяет сформировать дугообразно выпуклую наружную поверхность вставки, чтобы она могла вписаться в окружность дорожного покрытия и получить уплотнение исследуемого материала в полном соответствии с требованиями к реальным дорожным покрытиям. После достижения требуемого уплотнения секторные элементы кольца вынимают из матрицы и производят полимеризацию материала вставки. Затем вставка с основанием закрепляется на барабане или на его дисках.
Использование матрицы позволяет получить геометрически правильные секторные элементы кольца, плотно прилегающие боковыми сторонами друг к другу на поверхности барабана. Точность исполнения форм вставок при этом методе формования позволяет получить практически беззазорную поверхность исследуемого покрытия. Если же в процессе испытаний по причине износа или разрушения покрытия в местах контакта секторных элементы кольца образуются щели, то это можно рассматривать как пример имитация реального покрытия.
Применение секторных элементов кольца для образования беговой дорожки на барабане позволяет менять одно покрытие на другое из другого материала. При этом такая замена не связана с переделкой самого стенда, что существенно расширяет возможности стенда по проведению сравнительных испытаний.
В общем случае, на таком стенде-устройстве можно организовать большое количество разных способ испытания дорожного покрытия на износ ошипованными шинами на любых режимах движения автомобильного колеса.
Алгоритм проведения таких способов одинаков:
- колесо с ошипованной шиной прижимают к поверхности исследуемого дорожного покрытия и осуществляют вращение указанного колеса для прокатывания по этой поверхности;
- в качестве колеса с ошипованной шиной используют колесо с шиной от картингового автомобиля;
- в качестве исследуемого дорожного покрытия используют беговую дорожку, сформированную на барабане из отдельных последовательно расположенных сегментов, выполненных из материала исследуемого дорожного покрытия
- колесо с шиной от картингового автомобиля прижимают к образующим кольцевой формы дорожного покрытия секторных элементов кольца с (контролируемым) усилием, меньшим допустимой нагрузки, предусмотренной для используемого типа шины, и при внутреннем давлении накачки, установленном производителем для этой шины;
- осуществляют вращение колеса с шиной от картингового автомобиля по цилиндрической поверхности дорожного покрытия на барабане, имеющей диаметр, не менее двух диаметров шины от картингового автомобиля;
- осуществляют по заданному алгоритму возвратно-поступательные перемещения колеса с пневматической шиной от картингового автомобиля вдоль образующей наружной пилиндрической поверхности сформированного на барабане дорожного покрытия.
Главной особенностью заявленного стенда и способов, которые можно на нем реализовать, заключается в том, что на стенде реализуются реальные условия взаимодействия реального ошипованного пневматического колеса автомобиля с реальным дорожным покрытием, структура которого повторяет структуру укатанного дорожным катком покрытия. Поэтому получаемые данные по, например, износу стендового покрытия будут прямым образом указанием на то, что этот же износ будет и на полотне реальной дороги. При этом отпадает необходимость вводить корреляции, коэффициенты и т.д., которые искажают реальную картину поведения колеса на дороге или дороги при воздействии на нее автомобильного колеса с пневматической шиной.
Одним из испытаний на таком стенде является испытание на прямой износ покрытия от воздействия на него шипов противоскольжения. При этом испытании автомобильное колесо с шиной от картингового автомобиля прижимают к цилиндрической поверхности дорожного покрытия на барабане. Включают привод вращения этого колеса и разгоняют его в режиме стандартного разгона автомобиля при трогании с места до оборотов, соответствующих проявлению в пятне контакта линейной скорости, например, 60 км/час. При начале вращения автомобильного колеса вес и инерционность барабана и кольцевым покрытием имитирует сопротивление качению колеса. Происходит постепенный разгон барабана до установленных оборотов. Затем поддерживают вращение в течение времени, достаточного, чтобы получить картину проявившихся фрагментов износа (вырывы, сколы, царапины, появление колеи и т.д.). Оценку износа покрытия проводят по известным приемам, например, по глубине колеи. В частности, как вариант, может использоваться лазерный контроль глубины износа дорожного покрытия на барабане. Для этого может использоваться, например, лазерный 3D-сканер (ст."Лазерное 3D-сканирование и портативные КИМ для контроля геометрических параметров и обратного проектирования", ж. "Вектор высоких технологий" №2(23), 2016 г. стр. 56-63).
Принцип действия лазерного сканера построен на триангуляционном методе измерения расстояния до объекта. Суть этого метода в следующем: исходящий из источника луч лазера, отличающийся от обычною света высокой параллельностью пучка, падает на поверхность. Далее часть падающего пучка отражается от этой поверхности и попадает в приемник. На приемнике линза фокусирует отраженный луч на ПЗС-матрице, где положение яркого пятна на матрице показывает направление входящего луча, т.е. угол между лазерным лучом и возвращенным светом. Угол отражения лазера изменяется в зависимости от расстояния до объекта и, таким образом, изменяется положение точки лазера на приемнике. Учитывая, что источник лазерного луча и приемник фиксированы и расположены на определенном расстоянии, то можно измерить угол отражения простым геометрическим построением. В итоге получаем три параметра: расстояние от приемника до источника, угол между лучом, испущенным лазером, и линией приемник-лазер и угол между отраженным лучом и линией приемник-лазер. По этим трем параметрам можно восстановить все стороны и углы треугольника и, в том числе, расстояние до объекта.
В результате при сканировании получаем картину разности первичного профиля исследуемого дорожного покрытия на барабане и профиля, получаемого в результате выработки материала этого покрытия от воздействия ошипованной шины.
Использование привода вращения самого барабана позволяет произвести обработку наружной поверхности барабана после установки на него всех кольцевых секторов покрытия для устранения разницы толщины секторов полученной при прессовании, заменив колесо с шиной от картингового автомобиля на инструмент, например, абразивный или алмазный круг, расширить арсенал возможных дорожных ситуаций и, например, провоцировать подтормаживание барабана для имитации режима движения автомобильного колеса на подъем и т.д. Аналогичные возможности обеспечивают тормозные механизмы или использование блоков управления с режимами изменения оборотов приводных электродвигателей.
Кроме того, устройство-стенд может размещаться в климатической камере. Это позволяет проводить испытания дорожного покрытия и ошипованной шины в широком диапазоне температур. В частности, ошипованные шины применяются в зимний период времени, когда температура окружающей среды опускается ниже 4°С. Поэтому применение климатических камер для возможности проведения испытаний в летний период времени вполне оправдано. В связи с тем, что в период низких температур возможны колебания температур от отрицательных до положительных и с появлением влаги, то можно использовать климатические камеры типа "Тепло-Холод" или "Тепло-Холод-Влага" (например, климатические камеры (термокамеры) нового поколения "EXCAL" или климатические камеры КТХД производства производственной компании «Метротест»). Применение таких климатических камер позволит максимально близко воссоздать реальные климатические условия, являющиеся специфическими для того или иного региона, в котором эксплуатируются ошипованные шины.
Кроме того, устройство-стенд может быть дополнительно оснащено приспособлением для подачи в зону контакта шины с дорожным покрытием антигололедного реагента в виде жидкого раствора. Подача такого широко применяемого в крупных городах с масштабно развитой транспортной инфраструктурой антигололедного средства позволяет при испытаниях в климатической камере обеспечить полное соответствие условиям качения ошипованной шины по реальному дорожному покрытию в зимний период эксплуатации. Кроме того, возможно применение приспособления по дозированной подаче мраморной или гравийной крошки в зону контакта ошипованной шины с исследуемым дорожным покрытием. Вопрос износа дорожного покрытия из-за его контакта с шипами противоскольжения до настоящего времени изучен не достаточно полно и разносторонне из-за того, что при проведении испытаний не учитывают все факторы, влияющие на появление дефектов в этом покрытии. Например, в средней климатической полосе за зимний период может происходит до 150 переходов с отрицательной температуры до положительной. В результате в трещинах дородного покрытия скапливается влага, которая потом при расширении усиливает и расширяет трещины. А попавшие в ламели шины частицы гравия или кусочки мрамора и застрявшие в них вообще превращают шину в абразивный круг, воздействие которого на пластический компонент дородного покрытия существенно выше, чем последствия от шипа противоскольжения. Поэтому применение этих перечисленных приспособлений позволит при испытаниях получить достоверную информацию о реальном воздействии шипов противоскольжения на дорожное покрытие.
Исследования показали, что годовой износ верхнего слоя асфальтобетонного покрытия на дорогах с разным уровнем интенсивности движения колеблется в довольно широких пределах - от 5 до 10 и более мм. К сожалению, действующими в РФ нормативными документами износ дорожных покрытий шипованной резиной практически не учитывается, отсутствуют методики прогнозирования данного износа, а также требования к износостойкости покрытий автомобильных дорог разных технических категорий.
Финскими исследователями Unhola установлено, что в основном износ покрытия определяется массой шипа и типом каменного заполнителя. Также подтвердилось, что размер выступа и сила воздействия шипа не оказывают заметного влияния на износ. Исследования производились при скорости автомобиля 100 км/ч. Lampinen отметил, что износостойкость покрытия значительно повышается при увеличении размера крупной фракции щебня и процентного содержания фракции крупнее 8 мм. Удельная площадь минерального заполнителя должна быть по возможности меньше.
Обобщив данные указанных наблюдений, выполненных при обследовании финских дорог в 1982-1988 г.г., Lampinen исследовал влияние погодных условий на образование колеи. Процесс образования колеи ускоряется (по сравнению с сухой поверхностью) при повышении влажности покрытия и снижении температуры ниже 0°С. Влажность поверхности влияет на образование колеи сильнее, чем низкая температура.
Lampinen считает, что образование колей на покрытиях может быть снижено уменьшением количества ударных воздействий шипов (т.е. уменьшением количества автомобилей с шипованной резиной и уменьшением количества шипов, заделанных в протектор); снижением начальной колейности за счет совершенствования технологии устройства покрытий; совершенствованием конструкции шипов для снижения их абразивных свойств (при сохранении сцепных характеристик) и путем разработки типов покрытий менее чувствительных к образованию колеи.
В итоговом отчете «Проектирование асфальтобетонных покрытий», выполненном группой исследователей совместно с финской национальной нефтяной компанией (Saarela, 1993 г.), констатируется, что наиболее важной характеристикой покрытия, влияющей на износ шипованной резиной, является износостойкость асфальтобетона. К важнейшим факторам, влияющим на износ, отнесены также интенсивность движения автомобилей и влажность поверхности покрытия. В некоторых случаях при проектировании следует учитывать скорость движения автомобилей и холодный климат (ст."Износ дороги", А.Г. Спектор, главный специалист ООО «Дорсервис», выложена на сайте ГК «Дорсервис» по адресу: http://www.dor.spb.ru/index/technology/iznos-pokrytiy/)
Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть использовано для получения в лабораторных условиях достоверной информации по износу дородного покрытия от взаимодействия с резиной шин и шипами противоскольжения. Стенд и способ испытаний позволяют оценивать само дорожное покрытие или вырабатывать новые подходы к разработкам шипов противоскольжения. Изобретение обеспечивает достоверность получаемых данных контактного взаимодействия автомобильной шины с дорожным покрытием за счет формирования полноценного пятна контакта шины с исследуемым покрытием, сформированным по технологии создания дорожного покрытия транспортной инфраструктуры.