книги / Техническое нормирование макрошероховатости дорожных покрытий автомобильных и лесовозных дорог

2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАКРОШЕРОХОВАТОСТИ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

2.1. Основные понятия, элементы и параметры макрошероховатости покрытий автомобильных и лесовозных дорог и мостов

Поверхность дорожного покрытия рассматривается как основной конструктивный элемент автомобильных дорог, который определяет безопасность, удобство, экономичность, экологичность, непрерывность и скорость движения. Транспортно-эксплуатационные качества дорожного покрытия зависят от свойств поверхности покрытия автомобильной дороги: шероховатости, ровности, жесткости, состояния поверхности. Физико-техни- ческими параметрами взаимосвязи транспортно-эксплуатационных свойств автомобиля со свойствами дорожного покрытия являются коэффициент сцепления шин автомобиля с поверхностью покрытия и коэффициент сопротивленияповерхностипокрытиякатящейсяшинеавтомобиля[49].

Коэффициент сцепления характеризует качество взаимодействия шины автомобиля с поверхностью покрытия в процессе движения, ускорения или торможения автомобиля. По физической сущности коэффициент сцепления подобен коэффициенту трения покоя, который определяется между катящимся колесом и дорожным покрытием в зоне контакта шины. Численно коэффициент сцепления равен отношению силы трения в зоне контакта шин ведущих колес машины с дорожной поверхностью (предельной силы тяги на грани перехода колеса на юз), обеспечивающей движение автомобиля, к нормальной составляющей давления на ведущие колеса от веса автомобиля.

Коэффициент сцепления является индивидуальной характеристикой дорожного покрытия, влияющей на динамические свойства транспортного средства (скорость, сила тяги, величина тормозного пути, ускорение), которые зависят от вида и типа транспортного средства, нагрузки на колесо, скорости движения, от качества и размера шин, от степени и вида износа протекторов, давления в шине, а также от вида и типа материалов покрытия дороги, ее ровности, шероховатости и погодных условий (мокрое, сухое, заснеженное, грязное, обледеневшее).

81

Поэтому величина коэффициента сцепления зависит от свойств автомобиля и дорожного покрытия. Увеличивая адгезию материала дорожного покрытия к шинам, создавая оптимальную степень его шероховатости, обеспечивая чистоту и ровность поверхности покрытия, можно существенно увеличить коэффициент сцепления за счет дорожной составляющей и тем самым повысить динамические характеристики автомобиля и уровень безопасности движения.

Коэффициент сопротивления движению характеризует качество взаимодействия шины автомобиля с поверхностью покрытия, препятствующего движению. По физической сущности коэффициент сопротивления движению представляет собой коэффициент трения качения, препятствующий качению колеса по поверхности покрытия в зоне контакта шины. Численно коэффициент сопротивления движению равен отношению сил сопротивления движению в зоне контакта шин автомобиля с поверхностью покрытия к общему весу автомобиля. За счет дорожной составляющей необходимо снижать величину коэффициента сопротивления движению путем уменьшения адгезионной активности поверхности покрытия к шинам автомобиля, обеспечения ровного, жесткого и чистого покрытия в течении всего периода эксплуатации.

Макрошероховатость поверхности дорожного покрытия есть совокупность неровностей относительно базовой плоскости покрытия на уровне контакта шины автомобиля с поверхностью. Параметры, которые используют для оценивания степени макрошероховатости дорожного покрытия, определяют по ГОСТ 2789–73, но с некоторыми специфическими дополнениями (рис. 2.1) [68].

Величина макрошероховатости поверхности дорожного покрытия является одним из главных факторов, который влияет на величину сопротивления движению и значение коэффициента сцепления. С увеличением степени шероховатости поверхности дорожного покрытия возрастают коэффициенты сцепления и сопротивления движению. При назначении степени шероховатости необходимо оптимизировать минимально необходимый коэффициент сцепления и минимально возможный коэффициент сопротивления движению.

Нормальное сечение – сечение, перпендикулярное базовой поверхности, в пределе базовой длины, используемое для оценки геометрических параметров профиля макрошероховатости.

82

Элемент макрошероховатости – это крупная структурообразующая неровность профиля макрошероховатости, которая характеризуется частными глубинами впадин Rai, а также частными шагами шероховато-

сти Si.

Элемент микрошероховатости – это мелкий выступ или пора на элементе макрошероховатости, который характеризует активность поверхностей макрошероховатого элемента.

Средняя глубина впадин макрошероховатости Rа ср – средняя арифметическая величина впадин между элементами макрошероховатости в пределах базовой длины, характеризующая величину шероховатости, мм. Рассчитывается по формуле [68]

i=1

где Rai – частная глубина впадины между элементами шероховатости

впределах базовых длин, мм; nL – число элементов шероховатости

впределах базовых длин, шт.,

где Sср – средний шаг шероховатости (средняя арифметическая величина шага между элементами макрошероховатости в пределе базовой длины L), мм. Определяется по следующей формуле:

i=1

где Si – частный шаг шероховатости, мм.

Средний диаметр элементов макрошероховатости Qср – средняя арифметическая величина диаметров элементов шероховатости в пределах базовой длины, характеризующая их средние размеры. Рассчитывается по формуле

i=1

где Qср – средний диаметр элементов макрошероховатости, мм; Qi – частный диаметр элемента шероховатости в пределах базовой длины, мм.

Средний диаметр элемента активной макрошероховатости dср средняя арифметическая величина диаметров активных элементов мак-

84

рошероховатости в пределе базовой длины. Определяется по следующей формуле:

i=1

где dср – средний диаметр активных элементов макрошероховатости, мм; di – частный диаметр активного элемента макрошероховатости в пределах базовой длины, мм.

Относительная активность контакта элементов макрошероховатости Qk характеризует активность взаимодействия шины автомобиля с шероховатой структурой и определяется отношением среднего диаметра элементов микрошероховатости к среднему диаметру активных элементов макрошероховатости dср. Рассчитывается по формуле:

где Qk – относительная активность контакта элементов макрошероховатости.

Чем больше относительная активность контакта элементов макрошероховатости Qk, тем активнее взаимодействие. Численно Qk > 1.

Относительная плотность контактных элементов макрошероховатости Nк характеризует плотность активных контактов элементов макрошероховатости, покрытия с шиной автомобиля [68]:

где Nk – плотность (относительная) контактных элементов макрошероховатости. Чем больше плотность контактных элементов макрошероховатости Nк, тем более прерывистый и более активный контакт покрытия с шиной. Численно Nк ≥ 1.

Степень плотности макрошероховатости ρ характеризуется отношением среднего диаметра элементов макрошероховатости к среднему шагу макрошероховатости на площади контакта шин автомобилей с дорожным покрытием. Определяется по формуле

где ρ – степень плотности макрошероховатости. Численно ρ ≤ 1.

По степени плотности структуры шероховатости поверхности подразделяются на группы (табл. 2.1).

85

Таблица 2.1

Классификация поверхностей в зависимости от степени плотности структуры шероховатости [11, 68]

Поверхностная активность элемента макрошероховатости – характеризуется адгезионной активностью материала макрошероховатого элемента и структурой микрошероховатости (величиной микропор и микровыступов) на поверхности этого макрошероховатого элемента.

Степень активности элементов макрошероховатости (табл. 2.2) оценивают в баллах.

Таблица 2.2

Характеристики степени активности поверхностей элементов шероховатости по баллам [68]

86

Профиль шероховатости (коэффициент развития Kр) характеризуется степенью изломанности профиля (степенью шероховатости) и определяется по формуле [11, 68]

где Kр – коэффициент развития профилей макрошероховатости; Lпр – длина ломанной линии по профилю, мм; L –длина (базовая), мм.

При увеличении численных значений коэффициента развития профилей макрошероховатости Kр происходит увеличение макрошероховатости поверхности покрытия. Гладкая поверхность покрытия имеет коэффициент, равный единице.

Методика определения величины каждого параметра макрошероховатости дорожных покрытий приведена в прил. А [68].

Можно наблюдать в динамике изменения параметров во время эксплуатации в зависимости от вида материала, типа покрытия, технологии эксплуатации и устройства, интенсивности движения и климатических факторов. Анализируя эти изменения шероховатости во время эксплуатации дорожного покрытия, устанавливают характеристику износа и определяют долговечность слоя покрытия и межремонтный срок [68].

2.2.Формирование критериев качества дорожной поверхности по геометрическим параметрам макрошероховатости

2.2.1.Определение геометрических параметров макрошероховатости на основе существующих

нормативных документов

Для оценивания структуры макрошероховатости глубин впадин (высот выступов), в нормативной литературе (СНиП 3.06.03-85 [96]) площадь занятой объемом песка, распределенного по поверхности дорожного покрытия, рассчитывается по формуле:

где Vп – объем измеряемого песка, см3 (200–250 см3); hвп – глубина впадины макрошероховатости, см; Sп.п – площадь, которую занимает песок на поверхности дорожного покрытия, см2.

Такая модель описания глубин впадин или высот активных выступов от уровня отчета имеет очень существенные погрешности. Высота

87

активных выступов или глубина впадин зависит от взаиморасположения элементов и их формы макрошероховатости на покрытии, а также и от текстуры макрошероховатости [105].

Изучение триботехнических параметров и их функциональные связи с макрошероховатостью изделий на протяжении длительного периода происходило во многих областях науки и техники. В основном проблема изучается в узких направлениях, причем с семидесятых годов прошлого века серьезных исследований не проводилось. Эксплуатационные качества изделия или сооружения во многом зависят от свойств шероховатости поверхности как важнейшего показателя ее состояния, важнейшими физико-техническими параметрами которого являются трение покоя (срыва), скольжения, верчения, качения. Перспективно исследование коэффициента сцепления и коэффициента сопротивления движения поверхности катящемуся объекту (например, шарику, ролику, резиновому колесу) [32, 104].

Степень макрошероховатости поверхности является ключевым фактором свойств, влияющим на триботехнические характеристики. С увеличением макрошероховатости поверхности возрастают коэффициенты сцепления и сопротивления движению. Анализируя динамику изменения параметров макрошероховатости в процессе эксплуатации готового изделия, можно устанавливать характеристики износа и долговечности дорожного покрытия. Например, уровень звука характеризуется силой звука, которая пропорциональна квадрату амплитуды и квадрату частоты колебательного процесса в зоне контакта. В свою очередь, амплитуда колебаний зависит от глубины впадин макрошероховатости Rср, частота колебаний зависит от шага макрошероховатости Sср и скорости движения, поэтому для снижения уровня звука от движения с увеличением расчетной скорости необходимо стремиться к более плотной структуре макрошероховатости. Увеличение степени плотности текстуры макрошероховатости приводит к снижению частоты колебаний звука от высокого к низкочастотному диапазону, а коэффициент сопротивления движения несколько возрастает [32].

Как известно, шероховатость поверхности есть геометрическая совокупность неровностей относительно базовой плоскости покрытия. Параметры, используемые для оценки степени шероховатости покрытий, определяются по ГОСТ 2789–73 [21, 32]. Шероховатость образовавшейся поверхности также может быть определена с помощью более

88

ранних его редакций 1945 и 1959 годов. Следует обратить внимание на основной способ определения параметров шероховатости, используемый в технологии машиностроения [32, 93]. В нем измерение шероховатости производится контактным способом при помощи профилометра, игла которого с заданным радиусом закругления движется по поверхности покрытия с постоянной скоростью. Количественное значение средних квадратичных отклонений определяется по шкале электроизмерительного прибора [32].

Эта особенность способа основана на положениях ГОСТ 2789–45 (использование средних квадратичных отклонений для точек профиля). Согласно измерению на профилометре диаметр закругления оказывается в 5 раз (15 мкм вместо 3 мкм ширины рисок) большим требуемого по условиям измерения. Фактически закругление иглы огибает шероховатую поверхность по высотам активных выступов. Это позволило в технологии машиностроения при измерении шероховатости определять величину, устойчиво коррелирующую с изменением параметров трения (покоя, качения, скольжения, верчения, сцепления, сопротивления дви-

жению) [32].

Простейшим параметром, характеризующим качество макрошероховатости, является наибольшая высота выступа Нmax, представляющая собой расстояние между высшей и низшей точками профиля выбранного участка поверхности. Однако этот показатель считается нехарактерным из-за значительного искажения геометрии поверхности отдельными глубокими рисками [32].

Уже с 1945 года использовался ГОСТ 2789–45, в котором в качестве показателя чистоты (шероховатости) поверхности применялось среднее квадратичное отклонение ее неровностей. Следует еще раз отметить, что метрологическая база профилометров фактически привязана к ГОСТ 2789–45 еще 1945 года – измерению статистического инварианта среднеквадратического отклонения (дисперсии). Объективные способы оценки шероховатости поверхностей могут быть разделены на две группы: способы, дающие такое изображение профиля поверхности, которое позволяет получить расчетным путем численный показатель степени шероховатости; способы, позволяющие оценивать шероховатость поверхности в виде некоторого суммарного (интегрального) численного показателя, находящегося в закономерной зависимости от изменения геометрии шероховатости.

89

Взависимости от способов приборы для измерения шероховатости делятся на два основных типа: для непосредственного измерения шероховатости поверхности и для косвенного определения шероховатости поверхности. При непосредственном измерении часто используют профилометры. При помощи портативного профилометра возможно определять среднюю глубину впадин шероховатости, шаг шероховатости

исредний диаметр элементов шероховатости [32, 93].

С1959 года в СССР действовала стандартная оценка шероховатости поверхности по ГОСТ 2789–59. Для оценки геометрии поверхности были установлены два параметра: среднее арифметическое отклонение

профиля Ra – среднее значение расстояний точек измеряемого профиля от его средней линии и высота неровностей Rz – среднее расстояние между находившимися в пределах базовой длины пятью высшими

ипятью низшими точками впадин, измеренное от линии, параллельной средней линии [174].

ГОСТ 2789–73 [21] был введен взамен ГОСТ 2789–59, в мае 1980 г. было введено Изменение № 1. Стандарт распространяется на шероховатость поверхности независимо от материала и способов изготовления или получения поверхности. Требования по шероховатости устанавливаются исходя из функционального назначения поверхности для обеспечения заданного качества путем указания параметра шероховатости (одного или нескольких) и базовых длин, на которых происходит определение параметров. Для номинальных числовых значений параметров шероховатости должны устанавливаться предельные отклонения, которые выбираются из ряда 10, 20, 40 в процентах от номинальных.

Вкачестве параметров шероховатости выбираются среднее арифметическое отклонение профиля, высота неровностей по десяти точкам, наибольшая высота профиля, средний шаг неровностей, средний шаг местных выступов профиля, относительная опорная длина профиля [32].

Согласно стандарту параметры макрошероховатости выбираются

из приведенной номенклатуры: Ra – среднее арифметическое отклонение профиля; Rz – высота неровностей профиля по десяти точкам; Рmax – наибольшая высота профиля; Sm – средний шаг неровностей; S – средний шаг местных выступов профиля; tp – относительная опорная длина профиля, где р – значения уровня сечения профиля. Параметр Ra является предпочтительным [32].

90