CC BY
139
УДК 62
Илюхин Андрей Владимирович
ФГБОУ Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Россия, Москва
Профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов»
Доктор технических наук, профессор E-Mail: [email protected]
Марсов Вадим Израилевич
ФГБОУ Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Россия, Москва
Профессор кафедры«Автоматизация производственных процессов»
Доктор технических наук, профессор E-Mail: [email protected]
Колбасин Александр Маркович
ФГБОУ Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Россия, Москва
Доцент кафедры «Автоматизация производственных процессов»
Кандидат технических наук, доцент E-Mail: [email protected]
Беляков Александр Борисович
ФГБОУ Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Россия, Москва
Аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов»
E-Mail: [email protected]
Братищев Илья Станиславович
ФГБОУ Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Россия, Москва
Аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов»
E-Mail: [email protected]
Универсальный комплекс для испытаний дорожных покрытий
Аннотация: В статье описан универсальный комплекс для испытаний дорожных покрытий и автомобильных шин КУИДМ-2 «Карусель» с целью исследования взаимодействия шины с дорожным покрытием. В процессе испытаний фиксируется информация о пятне контакта и взаимодействии колеса с дорожным покрытием за счет автоматизированного контроля величины давления в шине. Для удовлетворения требований к измерению давления шин предлагается компенсированный по температуре (от -50 до +150 ° С) полупроводниковый датчик давления с чувствительной мембраной и высокой частотой отсчетов. Разработанная система испытаний взаимодействия шины и дорожного покрытия позволяет на стенде КУИДМ-2, моделируя реальные условия движения шины по дороге, производить сравнительный анализ изменения картины контактного давления шины и на основе этого определять влияние шины на износ дорожного покрытия.
Ключевые слова: Датчик давления; дорожное покрытие; пятно контакта; электронное устройство; автомобильных шин; колеи.
Идентификационный номер статьи в журнале 89ТУЫ613
Andrey Iliukhin
Moscow automobile and road state technical university
Russia, Moscow E-Mail: [email protected]
Vladimir Vorobiev
Moscow automobile and road state technical university
Russia, Moscow E-Mail: [email protected]
Alexander Kolbasin
Moscow automobile and road state technical university
Russia, Moscow E-Mail: [email protected]
Alexander Belyakov
Moscow automobile and road state technical university
Russia, Moscow E-Mail: [email protected]
Ilya Bratishev
Moscow automobile and road state technical university
Russia, Moscow E-Mail: [email protected]
Universal set of test pavements
Abstract: This paper describes a universal set for testing road surfaces and tires KUIDM -2 "Carousel" in order to study the interaction of the tire and the road surface. During the test, record the information about the contact and interaction between the wheel and the road surface due to the automated control of the pressure in the tire. To meet the requirements proposed tire pressure measurement compensated for temperature (-50 to +150 ° C), the semiconductor pressure sensor with the sensing diaphragm and a high frequency sampling. The developed system test interaction tires and the road surface can stand on KUIDM -2 , simulating the real conditions of the tire on the road , to make a comparative analysis of changes in patterns of contact pressure tires and based on that determine the influence of tire wear on the road surface.
Keywords: Pressure sensor; the road surface; the contact patch; the electronic device; tires;
ruts.
Identification number of article 89WN613
В последние годы сильно возросла интенсивность движения на дорогах, возросли нагрузки и старение дорожной сети, и в результате увеличились износ и разрушение дорожных одежд. Все это привело к необходимости проведения разнообразных исследований по повышению долговечности дорожных одежд, уточнению методов проектирования их усиления, изучению механизма износа дорожного покрытия.
В МАДИ для этих целей разработан универсальный комплекс для испытаний дорожных покрытий и автомобильных шин КУИДМ-2 «Карусель», представляющий собой две скрещенные под углом в 900 балки на концах которых находятся колеса с приводом (рис.1).
Рис. 1. Общий вид комплекса КУИДМ-2 «Карусель»
Управление давлением автомобильных шин на универсальном комплексе для испытаний дорожных покрытий и автомобильных шин КУИДМ-2 «Карусель» позволяет изменять характеристики разрушения дорожного покрытия и износа шин.
Для испытательного стенда характерно многократное прохождение колеса по одному и тому же треку с образованием колеи. Типичный пример такой колейности показан на рис.2,3
Рис. 2. Колея, полученная при испытаниях на стенде КУИДМ-2 при использовании
шин без шипов после 1 000 000 проходов
Рис. 3. Визуализация колеи от воздействия шины без шипов
Испытательный стенд КУИДМ-2 моделирует реальные условия движения шины по дороге, позволяя при этом изменять параметры колеса. Существующие методы испытания дорожного покрытия с использованием шин игнорируют фактор изменения пятна контакта шины в рабочем режиме эксплуатации, являющегося важнейшей характеристикой взаимодействия ее с дорожным покрытием, при изменении в шине давления, т.к. для сравнительных испытаний образцов асфальтобетона необходимо соблюдение стандартных заданных условий испытаний.
Классические представления об изменении пятна контакта шины с дорожным покрытием при изменении давления показаны на рис.4.
Рис. 4. Изменение площади контакта при вариациях давления в шине
В условиях испытательного стенда фиксируется информация о пятне контакта и взаимодействии колеса с дорожным покрытием за счет автоматизированного контроля величины давления в шине.
При выборе типа высокоточный датчик давления необходимо учитывать дополнительное требование, связанное с влиянием на него движения колеса по кругу.
Центростремительное ускорение периметра колеса диаметром 0,7 м при его вращении на скорости 39 м/сек (140 км/час) равно 4346 м/сек2 или 443G. Центростремительное ускорение оси колеса при вращении стенда диаметром 30 м на скорости 39 м/сек равно 101,4
м/сек2 или 10,3 G. Мембранные датчики давления, устанавливаемые на диск колеса с бескамерной шиной или на ниппель, выполнены таким образом, чтобы исключить влияние сил инерции при вращении колеса на мембрану, но не предусматривают компенсацию сил инерции от движения колеса по кругу. При положении датчика с мембраной, расположенной перпендикулярно оси вращения колеса, возможны систематические ошибки измерения давления при вращении стенда.
Рассмотрим некоторые типы датчиков для измерения давления газа в шине. В табл.1 показаны наиболее распространенные комбинации датчиков давления/ на колесо и на ниппель.
Таблица 1
Характеристики датчиков давления на колесо
Марка, производитель (срок работы, часов; место установки) Период измерений, сек Диапазон, кПа Погрешность, кПа Радио интерфейс Температуры, °С Погрешность, °С Компенсация движения по кругу
DUSHIHUO Industrial Electronic Co. Ltd (9000 часов, на диск) н/д 227,3 ±10 Не указан -30; +50 н/д
Carax TPMS CRX-1001 (13000 часов, на ниппель) н/д 520 ±7 433.92 MHz ± 200k Hz, тип не указан -30; +120 ±4 н/д
Phantom (13000 часов, на ниппель) н/д 350 ±10 частота 433,92МНг, тип не указан -25; +99 ±5 н/д
Parkmaster TPMS 4-05 (45000 часов, на ниппель) н/д 350 ±7 частота 433,92МНг, тип не указан -30; +120 ±5 н/д
Carax TPMS CRX-1005 н/д 420 ±10 433.92 MHz ± 200k Hz, тип не указан -40; +125 ±5 н/д
TpMaster TPMS 6-12 для карьерной спецтехники (38 датчиков, 9000 часов, на ниппель) 5 1300 ±10 тип модуляции: FSK рабочая частота: 434.1 MHz -40; +125 1 н/д
Датчики DUSHIHUO, Carax, Phantom, Parkmaster для легковых шин работают только с 5 колёсами и имеют недостаточный для испытаний диапазон давлений. Период отсчета превышает 60 с., что позволяет определяет время эксплуатации датчика до 5 лет (Parkmaster
TPMS 4-05) .
Серия датчиков TpMaster TPMS 6-12 на 38 колес и схожий с ним тип TpMaster TPMS 611 на 22 колеса существенно приближается к требованиям по диапазону давлений, имеет приемлемую точность и короткий период опроса датчика (5 секунд). Преимуществом этих датчиков можно считать возможность установки одного комплекта на все 12 колес стенда КУИДМ-2. Для ударных испытаний комплекты TpMaster TPMS 6-12 и TpMaster TPMS 6-11 не могут быть использованы, и годятся для оснащения стенда только одновременно с датчиками давления, способными работать на высокой частоте отсчетов.
Для удовлетворения требований к измерению давления шин предлагается компенсированный по температуре (от -50 до +150 ° С) полупроводниковый датчик давления с чувствительной мембраной и высокой частотой отсчетов (рис5).
Для исключения влияния сил инерции при вращении колеса и при вращении стенда, плоскость мембраны должна быть расположена на оси вращения колеса и параллельно оси вращения колеса или на небольшом расстоянии от оси вращения колеса (не более 2 мм).
Рис. S. Схема установки датчиков давления и температуры на колесо
1. Ось симметрии колеса; 2.Корпус датчика давления; 3. Мембрана датчика давления в плоскости оси вращения колеса; 4. Ось симметрии колеса; 5. Подводящий трубопровод к датчику давления; 6. Подача воздуха или газа через систему наддува; 7. Подводящий трубопровод системы наддува; 8. Обратный клапан («ниппель») для подачи воздуха на остановках; 9. Рампа для распределения газа к приборам и к шине; 10. Корпус вентиля шины с удаленным обратным клапаном; 11. Шина; 12. датчик TpMaster TPMS 6; 12. Клапан сброса давления в шине.
Выходное устройство высокоскоростного датчика представляет собой радиоинтерфейс Bluetooth.
Информация об изменении давления поступает на электронное устройство, позволяющее преобразовать и представить электрический выходной сигнал полупроводникового датчика давления в удобной форме.
Для анализа взаимодействия системы «шина - дорожное покрытие», применяется программный комплекс ABAQUS (рис.6), на который подается значение величины давления со схемы электронного устройства.
В ABAQUS имеется возможность задания потенциала энергии напряжения гиперэластичного материала, используя справочные математические модели материалов, либо вводя результаты экспериментальных данных в качестве расчетных характеристик. Расчет каждого случая «поведения шин» с учетом давления, скорости и нагружения ведется постадийно, с переходом от двухмерного случая к трехмерному и с осесимметричного нагружения к несимметричному, от расчета посадки шины на диск и наддува шины через анализ статического пятна контакта к анализу постоянного симметричного качения, расчету качения по неровной поверхности и к анализу «поведения колеса» для несимметричного нагружения.
Формировав не значення давлення па свгналу датчика
2D Осесимметричным анализ насадки на диск
1'
Осесимметричным анализ наддува шины
^ бмс/зрГ
Ю Анализ пятна контакта
,, ЗМС/ЭЙТ
Анализ постоянного качения
1Г Import
Анализ
нестационарного
вращения
Рис. 6. Блок-схема ABAQUS (SMG — Symmetric Model Generation, SRT — Symmetric Results Transfer)
Использование ABAQUS в контур управления КУИДМ-2 позволяет получать оперативные данные в процессе эксперимента о расчетном пятне контакта в табличной форме и возможностью на их основе, получения достоверных расчетных прогнозных данных о форме колеи.
На рис.7 показано распределение контактного давления для новой шины при постоянном симметричном качении по ровной поверхности. Это распределение контактного давления характеризуется наличием трех максимумов давления по ширине шины. На рис.1 и рис 8. видны такие же три максимума износа с некоторым нарушением симметрии из-за движения по окружности.
сши
Рис. 7. Распределение контактного давления для новой шины
Рис. S. Колейность от воздействия шины после 1000000 проходов
Таким образом для новой шины с пробегом 2500 км (1000000 проходов), есть основания говорить о применимости моделей, полученных с помощью программного комплекса ABAQUS, к условиям стенда КУИДМ-2 при соответствующем перерасчете для несимметричного случая нагружения.
ста
Рис. 9. Распределение контактного давления для изношенной шины при постоянном симметричном качении по ровной поверхности
Согласно рис.9, для случая изношенной шины ожидается возникновение двух максимумов износа в колее вместо трех, характерных для новой шины. При ослаблении конструкции шины наблюдается существенное уменьшение зон с высокими напряжениями, поскольку шина при нормальном давлении притёрлась к теоретической ровной поверхности. При работе в колее характер распределения напряжений и износа будут отличаться от случая идеальной ровной поверхности. В процессе стендовых испытаний на КУИДМ-2 появляется возможность сравнительного анализа изменения картины контактного давления шины за ряд проходов колеса по дорожному покрытию и изменения этого давления при изменении программы эксперимента.
При понижении давления (рис.10) картина колейности при эксплуатации такой шины будет характеризоваться двумя пиками износа.
Рис. 10. Контактное давление шины при пониженном давлении газа при постоянном симметричном качении по ровной поверхности
Таким образом, получаемая информация о давлении газа в колесе стенда КУИДМ-2, позволяет регулировать характер износов шины и дорожного покрытия. Измерение мгновенного давления газа в колесе стенда КУИДМ-2 входит в состав средств автоматизации испытания шин в критических режимах. Для получения желательных параметров взаимодействия шины и дорожного покрытия в схему автоматизации КУИДМ-2 следует ввести модуль управления с использованием теоретических моделей равномерного и неравномерного движения шины по кругу для оценки взаимодействия шины и дорожного покрытия на базе программного комплекса ABAQUS.
В процессе стендовых испытаний на КУИДМ-2 появляется возможность сравнительного анализа изменения картины контактного давления шины за ряд проходов колеса по дорожному покрытию и изменения этого давления при изменении программы эксперимента.
Разработанная система испытаний взаимодействия шины и дорожного покрытия позволяет на стенде КУИДМ-2, моделируя реальные условия движения шины по дороге, производить сравнительный анализ изменения картины контактного давления шины и на основе этого определять влияние шины на износ дорожного покрытия.
ЛИТЕРАТУРА
1. "ОДМ 218.3.017-2011. Отраслевой дорожный методический документ. Методические рекомендации по определению колееобразования асфальтобетонных покрытий прокатыванием нагруженного колеса.
2. "ОДМ 218.2.019-2011. Отраслевой дорожный методический документ. Методические рекомендации по определению сопротивляемости истиранию асфальтобетонных покрытий под воздействием шипованных шин.
3. С.А.Рыжов, К.А.Ильин, А.Н.Варюхин. Проектирование шин с использованием программного комплекса ABAQUS. "САПР и графика" 2006, стр. 77-81 ISSN 1560-4640
4. ГОСТ 9128-97. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон . Технические условия.
5. Кирюхин Г.Н. Проектирование состава асфальтобетона и методы его испытания: Обзорная информация. / Информавтодор. - Вып № 6. М. - 2005.
6. ГОСТ Р 50597-93 . Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения.
7. ГОСТ 31015-2002 . Смеси асфальтобетонные щебеночно-мастичные и
асфальтобетон . Технические условия.
8. ГОСТ 22245-90 . Битумы нефтяные дорожные вязкие . Технические условия.
9. ГОСТ Р 52129-2003 . Порошок минеральный для асфальтобетонных смесей и органоминеральных смесей . Технические условия.
10. Мелик-Багдасаров М.С., Гиоев К.А., Мелик-Багдасарова Н.А. Строительство и ремонт дорожных асфальтобетонных покрытий.: М МАДИ 2007.
Рецензент: Доцент кафедры «Дорожно-строительных материалов» МАДИ, д.т.н., Васильев Юрий Эммануилович
REFERENCES
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
"ODM 218.3.017-2011. Otraslevoj dorozhnyj metodicheskij dokument.
Metodicheskie rekomendacii po opredeleniju koleeobrazovanija asfal'tobetonnyh pokrytij prokatyvaniem nagruzhennogo kolesa.
"ODM 218.2.019-2011. Otraslevoj dorozhnyj metodicheskij dokument.
Metodicheskie rekomendacii po opredeleniju soprotivljaemosti istiraniju asfal'tobetonnyh pokrytij pod vozdejstviem shipovannyh shin.
S.A.Ryzhov, K.A.Il'in, A.N.Varjuhin. Proektirovanie shin s ispol'zovaniem
programmnogo kompleksa ABAJaUS. "SAPR i grafika" 2006, str. 77-81 ISSN 15604640
GOST 9128-97. Smesi asfal'tobetonnye dorozhnye, ajerodromnye i asfal'tobeton . Tehnicheskie uslovija.
Kirjuhin G.N. Proektirovanie sostava asfal'tobetona i metody ego ispytanija:
Obzornaja informacija. / Informavtodor. - Vyp № 6. M. - 2005.
GOST R 50597-93 . Trebovanija k jekspluatacionnomu sostojaniju, dopustimomu po uslovijam obespechenija bezopasnosti dorozhnogo dvizhenija.
GOST 31015-2002 . Smesi asfal'tobetonnye shhebenochno-mastichnye i asfal'tobeton . Tehnicheskie uslovija.
GOST 22245-90 . Bitumy neftjanye dorozhnye vjazkie . Tehnicheskie uslovija.
GOST R 52129-2003 . Poroshok mineral'nyj dlja asfal'tobetonnyh smesej i organomineral'nyh smesej . Tehnicheskie uslovija.
Melik-Bagdasarov M.S., Gioev K.A., Melik-Bagdasarova N.A. Stroitel'stvo i remont dorozhnyh asfal'tobetonnyh pokrytij.: M MADI 2007.
