CC BY
1
^ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ
УДК 625.7
АКТУАЛИЗАЦИИ ПРИМЕНЯЕМЫХ ПОДХОДОВ К НОРМИРОВАНИЮ КОНТАКТНОГО ДАВЛЕНИЯ И ОТПЕЧАТКА КОЛЕСА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
А.Е. Симчук1, Е.Н. Симчук2, М.Ю. Горский3
АНО «Научно-исследовательский институт транспортно-строительного комплекса»
Россия, 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д. 73А, стр.16
В статье проанализированы подходы к назначению давления в методиках проектирования нежестких дорожных одежд и обозначены направления исследований для экспериментального определения фактических параметров воздействия от современных грузовых автомобилей.
Ключевые слова: проектирование дорожных одежд, контактное давление, площадь контакта, дорожное покрытие, колесо автомобиля.
UPDATING OF THE APPLIED APPROACHES TO THE NORMALIZATION OF CONTACT PRESSURE AND WHEEL IMPRINT IN THE DESIGN OF ROAD CLOTHES
A.E. Simchuk, E.N. Simchuk, M.Y. Gorsky
ANO "Scientific Research Institute of the Transport and Construction complex" Russia, 111024, Moscow, Aviamotornaya str., 73A, p. 16 The article analyzes approaches to the assignment of pressure in the design methods of non-rigid road surfaces and identifies research areas for the experimental determination of the actual parameters of the impact of modern trucks. Keywords: road surface design, contact pressure, contact area, road surface, car wheel.
Введение
При расчете конструкций дорожных одежд по прочностным критериям одним из основных параметров является величина контактного давления колеса на покрытие. В настоящее время в РФ давление на покрытие регламентируется в зависимости от капитальности дорожных одежд и составляет 0,6 МПа для дорожных одежд облегченного и переходного типа и 0,8 МПа для капитальных дорожных одежд. Указанные значения не соответствуют параметрам внутреннего и, тем более, контактного давления для современных наиболее широко распространенных грузовых шин. В связи с этим, во избежание преждевременного разрушения дорожных одежд и учета воздействия современного транспорта при проектировании, необходима актуализация параметров расчетного давления.
Методика проектирования нежестких дорожных одежд, действующая в Российской Федерации, основывается на принципах расчетов на прочность с использованием положений теории
упругости, заложенных в нормативно-технических документах начиная с 70-х годов 20 века, и периодически актуализируется по мере накопления опыта и выполнения исследований по отдельным направлениям.
Действующий в настоящее время ПНСТ 542 [1], как и действовавшие ранее нормативно-технические документы (ПНСТ 265 [2], ОДН 218.046 [3], ВСН46-83 [4], ВСН 46-72 [5] и т.д.) для расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС) используют схему нагружения от односкатного колеса, к которой приводятся все воздействия от колесных нагрузок транспортного потока. Расчеты на прочность выполняются по критериям упругого прогиба, растяжения при изгибе монолитных слоев и сдвиге в грунте и малосвязанных слоях дорожной одежды от динамических и статических нагрузок.
Результаты исследований по сопоставлению существующих методик расчета параметров НДС многослойных конструкций при воздействии колесных нагрузок, показывают, что во всех критериях расчета контактное давление на
EDN HTVUZV
^Симчук Алексей Евгеньевич - магистрант, е-mail: [email protected];
2Симчук Евгений Николаевич - генеральный директор, тел.: +7 (495) 748-86-12, е-mail: [email protected];
3Горский Михаил Юрьевич - руководитель лаборатории, е-mail: [email protected].
покрытие и диаметр отпечатка колеса являются основными факторами, влияющими на НДС дорожной одежды, и, соответственно, на выбор толщины конструктивных слоев [6]. Увеличение осевых нагрузок и контактного давления должно приводить к повышению капитальности дорожных одежд. При этом, как показано в [6], увеличение расчетного давления, при использовании упрощенных расчетных моделей расчета по номограммам, в отдельных случаях приводит к абсурдным результатам в виде снижения капитальности дорожной одежды, что в свою очередь, требует дополнительных исследований.
Расчетное давление в странах ЕАЭС регламентируется в ГОСТ 32960 [7], при этом нормативно-техническими документами [1] - [5] нормируются эквивалентные отпечатки колеса в зависимости от параметров нагрузки и скорости ее приложения (статическая или динамическая). Диаметры отпечатков колеса рассчитывается по формулам и они находятся в пределах от 30,3 до 37,1 см, что, также как и величина давления, требует верификации с фактическими значениями.
Актуализация и назначение расчетного давления и отпечатка колеса в нормативно-технических документах, регламентирующих проектирование дорожных одежд должны опираться на экспериментальные исследования наиболее распространенных типоразмеров современных шин грузовых автомобилей во избежания ошибок и недоучета воздействия колесных нагрузок на автомобильную дорогу.
Анализ изменения расчетных параметров нагружения от колесных нагрузок в отечественных нормативно-технических документах
Проблематика регламентирования расчетного давления в отечественной практике рассматривалась в различные годы в статьях [8] и [9]. Первоначально требования к расчетному давлению на покрытии в отечественных нормативно-технических документах были регламентированы в 40-50-х годах 20 века и составляли 0,5 МПа. В статье [8] представлена ретроспектива изменения параметров нагрузки для расчета дорожных одежд в Советском Союзе и Российской Федерации начиная с 40-х годов 20 века до 2013 года и предложено увеличение расчетного давления для капитальных дорожных одежд с 0,6 до 0,8 МПа, что впоследствии было реализовано в ГОСТ 32960 [7].
Согласно ГОСТ 32960 [7] расчетная осевая нагрузка и давление колеса на покрытие нор-
мируется в зависимости от капитальности дорожных одежд и составляет 115 кН и 0,8 МПа для дорог с капитальными дорожными одеждами, 110 кН и 0,6 МПа для дорог с облегчёнными и переходного типа дорожными одеждами.
В 2018 году был разработан ПНСТ 265 [2], в котором критерии и алгоритм расчета остались прежними, но части нормирования расчетных параметров, ссылается на ГОСТ 32960 [7], расчет диаметра отпечатка колеса выполняется по стандартной для отечественных нормативных доку-
ментов [1] -
й =
М
5] формуле:
40
расч
см,
(1)
п • р
где @расч - расчетная величина нагрузки, передаваемой колесом на поверхность покрытия, кН;
р - давление, МПа.
Расчетные параметры при проектировании согласно ПНСТ 265 [2] представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Расчетные параметры нагрузок согласно ПНСТ 265 [2]
Группа расчётной нагрузки Нормативная статическая нагрузка, кН Расчетные параметры нагрузки
на ось на колесо Давление на покрытие р, МПа Диаметр Dд/Dст, см
А-10 100 50,0 0,6 37/33*
А-11,5 115 57,5 0,8 34/30
Примечание - В числителе приведён диаметр пятна контакта Dд для движущегося колеса, в знаменателе Dcт - для неподвижного колеса.
После завершения действия [2] был разработан ПНСТ 542 [1], который является действующим и наиболее актуальным нормативно-техническим документом, посвященным проектированию нежестких дорожных одежд. Документ содержит указания по конструированию и расчету, причем, впервые в отечественной практике в качестве дополнительной представлена возможность выполнения расчета параметров НДС нежестких дорожных одежд без использования номограмм и приведения многослойной конструкции к упрощенным моделям по ОДМ 218.3.1.0052021 [10]. В части нормирования расчетных параметров нагрузки в ПНСТ 542 [1] значительных изменений по сравнению с [2] не представлено ввиду неизменности требований [7].
Выполненный анализ отечественных нормативно-технических документов показал, что исторически требования к расчетным параметрам, учитываемым при проектировании дорожных одежд, увеличивались от документа к документу по мере увеличения нормативных осевых нагрузок. В настоящее время нормативные осевые нагрузки и расчетное давление регламентируется отдельным документом ГОСТ 32960 [7] и все остальные документы в иерархии нормативов учитывают его положения. При этом принципиальная схема нагружения, состоящая из одного эквивалентного отпечатка колеса существенно не изменилась за более чем 70 лет. Так же необходимо отметить, что методика расчета эквивалентного отпечатка колеса так же не претерпела изменений и не актуализировалась путем выполнения реальных замеров. Это может приводить к неточностям в методике расчета НДС и как следствие, снижению точности выбора конструкций дорожных одежд.
Однако, ни в СССР, ни в РФ подобные работы, судя по всему, не проводились, и источник нормативно-технического регулирования давления колеса на дорожное покрытие никогда не раскрывался. Сначала 50-х годов этот процесс ограничивался лишь декларированием условия «давление колеса на покрытие = давлению воздуха в шине», которое есть величина постоянная и не меняется при качении колеса под нагрузкой.
В то же время в зарубежных странах применяется различный подход, например, согласно Указаниям по расчету дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием Германии (RDO Asphalt 09) [11] диаметр отпечатка расчетного колеса принимается неизменно равным 30 см при расчетном давлении 0,8 МПа, при этом, различий в указанных параметрах в зависимости от категорий дорог и капитальности нет. В ряде зарубежных стран (США, Канада, Франция и т.д.) вместо односкатного колеса, либо совместно с ним принята расчетная схема с двускатным колесом с различными параметрами отпечатка колеса и расчетного давления в диапазоне от 0,6 до 0,9 МПа.
В статье [9] по результатам анализа зарубежных исследований и справочных данных о характеристиках шин грузовых автомобилей представлены предложения по увеличению расчетного давления при проектировании дорожных одежд. Тем не менее, для наиболее точного нормирования указанных параметров, впервые в отечественной практике целесообразно выполнить экспериментальные исследования, посвященные определению реального воздействия шин грузовых автомобилей на дорожную одежду.
Анализ типоразмеров современных
грузовых шин
Для подготовки к проведению экспериментальных исследований был выполнен анализ наиболее распространенных типоразмеров грузовых шин на автомобилях, составляющих основу транспортного грузового потока:
- седельных автопоездов (тягачей с полуприцепами),
- двухосных и трехосных грузовых автомобилях, выполняющих, в том числе, перевозки, связанные со строительными работами,
- городских и междугородних автобусов.
В зависимости от типа и грузоподъемности транспортного средства, на него устанавливают шины соответствующего типоразмера.
Расшифровка маркировки на грузовых шииах представлена на рисунке 1.
Радиальная конструкция
Рисунок 1 - Маркировка грузовых шин
По результатам анализа были выбраны типоразмеры, которые наиболее часто используются на данный момент в РФ на грузовых автомобилях, выполняющих перевозки с нормативными нагрузками, либо близкими к ним:
- 315/80Я22.5. Устанавливаются на большинстве рулевых и ведущих осях тягачей седельных автопоездов. Также применяется на самосвалах, миксерах, строительной технике;
- 315/70 Я22.5. Устанавливаются на многих рулевых и ведущих осях тягачей седельных автопоездов наряду с 315/80Я22.5. Также применяется на самосвалах, миксерах, строительной технике;
- 385/65Я22.5. Устанавливаются на большинство прицепов седельных тягачей, а также на рулевых осях;
- 295/80 Я22,5. Устанавливаются на большинство междугородних автобусов, а также дополнительно устанавливаются на автомобилях-самосвалах;
- 275/70 R22.5. Устанавливаются на большинство автобусов, выполняющих рейсы на местных маршрутах, а также грузовые автомобили средней грузоподъемности.
Также были проанализированы наиболее распространённые в РФ бренды шин, используемые на дорогах, к которым можно отнести:
- Cordiant,
- Michelin,
- KAMA TYRES,
- Bridgestone,
- Goodyear.
Необходимо отметить, что в настоящее время заметен рост применения шин, производящихся в Китае.
Формулировка целей и этапов экспериментальных исследований
Основная цель исследований - определение фактических параметров воздействия грузовых автомобилей на покрытие нежестких дорожных одежд с последующей оценкой влияния их изменения на результаты расчета параметров НДС дорожных конструкций.
Для получения достоверной и исчерпывающей информации по выполняемым исследованиям, экспериментальную и расчетную части работ следует выполнить в четыре этапа.
Этап 1. Натурные (полевые) испытания грузовых автомобилей.
Для дальнейших полевых испытаний необходимо выбрать один из наиболее широко распространенных типов грузового автомобиля (рисунок 2). В качестве предварительного варианта предлагается пятиосный или шестиосный седельный автопоезд (двухосный тягач с трех или четырехосным полуприцепом).
Рисунок 2 - Двухосный тягач с трехосным Полуприцепом
Для выполнения программы натурных (полевых) испытаний при движении грузового транспортного средства под нормативной осевой нагрузкой и скоростью, на автомобиль планируется установить следующие системы:
- система мониторинга перемещений автомобиля (скорость, местонахождение и т.д.),
- система контроля температуры и внутреннего давления воздуха в шинах,
- система мониторинга осевых нагрузок.
В рамках выполнения исследований будет проведен анализ имеющихся в РФ систем мониторинга температуры воздуха и давления в колесе с целью выбора наиболее оптимального варианта.
Датчики устанавливают во все колеса транспортного средства: обоих колёс рулевой оси, четырёх колёс приводной (ведущей) оси и всех колес прицепных осей.
Таким образом, в ходе натурных (полевых) испытаний будет обеспечена правильная организации сбора и консолидация первичных данных по наблюдаемым параметрах в шинах при их качении под нагрузкой, а также конструктивно и технологически будет обеспечено качество выполняемых измерений по критериям точности, достоверности, воспроизводимости и погрешности выполненных измерений.
Цель работ на этом этапе будет заключаться в следующем:
- подтвердить или опровергнуть рабочую гипотезу об увеличении температуры и давлении воздуха в шине при качении под нагрузкой с разрешёнными скоростями и нагрузками,
- определить параметры зависимости давления воздуха в грузовых шинах при качении под нормативной осевой нагрузкой с разными скоростями и в разных условиях, в разных дорожно-климатических зонах на территории европейской части Российской Федерации в различные периоды года.
Этап 2. Стендовые испытания колес грузовых автомобилей.
После достижения целей экспериментальных работ на этапе 1 на специальных стендах планируется проведение испытания грузовых шин основных типоразмеров, способных обеспечивать перевозку грузов с расчётной нагрузкой на одиночную ось 10 и 11,5 тонн, и допустимыми нормативными нагрузками на различные оси.
Цель этого этапа - определение реальных параметров пятна контакта и удельного давления на покрытие грузовых шин под нагрузкой 40 - 60 - 80 - 100 - 120 % от максимально разрешённой нагрузки со значениями давления, полученного на 1 этапе. В целях обеспечения статистической достоверности получаемых результатов на каждой шине ориентировочно будет выполнено не менее 5 серий измерений параметров в пятне контакта с опорной поверхностью при каждом из 5 вышеуказанных вариантов испытательной
нагрузки при различном давлении в колесе автомобиля. Необходимо отметить, что производителями регламентируются нормативные параметры давления на «холодных» шинах в зависимости от типоразмера и осевой нагрузки [12].
Общая методология выполнения экспериментальных исследований на данном этапе будет следующая: на специальном стенде с измеритель-
ной системой, предназначенной для анализа распределения давления в пятне контакта шины с дорожным покрытием, будут определены параметры реального воздействия шин грузовых автомобилей на дорожную конструкцию (рисунок 3), с учётом полученных в ходе полевых испытаний значений давления воздуха в шинах при движении под нагрузкой.
Рисунок 3 - Результат измерения параметров контактного воздействия грузовой шины
Таким образом, в результате выполнения работ на этапе 2 будут получены фактические расчётные параметры воздействия колеса на дорожную одежду (давление и параметры зоны контакта колеса под нормативной нагрузкой), которые в дальнейшем можно будет использовать во всех расчётах напряженно-деформированного состояния дорожной одежды.
Этап 3. Исследования напряженно-деформированного состояния дорожных одежд от воздействия грузового транспорта на экспериментальных станциях мониторинга.
В рамках данного этапа на специальных станциях мониторинга напряженно-деформированного состояния нежестких дорожных одежд планируется выполнение замеров напряжений (давления) и деформаций (относительных деформаций) на границе конструктивных слоев от различной нагрузки:
- от колесной нагрузки стандартного грузового автомобиля, выбранного на 1 этапе исследований при нормативном давлении и осевой нагрузке при динамическом воздействии (проезде автомобиля над датчиками) и статическом нагру-жении (остановке колеса автомобиля над датчиком). Испытания будут выполняться со сдвоенными и одиночными колесами,
- от динамической нагрузки, создаваемой установками динамического нагружения по ГОСТ Р 59918-2021 [13]. Необходимо отметить, что согласно [13] применяются металлические 4-х сегментные нагрузочные плиты диаметром 30 см. Нагрузка на конструкцию будет выбрана в зависимости от полученных на 1 и 2 этапах результатов,
- от статической нагрузки, создаваемой установками статического нагружения по ГОСТ Р 59866-2022 [14]. Также необходимо отметить, что согласно [14] применяются цельные металлические нагрузочные плиты диаметром 30 см.
Нагрузка на конструкцию будет выбрана в зависимости от полученных на 1 и 2 этапах результатов,
На станциях мониторинга будут определены значения давления в нижних несвязных слоях конструкции и растягивающих деформаций на нижней границе пакета слоев из асфальтобетона при различных схемах нагружения автомобилем и измерительными установками.
Этап 4. Математическое моделирование.
На данном этапе будет выполнен анализ полученных результатов полевых и стендовых испытаний и выбраны варианты изменения расчетных параметров нагружения грузового автомобиля:
- давление на покрытие,
- диаметр отпечатка колеса.
Исходя из набора выбранных параметров будут выполнены расчеты конструкций нежестких дорожных одежд и математическое моделирование влияния изменения расчетных параметров на определение напряженно-деформированного состояния дорожной одежды в статической и динамической постановке при расчете нежестких дорожных одежд.
Так же будут выполнены сопоставительные расчеты в рамках отработки модели определения НДС по данным, полученным на станциях мониторинга и по различным алгоритмам расчета:
- по традиционному алгоритму приведения многослойной конструкции к упрощенным моделям по ПНСТ 542 [1],
- по методике расчета многослойных конструкций дорожных одежд без приведения к упрощенным моделям по ОДМ 218.3.1.005-2021 [10].
По результатам выполненных исследований планируется разработка методики учета фактических параметров воздействия автомобильного транспорта на дорожную одежду при проектировании нежестких дорожных одежд и предложений по актуализации параметров при проектировании дорожных одежд. Разработанную методику и актуализированные параметры нагруже-ния в дальнейшем целесообразно апробировать с учетом предлагаемой в [15] методики оценки точности (надежности) проектирования дорожных одежд.
Литература
1. 542-2021 «Дороги автомобильные общего пользования. Нежесткие дорожные одежды. Правила проектирования».
2. ПНСТ 265-2018 Дороги автомобильные общего пользования. Проектирование нежёстких дорожных одежд.
3. ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд».
4. ВСН 46 - 83 «Инструкция по проектированию дорожных одежд нежёсткого типа».
5. ВСН 46-72 «Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа».
6. Совершенствование методики расчета нежестких дорожных одежд с учетом применения решения задачи теории упругости для многослойного полупространства / М. Ю. Горский, Г. Ф. Кадыров, А. В. Стрельцов, Е. Н. Симчук // Дороги и мосты. - 2021. - № 2(46). - С. 53-74.
7. ГОСТ 32960-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчётные схемы нагружения».
8. Мерзликин, А.Е. Шины на дороге / А.Е. Мерзликин // 3-я Каспийская Международная Выставка «Дорожная инфраструктура и общественный транспорт». -2013. - С. 64-66.
9. Арус, Н. Н. Обоснование расчетного колесного контактного давления для проектирования дорожных одежд по критериям прочности / Н. Н. Арус, М. Г. Горячев, Е. В. Каленова // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2022. - № 2. - С. 20-23.
10. ОДМ 218.3.1.005-2021 Проектирование нежестких дорожных одежд. Методические рекомендации по расчету параметров напряженно-деформированного состояния многослойных конструкций при воздействии колесных нагрузок.
11. RDO Asphalt 09 «Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschicht».
12. Таблица давления грузовых шин Goodyear, https://bmtruck.ru/files/documents/googyear%20-%20truck_recommended_tire_pressure.pdf
13. ГОСТ Р 59918-2021 «Дороги автомобильные общего пользования. Нежесткие дорожные одежды. Методики оценки прочности».
14. ГОСТ Р 59866-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Показатели деформативности конструктивных слоев дорожной одежды из несвязных материалов и грунтов земляного полотна. Технические требования и методы определения».
15. Лазарев, Ю. Г. Формирование методики оценки точности (надежности) проектирования дорожных одежд нежесткого типа / Ю. Г. Лазарев, П. А. Петухов, М. В. Широких // Вестник гражданских инженеров. -2016. - № 2(55). - С. 38-46.
