УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЦЕПНЫХ КАЧЕСТВ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ
DEVICE TO DETERMINE COUPLING PROPERTIES OF ROAD SURFACE

Изобретение относится к устройствам оперативного контроля сцепных качеств сооружаемых и эксплуатируемых дорог с твердым покрытием, а также аэродромов и может быть использовано при расследовании ДТП.
В настоящее время практическое применение нашли три основные типа портативных устройств, предназначенных для оценки сцепных качеств дорог с твердым покрытием: маятникового, ротационного и ударного. Все они основаны на измерении коэффициента трения скольжения в качестве коэффициента сцепления. Наиболее стабильные результаты из вышеперечисленных устройств показывает устройство ударного действия [1]. Оно включает движитель в виде имитатора шины, установленного на конце рычага, связанного с регулируемым нагрузочным устройством ударного действия, смонтированного на корпусе. Принцип работы устройства основан на использовании энергии падающего груза для перемещения резиновых имитаторов шины.
Основным недостатком всех вышеупомянутых устройств, в том числе и описанного, является то, что он основан на определении коэффициента трения скольжения в качестве коэффициента сцепления. Однако известно, что значительное влияние на процесс скольжения оказывает ряд внешних физических факторов, таких как скорость движения, температура в зоне контакта и динамика, в том числе и измерительного средства [2, с.102, 202]. Поэтому все способы измерения, основанные на скольжении имитатора шины по покрытию, а также реализующие эти способы приборы недостоверны по физической сути явления, которое они должны отражать, и весьма приблизительны по количественной характеристике. Кроме того, описанный подход к проблеме сцепления находится в противоречии с научной теорией о процессе сцепления колесного движителя с твердым основанием, в частности дорожным покрытием. Так, согласно [2 с.116] качение цилиндра по поверхности характеризуется наличием в площадке контакта двух зон - скольжения и покоя. Установлено, что чем больше площадка покоя, тем эффективнее реализация сцепных качеств взаимодействующих объектов. При полном отсутствии качения, т.е. отсутствия зоны покоя в контакте, что типично для скольжения, нельзя говорить о наличии сцепления в прямом смысле этого слова, а можно говорить о неком интегральном сопротивлении передвижению, которое обусловлено различными, в том числе и субъективными, факторами, не имеющими непосредственного отношения к физическому взаимодействию движителя с покрытием дороги.
Это сопротивление лишь в незначительной мере отражает зависимость сцепных качеств покрытия от его шероховатости и влажности и упругости материала (резина) шины. Объективным критерием этих качеств может быть только коэффициент трения покоя [2, с.120].
Известно устройство для оценки сцепных качеств дорожного покрытия, основанное на измерении коэффициента трения покоя, которое включает имитатор шины и регулируемые основное и дополнительное нагрузочные механизмы, смонтированные на корпусе и кинематически связанные с имитатором шины. Устройство снабжено также индикатором величины коэффициента сцепления [3]. Основой конструкции обоих нагрузочных механизмов является труба, внутри которой установлена пружина, размещенная между подвижными верхним и нижним поршнями. Оба поршня кинематически связаны с движителем в виде двуплечего рычага, несущего имитатор шины. Нагружение имитатора осуществляется вручную принудительным перемещением верхних поршней: для создания вертикальной нагрузки - поршня основного нагрузочного механизма, а для создания горизонтальной нагрузки - поршня дополнительного нагрузочного механизма. К трубе последнего примыкает индикатор величины коэффициента сцепления, кинематически связанный со средством перемещения верхнего поршня.
К недостаткам аналога следует отнести нетехнологичность конструкции обоих нагрузочных механизмов, содержащих значительное количество деталей, требующих механической обработки. Наличие в них узлов трения (поршни в трубах) влияет на точность оценки измеряемого параметра. Снижает эту точность также необходимость вручную осуществлять нагружение имитатора шины через дополнительный нагрузочный механизм. Как показали результаты исследований, проведенных авторами, различная скорость нагружения дает разброс в показаниях на 5-10%. Меняющееся во времени психоэмоциональное состояние даже одного и того же оператора способно в значительной мере повлиять на величину измеряемого коэффициента сцепления. Даже два измерения, проведенные подряд на одном и том же месте, по этой причине могут оказаться разными. Тем более, разброс показаний будет присутствовать у различных операторов, использующих одно и то же устройство.
Устройство, выбранное в качестве прототипа, свободно от основного недостатка аналога, т.е. оно исключает влияние психоэмоционального состояния оператора на точность показаний при определении сцепных качеств дорожного покрытия. Это устройство [4] включает имитатор шины и кинематически связанные с ним основной и дополнительный нагрузочные механизмы, смонтированные на несущем корпусе, а также индикатор определения сцепных качеств дорожного покрытия. Основной нагрузочный механизм выполнен в виде пары верхней и нижней кареток, связанных между собой через упругий элемент в виде витой пружины и установленных с возможностью совместного, возвратно-поступательного перемещения в направляющих несущего корпуса. При этом имитатор шины выполнен в виде блока из стальной пластины и резины, закрепленного к нижней каретке, с которой также связан и дополнительный нагрузочный механизм.
Кроме того, дополнительный нагрузочный механизм выполнен в виде пневмопривода, который состоит из корпуса с гибкой мембраной, жестко связанной со штоком, один конец которого соединен с нижней кареткой при помощи рычага, а другой, помещенный в напорной полости корпуса, взаимодействует с подпружиненным клапаном, связывающим напорную полость корпуса с последовательно соединенными регулятором расхода газа, ресивером и источником сжатого газа. В корпусе пневмопривода установлена пружина возврата имитатора шины в исходное положение.
Устройство также снабжено средством автоматической подачи газа в корпус пневмопривода и его сброса, выполненного в виде двухпозиционного распределителя, встроенного в пневмомагистраль между напорной полостью корпуса пневмопривода и регулятором расхода газа, при этом нажимной элемент распределителя взаимодействует в рабочем положении с покрытием.
Индикатор величины коэффициента сцепления выполнен в виде манометра, подключенного к напорной полости корпуса пневмопривода, с которой также связано средство автоматического сброса давления.
Основным недостатком устройства-прототипа является сложность его конструкции. Во-первых, пневмопривод представляет собой нестандартное изделие, где в одном корпусе размещены несколько деталей различной сложности и разного функционального назначения. В частности, в корпусе совмещаются два механизма, обеспечивающих возвратно-поступательное перемещение имитатора шины, и клапан, отсекающий напорную полость пневмопривода от пневмомагистрали. Необходимость проведения ремонтных работ хотя бы одного из вышеперечисленных механизмов или клапана потребует разборки всего пневмопривода. Кроме того, наличие в последнем трех упругих взаимосвязанных элементов (пружина возврата, пружина клапана, мембрана) значительно усложняет процесс настройки устройства в целом. Во-вторых, дополнительным фактором, усложняющим конструкцию устройства, является рычажная передача, связывающая шток пневмопривода с имитатором шины. Эта передача преобразует поворотное движение рычага в поступательное и прямолинейное перемещение имитатора шины. Шарниры, обеспечивающие это преобразование (кроме шарнира крепления рычага к корпусу), представляют собой взаимодействующие вилки и оси, изготовление которых требует повышенной точности и использования антифрикционных материалов, чтобы исключить возможные зазоры и уменьшить трение скольжения - факторы, могущие негативно повлиять на точность определения сцепных качеств дорожного покрытия. В-третьих, двухпозиционный распределитель, управляемый нажимным элементом, в свою очередь взаимодействующим с покрытием, нельзя считать полностью защищенным от влияния окружающей среды, в частности, пыли, влаги и грязи. Более того, неровности поверхности дорожного покрытия могут вызвать неодинаковые перемещения нажимного элемента, что скажется на надежности работы распределителя, а значит, и работы устройства в целом.
Таким образом, задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности работы устройства для определения сцепных качеств дорожного покрытия.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве определения сцепных качеств, содержащем корпус, на котором смонтирован имитатор шины, снабженный нагрузочным механизмом и связанный с приводом его возвратно-поступательного перемещения, выполненным в виде сочетания пружины возврата и пневмопривода, который через ресивер сообщен с источником сжатого воздуха, имитатор шины расположен между пружиной возврата и пневмоприводом, с которыми он связан посредством гибкой связи. Последняя выполнена в виде металлической ленты, опирающейся на отклоняющие свободно вращающиеся барабаны, при этом пружина возврата и пневмопривод смонтированы на корпусе таким образом, что направление их действия перпендикулярно направлению перемещения имитатора шины. Кроме того, устройство снабжено индикатором начала отсчета измерения, включающим подвижный и неподвижный контакты, образующие электрическую цепь с источником электрического тока и светодиодом, при этом подвижный контакт расположен на гибкой связи, а неподвижный контакт - на корпусе.
На прилагаемых к описанию чертежах даны схематические изображения:
на фиг.1 - общий вид конструкции устройства для определения сцепных качеств дорожного покрытия;
на фиг.2 - внешний вид этого устройства.
Предлагаемое устройство включает корпус 1, на котором смонтированы все необходимые и достаточные для выполнения поставленной задачи узлы и детали. С внешней стороны корпус 1 несет опорные пластины 2, предназначенные для ног оператора при использовании устройства. Пластины 2 могут быть съемными и стационарными. Основным элементом устройства является имитатор шины 3, который представляет собой «сэндвич», образованный рядом пластин: резиновой - 4 и металлических - 5 и 6. Между двумя последними пластинами помещена гибкая связь, выполненная в виде металлической ленты 7. На внешней из пластин 6 установлен нагрузочный механизм, представляющий собой пружину 8, размещенную в чашках 9, верхняя из которых несет ролик 10, взаимодействующий с элементом корпуса 1. Имитатор шины 3 установлен в корпусе 1 в направляющих (не показаны) с возможностью возвратно-поступательного перемещения, для чего один его конец связан с пружиной возврата 11, а другой - со штоком 12 пневмопривода (пневмоцилиндр) 13, сообщенного через ресивер 14 с источником сжатого воздуха 15 (ручной насос). Пневмоцилиндр и пружина возврата смонтированы на корпусе таким образом, что направления их действия перпендикулярны направлению перемещения имитатора шины 3. В связи с этим обстоятельством лента 7 опирается на пару отклоняющих барабанов 16, установленных свободно на осях кронштейнов 17. Подпоршневая полость пневмоцилиндра 13 связана с индикатором оценки сцепных качеств дорожного покрытия, выполненным в виде манометра 18, шкала которого отградуирована в единицах коэффициента сцепления. Та же полость через клапан 19, снабженный кнопкой 20, сообщается с наружным пространством. Аналогичный клапан 21 с кнопкой 22 включен в пневмомагистраль связи пневмоцилиндра 13 и ресивера 14. Кроме вышеназванного, устройство содержит индикатор начала отсчета измерения коэффициента сцепления, включающего пару контактов 23 и 24, образующих электрическую цепь с источником 25 электрического тока и светодиодом 26. При этом неподвижный контакт 23 закреплен на корпусе 1, а подвижный контакт 24 - на ленте 7.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Ручным насосом 15 осуществляют накачку сжатым воздухом ресивера 14 до требуемой величины давления (3,0-4,0 атм). Последнее с учетом объема ресивера 14 должно обеспечить не менее 10 автономных измерений без использования насоса. В исходном положении имитатор шины 3 оттянут влево под действием пружины возврата 11, а шток 12 выдвинут из корпуса пневмоцилиндра 13. При установке несущего корпуса 1 на покрытие для проведения измерения оператор своим весом прижимает его, опираясь ногами на подножки 2, жестко закрепленные на корпусе 1. В этом положении имитатор шины 3 располагается на покрытии и, утапливаясь внутрь корпуса 1, сжимает пружину 8, создавая необходимое усилие на имитаторе шины. Далее, оператор нажатием кнопки 22 клапана 21 осуществляет подключение ресивера 14 к подпоршневой полости пневмоцилиндра 13, наполнение которой сжатым воздухом осуществляется с постоянной, заранее заданной незначительной скоростью, что вызовет соответствующий рост давления на поршень. В определенный момент, когда сила давления на штоке пневмоцилиндра 13, передаваемая на имитатор шины 3 через металлическую ленту 7, сравняется с силой трения, т.е. установится равновесие, имитатор шины сдвинется с места и принудительно переместится вправо на расстояние в 5-10 мм, которое определяется расстоянием между контактами 23 и 24. При смыкании последних замкнется электрическая цепь индикатора начала отсчета измерения коэффициента сцепления и загорится светодиод 26, по сигналу которого оператор отпускает кнопку 22 клапана 21, отсекая ресивер 14 от пневмоцилиндра 13. Однако имитатор шины 3 продолжит самостоятельно движение, вызванное состоянием динамического равновесия между силой трения и упругой силой сжатого воздуха. Такое состояние возникает в связи с тем, что с течением времени, после прекращения принудительного перемещения, происходит релаксация накопленных внутренних напряжений в резиновой пластине имитатора шины, которая меняет ее свойства. По мере самостоятельного перемещения имитатора внутренние напряжения релаксируются настолько, что устанавливается статическое равновесие между вышеуказанными силами. В этом случае имитатор шины 3 останавливается, что означает равенство этих сил. Устройство настроено таким образом, что показания, фиксируемые на манометре 18, являются количественным выражением силы трения покоя или коэффициента сцепления. Полученная величина регистрируется оператором. Для осуществления следующего измерения оператор должен сойти с подножки и наклонить устройство в любую сторону или просто приподнять его, а затем нажать на кнопку 20 клапана 19, что вызовет сброс давления в пневмоцилиндре 13. После этого автоматически пружина возврата 11 переместит имитатор шины 3 влево, т.е. в исходное положение, подготовив устройство для проведения следующего измерения, проведение которого осуществляется в описанной выше последовательности.
В настоящее время разработаны рабочие чертежи устройства и на первый квартал 2011 г. намечено его изготовление с последующим проведением лабораторных и полевых испытаний.
Источники информации
1. В.В.Сильянов. Транспортно-эксплуатапионные качества автомобильных дорог, М. Транспорт, 1984, с.287.
2. И.В.Крагельский, В.С.Щедров. Развитие науки о трении. Академия наук СССР, 1958, с.290.
3. SU №2156844 C2, E01C 23/07, 27.09.2000 - аналог.
4. RU №2211277 C1, У01С 23/07, 27.08.2003 - прототип.