автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Повышение прочности и долговечности шероховатых слоёв износа покрытий дорожных одежд

На правах рукописи

Актанов Серик Касымбекович

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ШЕРОХОВАТЫХ СЛОЁВ ИЗНОСА ПОКРЫТИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

? ("¡'Г* 7-1Г

" .: - . О

I 005558292

Москва 2014

005558292

На правах рукописи

Акта н о в Ссрик Касымбекович

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ШЕРОХОВАТЫХ СЛОЕВ ИЗНОСА ПОКРЫТИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Научный руководитель: Немчинов Михаил Васильевич

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Матуа Вахтанг Парменович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автомобильные дороги» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет (РГСУ)»

Александрова Наталья Павловна кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Строительство и эксплуатация дорог» ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение «Российский дорожный научно-исследовательский институт» (ФГБУ «РОСДОРНИИ»)

Защита состоится «26» февраля 2015 года, в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.250.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5, аудитория 3124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» и на сайте академии по адресу http://sibadi.org/science/studies/dissertations/12278/.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять в диссертационный совет по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5. Тел. (3812) 72-99-79, e-mail: bobrova.tv@gmail.com.

Автореферат разослан « 29 » декабря 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Боброва Татьяна Викторовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы ■ исследования. Одной из важнейших мировых транспортных проблем является высокий уровень транспортных происшествий на автомобильных дорогах. В Российской Федерации, в Республике Казахстан количество ДТП ежегодно исчисляется сотнями тысяч, в которых погибает несколько десятков тысяч человек, а сотни тысяч получают ранения. В подавляющей части ДТП важной сопутствующей причиной их возникновения является достаточно значительный путь торможения автомобилей вследствие повышенной скользкости дорожных покрытий. Чтобы повысить фрикционные качества дорожных покрытий и тем уменьшить длину тормозного пути, снизить тяжесть последствий ДТП дорожно-эксплуатационные службы строят на покрытиях проезжей части автомобильных дорог шероховатые слои износа. Эти же слои строятся и для ремонта дорожных покрытий — для повышения ровности поверхности проезжей части и, тем самым, комфорта движения. В этих условиях обеспечение высокого уровня сцепных качеств и повышение долговечности слоев износа - по показателям прочности и сохранения требуемой величины коэффициента сцепления - являются важными, принципиальными факторами обеспечения безопасности и комфорта дорожного движения, а также экономики содержания и ремонта автомобильных дорог.

Степень разработанности темы. Тема разрабатывается в России и в мире уже несколько десятилетий. Накоплен огромный фактический материал, в том числе разработаны теоретические и практически методы создания текстуры поверхности дорожных покрытий в интересах обеспечения высокого уровня сцепления автомобильных шин с поверхностью движения. Все эти исследования выполнены в реальных условиях движения автомобилей. Однако целый круг вопросов не исследован: нет информации об адгезионных качествах каменных материалов, используемых для строительства шероховатых слоев износа; не известны величины сил и давления, действующих в зоне контакта шин с шероховатым покрытием дороги - в целом по площади контакта и на отдельные выступы макрошероховатости. Не известны и сами площади фактического контакта шин с шероховатыми дорожными покрытиями. Требует проверки и зависимость изменения макрошероховатости слоев износа дорожных покрытий под воздействием колёс проходящих автомобилей в связи с конструктивным изменением прибора для оценки его твёрдости.

Цель и задачи исследования. Цель - совершенствование требований к устройству шероховатых слоев износа на покрытиях автомобильных дорог с учётом взаимодействия колёс автомобилей с поверхностью качения.

Для достижения цели исследования поставлены и решены следующие задачи: 1. Исследовать взаимодействие автомобильного колеса с шероховатым дорожным покрытием (теоретический анализ). 2. Исследовать фрикционные качества основных пород каменных материалов, используемых при устройстве шероховатых слоёв износа на дорожных покрытиях. 3. Разработать методики и оборудование для оценки силового воздействия автомобильного колеса на покрытие дороги. 4. Провести экспериментальные исследования силового взаи-

модействия автомобильного колеса с покрытием дороги (на примере легковых автомобилей). 5. Разработать рекомендации по совершенствованию строительства шероховатых слоев износа.

Научная новизна. Заключается:

1. В проведении теоретического анализа положений теории трения в направлении выявления составляющих силы трения и обоснования необходимости исследования фрикционных качеств пород каменного материала, используемого при устройства шероховатых слоев износа.

2. Впервые проведена экспериментальная проверка фрикционных свойств основных типов каменных материалов для шероховатых слоев износа.

3. Впервые разработаны методики для оценки силового воздействия автомобильного колеса на дорожное покрытие, измерения давления и касательных напряжений, возникающих в контакте автомобильных шин. В работе впервые использовано оборудование, созданное в смежных отраслях, для оценки силовых воздействий в контакте двух тел, а также разработано собственное оборудование для проведения экспериментов с шероховатыми поверхностями дорожных покрытий.

4. Впервые получены данные о величинах давления и касательных напряжений в контакте шин легковых автомобилей.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость состоит в анализе положений молекулярно-механической теории трения с позиции выявления влияния на силу трения характеристик поверхности дорожных покрытий. Практическая значимость определяется установлением фактических параметров контакта шины с покрытием, фактических давлений и касательных сил, действующих в контакте и тем самым в создании условий для совершенствования технологии строительства шероховатых слоев износа и выбора типа каменного материала, обеспечивающего наибольший уровень трения.

Методология и методы исследования. В соответствии с целью и задачами исследования для выполнения работы была разработана комплексная методика, включающая: теоретический анализ зависимостей для оценки силы трения (согласно молекулярно-механической теории) и экспериментальные исследования компонентов, выявленных в процессе этого анализа. Измерения давлений и сил в контакте автомобильных шин было проведено в реальных условиях (на автомобильных дорогах с реальными автомобилями, с реальной шероховатостью поверхности покрытия, при реальных скоростях движения) с использованием специальных приборов, включая оборудование, позволяющее моделировать шероховатую поверхность (по аналогии с исследованиями в физике трения). Проверка закономерности изменения макрошероховатости в процессе службы дорожного покрытия проведена по апробированной предшествующими исследователями методике, но с использованием твердомера, конструкция которого соответствовала нормам дорожной отрасли.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты теоретического анализ положений теории трения в части анализа влияния адгезионной и деформационной составляющих на силу трения в контакте шины с покрытием дороги.

2. Методики оценки сил и давлений в контакте автомобильных шин с дорожным покрытием.

3. Результаты экспериментальных исследований адгезионных качеств каменных материалов для слоя износа и сил и давлений в контактной зоне автомобильных шин с шероховатой опорной поверхностью.

Достоверность результатов исследования обеспечена: изучением результатов работ предшествующих исследователей, отечественных и зарубежных; использованием общепризнанной в мире отечественной молекулярно-механической теории трения; планированием экспериментальных работ (с оценкой их точности и надёжности результатов) в на основе положений теории вероятностей и математической статистики; использованием измерительного оборудования, созданного и использовавшегося в ведущих НИИ страны (ИМАШ АН СССР, ИФиС СССР, НИИШП) и проверенных на возможность их применения на автомобильных дорогах (по нагрузкам, по частотам). Собственное оборудование также базируется на разработки этих НИИ. Результаты исследований обрабатывались методами математической статистики.

Апробация работы проведена на научно-технических конференциях в МАДИ (1988, 1989, 1990 г.г.); в Архангельском лесотехническом институте (декабрь 1988 г.); в Усть-Каменогорском строительно-дорожном институте (1989 г.); в г. Алма-Ата (1991 г.); в Пермском национальном исследовательском государственном университете (г. Пермь 2014 г.).

Структура и объём диссертации: Диссертация включает введение, 5 глав и заключение на 130 страницах текста, включая 45 рисунка и 32 таблицы. Список литературы включает 177 наименований.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ в журналах и трудах научно-практических и научно-технических конференций университетского, областного, республиканского (в СССР) и общероссийского масштаба. В том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, включенных в список ВАК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, показано её значение для решения важнейших народно-хозяйственных задач в дорожной отрасли, в области обеспечения безопасности дорожного движения. Отмечена значительная научная и практическая база в области строительства шероховатых слоев износа на покрытиях автомобильных дорог, сформированная трудами отечественных и зарубежных исследователей — физиков, дорожников и автомобилистов: отечественных - Астрова В.А., Бартенева Г.М., Бурвиса К.В.К., Гусева JI.M., Замахаева М.С., Захарова С.П., Иларионова В.А., Кленникова Е.В., Кнороза В.И., Косарева Б.М., Крагельского И.В., Кузнецова Ю.В., Куль-мурадова Н., Лукашука Р.Ф., Марьяхина Л.Г., Михина Н.М., Немчинова М.В.,

Орехова И.А., Паниной Л.Г., Паршина М.А., Петрова И.П., Подлиха Э.Г., По-рожнякова B.C., Христолюбова И.Н., Цукерберга С.М., Чудакова Е.А., Хренова В.У., Юмашева В.В. и др., зарубежных — Аллберта Б., Гринвуда Дж. А., Гроша К.А., Мура Д., Паттона Р., Тейбора Д., Шалламаха А., Френча Т., Уокера Я. и др. В то же время отмечены отдельные не решённые задачи и вновь возникшие, в результате активной автомобилизации страны в последние десятилетия.

В первой главе проведён обзор научных исследований по рассматриваемой проблеме, сформулированы цель и задачи настоящего исследования.

Изучение литературы по вопросу сцепления автомобильных шин с дорожными покрытиями выявило прямую зависимость величины коэффициента сцепления от текстуры поверхности дорожного покрытия. Для силы трения (сцепления) в зоне контакта автомобильных шин установлена двойственная природа — сочетание адгезии контактирующих материалов с энергетическими потерями в результате деформации поверхностей контактирующих тел, которую можно представить выражением:

_ 1,5г0 Ас(\-P\G„\ , „pjc/г , ОЗба^АсА'У-р'УРМ^

F =-2 2 11-+ P-с-+-5-—-' ^

£3С3Д363Г b'VE'C'

где то, P — фрикционные характеристики, зависящие от условий работы трущейся пары; Ас — фактическая площадь касания шины с покрытием дороги; р — коэффициент Пуассона; Р„ — давление воздуха в шине; GK - вертикальная нагрузка на колесо; Е - модуль упругости;

С = 2KAraia,i

4а Р2 -а\Ок'

(2)

здесь Ь, V — параметры кривой опорной поверхности (профиля шероховатости);

а^ф — коэффициент гистерезисных потерь; В„ — ширина протектора шины; г0 — радиус колеса (на беговой дорожке шины);

а, =-1-, (3)

(2Я4^)

где г„ — радиус поперечной кривизны протектора; а! — постоянный коэффициент (2,2... 3,7 х 10"3 см2/н); Д = Ятах / Яь"2 - характеристика микрогеометрии (макрошероховатости) поверхности; Я^гс — максимальная высота выступов текстуры поверхности дорожного покрытия; Яь — осреднённая глубина впадин между выступами.

Особенно важна эта зависимость для мокрых покрытий, на которых вода играет роль смазки в контакте шин с поверхностью дороги. На таких покрытиях увеличение высоты выступов способствует росту коэффициента сцепления при высоких (более 60 км/ч) скоростях движения автомобиля. Кроме того, развитие текстуры (шероховатости) поверхности покрытия способствует обеспечению стабильности значений коэффициента сцепления (т.е. обеспечению доста-

точно сопоставимых по величине) при изменении скорости движения, при переходе покрытия из сухого в мокрое состояние (рисунок 1-2). С,

?

0,05 0,04 0,03 0,02 0,01

V»

\ к

к о г о V

X 2 V о

зч "-к — -

О 1 2 3 4 5 6 Я, мм

Макрошероховатость

1) на крупношероховатой поверхности при скорости 80 км/ч;

2) на крупношероховатой поверхности при скорости 40 км/ч; 3) на мелкошероховэтой поверхности при скорости 80 км/ч

Рисунок 1 - Влияние шероховатости дорожной поверхности на стабильность коэффициента сцепления а9 При этом важны макро и микрошероховатость поверхности качения ко-

лес.

Практика строительства и эксплуатации автомобильных дорог потребовала разработки разных технологий создания шероховатой поверхности дорожных покрытий, из которых массовое применение нашла технология устройства шероховатых слоев износа, одновременно позволяющая создать шероховатую поверхность и повысить прочность и долговечность дорожного покрытия.

0,075 0,050 0,025 О

зч

к

'ч о в

О ¿1

20 30 40 50 60 Л, мкм

Микрошероховатость

1) К = 40 км/ч; 2) У= 60 км/ч; 3) 80 км/ч Рисунок 2 - Снижение стабильности значений коэффициента сцепления при уменьшении микрошероховатости поверхности покрытия йиачю = 2,4-3,4 мм и различных скоростях движения V

В процессе работы автомобильных дорог на покрытиях из любых материалов, в том числе и на шероховатых слоях износа, появляются полосы наката. В последнее десятилетие полосы наката приобрели массовый характер и особенно неприятны и опасны из-за их узости, глубины на полосах движения легковых автомобилей и повышенной скользкости в результате уменьшения шероховатости. Причины уменьшения макро и микрошероховатсоти установлены. Это погружение щебня слоя износа в ниже лежащее асфальтобетонное покрытие и его истирание шинами автомобилей. Этот процесс можно иллюстрировать графиками рисунков 3 и 4 , показывающих связь его интенсивности с величиной колёсной нагрузки. Причём легковые автомобили, имеющие массу в несколько (до десятков) раз меньшую, чем у тяжёлых грузовых автомобилей вызывают значительное уменьшение макрошероховатости (рисунок 4).

в £

3 аз

I

о 3

т

м В2"-" К ¡меч, ММ К факт, мм Яф-Яр

мм %

0,64 8,84 16,10 23,50 40,80 56,34 5,99 3,80 2,95 2,53 2,22 2,19 5,96 3,54 3,00 2,82 2,24 2,06 -0,03 -0,26 +0,05 +0,29 +0,02 -0,13 -0,5 -7,3 +1,7 +103 +0,9 -5,9

1 ^20-25 = 4,0-<Г°'08А * +2,15

\« / /

• 094««/ О __. (Г

•5 ^ »а "8— м ----- ■ "

• т • К

10 20 30 40 50

Число прошедших автомобилей (МхЮ

60

1)20-25; 2) 15-20; 3) 25-35 Рисунок 3 - Изменение макрошероховатости поверхности дорожного покрытия из мелкозернистого асфальтобетона типа В в процессе его эксплуатации при поверхностной обработке из щебня размером, мм

Погружение щебня слоя износа в дорожное покрытие и его истирание являются следствием силового воздействия колёс движущихся автомобилей на поверхность качения. Показателями этого воздействия являются силы, давление и касательные напряжения, действующие в контакте автомобильных шин с покрытием дороги. Зависимость этих показателей от характеристик автомобильных шин изучалась производителями автомобильных шин применительно к оценке характеристик самой шины (долговечности, прочности, работоспособности). Все исследования «шинников» проведены в подавляющем большинстве для шин грузовых автомобилей и на гладких металлических поверхностях

качения. Разработка рисунка протектора шин, как известно, имеющего большое значение для обеспечения сцепления шин с дорожным покрытием, ведётся без оценки давлений и напряжений в контакте (хотя при этом и рассматривается «ходимость», т.е. износ автомобильных шин). По этой причине результаты «шинников и автомобилистов» не отражают и не характеризуют силовые процессы, имеющие место в контакте шин автомобилей с шероховатыми дорожными покрытиями.

Рады движения

I - макрошероховэтосгь после 1 года эксплуатации; II - то же через 3 года.

Рисунок 4 - Изменение макрошероховатости покрытия из мелкозернистого асфальтобетона под воздействием колес проходящих автомобилей при щебне шероховатого слоя износа - 5-10 мм (цифры на кривых - средняя высота неровностей макрошероховатости)

Строительство шероховатых слоев износа является важнейшей технологией ремонтов дорожных покрытий и одним из основных способов повышения безопасности дорожного движения. Поэтому к этим слоям предъявляют целый комплекс требований, основными из которых являются высокий уровень сцепных качеств, долговечность и ровность поверхности. Обеспечить эти требования весьма затруднительно не зная фактических сил, давлений и напряжений, действующих в контакте шин с шероховатой поверхностью дорожного покрытия.

Во второй главе представлены методика и результаты изучения взаимодействия автомобильного колеса с дорожным покрытием.

Усилия в контакте шин с покрытием дороги можно определить исходя из общих положений теории движения автомобиля. К ведущему колесу автомобиля приложен крутящий момент Мк, передаваемый через трансмиссию от двигателя. В результате в плоскости контакта шины с покрытием возникает окружная сила Рк и, равная ей по величине, но обратная по направлению и приложенная к оси колеса, сила - тяговое усилие Рр:

\РК 1= \PpKMJrJ, (4)

где гк — радиус качения ведущих колес с учетом обжатия шины в зоне контакта с покрытием; Рк=Х га\ га - радиус свободной шины; Я — коэффициент, равный: для шин грузовых автомобилей — 0,945...0,950; для шин легковых автомобилей -0,930...0,935.

В конечном итоге окружная сила Рк (и равное её по величине тяговое усилие) на ведущем колесе равна, для легковых автомобилей:

Л, = 0,963-(Л^и). (5)

где Ые — мощность двигателя, о — скорость поступательного движения колеса.

Действие нормальных сил в контакте шин с покрытием дороги обычно характеризуют величиной давления от колеса автомобиля:

Ок 1

ч= 7 со к

Ру,

г \

1 — 2--соу/иа-саг В

V В. у

+ <7,

(6)

где Ок — вертикальная нагрузка на колесо; со — площадь фактического контакта; к — насыщенность рисунка протектора; р„ — давление воздуха в шине; г — радиус шины; В„ - ширина беговой дорожки шины; - давление, вызванное только изгибом оболочки шины; т — коэффициент, учитывающий изгибную жёсткость резины боковин шины (т > 1); а, Р — углы расположения нитей корда: р— угол наклона нити корда к меридиану, а — угол, под которым нить корда выходит из ленты (лента — упрощённая модель автомобильной шины в виде жёсткой в поперечном сечении и гибкой в окружном направлении кольцевой ленты, связанной нитями корда с ободом колеса).

Увеличение шероховатости поверхности дорожного покрытия сопровождается уменьшением площади фактического контакта, а, следовательно, и ростом давления в контакте. Данные об изменении площади фактического контакта приведены в таблице 1. При этом следует ожидать влияния на величину давления такого фактора, как скорость движения.

Таблица 1 — Соотношение фактических и «по контуру» площадей контакта шин легковых автомобилей с покрытием дороги для шины 6,45-13

Я, мм •Х* / ¿V, % Л, мм

0,19 95 0,95 50

0,30 80 1,08 25

0,71 60 1,41 25

0,83 30 2,22 20

Влияние неровности поверхности дорожного покрытия на давление в контакте можно рассмотреть, используя упрощённую расчётную схему, показанную на рисунке 5.. Величину вертикального динамического воздействия можно записать как сумму инерционных сил подрессоренной М2, не подрессоренной Zm массы и нагрузки от статического веса 2ст автомобиля с учётом деформации шины, отсчитываемой от положения статического равновесия:

2^{М+т)^2Сш{д-Х). (7)

При этом коэффициент динамичности определяется по формуле

Кя =\+({2Сш(Л-Х))1М(\+АШ (8)

Рисунок 5 - Упрощенная расчетная схема автомобиля

При постоянной жёсткости шин нагрузка от автомобиля пропорциональна разности двух переменных - ординаты (высоты) неровности и ординаты траектории движения колеса при проезде по поверхности.

Динамическое взаимодействие автомобильного колеса с дорожным покрытием, учитывая случайный характер распределения макровыступов (выступов макрошероховатости) на дорожной поверхности, является случайным процессом. При этом динамическая составляющая вертикального давления характеризуется спектральной плотностью распределения макровыступов и динамического прогиба шины.

Величина динамического воздействия автомобиля имеет нормальный закон распределения. Используя правила двух стандартов с вероятностью 0,95 можно определить максимальную величину воздействия при движении по случайному микропрофилю:

г, = гст+2а:, (9)

где <тг- среднеквадратическое отклонение величины вертикальной нагрузки

Отсюда коэффициент динамичности

К, = (10)

Из выражения (10) видно, что коэффициент динамического воздействия колеса на покрытие зависит от параметров макрошероховатости (неровности) на дорожном покрытии, характеристик и скорости автомобиля.

В третьей главе излагаются теоретические соображения, обосновывающие необходимость изучения фрикционных качеств каменных материалов, методика экспериментальных исследований и даётся описание оборудования для

проведения экспериментальных исследований; приводятся результаты экспериментальной оценки фрикционных свойств каменных материалов.

Фрикционные качества каменных материалов (определяющие адгезионную составляющую силы трения) обусловлены энергетической активностью находящихся на поверхности твёрдого тела атомов и молекул. На поверхности твёрдого тела атомы и молекулы находятся в неуравновешенном состоянии. Оно характеризуется поверхностной энергией, которая может иметь значительную величину (для металлов, например, порядка 200-400 эрг/см). Это приводит к активному взаимодействию поверхности твёрдого тела с атомами и молекулами окружающей среды: газа, жидкости или твёрдого тела. Молекулярные связи (условно называю адгезией) зависят от силы взаимодействия между атомами, молекулами или функциональными группами контактирующих тел, которые обусловлены их природой. Наиболее универсальной является ванн-дер-ваальсова связь. Она проявляется даже при взаимодействии двух атомов совершенно инертных тел. Физическое взаимодействие тел при более тесном сближении может перейти в химическую связь, при котором изменяются электронные оболочки адсорбированных атомов и заметно меняется электронная плотность в поверхностном слое твёрдого тела. Наиболее полно эти связи могут проявиться лишь на общей для двух тел поверхности соприкосновения. В связи с этим решающими факторами, обусловливающими проявление схватывания, являются жёсткость соприкасающихся тел, их упругость и другие объёмные характеристики, ответственные за формирование площади контакта. Фрикционный контакт характеризуется наличием между твёрдыми телами промежуточного слоя, представляющего собой плёнку смазки, окисла, адсорбированных паров воды, плёнки воды и деградированного слоя материала основы. На рисунке 6 показана область, состоящая из плёнки и деградипрованно-го материала основы, называемым «третьим телом». Сдвиговое сопротивление «третьего тела» (адгезионного шва) определяется прочностью единичной связи, обычно оцениваемой энергией активации, необходимой для её разрушения (для полимера порядка 15-20 ккал/моль) и числом связей, одновременно возникающих внутри этого тела.

1) промежуточный слой в контакте; 2) пленка смазка (окислы, пары воды); 3,4) деградированные слои материала основы; 5) материал основы Рисунок 6 - Схема контакта двух тел «мостик холодной сварки»

Согласно исследованиям И.В. Крагельского, Г.М. Баритенева общая молекулярная составляющая силы трения может быть выражена равенством

Тмо, = r0-A, (11)

где т0 - тангенциальная прочность молекулярной связи; А - площадь фактического контакта.

Сопротивление, возникающее в результате межмолекулярных взаимодействий, теоретически определить на сегодняшний день практически не реально вследствие того, что в реальных условиях поверхности твёрдых тел покрыты плёнками, состав и строение которых зависят от громадного числа трудно учитываемых факторов. В настоящее время молекулярную составляющую силы трения и коэффициента трения можно определять только экспериментально.

Исходя из специфики разрушения межмолекулярных связей при внешнем трении можно сформулировать требования к методам определения касательных напряжений на границе раздела твёрдых тел или молекулярной составляющей силы трения: 1. Контактные касательные напряжения должны определяться при условии действия на контакте нормальных напряжений. 2. Нормальные напряжения на контакте и закон их распределения должны приближаться или быть равными аналогичным напряжениям в зонах касания единичных микронеровностей, т.е. напряжённое состояние модели должно быть аналогичным напряжённому состоянию, возникающему при взаимодействии микронеровностей с контртелом. 3. В зоне касания необходимо свести к минимуму деформирование материала внедрившимися микронеровностями индентора или вследствие макроотклонений его от геометрической формы. Данным требованиям отвечает метод определения молекулярной составляющей коэффициента трения и фрикционных параметров г0 и f} путем вычисления их по экспериментально найденным силам трения. Через фрикционные параметры а0к /} можно оценить приоритет определённого материала перед другими по адгезионным свойствам.

С этой целью в работе использовалась установка ГП ИМАШ АН СССР (горизонтальная площадка, разработанная в лаборатории внешнего трения ИМАШ), на которой образец плоской резины (протекторной резины), с определённой площадью, перемещался по поверхности образцов из каменного материала. Измерялась сила трения. Поверхность каменных образцов тщательно полировалась. Поэтому деформационной составляющей сил трения в данных условиях можно пренебречь. Каменные образцы испытывались в сухом и водо-насыщенном состоянии. Давление в контакте резинового образца и каменной плитки было принято характерным для давления воздуха в шина легковых автомобилей - до 2,2 кг/см2. В экспериментах была обеспечена надёжность результатов - 95% при относительной погрешности измерений 0,3 %. По результатам измерения силы трения вычислялись фрикционные параметры г0 и /?.

Для экспериментов были выбраны горные породы трёх групп: изверженные, метаморфические и осадочные из 23 месторождений, расположенных на территории России, Казахстана и других стран СНГ. Выбранные породы - moho или полиминеральные, состоящие из минералов с высокой (кварцит) и низкой (известняки) твёрдостью: твёрдость изверженных горных пород находилась в пределах 6...7 по Моосу, осадочных - 2...4. Микротвёрдость пород: извер-

женных кварцевых — 7,70 кН/мм, изверженных безкварцевых - 7,10 кН/мм, карбонатных — 1,10...2,60 кН/мм. В работе основное внимание уделено изверженным породам, используемым на дорогах высших технических категорий с наиболее высокими скоростями движения. Эти породы имеют высокую твердость, полиминеральны и поэтому обладают значительной изменчивостью свойств на поверхности скола. Представлены почти все основные виды горных пород: полнокристаллическая, мелко-, средне- и крупнозернистая (гранит); среднезернистая до мелкозернистой, реже крупнозернистая (габбро); кристаллическая зернистая (известняк, доломит). В эти структурные виды вошли метаморфические породы: мрамор и кварцит. Размер кристаллов у карбонатных пород 0,001-1 мм и изверженных 0,5-9 мм. Общие характеристики рассмотренных горных пород (показатели прочности, износа, дробимости, морозостойкости) соответствуют предъявленным требованиям.

Результаты проведенных экспериментов показали следующее:

1. Для всех горных пород - изверженных, метаморфических, осадочных -адгезионная составляющая силы трения (в данном случае - коэффициент трения) уменьшается с увеличением давления в контакте. Такой процесс наблюдается как при сухом, так и при влажном состоянии образцов горной породы. В таблице 2 представлены коэффициенты трения (адгезионная составляющая) некоторых из рассмотренных горных пород в сухом и влажном состоянии для разных удельных давлений в контакте резинового образца с поверхностью камня.

Порода камня Сухое состояние, при давлении в контакте, кПа Мокрое состояние, при давлении в контакте, кПа

130 160 190 220 130 160 190 220

Изверженные кварцевые горные породы 1,008 1,005 1,001 0,998 0,753 0,750 0,748 0,746

Изверженные безкварцевые горные породы 0,955 0,952 0,949 0,947 0,736 0,734 0,732 0,730

Метаморфические породы 0,883 0,877 0,870 0,864 0,743 0,741 0,739 0,737

Осадочные породы 0,852 0,847 0,842 0,837 0,686 0,685 0,684 0,683

Установленный факт подтверждает известную из литературы закономерность снижения силы трения с ростом вертикальной нагрузки. В этой связи были подсчитаны значения параметров т иД не зависящие от давления и позволяющие оценить величину адгезионной составляющей коэффициента трения материала при давлении, отличном от рассмотренных в экспериментах.

2. Наилучшие (наивысшие) значения адгезионной составляющей коэффициента трения отмечены для изверженных кварцевых горных пород — в среднем по группам пород, для сухого и влажного состояния камня. Для изверженных кварцевых пород превышение составляет: над изверженными безкварцевыми — на 5 % (в сухом состоянии); — на 2 % (во влажном состоянии); над осадочными — соответственно на 18-19 % и 9-10%.

3. В пределах каждой группы величина адгезионной составляющей трения из-

меняется в широких пределах: для изверженных кварцевых пород при сухом состоянии отличие максимального от минимального значения доходит до 44 % (по отношению к минимальному значению составляющей трения), при влажном состоянии - до 35 %; для изверженных безкварцевых и осадочных пород разброс величин адгезионной составляющей (разница максимальных и минимальных значений) меньше.

4. Увлажнение камня приводит к снижению адгезионной составляющей силы трения. В опытах толщина слоя воды над поверхностью образца поддерживалась равной 1 мм. Однако благодаря малой скорости перемещения резинового индентора гидродинамический эффект был исключен и на величину адгезионной составляющей влияла только влажность самого камня. В пределах каждой группы каменных пород изменчивость фрикционных качеств, связанная с увлажнением, меняется в достаточно широких пределах. Однако если рассматривать группы пород камня, то наблюдается (в среднем, в целом) меньшая изменчивость у изверженных кварцевых пород и наибольшая у осадочных пород. Однако при использовании камня из карьеров, не рассмотренных в данной работе, необходима специальная оценка их фрикционных качеств, в том числе и оценка степени их изменения при увлажнении. Следует подчеркнуть, что далеко не всегда камень, показывающий хорошие фрикционные качества в сухом состоянии обеспечивают хорошую адгезию в увлажненном состоянии. Пример: гранит Кусганай, гранит Задорожный и ортоклаз Карелия.

В четвертой главе изложены материалы экспериментальных исследований силового воздействия автомобильных колёс на шероховатые дорожные покрытия. В работе использована комплексная методика, включающая натурные наблюдения за поведением шероховатых слоёв износа на реальных дорогах (с целью проверки работоспособности слоёв износа) и исследования на реальной дороге с установкой в покрытие специального оборудования для измерения силового воздействия колёс (вертикальной нагрузки, давления, касательных напряжений).

Для оценки величины нагрузки использовалась силоизмерительная установка «Модуль А» (института ВПТиЭКИ по спортивным и туристическим изделиям) и динамометрическая платформа собственной конструкции - «Ми-ниплатформа МАДИ», позволяющая имитировать макрошероховатость дорожной поверхности с помощью стальных инденторов с шарообразной формой головки (радиусом 2,5; 5,0; 7,5; 10 мм). Эта же платформа позволяла измерять вертикальную нагрузку, передаваемую от колеса автомобиля на отдельные выступы макрошероховатости - с помощью силоизмерительной пружины конструкции С.П. Захарова (НИИШП). Инденторы устанавливались на миниплат-форме МАДИ так, чтобы формировать текстуру поверхности, относящуюся к разрядам «шероховатая поверхность» и «шипованная поверхность». В работе рассмотрены автомобили, составляющие «легковую» часть транспортного потока на автомобильных дорогах, оборудованные шинами с диаметром дисков от 13 до 15 дюймов, нагрузкой на колесо от 2,91 до 5,00 кН и внутренним давлением воздуха от 170 до 320 кПа, два лёгких грузовых автомобиля и один малый автобус (шины 7,20-20, 8,25-20, 260-508Р, давление воздуха 300...470 кПа, вертикальная нагрузка на колесо - 6,96... 11,57 кН). Результаты исследований представлены на рисунках 7-9.

Установлена зависимость вертикальной (нормальной) нагрузки Р7 от скорости движения V:

Р2 = Р° +а У+Ь У2 , (12)

где Р2 — вертикальная нагрузка от колеса автомобиля при его движении, кН; Р° — вертикальная нагрузка от колеса неподвижного автомобиля, кН; V— скорость движения, км/ч;

а, Ь — коэффициенты, зависящие от макрошероховатости поверхности покрытия.

Продольные усилия (Ру) в зоне контакта ведущего колеса легкового автомобиля, оказывающие «вырывающее» воздействие на щебень слоя износа, приведенные в таблице 3, зависят от макрошероховатости дорожной поверхности и скорости движения.

Таблица 3 — Продольное усилие (Ру) в зоне контакта ведущего колеса легкового автомобиля при вертикальной нагрузке на колесо 3,09 кН при установившемся режиме движения, Н

Скорость, км/ч Макрошероховатостъ поверхности покрытия, Я, мм

2,4 46,9 56,9 69,6

20 101,7 103,3 105,6 102,3

40 305,3 284,9 271,7 272,5

60 612,9 546,5 501,7 514,7

80 1024,5 888,1 795,7 828,9

Рг, кН 60

50

40

30

О 1 2 3 4 5 Л, мм

1- переднее колесо; 2 - заднее колесо Рисунок 7 - Влияние текстуры поверхности качения на величину вертикальной нагрузки, предаваемой от колес автомобиля на покрытие дороги

О 20 40 60 80 V, км/ч

1,2, 3 - переднее колесо, 121,31 - заднее колесо; текстура (Л, мм): 1,11 - 5,55; 2,2' - 2,45; 3,3' - 0,10 Рисунок 8 - Величины динамического коэффициента Ка при движении легкового автомобиля (ВАЗ-2107) с разными скоростями V Рг, кН

60

50 40

30 0 20 40 60 80 V, км/ч

1,2,3 -переднее колесо, l1,21,31 -заднее колесо; текстура (R, мм): 1Д1 - 5,55; 2,2' -2,45; 3,3* - 0,10 Рисунок 9 - Увеличение нормальной нагрузки на дорожное покрытие от колеса легкового автомобиля (ВАЗ-2107) с ростом скорости движения и макрошероховатости

Величина касательных напряжений в контакте ведущего колеса, приведенные в таблице 4, даже очень «лёгкого» автомобиля (Gr = 3,09 кН) достигает значительных величин.

Таблица 4 - Касательные напряжения в контакте ведущего колеса легкового автомобиля, кПа _

Скорость, Макрошероховатость поверхности покрытия, R, мм

км/ч 2,4 4,69 5,69 6,96

20 33 055 70 72

40 99 151 180 192

60 198 290 333 362

80 331 472 528 584

Площадь фактического Koirraicra, см2 30,91 18,82 15,08 14,20

/

у 2

Т 41.

------ ---

Полученные данные позволяют осуществить оценку прочности заделки щебня слоя износа и рассчитать максимально допустимую скорость автомобилей на период приработки слоя износа (первые 3-4 дня).

Проведённая оценка передачи вертикальной нагрузки от автомобиля на дорожное покрытие через автомобильное колесо, оборудованное пневматической шиной, показала, что величина давления в контакте колеса значительно превышает внутреннее давление воздуха в шинах легковых автомобилей, микроавтобусов и даже малых грузовых автомобилей. При неподвижном колесе (V = 0) фактическое давление в контакте (в пределах площади фактического контакта) и воздуха в шине различаются до 3,3...9,5 раз. Так что давление на единичный выступ макрошероховатости достигает 110... 170 Н (при отсутствии динамического воздействия). Динамика, даже при минимальной скорости движения (в экспериментах - 20 км/ч) вызывала увеличение давления на выступ до 100...400 Н/выступ. При этом максимум давления зависит от плотности распределения и высоты выступов макрошероховатости (рисунок 10).

Оценка работоспособности шероховатых слоев износа на автомобильных дорогах подтвердила установленную ранее проф. М.В. Немчиновым закономерность уменьшения макрошероховатости. Проверка проведена в связи с отличием конструкций прибора «твердомер» английской лаборатории ТИЛЬ и М.В. Немчинова и прибора, рекомендованного ВСН 38-90.

Рисунок 10 - Зависимость единичного давления Р в контакте колеса автомобиля на выступы макрошероховатости от их высоты и плотности распределения на опорной поверхности (расстояния между сферическими выступами I)

В пятой главе представлены данные о высокой экономической эффективности устройства шероховатых слоев износа на покрытиях автомобильных дорог. Наибольший суммарный приведённый экономический эффект, с учётом срока службы (долговечности слоя износа по сцепным качествам), достигается в диапазоне интенсивности движения от 2000 до 7000 автомобилей в сутки. Срок окупаемости строительства при N = 2000 авт./сутки составляет 2,5 года, при /V = 7000 авт./сутки - 0,7 года. При более высокой интенсивности движения высокий экономический эффект сохраняется, но срок службы (по сцепным качествам) становится менее одного года, что делает не рациональным его устройство. Частые ремонты значительно затрудняют движение автомобилей. Повышение прочности слоя износа и применение каменных материалов с высокими собственными адгезионными свойствами увеличивает долговечность слоя по сцепным качествам и оказывает «местное», но важное, влияние на частоту ДТП и тяжесть их последствий в случае «вылетания» щебня из-под колёс автомобилей.

Срок службы шероховатого слоя износа определяется группой факторов, часть которых хорошо изучена. Многие вопросы строительства шероховатых слоёв износа уже решены и даже закреплены дорожным нормативным документом. Это — учёт твёрдости покрытия, учёт интенсивности движения и состава транспортного потока, выбор размера щебня. Но какую породу камня выбрать для приготовления щебня, как расположить щебёнки на покрытии (вплотную или на расстоянии друг от друга) было неизвестно. Настоящее исследование даёт конкретные ответы на эти вопросы.

1) Позволяет выбрать наилучшую породу камня по адгезионным (для трения) качествам. Лучшие горные породы - изверженные кварцевые; далее -изверженные безкварцевые и осадочные. Рассмотренные в работе горные породы можно разместить по степени предпочтения по фрикционным качествам: гранит Задорожный (изверженная кварцевая порода); габбро Туркмения (изверженная безкварцевая порода); ортоклаз Карелия (изверженная кварцевая порода);

гранит Карелия (изверженная кварцевая порода); габбро Р. Алтай (изверженная безкварцевая порода).

2) Рекомендует строить из щебня размером 2,5 и 5 мм шипованные слои износа, с расстояниями между осями выступающей части щебёнок 5 мм (при щебне размером 2,5 мм) и 7,5 мм (при щебне размером 5 мм). Из щебня размером 7,5 и 10 мм рекомендует строить шероховатые слои износа.

При строительстве тонких шероховатых слоёв износа из щебня размером 2,5 и 5 мм обычный расход щебня составляет порядка 8-10 кг/м2. Строительство шипованного слоя позволит сохранить от 4-5 до 3-5 кг щебня на каждом квадратном метре слоя износа, т.е. от 30-37 до 22-37 т на километр дороги при ширине слоя износа 7,5 м.

Строительство шипованных слоёв износа позволяет сократить расход щебня в 2 раза (при размере щебня 2.5 мм) и в 1,3-1,5 раза (при размере щебня 5 мм). Размеры щебня указывают на тонкослойные слои износа, наиболее приемлемые для укладки в пределах полосы наката, т.е. для ремонта колейности.

Эффект от повышения фрикционных (адгезионных — по трению) качеств шероховатых слоёв износа можно опосредованно оценить исходя из влияния микрошероховатости поверхности щебёнок слоя износа на сцепные качества дорожных покрытий. Увеличение микрошероховатости приводит к росту коэффициента сцепления до 20 - 100% при одной и той же макрошероховатости. Увеличение коэффициента сцепления от 0,20 до 0,30 уменьшает количество дорожно-транспортных происшествий на мокрых покрытиях на 10 - 20%.

Исследования взаимодействия автомобильного колеса с дорожным покрытием позволили установить значительный рост колёсной нагрузки на дорожное покрытие с ростом скорости движения. При этом шероховатость на поверхности покрытия увеличивает этот рост. При скорости 90 км/ч зафиксирован рост нагрузки до 2-х раз при макрошероховатости поверхности покрытия 5,55 мм и до 30% (в 1,3 раза) при макрошероховатости 2,45 мм. В то же время на гладком покрытии рост нагрузки проявляется очень слабо (при макрошероховатости 0,10 мм всего на 5% - при скорости движения 90 км/ч).

Это, в определённой мере, заставляет задуматься о необходимости учёта легковых автомобилей при расчёте прочности дорожных одежд, особенно, покрытий этих одежд. Исследование взаимодействия автомобильной шины с неровностями разной высоты, находящимися на дорожном покрытии, показало, что даже при сравнительно малой их высоте (например, 20 мм) сила удара шины о неровность достигает 3,5 - 5,0 кН (в зависимости от скорости), что опасно для её прочности и, следовательно, безопасности движения автомобилей. Такая высота препятствий обеспечивается поперечными (морозобойными) трещинами асфальтобетонного покрытия, если их своевременно не ремонтировать.

Результаты проведённого исследования позволили рекомендовать меры по совершенствованию требований к устройству слоёв износа, заключающиеся в развитии технологии их строительства: рекомендован диапазон интенсивности движения, обеспечивающий максимальную эффективность и рациональность строительства шероховатых слоёв износа; составлен перечень горных пород с максимальными фрикционными качествами, что позволяет осуществить оптимальный выбор щебня по принципу «цена-качество»; рекомендовано размер щебня для строительства назначать на основании расчёта из условия обеспечения его максимального закрепления в покрытии на этапе проектирования дорожной одежды; технологический этап работы дорожных катков рекомендовано продлить до погружения щебёнок на глубину, обеспечивающую прочность его закрепления в покрытии (с контролем этого процесса); плотность распределения щебня (вопрос строительства шероховатой или шипованной поверхности) решается в зависимости от назначенной высоты выступов макрошероховатости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведённого исследования решены все поставленные задачи:

1. Изучено взаимодействие автомобильного колеса с дорожным покрытием: выявлено существенное влияние текстуры (шероховатости) поверхности дорожного покрытия на этот процесс.

2. Исследованы фрикционные качества 23 видов горных пород — изверженных, метаморфических, осадочных, используемых для устройства шероховатых слоёв износа на автомобильных дорогах. Составлены таблицы (табл.2 и др.), позволяющие осуществить выбор наилучшей, по фрикционным качествам - горной породы для строительства шероховатого слоя износа.

3. Разработаны методики, найдено («в багаже научных знаний разных отраслей») и частично создано оборудование, позволившее оценить факторы силового воздействия автомобильных колёс на дорожные покрытия: силы, давления, касательные напряжения, имеющие место в контакте шин легковых автомобилей с дорожными покрытиями.

4. Выполнены экспериментальные исследования - натурные, в реальных условиях работы автомобильных шин и дорожных покрытий. Установлены величины сил, давлений и касательных напряжений в зоне контакта автомобильных шин, зависимость этих показателей от макрошероховатости дорожной поверхности. Полученные данные свидетельствуют о высоких значениях - значи-

тельно больше внутреннего давления воздуха — сил, давления и напряжения, что и является причиной быстрого образования колей наката.

5. По результатам проведённого исследования разработаны рекомендации по повышению требований к устройству шероховатых слоёв износа.

Результаты исследования позволили разработать предложения по совершенствованию устройства шероховатых слоев износа (увеличения их долговечности и повышения сцепных качеств).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Актанов С.К. Оценка адгезионной составляющей силы сцепления протектора автомобильных колес с дорожным покрытием из каменных материалов / С.К. Актанов, М.В. Немчинов, B.C. Комбалов, В.П. Горелов, II.A. Курапов // Трение и износ. - 1991. -Т.2. - №4 - С. 731-735.

2. Актанов С.К. Исследование фрикционных качеств каменных материалов, используемых для строительства шероховатых слоёв износа / С.К. Актанов. // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2014. - № 1. — С. 33-36.

3. Актанов С.К. Сила и напряжение в зоне контакта автомобильных шин с дорожным покрытием / С.К. Актанов, М.В. Немчинов. // Дороги и мосты. -2014.-№31/1-С. 66-85.

4. Актанов С.К. Взаимодействие автомобильного колеса с дорожным покрытием / С.К. Актанов, М.В. Немчинов. // Наука и техника в дорожной отрасли.-2014.-№2.-С. 12-14.

Публикации в других изданиях:

5. Актанов С.К. Исследование долговечных шероховатых слоев износа / С.К. Актанов //Особенности проектирования и строительства автомобильных дорог в условиях Сев.-Зап.: тез. докл. к обл. науч.-практ. конф. 20-21 декабря,

1988. -Архангельск: Архангельский лесотехнический институт, 1988. - С. 6465.

6. Актанов С.К. Повышение долговечности шероховатых слоев износа / С.К. Актанов // Проблемы научно-технического прогресса в развитии региона и отраслей народного хозяйства: тезисы докладов. — Усть-Каменогорск: УКСДИ,

1989.-С. 4-5.

7. Актанов С.К. О динамическом воздействии колёсной нагрузки на шероховатые слои износа / С.К. Актанов, М.В. Немчинов // Сборник научных трудов МАДИ. - М.: МАДИ, 1989. - С. 7-16.

8. Актанов С.К. О предельно допустимой глубине дефектных участков покрытий автомобильных дорог / С.К. Актанов, М.В. Немчинов, С.Ю. Ткачёв. // Научно-технический прогресс в дорожной отрасли. Материалы научно-технического семинара. - Алма-Ата: Минавтодор Казахской ССР, 1991.

9. Актанов С.К. Оценка силового воздействия автомобильного колеса на дорожное покрытие / С.К. Актанов, М.В. Немчинов // Материалы международной научно-практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе». — Пермь: ПНИГУ, 2014. — С. 475-477.

АКТАНОВ СЕРИК КАСЫМБЕКОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ШЕРОХОВАТЫХ СЛОЁВ ИЗНОСА ПОКРЫТИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Ответственный за выпуск Е.Ю.Голованова

Подписано в печать 25.12.14 Формат 60x84/16 Усл.-печ.л. 1.44 Уч.изд.л. 0.94 Тираж 130 экз. Заказ 1091 Цена договорная

Отпечатано ТОО «ВКПК АРГО» 070003, г.Усть-Каменогорск, Потанина 14 оф. 309.