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.

50

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.

51

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.

52

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.

53

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

54

,

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.

Требования к ровности дорожных покрытий. При разработке требований к ровности покрытий исходят из допустимых амплитуд и ускорений колебаний автомобилей при расчетной скорости движения. Выделяют четыре критерия, по которым оценивается допустимость тех или иных колебаний автомобиля:

• удобство езды и комфортность для водителя и пассажиров;

• устойчивость грузов в кузове автомобиля;

55

• надежность и долговечность работы рессор, шин и других частей автомобиля;

• надежность и долговечность работы дорожной конструкции.

Установлено, что решающим является критерий обеспечения удобства и комфортности для водителя и пассажиров.

Исследованиями Р.В. Ротенберга и другими учеными установлено, что при движении по неровной поверхности ощущение колебаний водителем начинается с момента, когда ускорения колебаний достигнут . По мере возрастания скорости движения автомобиля и неровностей ездового профиля возникают беспокоящие колебания. Этому состоянию ориентировочно соответствуют ускорения . При длительном действии колебания переходят в неприятные и непереносимые. Единичные большие и длительные среднего значения колебания влияют на функциональное состояние водителя, снижают его работоспособность.

Существенное влияние на состояние человека оказывает и частота колебаний автомобиля. Установлено, что при колебании кузова автомобиля с частотой 0,7…4 Гц пассажиры испытывают неприятные ощущения, а при 5…20 Гц - создается критическое состояние для человека.

Практическое значение имеют линейные вертикальные колебания кузова (покачивание), его угловые колебания в продольной плоскости автомобиля (галопирование), угловые колебания в поперечной плоскости (пошатывание), колебание осей (мостов) в вертикальной плоскости.

Частота возмущающей силы при периодическом воздействии неровностей дороги на колёса автомобиля

,

где v - скорость движения, км/ч; S - длина неровности, м.

Связь между частотой возмущающей силы, размерами неровностей проезжей части и скоростью движения Р.В. Ротенберг рекомендует устанавливать по характеристике плавности хода автомобиля.

С учетом влияния ускорения и частоты колебаний автомобиля на функциональное состояние водителей разработаны нормативные требования к продольной ровности эксплуатируемых дорог с учетом интенсивности движения, категории дороги и типа покрытия для каждого метода и измерительного прибора.

В табл. 3.5 приведены требования к ровности при проведении измерений динамометрическим прицепом ПКРС -2У и толчкомером ТХК-2.

Система оценки ровности дорожного покрытия по международному индексу ровности IRI в м/км приведена в таблице 3.6

56

Таблица 3.5. Требования к ровности при проведении измерений динамометрическим прицепом ПКРС-2У и толчкомером ТХК-2

Поперечная ровность определяется наличием неровностей или отклонений фактической поверхности от проектной в поперечном сечении дороги.

К неровностям и отклонениям, формирующим характеристики продольной ровности в поперечном направлении, добавляется ещё один специфический вид дефектов - колейность.

Таблица 3.6. Система оценки ровности дорожного покрытия по международному индексу ровности IRI.

Колея - это особый вид деформирования дорожной конструкции (земляного полотна, дорожной одежды с покрытием), в результате которого на поверхности проезжей части образуются углубления вдоль дороги по полосам наката без гребней выпирания или с гребнями выпирания по одной или обеим сторонам этих углублений.

57

Колея может охватывать как слой покрытия, так и все другие слои дорожной одежды и грунты активной зоны земляного полотна.

Колеи могут образоваться на всех видах покрытий и дорожных одежд, но интенсивность их образования и глубина колей различны.

По форме поперечного профиля проезжей части можно выделить колеи в виде углублений по полосам наката; углублений по полосам наката с одним гребнем или горбом выпирания; углублений по полосам наката с двумя и тремя гребнями выпирания; углублений по полосам наката с общим проседанием поверхности проезжей части и др. (рис. 3.10). Общая глубина колеи может колебаться в широких пределах - 2…150 мм и более.

При прочном земляном полотне и основании на асфальтобетонном покрытии колея может образоваться за счет ускоренного износа материала верхнего слоя покрытия по полосам наката и за счёт накопления пластических деформаций в слоях асфальтобетона. В реальных условиях результат этих процессов колееобразования суммируется.

Наиболее часто колея образуется на нежёстких дорожных одеждах с покрытием из асфальтобетона и других битумоминеральных смесей, однако колея истирания может формироваться и на цементобетонных покрытиях.

Рис. 3.10. Виды колеи:

1, 2 – углубления по полосам наката; 3, 4 – углубления с одним и двумя гребнями выпирания; 5 – углубления с общим проседанием поверхности проезжей части; 6 – ось дороги

Как и большинство других деформаций, колея образуется при неблагоприятном сочетании двух групп факторов:

58

• внешние факторы- воздействия нагрузки, климатические факторы, особенно температура воздуха и солнечная радиация, а также условия увлажнения грунта земляного полотна;

• внутренние факторы - физико-механические характеристики дорожной конструкции: сдвигоустойчивость, структурное состояние, прочность и степень уплотнения дорожной одежды и земляного полотна, тип грунта и его свойства. Самым важным из всех факторов образования колей является воздействие тяжелых многоосных автомобилей.

Рис. 3.11. Основные параметры колеи:

1, 2 – линия поверхности покрытия после образования колеи соответственно;

3 – измерительная рейка

Процесс образования колей начинается одновременно с открытием движения по дороге. Вначале он идет медленно, затрагивая только верхний слой покрытия, а затем распространяется на другие слои дорожной одежды и на земляное полотно.

Основной характеристикой колеи является её глубина . Общая глубина колеи может быть определена, исходя из схемы, приведённой на рис. 3.11.

где h_у.к - величина углубления на поверхности дорожной одежды за счёт накопления остаточной деформации в слоях дорожной одежды и в земляном полотне, мм; - средняя высота гребней выпора (h_л – высота выпора с левой и h_П - правой сторон), образующихся за счёт пластических деформаций в слое асфальтобетона и земляном полотне, мм.

Значение углубления в общем случае составляет

h_ду - глубина колеи за счёт доуплотнения дорожной одежды и грунта земляного полотна, мм; h_и - глубина колеи за счёт износа (истирания), мм; h_аб - глубина колеи за счёт пластических деформаций в слоях асфальтобетона, мм; h_o - глубина колеи за счёт структурных деформаций в слоях основания, мм; h_г - глубина колеи за счёт накопления остаточных деформаций в земляном полотне, мм.

59

Для измерения геометрических параметров колес применяется большое количество приспособлений, приборов и установок. Все они основаны на применении двух основных методов:

1) измерение просветов между низом рейки, лежащей на боковых краях или гребнях выпора, и дном колеи, так называемый упрощенный метод;

2) измерение отметок поверхности (глубины) колеи от горизонтальной линии на уровне краев (гребней) колеи - метод вертикальных отметок.

По первому методу измерительную рейку укладывают на поверхность гребней выпора колеи или на поверхность покрытия, если колея без гребней выпора, и от низа рейки измеряют просветы до дна колеи.

По второму методу рейку устанавливают в горизонтальное положение и от низа рейки определяют просветы (глубина колеи) относительного левого и правого края или гребня выпора колеи.

В последние годы проблема борьбы с колеями стала одной из важнейших на дорогах России.

Это объясняется тем, что в составе транспортного потока происходит увеличение доли тяжёлых многоосных автомобилей, которые ускоряют процесс образования колей и доли легковых быстроходных автомобилей, для которых колеи представляют наибольшую опасность.

Глубокая колея затрудняет маневры автомобиля при обгоне, вызывает поперечное скольжение, боковые колебания и потерю устойчивости при выезде из колеи, что приводит к снижению скорости движения и повышению аварийности.

Исследования А.Н. Нарбута и Ю.В. Кузнецова показывают, что опасным является смена полос движения автомобилей с переездом колеи в момент наезда колеса автомобиля на боковые стенки и гребни выпоров колеи. Особенно опасен момент, когда при высокой скорости движения передние колеса переезжают гребни выпора и движутся по одним стенкам колеи, а задние - наезжают на другие стенки, имеющие противоположный поперечный уклон (рис. 3.12). При этом передняя и задняя оси автомобиля движутся с углами к вектору скорости поступательного движения, направленными в разные стороны, а продольная ось автомобиля смещается на некоторый угол относительно продольной оси полосы движения дороги.

Наибольшее влияние на скорость и безопасность движения колеи оказывают в период дождей, снегопадов и метелей, когда них скапливается вода или снег. Исходя из условий движения автомобилей, в этих случаях допустимая глубина колеи строго ограничивается.

60

Рис. 3.12. Движение автомобиля с переездом гребней выпоров колеи передними колесами:

I, II - положение колес автомобиля перед переездом выпора колеи и после переезда выпора колеи соответственно; R – равнодействующие сил, действующих на колеса автомобиля до и после переезда через выборы колеи; R_х – направление горизонтальных сил, действующих на колесо автомобиля до и после переезда выпоров колеи; - углы наклона граней колеи.