CC BY
112
2008
УДК 622.684:625.7
Э.В. Горшков, А.П. Тарасов
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА АВТОМОБИЛЯ С ПОКРЫТИЕМ КАРЬЕРНЫХ АВТОДОРОГ
Эффективность эксплуатации и безопасности движения карьерных автосамосвалов в сложных горнотехнических условиях открытых разработок в значительной мере определяется качеством и состоянием покрытий автомобильных автодорог технологического назначения. Одной из важнейших характеристик транспортно-эксплуатационных качеств покрытий автодорог является сцепление колеса автомобиля с поверхностью дорожного покрытия. Недостаточная сила сцепления колеса с дорогой не позволяет реализовать тяговые и тормозные качества автомобиля, приводит к снижению скорости движения, что увеличивает продолжительность транспортного цикла и снижает производительность.
Качество дорожного покрытия с точки зрения сцепления с ним автомобильной шины оценивается коэффициентом продольного сцепления. Под этим коэффициентом понимается отношение величины продольной реакции дороги к величине нормальной реакции пути при торможении автомобиля.
В производственных условиях рудных карьеров (ССГПО, БМСК, Качканарский ГОК) проведены экспериментальные исследования по определению коэффициента сцепления с использованием передвижной дорожной лаборатории (рис. 1), состоящей из автомобиля-тягача ГАЗ-469, в кузове которого размещаются пульт управления оператора, плато с измерительной и регистрирующей аппаратурой, источники питания и тензометрическая прицепная одноколесная тележка, в основу которой положены конструктивные разработки института «СоюздорНИИ».
Выбор конструктивной схемы прицепной тележки обусловлен тем, что параллелограммные системы соединения колеса с кузовом и кузова с буксирующим автомобилем обеспечивают неизменность вертикальной нагрузки на колесо при торможении. Это позволяет получить точные данные о величине коэффициента сцепления до-
330
рожных покрытий как на крутых подъемах и спусках, так и на кривых малых радиусов. Результаты, получаемые другими приборами в таких условиях, бывают значительно искаженными вследствие того, что у этих приборов не исключено влияние составляющей силы тяжести, суммирующейся или вычитающейся из величины тормозного усилия, действующего в точке контакта колеса с дорожной поверхностью.
Определение коэффициента продольного сцепления основано на измерении реактивной силы, возникающей при торможении колеса тележки. Величина реактивной силы при этом пропорциональна коэффициенту сцепления. Реактивная сила измерялась датчиками с проволочными тензопреобразователями типа 2 ПКБ-20-20ОХА, включенными в мостовую схему. Сигнал датчика, предварительно усиленный с помощью транзисторного усилителя постоянного тока «Топаз-2», фиксировался шлейфовым осциллографом К-12-22.
Скорость движения во время экспериментальных работ замеряется с помощью датчика, устанавливаемого на заднем колесе автомобиля и представляющего собой заключенный в металлический корпус микродвигатель ДПР-42, работающий в генераторном режиме.
Датчик числа оборотов колеса автомобиля сблокирован с датчиком скорости и состоит из геркона (герметического контакта) марки АМК, источника питания и вращающегося магнита, периодически замыкающего геркон. Питание приборов осуществляется от двух аккумуляторных батарей 6СТ-128Э с общим напряжением 24 В.
В процессе экспериментальных исследований по определению сцепных качеств покрытий карьерных автодорог на ленте осциллографа регистрировались (рис. 2) следующие параметры: коэффициент сцепления колеса с дорожным покрытием; скорость движения; число оборотов колеса автомобиля; время движения.
Ранее проведенными исследованиями установлено, что величина коэффициента сцепления практически не зависит от размера шин и нагрузки. На этом основании при определении сцепных качеств покрытий карьерных автодорог использована шина размерности 6.40х15, а величина давления на опорную поверхность принята равной 2,5 кН.
331
В процессе экспериментальных исследований коэффициент сцепления определялся в эксплуатационном состоянии на магистральных автодорогах на поверхности, постоянных съездах в карьер, автодорогах до отвалов пустых пород и руд, временных заездах и в забоях. Замеры выполнены на асфальтобетонных, щебеночных и грунтовых покрытиях при скоростях движения 10, 20, 30 и 40 км/ч. Испытания проведены на сухих, увлажненных и обработанных профилактическими средствами участках дорожного покрытия. Расход воды составил 2-3 л/м2, профилактического средства -1,5-3 л/м3.
Исследуемые участки дорог имели длину 50-200 м, выдержанный продольный уклон и однородное покрытие. На наклонных участках измерения проводились в прямом и обратном направлениях. Как показали исследования, разница значений коэффициентов сцепления при этом находится в пределах ошибки измерения ± 4 %.
Обработка экспериментальных данных производилась вероятностно-статистическими методами, в соответствии с которыми определялись: математическое ожидание, дисперсия, среднеквадра-тическое отклонение и ряд других статистик. По найденным статистикам случайных величин построены полигоны и эмпирические функции плотности распределения вероятностей коэффициента сцепления на испытываемых участках. В процессе обработки данных эксперимента выявлено, что случайная величина коэффициента сцепления на данном участке автомобильной дороги подчиняется закону распределения случайных величин, близкому к нормальному закону (табл. 1).
Контрольные измерения показали, что для получения средней величины коэффициента сцепления с обеспеченностью 95 % и требуемой точностью 0,02 необходимо выполнить на увлажненном и обработанном профилактическим средством покрытии при скорости 10-30 км/ч 10-15 замеров, а при скорости 40 км/ч - 20-25 замеров. На сухом покрытии ввиду сильного износа шин и второстепенного значения получаемых данных на каждой скорости производилось не более 10 замеров.
В процессе экспериментальных работ установлено, что коэффициент сцепления зависит от типа и состояния покрытия и Таблица 1
332
Основные показатели, характеризующие эмпирическое распределение величины коэффициента сцепления увлажненного асфальтобетонного покрытия (Сибайский карьер)
Наименование статистик Скорость движения, км/ч
10 20 30 40
Математическое ожидание
(Х р) 0,59 0,58 0,57 0,55
Дисперсия (Б) 9 ■ 10 -4 12 ■ 10 -4 16 ■ 10 -4 25 ■ 10 -4
Размах варьирования (Я) 0,11 0,12 0,14 0,17
Среднеквадратическое 0,03 0,035 0,04 0,05
отклонение (5) 0,03
Коэффициент вариации (Ку) 4,9 5,9 6,9 8,9
Необходимое число замеров
(Пщт) при доверительной веро- 9 12 15 24
ятности 95% и требуемой точ-
ности измерений (Д = 0,02)
скорости движения. В сухом состоянии все типы покрытий карьерных автомобильных дорог, на которых проводились измерения, обеспечивают коэффициент сцепления в пределах 0,50-0,80. В увлажненном состоянии достаточно высокие значения коэффициента сцепления получены на покрытиях: асфальтобетонном (0,55-0,59), цементобетонном (0,54-0,58), щебеночном (0,40-0,56) и низкие - на грунтовом (0,28-0,39) покрытии (табл. 2).
Для повышения прочности и борьбы с пылеобразованием щебеночные дорожные покрытия обрабатывают профилактическими средствами: раствором сульфидно-спиртовой барды (ССБ) с добавкой битумов класса А и экстрактами масляных фракций с добавлением гудронов (универсин).
Величина коэффициента сцепления по условиям безопасности движения не должна быть меньше 0,40. Исследования показали, что при обработке щебеночных покрытий ССБ на участках автодорог с уклонами 8 % даже в начальный период времени обеспечивается величина коэффициента сцепления 0,42-0,45 (табл. 3).
С целью установления влияния универсина на сцепные качества щебеночных покрытий в условиях Сарбайского карьера были проведены замеры непосредственно после обработки, а также через 2, 6 и 12 часов (табл. 4). Таблица 2
Коэффициенты сцепления щебеночных покрытий (опытные данные, Сарбайский карьер)
333
Про- Скорость движения, км/ч
Характеристика дорожных условий дольный Уклон, % 10 20 30 40
Дороги на поверхности 0 0,72 0,55 0,71 0,54 0,69 0,53 0,68 0,51
Главные съезды в карьер 6 7 0,69 0,54 0,69 0,68 0,53 0,67 0,67 0,52 0,66 0,65 0,49 0,64
0,54 0,51 0,50 0,49
8 0,65 0,52 0,62 0,51 0,60 0,49 0,58 0,48
9 0,65 0,46 0,62 0,45 0,60 0,45 0,58 0,43
Заезды на отвалы 3 0,63 0,55 0,62 0,53 0,60 0,52 0,58 0,49
Временные автодороги на породных отвалах 0 0,64 0,34 0,63 0,33 0,61 0,32 8 8 00
Примечание: В числителе - покрытие в сухом, в знаменателе - в увлажненном состоянии.
В начальный период времени, ввиду избытка органического вяжущего на поверхности покрытия, не обеспечивается безопасная величина коэффициента сцепления. По мере впитывания профилактического средства дорожным покрытием сцепление колеса с дорогой повышается. Измерения, проведенные через 2 часа после обработки, показали увеличение сцепления, при этом для всех предельно возможных в карьерных условиях скоростей движения автомобилей обеспечивалась безопасная величина коэффициента сцепления. Последующие замеры подтвердили, что коэффициент сцепления постепенно возрастает, приближаясь к значениям, полученным на сухом покрытии.
При обработке щебеночных покрытий вяжущими коэффициент сцепления определяется следующими основными факторами: промежутком времени с момента обработки дорожного покрытия профилактическим средством, величиной продольного уклона участка автодороги и скоростью движения автомобиля. С целью оценки изменения величины коэффициента
334
Таблица 3
Коэффициенты сцепления дорожных покрытий (опытные данные, Сарбайский карьер)
Характеристика Продольный При скорости движения, км/ч
дорожных условий уклон, % 10 | 20 | 30 | 40
Магистральные дороги на поверхности с покрытием:
асфальтобетонным 0 0,79 0,78 0,77 0,76
0,59 0,58 0,57 0,55
цементобетонным 0 0,75 0,74 0,72 0,71
0,58 0,57 0,56 0,54
щебеночным без обработки 0 0,63 0,63 0,61 0,59
0,48 0,48 0,46 0,45
щебеночным, обработанным 0 0,61 0,60 0,60 0,59
топочным мазутом 0,40 0,39 0,38 0,37
0 0,52 0,51 0,49 0,48
грунтовым 0,39 0,38 0,37 0,34
Главные съезды в карьер со щебеночным покрытием:
без обработки 8 0,71 0,69 0,68 0,67
0,56 0,55 0,54 0,53
обработанным ССБ непосредст- 8 0,45 0,44 0,43 0,42
венно после обработки:
через 2 ч 8 0,66 0,65 0,65 0,64
через 6 ч 8 0,68 0,67 0,65 0,64
с грунтовым покрытием, улуч- 3 0,58 0,57 0,57 0,56
шенным щебнем 0,46 0,44 0,43 0,42
6 0,51 0,49 0,47 0,46
0,41 0,40 0,39 0,38
Заезды на отвалы со щебеночным 5 0,58 0,57 0,56 0,55
покрытием 0,46 0,44 0,43 0,42
7 0,54 0,53 0,52 0,51
0,50 0,49 0,48 0,46
Примечание: В числителе покрытие в сухом, в знаменателе в увлажненном состоянии.
Таблица 4
Изменение сцепных качеств щебеночного покрытия при обработке универсином (опытные данные, Сарбайский карьер)
Время с момента Продоль- Коэффициент сцепления при скорости движе-
обработки ный уклон, ния, км/ч
покрытия, ч % 10 20 30 40
0 0,44 0,42 0,40 0,39
0 3 0,41 0,40 0,38 0,37
9 0,36 0,35 0,34 0,32
0 0,50 0,48 0,47 0,46
2 3 0,48 0,47 0,42 0,40
9 0,45 0,44 0,40 0,37
0 0,64 0,62 0,59 0,58
12 3 0,54 0,53 0,52 0,50
9 0,53 0,52 0,51 0,48
Таблица 5
Экспериментально-статистические модели изменения коэффициента сцепления щебеночного покрытия карьерных автодорог при обработке профилактическим средством
Модель Км Вм рр Ет —
£, %
Обработка универсином
Ф = 0,453 + 0,048?0 5 - 0,008г - 0,002А 0,98 0,96 11,6 4 2,61 3,8
Обработка ССБ
Ф = 0,518 + 0,129?0 3 - 0,008г - 0,001а 0,96 0,92 9,54 2,61 4,3
Примечание: - индекс множественной корреляции; Бм - индекс детерминации;
Ер - табличное значение критерия Фишера; £ - средняя ошибка аппроксимации; 1 - промежуток времени с момента обработки вяжущими, ч.
сцепления в случае обработки покрытия вяжущими разработаны экспериментально-статистические модели (табл. 5). Оценка адекватности разработанных моделей проводилась по критерию согласия Фишера путем сравнения остаточной дисперсии с дисперсией фактических значений исследуемых переменных. Для оценки точности моделей определялась средняя ошибка аппроксимации, которая не превышает 5 %.
На горизонтальных участках карьерных автодорог обеспечивается наиболее высокий коэффициент сцепления. По мере увеличения продольного уклона наблюдается некоторое снижение сцепле-
336
ния вследствие шлифовки и износа покрытия под действием больших осевых нагрузок и интенсивного торможения. На Сарбайском карьере при изменении продольного уклона от 0 до 9 % коэффициент сцепления снижается на сухом щебеночном покрытии при скорости движения 10 км/ч от 0,64 до 0,54 и при 40 км/ч - от 0,59 до 0,49; на увлажненном, соответственно, от 0,55 до 0,46 и от 0,50 до 0,43.
Коэффициент сцепления зависит от скорости движения (табл. 6). Снижение его с увеличением скорости на сухих покрытиях объясняется изменением свойств резины под действием высокой температуры, развивающейся в зоне контакта. На увлажненных покрытиях скорость движения влияет на продолжительность взаимодействия элементов протектора шины с покрытием, определяющую возможность отвода воды из контактной зоны. При изменении скорости автомобиля от 10 до 40 км/ч в условиях Сарбайского карьера для всей совокупности участков щебеночных дорог с продольными уклонами от 0 до 9 % коэффициент сцепления на сухом покрытии снижается в пределах от 0,55-0,72 до 0,57-0,68, на увлажненном -от 0,48-0,55 до 0,43-0,61. На Сибайском карьере такое изменение скорости приводит к уменьшению коэффициента сцепления при сухом состоянии покрытия на 0,02-0,05, при увлажненном на 0,030,05 (рис. 3). Для автодорог со щебеночным покрытием интенсивность снижения коэффициента сцепления с увеличением скорости движения составляет 0,01-0,02 на каждые 10 км/ч.
Вследствие неровности забойных и отвальных дорог замеры здесь проводились при скоростях движения 10-20 км/ч. На забойных дорогах получены следующие значения коэффициентов сцепления: на скальных породах при сухом покрытии 0,58-0,59 и увлажненном 0,39-0,41, на руде, соответственно, 0,57-0,58 и 0,450,47. Временные заезды на поверхности отвалов дают следующие значения: на скальных породах при сухом покрытии 0,58-0,59 и увлажненном 0,42-0,43; на рыхлых породах, соответственно, 0,490,54 и 0,38-0,41.
Существенно ухудшаются условия сцепления колес автомобиля с дорожным покрытием в зимний период. Определение фактических коэффициентов сцепления было проведено на карьерных автодорогах с рыхлым снеговым покровом и обледеневшей по-
337
верхностью при температуре окружающей среды минус 8-10 оС (табл. 7).
При движении по покрытому снегом и обледенелому покрытию значения коэффициента сцепления, как правило, меньше допустимых по условиям безопасности движения. В некоторых случаях наблюдается увеличение коэффициента сцепления при повышении скорости движения. Этот эффект имеет место при наличии на покрытии укатанного снегового покрова или гололеда. Объясняется это условиями образования водной пленки в зоне контакта колеса с дорожным покрытием: с увеличением скорости движения продолжительность такого контакта сокращается, и вероятность образования водной пленки снижается, что приводит к повышению коэффициента сцепления. Для повышения сцепных качеств покрытий в зимний период необходимо регулярно производить очистку проезжей части от снега, вести борьбу с гололедом фрикционными материалами (щебень, гравий, песок и др.) и хлористыми солями.
На основании результатов проведенных экспериментальных исследований разработаны рекомендации по величине коэффициента сцепления дорожных покрытий в карьерных условиях. Нормирование коэффициента сцепления основано на учете степени опасности движения по тому или иному участку автодороги (табл. 8).
Снижение коэффициента сцепления до минимально допустимых значений свидетельствует о возможности проскальзывания колес или потере управляемости автомобиля, что является для дорожной службы карьеров сигналом, указывающим на необходимость проведения мероприятий по повышению шероховатости дорожных покрытий.
Проведенные исследования позволили установить следующее:
1.В случае применения специализированной тензометрической лаборатории погрешность в определении коэффициента сцепления на постоянных автодорогах не превышает 4-5%, на временных - 78%.
2. Карьерные автодороги со щебеночным покрытием обеспечивают величину коэффициента сцепления в сухом состоянии в пределах 0,50-0,70, в увлажненном - 0,40-0,56.
338
Таблица 6
Эмпирические формулы и показатели регрессии коэффициента сцепления и скорости движения автомобиля на щебеночных автодорогах
Продольный уклон, % Корреляционная формула Коэффициент корреляции Характеристика участка автодороги
0 Ф = 0,559 - 0,01 V 0,45 Автодорога по северному борту карьера на транспортной берме гор. +40 м. Основание - скальные породы. Коэффициент крепости по шкале М.М. Протодьяконова f = 8-10
3 Ф = 0,562 - 0,00^ 0,53 Магистральная автодорога на поверхности до отвала рыхлых вскрышных пород. Основание - глина, песок, опоки; f = 0,6-2,0
6 Ф = 0,550 - 0,0014v 0,46 Съезд по восточному борту карьера проходит по горизонтам с отметками +120 -100 м. Основание - полу-
7 Ф = 0,535 - 0,0014v 0,39 скальные и скальные породы; f = 5 - 8 Съезд по северному борту карьера с отметками +120 -80 м. Основание рудное, скальное; f = 10 - 15
8 Ф = 0,534 - 0,0014v 0,43 Съезд по юго-западному борту карьера с отметками +100 - 40 м. Основание - скальные породы; f = 8 - 10
9 Ф = 0,495 - 0,0018v 0,44 Съезд по восточному борту карьера с отметками +190 -120 м. Основание - плотные и крепкие опоковые глины, глауконитовые пески; f = 1,5 - 4,0
Примечание: V - скорость движения, км/ч.
33
40 Таблица 7
Коэффициент сцепления покрытия карьерных автодорог в зимних условиях (Западный карьер Качканарского ГОКа)
Продольный Коэффициент сцепления
Тип и состояние дорожного покрытия уклон, % при скорости движения, км/ч
10 20 30 40
Щебеночное покрытие
С рыхлым снежным покровом толщиной 10 мм 0 0,45 0,43 0,39 0,38
6 0,31 0,28 0,27 0,26
8 0,30 0,28 0,34 0,37
С тонким слоем ледяной 0 0,30 0,32 0,34 0,37
корки (гололед) 4 0,29 0,31 0,34 0,35
Грунтовое покрытие
С рыхлым снежным покровом толщиной 30 мм 0 0,31 0,30 0,29 0,28
С тонким слоем ледяной 0 0,30 0,32 0,34 0,37
корки (гололед) 4 0,29 0,31 0,34 0,35
Таблица 8
Рекомендуемый коэффициент сцепления карьерных автодорог
Характеристика автодорог Уклон, % Скорость движения, км/ч
20 30
Горизонтальные и слабонаклонные С уклоном, меньшим или равным руководящему С повышенными уклонами 0-3 4-8 > 8 0,45 0,40 0,50 0,45 0,55 0,50 0,40 0,35 0,45 0,40 0,50 0,45
Примечание: В числителе - рекомендуемые, в знаменателе - минимально допустимые значения коэффициента сцепления.
Рис. 1. Определение сцепных качеств покрытий карьерных автодорог с использованием специализированной тензометрической лаборатории
0
IX,Цл.
©
Пка
ч ц м ^
I I ■1
и и- ^ ^ I
©
9=435
№
Л гч |Ц щ
Рис. 2. Типичная осциллограмма записи величины коэффициента сцепления колеса со щебеночным покрытием карьерной автодороги при Ь = 9%, Уа = 30 км/ч. Состояние покрытия: 1 - сухое; 2 - увлажненное; 3 - обработанное уни-версином. Уа - скорость движения автомобиля, км/ч; пк.а - частота вращения колеса автомобиля; ф - коэффициент сцепления колеса с дорожным покрытием
341
Ц60
цчо_____
О Ю 2В ■ 30 «О 50
Скорость, км/чос
Рис. 3. Зависимость коэффициента сцепления увлажненного щебеночного покрытия от скорости движения и продольного уклона автодороги
3. С увеличением продольного уклона автодорог от 0 до 8% снижение величины коэффициента сцепления увлажненных щебеночных покрытий не превышает 6-8 %.
4. После обработки щебеночных автодорог экстрактами масляных нефтяных фракций с добавлением гудронов (универсин) безопасная работа автосамосвалов возможна не ранее, чем через 2 часа после разлива профилактического средства, так как в начальный период коэффициент сцепления снижается до 0,32-0,39. В случае применения ССБ движение транспортного потока не прерывается, потому что сразу после обработки обеспечивается ф = 0,420,45.
5. Статистико-вероятностной обработкой опытных данных установлена регрессионная зависимость коэффициента сцепления от скорости движения, выражаемая в интервале скоростей 10-40 км/ч уравнением прямой.
6. Рекомендуемые минимально допустимые значения коэффициента сцепления при скорости движения 20 км/ч на горизонталь-
342
ных и слабонаклонных участках равны 0,40, на участках с уклонами 4-8% - 0,45 и с уклонами более 8% - 0,50.
7. Данные о фактической величине коэффициента сцепления покрытий карьерных автодорог позволяют уточнить тяговые расчеты большегрузного автотранспорта и повысить скорость движения при условии обеспечения необходимого для нормальной эксплуатации коэффициента сцепления.
8. Дорожным службам карьеров для предупреждения проскальзывания колес и бокового заноса автосамосвалов необходимо систематически провощить контроль сцепных качеств карьерных автодорог и своевременно принимать меры по повышению сцепления. ЕШ
— Коротко об авторах —
Горшков Э.В. - к.т.н., доц., УрГГА, Тарасов А.П. - м.н.с., ИГД УрО РАН.
Д
343
