УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА С ИСКУССТВЕННЫМ ПОКРЫТИЕМ
DEVICE FOR DETERMINATION OF COEFFICIENT OF WHEEL ADHESION TO ARTIFICIAL PAVEMENT

Изобретение относится к устройствам и системам для оценки состояния поверхности искусственных покрытий, в том числе и в местах, где измерение коэффициента сцепления затруднено или невозможно из-за ограниченной протяженности, малого радиуса кривизны дорог или интенсивного автомобильного движения.
Известно "Устройство для измерения коэффициента сцепления аэродромного и дорожного покрытий" (Патент №2134415 RU, G01N 019/02), которое предназначено для оценки состояния дорожного покрытия механическим способом. Устройство содержит измерительное колесо, которое установлено на отдельной раме, соединенной с балкой заднего моста зажимным устройством. На раме установлен шарнир с измерительным датчиком. Измерительное колесо через полуоси соединено с задающим колесом. Для вертикальной нагрузки на измерительное колесо в измерительной системе устройства имеется груз, закрепленный шарнирно. Усилие нагрузки передается пружинным амортизатором.
В известном устройстве значение коэффициента сцепления (Ксцп.) определяют путем измерения продольной силы сцепления (Рсцп.) измерительного колеса с поверхностью покрытия при постоянной его пробуксовке. При этом коэффициент сцепления вычисляют по формуле
Ксцп.=Рсцп./Рг,
где Ксцп.- коэффициент сцепления измерительного колеса с поверхностью покрытия;
Рсцп. - сила сцепления измерительного колеса с поверхностью покрытия при постоянной пробуксовке;
Рг. - вертикальная сила нагрузки на измерительное колесо.
Недостатком известного устройства является то, что измерительное колесо принуждается к постоянному механическому скольжению по поверхности покрытия, что увеличивает погрешность измерений. При этом измерение коэффициента сцепления осуществляется на заданной скорости - 50 км/час.
Другим известным устройством является "Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием" (авторское свидетельство №630982, кл. G01N 19/02).
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 колес, соединенных редуктором через блокировочную муфту, осуществляется движение измерительного колеса с заданной пробуксовкой относительно покрытия. Соотношение диаметров ведущего и измерительного колес обеспечивает заданную пробуксовку измерительного колеса. Вследствие пробуксовки измерительного колеса возникает продольная сила сцепления (Рсцп.). Значение коэффициента сцепления вычисляется по известной формуле
Ксцп.=Рсцп./Рг.
Недостаток известного устройства заключается в том, что при определении коэффициента сцепления устанавливается скорость движения, равная 40-50 км/час, при этом появляется занос измерительной тележки - появляется поперечная сила торможения, что занижает точность измерения коэффициента сцепления. Занос измерительной тележки обусловлен наличием разных диаметров у измерительного и ведущего колес.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является «Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием» (Заявка Российской Федерации №2004101376/11(001331) - патент №2259669, G01P 15/08), поэтому данное устройство принято за прототип. Структурная схема реализации известного устройства (прототипа) приведена на Фиг.1.
Упомянутое устройство-прототип содержит измерительную тележку 1 и блок регистрации 2.
В состав измерительной тележки 1 входят измерительное колесо 3, ведомые колеса 4, первый 5 и второй 6 датчики угловых скоростей, независимый вертикальный груз 7, блокировочная муфта 8, редуктор 9, муфта свободного хода 10, генератор постоянного тока 11, регулятор напряжения 12, блок силовых ключей 13, активная нагрузка 14, аккумуляторная батарея 15, контактор 16, пусковое сопротивление 17, измерительный элемент 18.
В состав блока регистрации 2 входят микроконтроллер 19, пульт управления 20, блок управления 21, блок памяти 22, дисплей 23 и контроллер 24.
При этом независимый вертикальный груз 7 механически соединен с измерительным колесом 3, которое через блокировочную муфту 8, редуктор 9 и муфту свободного хода 10 механически подключено к генератору постоянного тока 11. Измерительное колесо 3 и одно из ведомых колес 4 механически соответственно соединены с первым 5 и вторым 6 датчиками угловых скоростей. Генератор постоянного тока 11 через блок силовых ключей 13 подключен к блоку активной нагрузки 14. Вход регулятора напряжения 12 подключен к силовой шине генератора постоянного тока 11. Выход регулятора напряжения 12 соединен со вторым входом генератора постоянного тока 11. Силовая шина аккумуляторной батареи 15 через контактор 16 и пусковое сопротивление 17 подключена к входу генератора постоянного тока 11. Второй выход аккумуляторной батареи 15 подключен к второму входу контактора 16.
Измерительная тележка 1 с блоком регистрации 2 соединена гибким кабелем; при этом выходы первого 5 и второго 6 датчиков угловых скоростей подключены к первому и второму входам микроконтроллера 19, выход контактора 16 соединен с первым входом пульта управления 20, второй вход которого подключен к силовой шине генератора 11, а выход блока управления 21 соединен с вторым входом блока силовых ключей 13.
Измерительную тележку 1 через измерительный элемент 18 механически подключают к транспортному средству. Выход измерительного элемента 18 подключают к третьему входу микроконтроллера 19.
К четвертому входу микроконтроллера 19 подключен пульт управления 20. К пятому свободному входу микроконтроллера 19, при тарировании устройства, подключают динамометр силового стенда. Вход/выход микроконтроллера 19 подключен к блоку памяти 22. Первый, второй и третий выходы микроконтроллера 19 подключены соответственно к блоку управления 21, дисплею 23 и контроллеру 24, к свободному входу которого подключают внешние устройства. Работа известного устройства.
Перед проведением работ по измерению коэффициента сцепления проводится подготовительная работа, которая заключается в следующем: включается блокировочная муфта 8, включается режим «измерение», кнопками пульта управления 20 устанавливается предварительная информация, нажимается кнопка «Пуск». Ротор генератора постоянного тока 11 раскручивается до номинальной скорости вращения. После проведения подготовительной работы автомобиль-буксировщик разгоняется до скорости Va, равной скорости измерительного колеса 3 при тарировании устройства на силовом стенде. Скорость движения определяется по скорости вращения ведомого колеса 4.
V=Va; Va=ωr1,
где V - скорость измерительного колеса 3 на силовом стенде, м/сек;
Va - скорость автомобиля буксировщика, м/сек;
ω - угловая скорость ведомого колеса 4, рад/сек;
r1 - радиус ведомого колеса, м.
При равенстве скоростей V и Va включается программа определения максимального продольного сцепления шины измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия. При этом следует отметить, что при равенстве скоростей вращения выходного вала редуктора 9 и ротора генератора 11 муфта свободного хода 10 подключает редуктор 9 к ротору генератора 11.
Процесс определения максимального коэффициента сцепления (Ксцп.мак.) условно делится на два этапа - поиска и слежения.
В режиме поиска осуществляется поиск максимальной силы сцепления (Рсцп.мак.) измерительного колеса 3 с поверхностью аэродромного покрытия. В режиме слежения - слежение за максимальной силой сцепления, осуществляя при этом необходимую корректировку.
Режим поиска начинается с минимального и равномерного увеличения тока на активной нагрузке блока 14. При этом сила Рт. динамического торможения измерительного колеса 3 будет также от минимального значения пропорционально увеличиваться. При минимальном токе на активной нагрузке 14, когда сила динамического торможения Рт меньше силы сцепления Рсцп измерительного колеса 3 с поверхностью покрытия, пробуксовка измерительного колеса 3 отсутствует. При увеличении нагрузки генератора 11 увеличивается сила динамического торможения Рт. С появлением пробуксовки измерительного колеса 3 сила динамического торможения Рт. становится равной силе сцепления Рсцп. измерительного колеса с поверхностью покрытия. Однако наибольшей силы сцепления Рсцп. мак. измерительное колесо 3 достигает при его пробуксовке от 10 до 20%. Увеличивая ток на активной нагрузке 14, увеличиваем пробуксовку измерительного колеса 3. И при 10-20% пробуксовке получим максимальное значение его динамического торможения Рт.мак., равное Рсцп.мак. При этом Рт.мак. контролируется по показаниям измерительного элемента 18.
Рт.мак. (Рсцп.мак.)=Ри.-Рк.,
где Рт.мак. - максимальная сила динамического торможения измерительного колеса 3, Н (кг);
Рсцп.мак. - максимальная сила сцепления измерительного колеса 3, Н (кг);
Ри. - сила буксировки измерительной тележки 1, Н (кг);
Рк. - сила сопротивления качению ведомых колес 4, Н (кг).
Сила сопротивления качению Рк. ведомых колес определяется на силовом стенде при тарировании устройства или вычисляется по формуле
Рк.=GF,
где G - нормальная нагрузка на ось ведомых колес 4, Н (кг);
F - коэффициент сопротивления качению ведомых колес.
На этом режим поиска заканчивается.
В режиме слежения, при изменении состояния поверхности, соответственно увеличивают или уменьшают силу тока активной нагрузки 14, сохраняя при этом максимальную силу Рт.мак. динамического торможения измерительного колеса 3. Максимальное значение коэффициента сцепления вычисляют в соответствии с формулой
Ксцп.мак.=Рт.мак.(Рсцп.мак.)/Рг.,
где Ксцп.мак. - максимальное значение коэффициента сцепления;
Рг. - нормальная (вертикальная) сила независимого груза 7 на измерительное колесо 3, Н (кг).
Недостатком известного устройства (прототипа) и других известных устройств является то, что они не могут оценить состояние поверхности покрытия на участках с ограниченной протяженностью или с малым радиусом разворота, например на стоянках самолетов, в ангарах, рулежных дорожках аэродромов, на улицах городов и населенных пунктов.
Целью предлагаемого устройства является создание портативного устройства измерения коэффициента сцепления, обслуживаемого одним человеком, с возможностью беспрерывного определения состояния покрытий любой протяженности, в том числе и поверхностей с малым радиусом разворота. Поставленная цель в "Устройстве для определения коэффициента сцепления колеса с искусственным покрытием" достигается тем, что в нем, как и в прототипе, содержится измерительная тележка (фиг.2).
Измерительная тележка содержит измерительное колесо и ведомые колеса, первый и второй инкрементные датчики, микроконтроллер, пульт управления и блок памяти. Измерительное колесо и одно из ведомых колес механически соединяют соответственно с первым и вторым инкрементными датчиками. Выходы первого, второго инкрементных датчиков и пульт управления соответственно подключают к первому, второму и третьему входам микроконтроллера, первый выход которого соединяют с входом блока памяти,
Дополнительно в состав измерительной тележки включают электромагнитный тормоз, датчик тока, управляемый источник питания, термопринтер. Измерительное колесо механически соединяют с электромагнитным тормозом. Второй и третий выходы микроконтроллера подключают соответственно к управляемому источнику питания и термопринтеру. Второй свободный вход управляемого источника питания является входом источника питающего напряжения, который через управляемый источник питания, а затем через датчик тока подключают к входу электромагнитного тормоза. Второй выход датчика тока соединяют с четвертым входом микроконтроллера. Значение коэффициента сцепления (К сцп.) измерительного колеса с поверхностью искусственного покрытия вычисляют путем определения силы продольного сцепления (Р сцп.) измерительного колеса с поверхностью покрытия, получаемой при электромагнитном торможении, когда измерительное колесо имеет заданную начальную стадию пробуксовки (проскальзывания), при этом коэффициент сцепления вычисляют по формуле
Ксцп.=М/(Рг·г),
где Ксцп. - значение коэффициента сцепления;
М - крутящий момент ротора электромагнитного тормоза, Нм;
Рг. - нормальная сила нагрузки измерительного колеса на поверхность
покрытия, Н;
r - радиус измерительного колеса, м.
В известных технических решениях признаков, сходных с отличительными признаками заявленного устройства,2 не обнаружено, вследствие чего можно считать, что предлагаемое устройство соответствует изобретательскому уровню.
Использование данного устройства при его реализации позволит создать портативное устройство для достоверной оценки состояния искусственных покрытий на участках с ограниченной протяженностью и малым радиусом разворота. При этом изменение скорости движения и остановки во время проведения измерений не влияет на результат оценки состояния поверхности.
Сущность предлагаемого "Устройства для определения коэффициента сцепления колеса с искусственным покрытием" поясняется чертежами, где представлены:
на фиг.1 - структурная схема прототипа;
на фиг.2 - структурная схема предлагаемого устройства;
на фиг.3 - техническая характеристика электромагнитного тормоза 26 - изменение крутящего момента М при изменении тока катушки электромагнита;
на фиг.4 - техническая характеристика электромагнитного тормоза 26 - изменение крутящего момента М при изменении скорости вращения ротора;
на фиг.5 - алгоритм работы предложенного устройства.
Предлагаемое "Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с искусственным покрытием", как и прототип, содержит измерительную тележку 1.
Измерительная тележка 1 содержит измерительное колесо 3 и ведомые 4 колеса, первый 5 и второй 6 инкрементные датчики, микроконтроллер 19, пульт управления 20 и блок памяти 22. Измерительное колесо 3 и одно из ведомых колес 4 механически соединяют соответственно с первым 5 и вторым 6 инкрементными датчиками. Выходы первого 5, второго 6 инкрементных датчиков и пульт управления 20 соответственно подключают к первому, второму и третьему входам микроконтроллера 19, первый выход которого соединяют с входом блока памяти 22.
Дополнительно в состав измерительной тележки 1 включены электромагнитный тормоз 26, датчик тока 27, управляемый источник питания 28 и термопринтер 29. Измерительное колесо 3 механически соединяют с электромагнитным тормозом 26. Второй и третий выходы микроконтроллера 19 подключают соответственно к управляемому источнику питания 28 и термопринтеру 29. Второй свободный вход 25 управляемого источника питания 28 является входом источника питающего напряжения, который через управляемый источник питания 28, а затем через датчик тока 27 подключают к входу электромагнитного тормоза 26, при этом второй выход датчика тока 27 соединяют с четвертым входом микроконтроллера 19.
Значение коэффициента сцепления (К сцп.) измерительного колеса с поверхностью искусственного покрытия вычисляется путем определения силы продольного сцепления (Р сцп.) измерительного колеса с поверхностью покрытия, получаемой при электромагнитном торможении, когда измерительное колесо имеет заданную начальную стадию пробуксовки (проскальзывания), при этом коэффициент сцепления вычисляют по формуле
Ксцп.=М/(Рг·r),
где Ксцп. - значение коэффициента сцепления;
М - крутящий момент ротора электромагнитного тормоза, Нм;
Рг. - нормальная сила нагрузки измерительного колеса 3 на поверхность покрытия, Н;
r - радиус измерительного колеса 3, м.
Конструктивное исполнение предлагаемого устройства.
Измерительная тележка 3 имеет три колеса. Измерительное колесо 3 - авиационное или автомобильное шасси и два ведомых колеса 4 - автомобильное шасси. Измерительная тележка 1 перемещается усилием человека или транспортного средства. При измерении коэффициента сцепления можно менять скорость движения и делать остановки. Изменение скорости движения и остановки не влияет на качество проводимых измерений. При этом максимальная скорость движения уточняется при тарировании устройства.
Измерительное колесо 3 и одно из ведомых колес 4 снабжены инкрементными датчиками 5 и 6.
Инкрементный датчик содержит источник света, диск с метками, фоторезисторную сборку и схему обработки сигнала. Инкрементные датчики 5, 6 подключены к счетным входам микроконтроллера 19, что необходимо для подсчета импульсов и преобразования их в меру определения вращения измерительного 3 и ведомого 4 колес. По информации инкрементных датчиков 5, 6 микроконтроллером 19 определяется пройденный путь, скорость вращения колес и их количество оборотов. Каждый из датчиков может иметь разрешение до 5000 импульсов за один оборот. По информации датчиков определяют начало пробуксовки измерительного колеса 3 при воздействии на него крутящего момента М электромагнитного тормоза 26.
Микроконтроллер 19 выполнен на микроконтроллере семейства PIC18, который выпускается с программируемой памятью программ, оперативным запоминающим устройством, 10-разрядными аналого-цифровыми преобразователями, регистрами, 16-разрядными таймерами, встроенными интерфейсами, таймером реального времени и соответствующими входами и выходами для ввода и вывода информации.
Электромагнитный тормоз 26 - магнитно-порошковый тормоз, который объединяет упругость гидравлической муфты со стабильностью фрикционного тормоза. Электромагнитный тормоз 26 имеет два соосных элемента: корпус и ротор. Корпус содержит катушку электромагнита. Корпус от ротора отделен кольцевым зазором, который заполнен специальным сухим легированным ферромагнитным порошком. Параметры порошка устойчивы к росту температуры. Крутящий тормозной момент М передается посредством легированного ферромагнитного порошка, вязкость которого меняется путем модулирования тока катушки электромагнита. Электромагнитный тормоз 26 выдерживает непрерывное скольжение при установленной величине крутящего момента, который определяется уровнем возбуждения катушки электромагнита.
Крутящий момент М, передаваемый электромагнитным тормозом 26, прямо пропорционален току катушки электромагнита и изменяется бесступенчато от минимальной до максимальной проектной величины. Техническая характеристика электромагнитного тормоза 26 при изменении тока катушки электромагнита представлена на фиг.3, где: М - крутящий момент электромагнитного тормоза 26, Нм; I - ток катушки электромагнита электромагнитного тормоза 26, а.
Крутящий момент, передаваемый электромагнитным тормозом 26, не зависит от скорости вращения его ротора (измерительного колеса 3). Техническая характеристика электромагнитного тормоза 26 при изменении скорости вращения ротора (измерительного колеса 3) представлена на фиг.4, где М - крутящий момент электромагнитного тормоза 26, Нм, V - скорость вращения ротора электромагнитного тормоза 26 (измерительного колеса 3).
Электромагнитный тормоз 26 механически подключен к измерительному колесу 3. При движении измерительное колесо 3 вращается - соответственно вращается ротор электромагнитного тормоза 26, при этом крутящий момент М тормоза 26 оказывает тормозное действие на измерительное колесо 3.
С учетом технических характеристик (время включения/отключения) электромагнитного тормоза 26 определяется период Т. Период Т - временной дискрет определения коэффициента сцепления. Значение периода Т заносится в память микроконтроллера 19.
Регулируемый источник питания 28 меняет ток катушки электромагнита электромагнитного тормоза 26, создавая заданный крутящий момент М.
Термопринтер 29 выполнен в миниатюрном исполнении и регистрирует дату, время и место проведения измерений коэффициента сцепления, а так же осуществляет цифровое и графическое отображение состояния поверхности.
Блок памяти 22 выполнен на микросхеме энергонезависимой памяти. В блок памяти 22 записывают дату, время, место проведения измерений, измеренное расстояние и цифровое отображение состояния поверхности (Ксцп.). При необходимости блок памяти 22 снимается с устройства и подключается к входу персонального компьютера для более детального анализа проведенных измерений.
Вес конструкции измерительной тележки 1 и деталей устройства распределяется между измерительным 3 и ведомыми 4 колесами устройства. Вес конструкции измерительной тележки 1 и деталей устройства, созданный на измерительном колесе 3, определяет нормальную силу Рг. измерительного колеса 3 на поверхность покрытия. Нормальная сила Рг. остается постоянной и заносится в память микроконтроллера 19 для вычисления коэффициента сцепления.
Пульт управления 20. Переключателями пульта управления 20 включают режимы работы устройства: "Измерение - Тарирование - Выключено". Устанавливают предварительную информацию: дату, время и место проведения измерений.
К свободному входу 25 управляемого источника питания 28 подключен постоянный положительный источник питающего напряжения. В качестве источника питающего напряжения может использоваться аккумуляторная батарея или миниатюрная электростанция.
Определение коэффициента сцепления (Ксцп.) колеса с поверхностью искусственного покрытия
Перед проведением работы по измерению коэффициента сцепления проводится подготовительная работа: подключается источник питания и включается режим работы - "Измерение". Вводится исходная информация: дата, время и место проведения измерений.
Измерительная тележка перемещается усилием человека или транспортного средства. При движении коэффициент сцепления (Ксцп.) определяется в соответствии с программным обеспечением микроконтроллера 19, алгоритм работы которого приведен на фиг.5.
При этом с инкрементных датчиков 5 и 6 на счетные входы микроконтроллера 19 поступают импульсы в соответствии со скоростью вращения измерительного 3 и ведомого 4 колес. С началом движения ток в катушке электромагнита электромагнитного тормоза 26 отсутствует. Сила крутящего момента М электромагнитного тормоза 26 равна нулю, следовательно, отсутствует сила торможения Рт. измерительного колеса 3. Измерительное колесо 3 вращается без пробуксовки. При отсутствии пробуксовки за период Т на первый и второй входы микроконтроллера 19 поступают импульсы инкрементных датчиков 5 и 6 в равном количестве. В конце периода Т в микроконтроллере 19 формируется импульс запуска, который управляет регистрами А и В, процессом сравнения, вычислением пройденного расстояния S и записью информации в блок памяти 22 и термопринтер 29.
Импульсы инкрементного датчика 5, пришедшие за период Т, запоминаются регистром А, а импульсы инкрементного датчика 6 - регистром В (регистры А и В - регистры микроконтроллера 19). С приходом импульса запуска информация регистров А и В сравнивается. Если количество импульсов регистра А равно количеству импульсов регистра В, то в этом случае формируется положительный импульс, который поступает в суммирующее устройство. Формируется цифровой управляющий сигнал, увеличенный на единицу, который поступает в управляемый источник питания 28. Управляемый источник питания 28 меняет ток катушки электромагнита электромагнитного тормоза 26 в соответствии с принятым цифровым управляющим сигналом. В рассматриваемом случае увеличивается ток катушки электромагнита и возрастает крутящий момент М электромагнитного тормоза 26, соответственно увеличивается сила торможения Рт измерительного колеса 3. Если окажется, что сила торможения Рт измерительного колеса 3 будет меньше силы сцепления Рсцп. его с поверхностью покрытия (Рт.<Рсцп.), то пробуксовка измерительного колеса 3 будет отсутствовать. В этом случае за период Т с инкрементных датчиков 5 и 6 на первый и второй входы микроконтроллера 19 импульсы поступают в равном количестве. Процесс повторяется в каждом периоде Т. При этом в каждом периоде Т увеличивается крутящий момент М электромагнитного тормоза 26 и соответственно возрастает сила торможения Рт. измерительного колеса 3. Крутящий момент М электромагнитного тормоза 26 будет увеличиваться до момента, пока сила торможения Рт. измерительного колеса 3 не станет равной силе его сцепления Рсцп.с поверхностью покрытия (Рт.=Рсцп.) или когда Рт. будет больше Рсцп. (Рт.>Рсцп.). При условии, когда Рт.=Рсцп. или Рт.>Рсцп., появляется пробуксовка измерительного колеса 3. При этом из-за наличия пробуксовки с инкрементного датчика 5 в регистр А микроконтроллера 19 за период Т поступает меньше импульсов. С приходом импульса запуска информация регистров А и В сравнивается. Количество импульсов в регистре В будет больше. Формируется отрицательный импульс, который поступает в суммирующее устройство. Формируется цифровой управляющий сигнал, уменьшенный на единицу, который поступает в управляемый источник питания 28. Управляемый источник питания 28 уменьшает ток катушки электромагнита электромагнитного тормоза 26 в соответствии с принятым цифровым управляющим сигналом. Крутящий момент М электромагнитного тормоза 26 уменьшается, соответственно уменьшается сила торможения Рт. измерительного колеса. Дальнейшее уменьшение или увеличение крутящего момента М электромагнитного тормоза 26 будет зависеть от наличия или отсутствия пробуксовки измерительного колеса 3. Устройство переходит в режим слежения (при заданной начальной пробуксовке), когда сила торможения Рт. измерительного колеса 3 равна силе сцепления Рсцп.
При этом Рт.=Рсцп.=Ксцп.Рг.=М/r,
где Рт. - сила торможения измерительного колеса 3 при воздействии на него крутящего момента М электромагнитного тормоза 26;
Рсцп. - сила сцепления измерительного колеса 3 с поверхностью покрытия;
Ксцп. - значение коэффициента сцепления с поверхностью покрытия;
Рг. - нормальная сила давления измерительного колеса на поверхность покрытия;
М - крутящий момент электромагнитного тормоза 26;
r - радиус измерительного колеса 3.
Крутящий момент М электромагнитного тормоза 26 определяется по току возбуждения катушки электромагнита в соответствии с технической характеристикой электромагнитного тормоза, представленной на фиг.3. Ток катушки электромагнита электромагнитного тормоза 26 определяется датчиком тока 27. По полученному крутящему моменту М и результатам тарирования вычисляется коэффициент сцепления Ксцп. колеса с поверхностью искусственного покрытия. Коэффициент сцепления (Ксцп.) вычисляется в каждом периоде Т по формуле
Ксцп.=М/(Рг.г),
где Ксцп. - коэффициент сцепления измерительного колеса 3 с поверхностью искусственного покрытия;
М - крутящий момент электромагнитного тормоза 26, Нм;
Рг.- нормальная сила давления измерительного колеса 3 на поверхность покрытия, Н;
r - радиус измерительного колеса 3, м. Пройденное расстояние S за период Т определяется по формуле
S=(2πτ/N)n,
где S - расстояние, пройденное измерительной тележкой за период Т (время между импульсами запуска), м;
τ - радиус ведомого колеса, м;
N - разрешение инкрементного датчика 6 (количеств импульсов, приходящих за один оборот),
n - количество импульсов, принятых за период Т;
π-3,14……
Изменение скорости движения и остановки измерительной тележки не влияет на качество проводимых измерений. При остановках устройство фиксирует ранее полученный результат и при возобновлении движения определяет состояние поверхности от ранее измеренной величины. Данный момент отображен на технической характеристике электромагнитного тормоза 26, изображенной на фиг.4. В статическом режиме крутящий момент М сохраняется. При этом устройство должно оставаться включенным. При измерении коэффициента сцепления смачивание поверхности искусственного покрытия не требуется. Результаты измерений сравниваются с данными тарирования. При идентичности результатов измерения и тарирования полученная информация записывается в блок памяти 22 и в термопринтер 29.
В случае, когда при сравнении результаты измерений отличаются от результатов тарирования устройства, термопринтер 29 выдает информацию о неисправности устройства.
Тарирование устройства проводится при его изготовлении, а затем с периодичностью, определяемой инструкцией по эксплуатации на данное устройство. Тарирование устройства осуществляется с целью определения силы торможения Рт. измерительного колеса 3 с калибровкой крутящего момента М электромагнитного тормоза 26 при изменении тока катушки электромагнита от минимального до максимального значения, а также уточнения технических характеристик устройства.
Для проведения тарирования используется известное устройство - роликовый испытательный стенд.
Положительный эффект от реализации предложенного устройства заключается в создании портативного устройства, которое позволит повысить безопасность движения транспортных средств при современных скоростных режимах. Особенностью коэффициента сцепления является изменение его величины во времени. При длительной эксплуатации искусственных покрытий происходит снижение их сцепных качеств.
Устройство может быть использовано аэродромными службами для определения коэффициента сцепления на стоянках самолетов, в ангарах, на рулежных дорожках, а также организациями, осуществляющими содержание дорог и проезжей части улиц в черте городов и населенных пунктов. Так как существующие устройства измерения коэффициента сцепления в силу своих конструктивных особенностей и условий применения не могут использоваться на участках с ограниченной протяженностью и на участках с малыми радиусами разворота, учитывая, что городские улицы с их интенсивным движением относятся к участкам с повышенной вероятностью дорожно-транспортных происшествий, использование предложенного устройства контроля поможет решить вопрос о проведении своевременных профилактических мероприятий.
Для реализации предложенного устройства могут быть использованы следующие элементы:
- измерительное колесо 3 - используется авиационное или автомобильное шасси;
- инкрементные датчики 5 и 6 - импульсные (пошаговые) энкодеры фирмы CORRSYS-DATRON;
- микроконтроллер 19 - микроконтроллер семейства PIC 18, описание - авторы Б.Я.Прохоренко и др., изд. М., ДОДЭЕА, 1999 г.;
- электромагнитный тормоз 26 - магнитно-порошковый тормоз, тип ELB, компании "Юнипак Рус" или магнитно-порошковые тормоза, тип FAT 650 - FAT 10001 фирмы Mobac GmbH;
- управляемый источник питания 28 - типовое устройство, выполненное на транзисторах и микросхемах;
- блок памяти 22 - выполнен на микросхемах энергонезависимой памяти фирмы ATMEL, автор описания В.В.Гребнев, изд. Санкт-Петербург, ЭФО, 1977 г.