|
Міністерство освіти і науки України
Національний транспортний університет
Ільченко Володимир Васильович
УДК 625.7/.8.032.32
Удосконалення оцінки шорсткості
поверхні дорожнього покриття
Спеціальність 05.22.11 – Автомобільні шляхи та аеродроми
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному транспортному університеті (м. Київ) Міністерства освіти і науки України.
Захист відбудеться “ 20 ” жовтня 2005 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м.Київ, вул.Суворова, 1, зал засідань (ауд. 333).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.
Автореферат розісланий “ 19 ” вересня 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент І.А.Рутковська
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Аналіз аварійності на дорогах свідчить, що причиною майже половини дорожньо-транспортних подій, які сталися внаслідок незадовільних дорожніх умов, є недостатні зчіпні якості дорожнього покриття. У решті випадків незалежно від основних причин виникнення ДТП стан поверхні покриття значною мірою впливає на вірогідність виникнення різних аварійно-небезпечних ситуацій і тяжкість їх наслідків. Тому без об’єктивної інформації про зчіпні якості дорожніх покриттів не можуть бути обґрунтовані розроблення та впровадження заходів щодо поліпшення умов та безпеки руху.
Традиційно склалося так, що оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття відбувається за двома напрямами. Перший із них є більш розповсюдженим і пов’язаний із визначенням функціонального показника - коефіцієнта зчеплення, який дає кількісну характеристику процесу взаємодії колеса з покриттям. Недоліком цього способу є те, що за величиною коефіцієнта зчеплення не можливо виявити причини низьких зчіпних якостей покриттів, які в більшості випадків пов’язані із шорсткістю їх поверхні. Шляхи технологічного забезпечення зчіпних якостей покриттів при новому будівництві чи ремонті дорожніх одягів у першу чергу спрямовані на зміну їх параметрів шорсткості. Окрім того, коефіцієнт зчеплення не дає достовірної інформації про стан покриття в широкому діапазоні швидкостей: для різних типів покриття значення коефіцієнту зчеплення, які виміряні при одній швидкості руху, можуть співпадати, а при інших швидкостях – вони відрізняються.
Другий напрям оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття пов’язаний із визначенням структурних показників, котрі визначають геометричні характеристики шорсткості покриття. Цей напрям не отримав широкого практичного застосування, оскільки перелік параметрів шорсткості, що застосовувалися до цих пір, виявляється недостатнім для встановлення зв’язку між структурними і функціональними показниками для оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття. Вирішити це питання можна шляхом встановлення математичних залежностей між певними параметрами шорсткості та коефіцієнтом зчеплення, який слугуватиме комплексним показником оцінювання зчіпних якостей. Це в свою чергу потребує вдосконалення способів та методів вимірювання параметрів шорсткості.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до планів науково-дослідних робіт Державної служби автомобільних доріг України за темами: “Розробити ДСТУ “Зчіпні якості покриття автомобільних доріг. Параметри. Методи вимірювання” (номер державної реєстрації 0100U003849); “Розробити ГСТУ “Автомобільні дороги. Визначення транспортно-експлуатаційних показників дорожніх покриттів. Методи та засоби” (номер державної реєстрації 0101U007606).
Мета й задачі дослідження. Метою даної роботи є удосконалення оцінки шорсткості дорожнього покриття за рахунок врахування випадковості розподілу значень структурних параметрів поверхні дороги та уточнення їх впливу на величину коефіцієнту зчеплення.
Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено такі задачі:
- встановлено перелік параметрів шорсткості, які слугують для оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття;
- проведено метрологічне забезпечення процесу вимірювання параметрів шорсткості;
- обґрунтовано порядок зйомки та оброблення профілограм для визначення параметрів шорсткості дорожнього покриття;
- запропоновано практичні рекомендації щодо визначення параметрів шорсткості профільним методом;
- встановлено аналітичні залежності для визначення коефіцієнта зчеплення колеса з дорожнім покриттям розрахунковим шляхом;
- розроблено методику оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття за параметрами шорсткості його поверхні.
Об’єкт дослідження – поверхня дорожнього покриття.
Предмет дослідження – структурні та функціональні параметри поверхні дорожнього покриття, що визначають його зчіпні якості.
Методи дослідження. Для реалізації задач дослідження в роботі використано методи математичного моделювання й аналізу, математичної статистики та теорії ймовірності.
Наукова новизна одержаних результатів:
- виявлено належність значень глибини впадин, кроків та радіусів виступів шорсткості поверхні дорожнього покриття до нормального розподілу, встановлено залежність між обсягами вимірювань та точністю результатів визначення параметрів шорсткості при заданій довірчій імовірності;
- запропоновано аналітичні залежності для визначення вірогідного значення коефіцієнта зчеплення як функції параметрів шорсткості - вірогідних значень глибини впадин, кроку та радіусу виступів шорсткості, які характеризуються середніми значеннями та параметрами розсіювання;
- встановлено, що найбільший вплив на коефіцієнт зчеплення та точність його обчислення мають відповідно величина середнього радіусу виступів шорсткості та похибка його вимірювання.
Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в тому, що розроблена методика оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття за параметрами шорсткості дозволяє оптимізувати процес оцінки транспортно-експлуатаційних показників доріг за рахунок скорочення обсягу робіт при їх обстеженні до достатнього мінімуму, а також виявити причини низьких зчіпних якостей покриттів і встановити шляхи їх покращання.
На основі проведених теоретичних досліджень та практичного рішення поставлених у роботі задач запропоновано рекомендації щодо визначення параметрів шорсткості дорожнього покриття профільним методом. Результати досліджень використані при розробленні ДСТУ Б.В.2.3-8-2003 “Дорожні покриття. Методи вимірювання зчіпних якостей” та ГСТУ 218.02070915-102-2003 “Автомобільні дороги. Визначення транспортно-експлуатаційних показників дорожніх покриттів. Методи та засоби”.
Особистий внесок здобувача полягає в тому, що:
- встановлено перелік параметрів шорсткості, які характеризують зчіпні якості дорожнього покриття;
- виконано метрологічне забезпечення процесу вимірювання ;
- розроблено методику вимірювань параметрів шорсткості дорожнього покриття за допомогою профілографа „ДПП-3”;
- проведено експериментальні дослідження на ділянках доріг з різними типами та станом покриттів;
- розроблено методику обробки профілограм для кількісної оцінки параметрів шорсткості дорожнього покриття;
- встановлено аналітичні залежності для визначення коефіцієнта зчеплення колеса з дорожнім покриттям розрахунковим шляхом
- запропоновано методику визначення зчіпних якостей дорожнього покриття за параметрами шорсткості його поверхні.
Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались та обговорювались на: Першій науково-практичній конференції Міжнародної ради дорожників “Научно-технические проблемы дорожной отрасли стран СНГ” (Москва, Росія, 2000 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми енергозбереження і сучасних технологій в дорожньому будівництві” (Київ, 2001 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожньо-будівельного комплексу України” (Київ, 2004 р.); Обласній науково-практичній конференції “Шляхи підвищення ефективності впровадження науково-технологічних розроблень і засобів механізації в будівництво Полтавщини” (Полтава, 2002 р.); семінарі “Методи, прилади та обладнання для контролю якості дорожніх робіт” (Київ, 2003 р.); наукових конференціях професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету (Київ, 2000-2004 рр.); науково-технічних конференціях Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (Полтава, 2000-2005 рр.).
Публікації. Основні положення роботи опубліковано в 9 наукових роботах, у тому числі: 4 статті в журналах і збірниках наукових праць, 2 нормативно-технічних документи та 3 – матеріали конференцій.
Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 193 сторінки, у тому числі 133 сторінки основного тексту, 50 рисунків, 55 таблиць, список використаних джерел із 152 найменувань на 16 сторінках, а також 6 додатків на 31 сторінці.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету й намічено задачі її досягнення, наведено наукову новизну і практичне значення результатів, дані про апробації та публікації основних положень роботи.
У першому розділі проведено аналіз питань, пов’язаних із визначенням параметрів шорсткості поверхні дорожніх покриттів.
Дослідженню поверхні дорожнього покриття присвячені роботи таких науковців, як Астров В.О., Богомольний І.Н., Боровий М.В., Васильєв О.П., Гончаренко Ф.П., Єлисеєв Б.М., Жуков В.І., Замахаєв М.С., Іваніца Є.В., Кизима С.С., Кияшко І.В., Косарєв Б.М., Кузнєцов Ю.В., Кульмурадов Н.І., Лукашук Р.Ф., Лушніков Н.А., Мар’яхін Л.Г., Нємчінов М.В., Павлюк Д.О., Паршин М.О., Подліх Е.Г., Порожняков В.С., Савенко В.Я, Сіденко В.М., Сіденко С.В. Стефанович О.Є., Стецюк Л.С., Христолюбов І.Н., Юмашев В.М., Abe H., Andersen A., Descornet G., Doyen A., Gothie M., Henri J., Kameyama S., Lukas J., Mazur A., Pasquet A., Sabey B., Wambold J. та ін.
На Україні дослідження, пов’язані з шорсткістю та її впливом на зчіпні якості дорожніх покриттів, проводилися в НТУ, ХНАДУ, ДержшляхНДІ, ДНТЦ “Дор’якість” і деяких дорожньо-експлуатаційних організаціях.
Загалом дослідження можна поділити на такі напрями: вивчення впливу шорсткості дорожнього покриття на умови та безпеку руху; обґрунтування переліку параметрів шорсткості; побудова і дослідження математичних моделей взаємодії колеса з покриттям; розроблення способів та засобів оцінки параметрів шорсткості, включаючи їх метрологічне забезпечення; нормування значень параметрів шорсткості та технологічне забезпечення влаштування шорстких дорожніх покриттів. Вивчення кожного з указаних напрямів взаємопов’язані та переплітаються між собою: результати одних є складовими або вихідними даними для дослідження за іншими напрямами. Проте не всі наведені напрями досліджень, на наш погляд, мають достатню глибину вивчення.
Найбільшого поширення для оцінки шорсткості дорожнього покриття набув такий параметр як середня глибина впадин шорсткості hср, використання якого передбачено рядом нормативних документів. Цьому сприяло простота його визначення методом піщаної плями. Однак дослідження показують, що покриття з однаковими величинами hср можуть мати різні значення коефіцієнта зчеплення. З наведеного випливає, що одного параметра шорсткості не достатньо для оцінювання зчіпних якостей дорожнього покриття.
Про це також свідчать теоретичні дослідження та математичні моделі взаємодії колеса з дорожнім покриттям Ларіна О.Н., Левіна Ю.С., Крагельського І.В., Павлюка Д.О., Петрова І.П. та ін. В них використовуються декілька параметрів шорсткості поверхні, а також емпіричні залежності та комплексні показники, що описують форму виступів шорсткості.
З відомих теоретичних розробок найбільш повно шорсткість дорожньої поверхні описується в роботі Д.О.Павлюка. У ній при побудові моделі поверхні покриття (рис. 1) використано такі параметри: середня глибина впадин шорсткості hср, середній радіус виступів шорсткості Rср та щільність виступів шорсткості ін (обернена величина до середнього кроку виступів шорсткості Sср). Всі вони є усередненими значеннями результатів вимірювання. Однак із теорії ймовірності відомо, що середні значення випадкових величин, якими є hi, Rі та Si, мають достатню репрезентативність лише при їх належності до нормального розподілу, що в даній роботі не було перевірено. Також при розрахунках коефіцієнта зчеплення не було досліджено похибку від застосування середніх значень параметрів шорсткості.
Рис. 1. Схема до визначення параметрів шорсткості поверхні покриття
Аналіз відомих методик визначення параметрів шорсткості поверхні дорожнього покриття показує, що всі вони вимагають проведення значної, часто надлишкової, кількості вимірювань. Причина насамперед полягає в недосконалості конструкцій засобів вимірювання, які не мали, окрім того, необхідного метрологічного забезпечення.
Все це призвело до того, що визначення параметрів шорсткості дорожнього покриття на практиці майже не виконувалось, оскільки інформація про них не забезпечувала об’єктивної оцінки зчіпних якостей та розроблення дієвих заходів щодо їх покращення.
Поданий у першому розділі аналіз досліджень дозволив сформулювати мету та задачі даної роботи.
У другому розділі проведено обґрунтування методики визначення параметрів шорсткості дорожніх покриттів профільним методом та виконано метрологічне забезпечення профілографа „ДПП-3”.
Профільний метод передбачає зйомку профілю нерівностей шорсткості та перетворення його в графічний вигляд (профілограму). Конструкції відомих дорожніх профілографів мають недоліки – недостатня довжина зйомки профілю та незначне його збільшення при записі профілограми, особливо в горизонтальному напрямку. Вказані недоліки практично звели нанівець можливість застосування цих приладів на практиці, зокрема для дослідження дрібношорстких покриттів.
В кінці 90-х років у Національному транспортному університеті на кафедрі будівництва та експлуатації доріг під керівництвом та за ідеєю Д.О.Павлюка почалися розроблення профілографа нової конструкції. Перша й друга модифікації (у розробленні другої брав участь С.С.Кизима) мали ручний привід та низьку продуктивність роботи. Найбільш вдалою виявилась третя модифікація приладу – “ДПП-3” (рис. 2), яка мала електричний привід (конструкторська розробка належить А.Л.Зайченку, доведення – О.С.Лєбєдєву).
Особливістю “ДПП-3”, на відміну від конструкції аналогічних приладів, є те, що перетворення профілю покриття відбувається одночасно в одному масштабі в горизонтальному та вертикальному напрямках, що є досить зручним під час обробки профілограм.
Рис. 2. Дорожній портативний профілограф “ДПП-3”
З метою визначення точності відтворення профілю покриття на профілографі та метрологічних характеристик приладу було побудовано його кінематичну схему рис. 3.
Рис. 3. Кінематична схема профілографа “ДПП-3”
та встановлено його передавальну функцію
де ZA – апліката нерівностей профілю на профілограмі, ZA = АА1 (рис. 3);
ZC – величина переміщення щупа СС1;
ОА, ОВ – радіус екрана та переміщення щупа, відношення яких визначає масштаб перетворення профілю на профілограмі.
У результаті аналізу передавальної функції профілографа (рис. 4) встановлено, що в інтервалі ZA = ± 30 мм вона має лінійний характер, а похибка перетворення профілю не перевищує 5 %. Оскільки на існуючих дорожніх покриттях максимальні перепади нерівностей профілю не перевищують 40 мм, то профілограф “ДПП-3” можна використовувати для зйомки профілограм поверхні дорожніх покриттів.
Рис. 4. Графік передавальної функції профілографа ZA = f (ZC)
Зокрема, встановлено, що при виборі масштабу перетворення слід дотримуватись таких умов:
- масштаб 1:2 слід використовувати для зйомки профілограм поверхні нових і незношених поверхневих обробок при величині перепаду нерівностей до 20 мм;
- масштаб 1:8 приймається для асфальтобетонних покриттів та зношених по-верхневих обробок при величині найбільших нерівностей до 3 мм;
- проміжні значення масштабу вибираються таким чином, щоб амплітуда переміщень не перевищувала ± 20 мм, а сам профіль був зручний для обробки.
Результати досліджень використані при розробленні „Програми та методики метрологічної атестації дорожнього портативного профілографа „ДПП-3” (ПМА 081/23.36-99), яка затверджена УкрЦСМ, та “Керівництва з експлуатації пристрою”.
Перед експериментальними дослідженнями профілограф „ДПП-3” пройшов метрологічну атестацію (Свідоцтво № 23-3/0258 від 16.07.1999 р.)
Визначення параметрів шорсткості за допомогою профілографа “ДПП-3”, проведені на ділянках із різними типами та станом поверхні покриття, поділено на три групи:
- АБ - асфальтобетонні покриття;
- АБп - покриття з піщаного асфальтобетону;
- ПО - покриття з поверхневою обробкою.
Приклад запису профілограми наведено на рис. 5.
Рис. 5. Приклад запису профілю шорсткості на ділянці ПО-4
Для визначення висотних параметрів шорсткості в процесі обробленні профілограм в якості базової системи відліку прийнята лінія виступів - лінія, яка проходить через вершини двох найвищих виступів профілю, рівновіддалено від нерівностей профілю в межах базової довжини (рис. 6).
На деяких профілограмах, зокрема на покриттях із поверхневою обробкою, мали місце "пікові" виступи, які не були характерними для всього профілю.
У таких випадках при встановленні положення лінії виступів ці виступи не враховувались, а частина їх вершини, яка знаходиться вище даної лінії, не використовувалась для визначення висотних параметрів шорсткості.
Рис. 6. Схема профілю шорсткості до визначення базової системи відліку
Обґрунтування порядку визначення кожного з параметрів шорсткості проведено шляхом обробки профілограм декількома способами, які принципово відрізнялись один від одного. Було використано як відомі підходи до визначення параметрів шорсткості, так і запропоновані особисто автором.
При виборі способів визначення параметрів шорсткості враховувались точність отриманих значень, трудоємкість та зручність процесу обробки профілограм.
Виходячи з проведених досліджень, прийнято наступні визначення параметрів шорсткості:
- середня глибина впадин шорсткості Hm визначається відносно лінії виступів через ординати найбільших виступів та впадин нерівностей профілю
де n – кількість виступів та впадин профілю, що взято для розрахунку в межах базової довжини lb ; γо – коефіцієнт перетворення профілю, γо = 2, 4, 5, 8 ;
Hрі , Hvі – ординати відповідно найбільших виступів і впадин профілю (рис. 7);
- середній крок виступів шорсткості Sm установлюються прямим обрахунком відстаней між виступами профілю
- середній радіус виступів шорсткості Rm визначається обрахунком радіусу виступів шорсткості графічним способом за допомогою шаблону
Рис. 7. Схема до визначення параметрів шорсткості
Під час обробки профілограм установлено, що значення параметрів шорсткості залежать від обсягу проведених вимірювань n (рис. 8).
Рис. 8. Графік залежності значень параметрів шорсткості
від обсягу вимірювань n
Внаслідок впливу ряду незалежних факторів, наприклад, різний фракційний склад щебеню та його випадкове розташування на поверхні покриття, значення параметрів шорсткості можуть значно змінюватися навіть на сусідніх ділянках проїзної частини. З метою врахування цих обставин при визначенні параметрів шорсткості проведено статистичний аналіз результатів оброблення профілограм, а саме: оцінювання похибок вимірювань із виявленням грубих похибок методом β-критерію; встановлення закону розподілу значень параметрів шорсткості; визначення довірчих меж для параметрів розподілу.
Припускаючи правомірність використання закону нормального розподілу, в якості оцінки параметрів шорсткості прийнято їх вірогідні значення Х, які враховують випадковість розподілу
де  – середньоарифметичне значення результатів вимірювання;
μ – середньоквадратична похибка результату;
де σ – середньоквадратичне відхилення значень статистичного ряду, який складається з n вимірювань.
| 
