Ровность покрытия и её влияние на движение автомобилей

Характерные виды неровностей. Ровность дороги - это характеристика поверхности дороги, определенная наличием неровностей или отклонений фактической поверхности от проектной, вызывающих при проезде автомобиля колебания его колес и кузова. Различают продольную и поперечную ровность.

К основным причинам образования неровностей покрытия относят:

• высокую транспортную нагрузку;

• недостаточную прочность и сдвигоустойчивость дорожных одежд, применение слабопрочных материалов в конструктивных слоях покрытия;

• нарушение требований к ровности покрытий при строительстве и низкое качество работ по возведению земляного полотка и дорожной одежды;

• необеспеченный водоотвод и пучинообразование;

• износ, деформации и разрушения покрытия под действием транспорта и климатических факторов и несвоевременные работы по устранению этих дефектов.

Неровности имеют различные размеры и формы. Их распределение по поверхности носит случайный характер, за исключением гравийных и щебеночных покрытий, где неровности в виде гребенки распределяются, как правило, равномерно по длине покрытия.

В реальных условиях автомобиль при движении взаимодействует с неровной поверхностью покрытия.

Неровности покрытия вызывают вертикальные, продольные и поперечные колебания колес, кузова и других частей автомобиля, которые передаются водителю.

Ровность покрытий значительно влияет на скорость движения, межремонтные пробеги автомобилей, расход топлива и износ шин, производительность автомобилей, себестоимость перевозок и безопасность движения.

По влиянию на колебанияавтомобиля неровности можно разделить на три группы: макронеровности, микронеровности и шероховатость.

Макронеровности состоят из длинных плавных неровностей с длиной волны 5 м и более. Макронеровности влияют на работу двигателя автомобиля и режим его движения, но практически не вызывают колебаний автомобиля на подвеске. Фактически, это продольный профиль дороги и при анализе ровности его не рассматривают.

Микронеровности формируют микропрофиль поверхности, состоят из неровностей, длиной от 10 см до 50 м, которые вызывают значительные колебания автомобиля на подвеске. Это и есть собственно характеристики ровности.

Шероховатость - это совокупность неровностей с длиной волны до 10 см, которые не вызывают низкочастотных колебаний автомобиля на подвеске, так как их воздействие поглощают шины. Поэтому при анализе ровности шероховатость не учитывают.

Таким образом, все основные неровности относятся к микропрофилю поверхности покрытия. Это выбоины, выступы, впадины, сдвиги, волны, наплывы,

трещины и т.д. Значительная часть этих неровностей формируется уже на стадии

строительства, когда фактический профиль поверхности покрытия отличается от проектного на величину допустимых просветов под рейкой длиной 3 м (рис. 3.7).

В процессе эксплуатации дороги количество неровностей и их размеры увеличиваются. На асфальтобетонных и цементобетонных покрытиях дорог высших категорий высота (или глубина) неровностей может достигать 20 мм, на щебеночных и гравийных, обработанных вяжущими материалами, - 40 мм; на гравийных и щебеночных - 50 мм. Каждому покрытию характерны определенные виды неровностей.

Для асфальтобетонных и покрытий из битумоминеральных смесей характерными неровностями являются выкрашивание, выбоины, волнистость, колеи; для цементобетонных - шелушение, выкрашивание, выбоины, разрушения стыков,

разрушения плит; для щебеночных и гравийных, не укрепленных вяжущими,

- волнистость (гребенка), выбоины, просадки, колеи.

Рис. 3.7. Параметры ровности покрытия:

1 – шероховатость покрытия; 2 – микронеровности; 3 – измерительная планка; l_i – расстояния между неровностями или длина волны; h_i – глубина впадин или высота неровностей.

Микропрофиль покрытий может быть оценен статистическими характеристиками: числом m выступов или впадин на 1 км; суммарной высотой выступов и глубиной впадин на 1 км Σh_i; средней величиной выступов и впадин на 1км - h_ср; среднеквадратичным отклонением σ величин выступов и впадин; коэффициентом вариации ровности .

Значения средней величины выступов и впадин на 1 км определяют по формуле:

.

Среднеквадратичное отклонение

Коэффициент вариации ровности

.

Продольный профиль дорожного покрытия математически можно представить в виде непрерывной функции, содержащий целый спектр синусоидальных волн (рис. 3.8).

Неровности дорожного покрытия распределяются по нормальному закону распределения (закону Гаусса). Впадины и выступы этих неровностей равновероятны.

Автомобиль, движущийся с некоторой скоростью по неровной поверхности покрытия, можно представить в виде механической динамической системы, которая подвергается случайным воздействиям неровностей как возмущающей функции во времени, преобразуясь в другую выходную функцию времени - колебания автомобиля, характеризуемую определенной передаточной функцией.

Рис.3.8. Математическое разложение профиля на составляющие синусоиды:

а – вертикальная проекция неровностей с длиной волны 30 м; б – вертикальная проекция неровностей с длиной волны 15 м; в – вертикальная проекция неровностей с длиной волны 10 м; г - вертикальная проекция неровностей с длиной волны 7,5 м; д – суммарная вертикальная проекция; по вертикальной оси откладываются вертикальные проекции неровностей в миллиметрах

По относительным перемещениям системы можно судить о микропрофиле автомобильной дороги, т.е. о ее ровности.

Статистические свойства стационарных случайных процессов, рассматриваемых в теории вероятности, характеризуются корреляционной функцией и спектральной плотностью .

Корреляционная функция является основной характеристикой микропрофиля дороги и отражает характер неровностей (их высоту, форму, длину) и скорость движения автомобиля:

где - частота; - время корреляционной связи.

Для анализа неровностей строят график спектральной плотности уклона и превышения или графики спектральной плотности системы дорога-автомобиль.

Рис. 3.9. Колебания автомобиля при взаимодействии с дорогой:

а – неустановившиеся; б – установившиеся; 1 – неровности дороги;

z – амплитуда колебаний; t - время

Колебания автомобиля, возникающие при движении по неровной поверхности разделяют на неустановившиеся и установившиеся (рис. 3.9).

Неустановившиеся колебания возникают при наезде на единичные неровности или повторяющиеся неровности различных размеров и очертаний. Это наиболее распространенный случай.

Установившиеся колебания возникают при наезде на регулярно повторяющиеся неровности (волны, гребенка, стыки бетонных плит и т.д.).

Колебания автомобиля характеризуются амплитудой колебаний , частотой колебаний , ускорением колебаний и суммарной амплитудой колебаний . С увеличением скорости автомобиля все эти показатели увеличиваются.

Ровность покрытия эксплуатируемых дорог чаще всего измеряют суммой амплитуд колебания подрессоренной массы или массы автомобиля при проезде неровностей на участке дороги и измеряют в сантиметрах на километр. В этом случае применяют толчкомеры различных конструкций типа ТХК - 2 и его модификаций, которые устанавливаются в кузове различных автомобилей. В России широкое распространение получил метод измерения суммарной величины амплитуд подрессоренной массы специального прицепа к автомобилю ПКРС-2У.

Максимально возможную скорость , км/ч, в зависимости от ровности по толчкомеру ТХК - 2 определяют по формуле А.И. Бируля

;

при измерении ровности установкой ПКРС-2У максимально возможную скорость , км/ч, определяют по формуле А.П. Васильева

,

где S_C – ровность покрытия, см/км.

Во многих странах мира принят международный индекс ровности IRI (International Roughness Index), в котором показатели ровности оценивают расчетной суммой амплитуд колебаний подрессоренной массы, выраженной в метрах на 1 км.

Этот показатель является интегральным, поскольку он оценивает ровность во всем диапазоне длин неровностей, на которое реагирует автомобиль при определенной скорости движения. Показатель IRI является косвенным, так как непосредственно не связан с данными измерения продольного микропрофиля дороги, а вычисляется по относительному перемещению масс эталонного автомобиля.

Таким образом, показатель IRI - это расчетный показатель, получаемый «прокатыванием» двухмассовой линейной модели автомобиля по продольному профилю дороги. Благодаря тому, что параметры модели точно заданы, получается эталонное автотранспортное средство (АТС). Входным возмущением для этой модели при расчете IRI служит продольный микропрофиль поверхности дороги, полученный непосредственным измерением его геометрических параметров, например, короткошаговым нивелированием через 0,25…0,5 м или измерением продольных уклонов через каждые 0,05…0,5 м длины.

Для этого используется динамический преобразователь профиля (ДПП), в виде одноколесного устройства с пневматической шиной на прицепе к автомобилю, которое при проезде по дороге записывает ординаты точек дорожной поверхности с определенным шагом. По этим записям вычисляют на ЭВМ статистические характеристики микропрофиля покрытия, которые называют показателями ровности на каждом километре и преобразуют их в математическую модель. Однако из основных характеристик главной является функция спектральной плотности дисперсии ординат микропрофиля.

Затем по этому микропрофилю на ЭВМ «прокатывают» двухмассовую модель автомобиля со скоростью 80 км/ч и получают численные значения IRI в метрах на километр или в миллиметрах на метр.