CC BY
122
УДК 625.7/.8
Васильев Юрий Эммануилович
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Россия, Москва Доктор технических наук, профессор E-Mail: [email protected]
Беляков Александр Борисович
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Россия, Москва Аспирант E-Mail: [email protected]
Субботин Игорь Валентинович
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Россия, Москва
Кандидат технических наук, научный сотрудник E-Mail: [email protected]
Малофеев Александр Сергеевич
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Россия, Москва Студент
E-Mail: [email protected]
Шум, как показатель сцепных свойств дорожного покрытия
Аннотация: В статье описаны исследования возможности оценки характеристик дорожного покрытия с помощью анализа шума, возникающего при движении колеса по покрытию. Безопасность движения транспортного средства в значительной степени зависит от его тормозных свойств и коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием. Применяемые на данный момент методики и оборудование для определения коэффициента сцепления обладают рядом недостатков. Материал покрытия и его свойства во многом определяют шум, возникающий при взаимодействии автомобильного колеса с дорожным покрытием. Сделан вывод, что шум, создаваемый при движении колеса, может быть использован также в качестве косвенного показателя, характеризующего сцепные качества дорожного покрытия. Рассмотрены современные методы измерения шума, их особенности и недостатки. Описаны условия проведения экспериментов на комплексе для ускоренных испытаний дорожно-строительных материалов. Выполнены измерения шума и коэффициента сцепления на участках асфальтобетонного покрытия, устроенных с применением различных материалов. Выполнен анализ результатов, выявлена взаимосвязь между коэффициентом сцепления и уровнем шума. Сделаны выводы о возможности эффективного применения анализа шума, в качестве показателя, косвенно характеризующего сцепные свойства покрытия.
Ключевые слова: Коэффициент сцепления; безопасность движения; транспортный шум; амплитудно-частотная характеристика; асфальтобетон; автомобильные дороги; шероховатость; макропрофиль; дорожное покрытие; комплекс для ускоренных испытаний дорожно-строительных материалов.
Идентификационный номер статьи в журнале 74TVN613
Yuri Vasiliev
Moscow Automobile And Road Construction State Technical University
Russia, Moscow E-Mail: [email protected]
Alexander Belyakov
Moscow Automobile And Road Construction State Technical University
Russia, Moscow E-Mail: [email protected]
Igor Subbotin
Moscow Automobile And Road Construction State Technical University
Russia, Moscow E-Mail: [email protected]
Alexander Malofeev
Moscow Automobile And Road Construction State Technical University
Russia, Moscow E-Mail: [email protected]
Noise as road pavement friction properties indicator
Abstract: Researches of road pavement properties estimation possibility utilizing wheel rolling noise analysis are described. Road safety highly depends on vehicle braking characteristics and friction coefficient. Present day friction coefficient estimation methods and equipment have different disadvantages. Pavement material and its properties effecting on wheel rolling noise structure. It is concluded that wheel rolling noise could be used as road pavement friction properties indirect indicator. State of the art noise measurement methods and their features and disadvantages are considered. Accelerated road building materials testing complex experiments conditions are described. There are performed noise and friction coefficient measurements on asphalt concrete pavements arranged with different materials. The analysis of results is performed, relationship between noise level and friction coefficient is identified. It is concluded rolling noise analysis effectiveness as friction coefficient indirect indicator.
Keywords: Friction coefficient; traffic safety; traffic noise; frequency response function; asphalt concrete; automobile roads; roughness; macroprofile; road pavement; accelerated road-building materials testing complex.
Identification number of article 74TVN613
Рост автомобилизации в РФ, а также увеличение автомобильных перевозок, наряду с повышением скоростей движения, грузоподъемности автомобилей, и интенсивности дорожного движения способствуют повышенному вниманию в области безопасности движения [1]. Наиболее важной проблемой является растущее число дорожно-транспортных происшествий (ДТП). На ДТП влияет большое количество факторов - состояние дороги, интенсивность движения, освещенность, техническое состояние автомобиля, психологическое состояние водителя, уровень его профессиональной подготовки и т.д.
Безопасность движения транспортного средства по автомобильной дороге в значительной степени определяется его тормозными свойствами и коэффициентом сцепления колеса с дорожным покрытием [2]. В зависимости от ряда условий, коэффициент сцепления ф носит переменный характер. Среди факторов, влияющих на коэффициент сцепления, можно выделить следующие:
• свойства материала дорожного покрытия
• состояние покрытия (влажное, сухое, наличие пыли/грязи на покрытии)
• скорость движения транспортного средства
• рисунок протектора автомобильной шины и давление в ней
На данный момент сцепные свойства дорожного покрытия характеризуются коэффициентом сцепления при скольжении заблокированного колеса со скоростью 60 км/ч по увлажненному покрытию. На практике для определения сцепных характеристик дорожного покрытия используются также портативные приборы маятникового, ротационного и ударного действий [3]. Но необходимо отметить, что существующие и применяемые на данный момент методики и оборудование для определения коэффициента сцепления обладают рядом недостатков, в частности оценочном характером измерений, а также сложностью обеспечения требуемых условий испытания. Кроме того, методы, применяемые в различных странах, во многих случаях не могут дать универсальный численный результат, пригодный для дальнейшего сравнения. Таким образом, необходим метод, позволяющий оценить сцепные свойства покрытия в условиях, максимально приближенным к движению транспортного средства, с надлежащей надежностью, а также достаточно простые в исполнении.
Ряд исследований показывает [4], что материал покрытия и его свойства во многом определяют шум, возникающий при взаимодействии автомобильного колеса с дорожным покрытием. Учитывая, что материал и технология устройства дорожных покрытий определяют такие составляющие как микропрофиль, макропрофиль и шероховатость покрытия (рисунок 1), то шум, создаваемый при движении колеса, может быть использован также в качестве косвенной величины, характеризующий сцепные качества дорожного покрытия.
Рис. 1. Микропрофиль, макропрофиль и шероховатость покрытия
Известно, что расстояние между неровностями макропрофиля и их высота влияют на формирование шума при движении колеса (рисунок 2). При увеличении данных показателей величина шума при движении увеличивается.
Рис. 2. Сравнение шума при движении по покрытию с различными параметрами макропрофиля
Параметры макропрофиля покрытия важны не только для обеспечения требуемых сцепных характеристик, влияющих на безопасность движения. Измерение макропрофиля также позволяет сделать вывод о состоянии дорожного покрытия, например, определить наличие различных дефектов, среди которых можно выделить выкрашивание каменного материала, вызванное недостаточной адгезией вяжущего [6].
Элементы, составляющие транспортный шум, влияют на определенные участки его амплитудно-частотной характеристики [5], при этом известно, что поверхность покрытия оказывает влияние на диапазон до 800 Гц, а уровень звукового давления на частотах ниже 1 кГц увеличивается с ростом амплитуды неровностей при длине волны от 10 до 500 мм. Поэтому при измерении шума различных типов покрытия, необходимо уделять наибольшее внимание участку амплитудно-частотной характеристики до 1 кГц.
Для измерения шума, возникающего при контакте колеса с дорожным покрытием, применяется ряд методов и оборудования [7, 8, 9]. К первой группе можно отнести способы измерения шума, основанные на выполнении измерений на определенном расстоянии от автомобильной дороги [7]. Такие методы крайне малоинформативны в силу большого расстояния от транспортного средства, за счет чего невозможно получить объективной картины амплитудно-частотной характеристики взаимодействия колеса с дорожным
покрытием. Ко второй группе [8, 9, 10] следует отнести ряд прогрессивных методов, позволяющих получать значительно более объективные данные по структуре транспортного шума. В частности, необходимо отметить несколько методик, представляющих наибольший интерес для научных исследовательских работ.
- Метод Close Proximity measurement (CPX) заключается в измерении шума, возникающего при контакте колеса с дорожным покрытием в непосредственной близости от зоны контакта [8]. Для выполнения измерений необходима специальная система, выполненная в виде прицепа к транспортному средству, с установленным тестовым колесом и микрофонами. В целях снижения уровня посторонних шумов, а также уменьшения количества отраженных и стоячих волн прицеп снабжается крышкой с закрепленным с внутренней стороны звукопоглощающим материалом. Недостатком метода является необходимость изготовления самого прицепа для транспортного средства, а также обеспечение изоляции измерительного микрофона от посторонних шумов.
- Метод On-Board Sound Intensity (OBSI) заключается в измерении шума микрофонами, установленными на колесе транспортного средства [10]. Для осуществления метода специальный кронштейн для микрофонов закрепляется на колесе транспортного средства таким образом, чтобы максимально приблизить микрофоны к зоне контакта шины с дорожным покрытием. Возможна установка нескольких микрофонов, измеряющих шум в различных точках контакта колеса с покрытием. Частным случаем способа OBSI является метод Road Dynamic Audiometer (RDA), принятый в Канаде. К недостаткам метода можно отнести наличие посторонних шумов от двигателя автомобиля.
Проводимые различными зарубежными научными учреждениями исследования [11] показывают, что при измерении шума требуется учитывать не только тип материала покрытия, но и его возраст. Поэтому проведение сравнительных испытаний с применением различных материалов для покрытия наиболее эффективно выполнять на одном объекте с несколькими участками одинакового возраста, с известным составом материалов. В качестве такого объекта может быть использован универсальный комплекс для испытаний дорожных покрытий и автомобильных шин КУИДМ-2 «Карусель», разработанный в МАДИ и успешно применяемый при проведении научных исследований [12, 13].
1 - универсальная рама для измерительного оборудования
2 - измерительный микрофон
Рис. 3. Схема измерения шума на стенде КУИДМ-2
Для того чтобы измерить шум, косвенно характеризующий макропрофиль и сцепные свойства покрытия, необходимо провести измерения по всему пути следования колеса (рисунок 3). Для этого измерительное оборудование должно быть размещено над движущимся колесом легкового стенда. Поэтому оптимальным вариантом является монтаж
микрофона на универсальную раму для измерительного оборудования [13]. За основу в данном случае взята методика ОББІ [10], т.к. в условиях комплекса «Карусель» нет необходимости в усиленной звукоизоляции измерительного микрофона от шумов двигателя, основным источником шума является процесс контакта колеса с дорожным покрытием.
В исследованиях применялись участки покрытия из щебеночно-мастичного асфальтобетона марки ЩМА-20 на основе различных вяжущих: резинобитумного,
серобитумного вяжущего, а также с добавкой «Унирем». Чтобы снизить влияние на шум различных факторов, измерения проводились при сохранении постоянных давления и температуры в автомобильной шине.
Известно также, что фактором, оказывающим наибольшее влияние на уровень шума, является скорость движения транспортного средства. При движении скорости от 48 км/ч уровень шума, возникающего при взаимодействии колеса с покрытием, будет преобладающим, по сравнению с шумом двигателя и шумом аэродинамических процессов. Увеличение уровня шума на 2,5 дБ наблюдается при увеличении скорости на 16 км/ч [5]. По этой причине все измерения шума выполнялись при одинаковой скорости движения легкового стенда равной 80 км/ч.
В соответствие с изученными материалами, наибольший интерес представляет участок спектра шума до 1кГц, т.к. свойства дорожного покрытия влияют на уровень шума преимущественно в этом диапазоне. Поэтому измерения шума проводились в слышимом диапазоне частот, без фиксации ультразвуковой составляющей. Результаты измерений шума для трёх различных участков асфальтобетонного покрытия на легковом стенде представлены на рис. 4
Ш
"О
90 80 70 60 + 50 -40 -30 -20 -10 -I-0
_П
П
_п
а
□ 1 участок □ 2 участок □ 3 участок
Частоты, Г ц
1 участок - ЩМА-20 с применением добавки «Унирем»
2 участок - ЩМА-20 с применением серы
3 участок - ЩМА-20 с применением полимербитумного вяжущего
Рис. 4. Сравнение уровней шума на участках с различным дорожным покрытием
Полученные результаты (рисунок 4) отражают разницу в уровнях шума, а следовательно и в свойствах поверхности дорожных покрытий на различных участках. Наименьший уровень шума наблюдается на участке с применением модификатора «Унирем», на следующем месте по уровню шума располагается участок с применением
полимербитумного вяжущего. Участок на серобитумном вяжущем показывает более высокий уровень шума, в частности в интервале 600-1000 Гц, что соответствует изученным материалам, согласно которым текстура покрытия влияет на структуру шума преимущественно в области до 800 Гц включительно [5].
На основании полученных результатов и теоретических предпосылок, можно выдвинуть гипотезу, что данные типы покрытий отличаются также в сцепных характеристиках. Для подтверждения этой гипотезы были выполнены измерения коэффициента сцепления на участках покрытия с применением прибора ППК-МАДИ-ВНИИБД. Выбор прибора осуществлён из условия его мобильности и компактности, что позволяет провести измерения на небольших участках асфальтобетонных покрытий на легковом стенде. При исследованиях учитывалась методика, изложенная в работах [14-16].
0,55
к
5 X
Ф
е;
§■ 0,5
о
IX ф 5
■§ 0,45 ■& о
0,4
1 участок - ЩМА-20 с применением добавки «Унирем»
2 участок - ЩМА-20 с применением серы
3 участок - ЩМА-20 с применением полимербитумного вяжущего
Рис. 5. Сравнение величины коэффициента сцепления на различных участках
График на рисунке 5 показывает, что наибольшее сцепление наблюдается на 2 участке, который также обладает наибольшим шумом. Участки 1 и 3 показывают схожий коэффициент сцепления, в то же время, показывая близкий результат по уровню шума. Таким образом, уровень шума при движении по различным покрытиям (при прочих равных условиях, в т.ч. скорости движения, рисунку протектора, температуры и т.д.) может служить индикатором сцепных характеристик.
Проведенные исследования показывают, что измерения шума являются эффективным инструментом для получения информации о свойствах дорожного покрытия. Эксперименты свидетельствуют о возможности оценки сцепных свойств покрытия по величине шума, создаваемого при движении колеса. В дальнейшем возможно получение информации о ровности покрытия, его шероховатости по величине шума.
На основе выполненных экспериментов сделаны следующие выводы:
• установлено, что материал дорожного покрытия оказывает влияние на шум, возникающий при движении по нему транспортного средства;
• выдвинута гипотеза о возможности определения сцепных характеристик покрытия по величине шума;
1 участок 2 участок 3 участок
• показано, что каждый компонент системы «колесо-покрытие» влияет на определенных диапазон амплитудно-частотной характеристики шума;
• разработана система для измерения шума при контакте колеса с дорожным покрытием на комплексе КУИДМ-2 «Карусель»;
• выполненные испытания показывают взаимосвязь между коэффициентом сцепления и величиной шума.
ЛИТЕРАТУРА
1. Молев Ю.И. Обеспечение дорожной безопасности автомобильного транспорта в зимний период - Автореферат дис.... доктора технических наук - Владимир 2007
2. Ломакин В. В., Покровский Ю. Ю., Степанов И. С., Гоманчук О. Г. Безопасность автотранспортных средств: Учебник для вузов. / Под общ. ред. В.В. Ломакина. - М: МГТУ «МАМИ», 2011. - 299 с.
3. Коэффициент сцепления: новая старая реальность / А. В. Кочетков, М. Л. Ермаков, Э. И. Деникин и др. // Дорожная держава. № 14. - 2008. - С. 36-43.
4. P Klein, JF Hamet. Road texture and rolling noise - Laboratoire Transports et Environnement (LTE) - November 2004
5. Mogrovejo, Flintsch, de Leon Izeppi and McGhee. Effect of Air Temperature and Vehicle Speed on Tire/Pavement Noise Measured with On-Board Sound Intensity Methodology - TRB 2013 Annual Meeting
6. Q. Lu and B. Steven. Friction Testing of Pavement Preservation Treatments: Literature Review - California Department of Transportation - November 2006
7. ГОСТ 31333-2006 (ИСО 7188:1994) Шум машин. Измерение шума легковых пассажирских автомобилей в условиях, соответствующих городскому движению: стандарт. - Введ. с 01.04.2007 - М.: Стандартинформ, 2007
8. Abbott, P. and Watts, G., “Correlating Statistical Pass-By (SPB) and Close Proximity (CPX) Noise Levels”, Proceedings of Inter-Noise 2005, Rio de Janeiro, Brazil, August 2005.
9. Donavan, P. and Scofield, L., “Near Field Tire Noise Measurements of Similar Pavements of Different Ages”, Proceedings of Noise-Con 2004, Baltimore, Maryland, July 2004.
10. Measuring and Reporting Tire-Pavement Noise Using On-Board Sound Intensity (OBSI) / Robert Otto Rasmussen, Richard Sohaney, Paul Wiegand // - Tech Brief -National Concrete Pavement Technology Center, 2011
11. Douglas I. Hanson, Brian Waller. Colorado dot tire/pavement noise study - Colorado Department of Transportation Research Branch - November 2006
12. Васильев Ю.Э., Беляков А.Б., Субботин И.В., Малофеев А.С. Исследование шума в ультразвуковом диапазоне при движении шипованной шины на стенде «Карусель». // Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №4 (17) [Электронный ресурс].-М. 2013. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/40tvn413.pdf, свободный - Загл. с экрана.
13. Штефан Ю. В., Панарин Г. А. Методика оценки параметров углов установки колес на стенде «КУИДМ-2» и оценка этого влияния на изменение процесса износа шин и покрытия // Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №5 (18)
[Электронный ресурс].-М. 2013. - Режим доступа:
http://naukovedenie.ru/PDF/26tvn513.pdf, свободный - Загл. с экрана.
14. Анализ срока службы современных цементных бетонов / Рапопорт П.Б.,
Рапопорт Н.В., Полянский В.Г., Соколова Е.Р., Гарибов Р.Б., Кочетков А.В.,
Янковский Л.В. Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. - С. 92.
15. Стандартизация испытаний строительных, дорожных материалов и изделий /
Челпанов И.Б., Евтеева С.М., Талалай В.В., Кочетков А.В., Юшков Б.С. //
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность
жизнедеятельности. 2011. № 2. - С. 57-68.
16. Шероховатые поверхности: нормирование, проектирование и устройство / Кочетков А.В., Суслиганов П.С. // Автомобильные дороги. 2005. № 1. - С. 54.
Рецензент: Кочетков Андрей Викторович, доктор технических наук, профессор.
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
REFERENCES
1. Molev Ju.I. Obespechenie dorozhnoj bezopasnosti avtomobil'nogo transporta v zimnij
period - Avtoreferat dis_doktora tehnicheskih nauk - Vladimir 2007
2. Lomakin V. V., Pokrovskij Ju. Ju., Stepanov I. S., Gomanchuk O. G. Bezopasnost' avtotransportnyh sredstv: Uchebnik dlja vuzov. / Pod obshh. red. V.V. Lomakina. -M: MGTU «MAMI», 2011. - 299 s.
3. Kojefficient sceplenija: novaja staraja real'nost' / A. V. Kochetkov, M. L. Ermakov, Je. I. Denikin i dr. // Dorozhnaja derzhava. № 14. - 2008. - S. 36-43.
4. P Klein, JF Hamet. Road texture and rolling noise - Laboratoire Transports et Environnement (LTE) - November 2004
5. Mogrovejo, Flintsch, de Leon Izeppi and McGhee. Effect of Air Temperature and Vehicle Speed on Tire/Pavement Noise Measured with On-Board Sound Intensity Methodology - TRB 2013 Annual Meeting
6. Q. Lu and B. Steven. Friction Testing of Pavement Preservation Treatments: Literature Review - California Department of Transportation - November 2006
7. GOST 31333-2006 (ISO 7188:1994) Shum mashin. Izmerenie shuma legkovyh passazhirskih avtomobilej v uslovijah, sootvetstvujushhih gorodskomu dvizheniju: standart. - Vved. s 01.04.2007 - M.: Standartinform, 2007
8. Abbott, P. and Watts, G., “Correlating Statistical Pass-By (SPB) and Close Proximity (CPX) Noise Levels”, Proceedings of Inter-Noise 2005, Rio de Janeiro, Brazil, August 2005.
9. Donavan, P. and Scofield, L., “Near Field Tire Noise Measurements of Similar Pavements of Different Ages”, Proceedings of Noise-Con 2004, Baltimore, Maryland, July 2004.
10. Measuring and Reporting Tire-Pavement Noise Using On-Board Sound Intensity (OBSI) / Robert Otto Rasmussen, Richard Sohaney, Paul Wiegand // - Tech Brief -National Concrete Pavement Technology Center, 2011
11. Douglas I. Hanson, Brian Waller. Colorado dot tire/pavement noise study - Colorado Department of Transportation Research Branch - November 2006
12. Vasil'ev Ju.Je., Beljakov A.B., Subbotin I.V., Malofeev A.S. Issledovanie shuma v ul'trazvukovom diapazone pri dvizhenii shipovannoj shiny na stende «Karusel'». // Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2013 №4 (17) [Jelektronnyj resurs].-M. 2013. -Rezhim dostupa: http://naukovedenie.ru/PDF/40tvn413.pdf, svobodnyj - Zagl. s jekrana.
13. Shtefan Ju. V., Panarin G. A. Metodika ocenki parametrov uglov ustanovki koles na stende «KUIDM-2» i ocenka jetogo vlijanija na izmenenie processa iznosa shin i pokrytija // Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2013 №5 (18) [Jelektronnyj resurs].-M. 2013. - Rezhim dostupa: http://naukovedenie.ru/PDF/26tvn513.pdf, svobodnyj -Zagl. s jekrana.
14. Analiz sroka sluzhby sovremennyh cementnyh betonov / Rapoport P.B., Rapoport N.V., Poljanskij V.G., Sokolova E.R., Garibov R.B., Kochetkov A.V., Jankovskij L.V. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2012. № 4. - S. 92.
15. Standartizacija ispytanij stroitel'nyh, dorozhnyh materialov i izdelij / Chelpanov I.B., Evteeva S.M., Talalaj V.V., Kochetkov A.V., Jushkov B.S. // Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. Ohrana okruzhajushhej sredy, transport, bezopasnost' zhiznedejatel'nosti. 2011. № 2. - S. 5768.
16. Sherohovatye poverhnosti: normirovanie, proektirovanie i ustrojstvo / Kochetkov A.V., Susliganov P.S. // Avtomobil'nye dorogi. 2005. № 1. - S. 54.
