Способ обработки данных о ровности, непосредственно полученных с помощью прицепного оборудования передвижной дорожной диагностической лаборатории

 

5.2.1 Сущность метода

Метод основан на получении и обработке данных с помощью прицепного оборудования передвижной дорожной диагностической лаборатории.

5.2.2 Инструментальные средства

Передвижная дорожная лаборатория, оснащенная гироскопической системой, средствами навигации, прибором контроля ровности типа ПКРС-2У, бесконтактным датчиком перемещений.

5.2.3 Проведение испытаний

Данные, полученные с прицепного оборудования передвижной дорожной диагностической лаборатории, путем проезда выбранных участков автомобильной дороги, накапливаются в программных файлах.

5.2.4 Обработка результатов

Отображаются на мониторе бортового компьютера данные о ровности и показатель по предыдущим участкам, приведённый к 1,0 км. Длина участков, на которых обрабатываются данные, назначается оператором перед началом проведения измерений.

Приведение ровности на отдельных участках к ровности на км производится по формуле:

R _км = R_L * (1000/ L _уч),                                                                        (5.5)

где: R _км – ровность на км, см/км; R_L – ровность на участке, см; L _уч – задаваемая длина участка, м

Данные выводятся на монитор в виде графиков с накоплением по участкам или в виде диаграммы значений

Примечание - типовые виды графика текущего значения ровности и ровности с накоплением представлены на рисунках 5.4 и 5.5.

	k

n

Рисунок 5.4 Типовой вид графика текущего значения ровности (по вертикали – k- количество сотых мм, n – номер измерения)

k

n

Рисунок 5.5 Типовой график ровности с накоплением, полученный передвижной дорожной диагностической лаборатории (по вертикали – k -количество сотых мм)

    5.3 Методика учета накопления неровностей на основе исследования вероятностных характеристик микропрофилей автомобильных дорог (методика В.П.Носова и В.П.Жигарева)

5.3.1 Сущность метода

Метод основан на получении и обработке данных с помощью прицепного оборудования передвижной дорожной диагностической лаборатории.

5.3.2 Инструментальные средства

Передвижная дорожная лаборатория, оснащенная гироскопической системой, средствами навигации, толчкомером, бесконтактным датчиком перемещений, прибором контроля ровности (типа ДПП или APL-25).

5.3.3 Проведение испытаний

Проектный продольный профиль (ППП) автомобильной дороги является преобразованием продольного профиля местности, которое можно считать линейным с учетом требований, формулируемых нормативными документами на его проектирование.

Значения его ординат в узловых точках участков допускается выдерживать с некоторым допуском, а значения ординат промежуточных точек рассчитываются при проектировании продольного профиля с погрешностью до 1,0 мм. Допуски на точность задания ординат профиля в некоторых точках целесообразно включать в модель ППП для определения спектральной плотности дисперсии (СПД) его ординат.

Микропрофилем проектного продольного профиля автомобильной дороги (МППП) будет линейное преобразование ППП, при котором из него исключаются неровности большой длины и неровности малой длины.

Критерием выбора граничных длин волн неровностей является выполнение требований обеспечения равенства параметров колебания транспортного средства на ППП и МППП.

Поэтому МППП должен включать в себя неровности, лежащие в диапазоне длин 0,5…100 м. Используется фильтр низких и высоких частот. Например, фильтры третьего порядка с дробно-рациональными передаточными характеристиками, позволяющими исключить из ППП постоянную составляющую, постоянный уклон и постоянную кривизну.

Модель ППП и МППП исходит из допущения: значения продольного уклона на отрезке соответствуют критериям нормально распределенных независимых случайных величин. Эти допущения оправдываются имеющимися экспериментальными данными. Требование нормальности продольного уклона не существенно для определения формы СПД уклонов, но важно для определения её уровня. По этой модели может быть определена СПД, в которой учтены требования СНиП 2.05.02-85 на максимальные значения уклонов и их приращения, допуски на вертикальные отметки при проектировании и строительстве автомобильных дорог (СНиП 3.06.03-85) [16, 17].

Разработанная в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете модель МППП позволяет связать основную харак-теристику микропрофиля как стационарного нормального процесса – СПД его ординат, с основными нормативными показателями СНиП 3.06.03-85.

Наиболее пригодны для получения информации о микропрофиле приборы, позволяющие прямым или косвенным образом получать ординаты микропрофиля (например, лазерные измерители, приборы типа ДПП и APL-25). Эти приборы обладают высокой производительностью, достаточной точностью и позволяют определить любые критерии ровности автомобильных дорог, если известен алгоритм их получения из реализаций микропрофиля.

Принятые показатели СНиП 3.06.03-85 являются необходимыми и достаточными для оценки ровности автомобильных дорог в широком диапазоне длин неровностей и полностью определяют основную характеристику микропрофиля автомобильной дороги – спектральную плотность дисперсии его ординат. Поэтому показатель «разности вертикальных отметок» при различных базах замера может быть частично либо полностью исключен из оценки ровности лишь в некоторых случаях: прохождение участков автомобильной дороги в местах со сложным рельефом, в условиях городов и т.п.

Распределения разностей отметок не противоречит закону нормального распределения, поэтому вместо вероятностей непревышения нормативных значений разностей отметок целесообразно использовать их среднеквадратические значения. Дополнительно к СНиП 3.06.03-85 и ГОСТ 30412-96 рекомендуется учитывать непрерывность и закон распределения разностей отметок.

При строительстве автомобильных дорог нормы СНиП на просветы под трехметровой рейкой обычно выполняются с оценкой «хорошо» и «отлично», но требования по разностям отметок в большинстве случаев не выполняются. Проектный профиль также целесообразно оценивать по его ровности, так как до 25-30% нормативных значений показателей ровности образуется уже при разработке проектного профиля. Выполнение норм СНиП 3.06.03-85 по просветам под рейкой обеспечивает нахождение СПД ординат микропрофиля у верхней границы класса А классификации ИСО СПД ординат микропрофиля (при оценке ровности по СНиП «хорошо») и ниже середины этого класса (при оценке «отлично»).

5.3.4 Техническое нормирование ровности

Рекомендуется учитывать, что нормативные значения отечественных показателей ровности и международных показателей хорошо коррелируются между собой. Интегральные показатели ровности (например, IRI и т.д.) имеют одинаковую физическую природу и могут быть интерпретированы как отношение среднего модуля относительной скорости подрессоренных и неподрессоренных масс действительного или модельного транспортного средства к скорости его движения. Различия получаются из-за нелинейностей динамических систем. При одинаковых скоростях движения приборов при определении этих показателей и при линейности системы эти показатели линейно связаны между собой и мало зависят от коэффициента формы СПД ординат микропрофиля.

Локальную оценку ровности целесообразно проводить по значениям IRI для отрезков участков автомобильной дороги длиной 25-100 м – IRI_l. Разброс значений IRI_l больше разброса значений IRI для участков длиной 1000 м, поэтому нормирование IRI_l в отличие от IRI проводят по другому.

Показатель IRI является интегральным косвенным критерием оценки ровности дорожной поверхности участков дорог, принятым в международной практике. Он характеризует воздействие в вертикальном направлении от дорожного покрытия на стандартную динамическую систему, моделирующую одноосный прицеп (двухмассовая модель колебаний транспортного средства).

Этот показатель аналогичен показателю прибора ПКРС-2, используемого для оценки ровности автомобильных дорог при их ее содержании, т.е. показатель IRI – отношение суммарного относительного перемещения подрессоренных и неподрессоренных масс (кузова и моста) к пройденному автомобилем расстоянию (размерность: мм/м или м/км). Этот показатель интегрально оценивает ровность в диапазоне дорожных частот l от 0,07 до 0,7 цикл/м (в полосе длин волн неровностей l от 1,5 до 15 м). Значение IRI определяется для отрезков участка различной длины и для всего участка.

Он может быть определен для отрезков длиной 10 м (IRI₁₀) и 50 м (IRI₅₀) и для всего участка (IRI_У). Значения IRI₁₀ и IRI₅₀ позволяют оценить ровность отрезков участков соответствующей длины, а значения IRI_У позволяют сопоставить различные участки маршрута по ровности их поверхности и по воздействию на транспортное средство.

Для оценки ровности показателем IRI в различных диапазонах длин неровностей целесообразно использовать показатель IRI_ф, получаемый по отфильтрованному микропрофилю автомобильной дороги.

В среднем для наиболее вероятностных значений коэффициента формы СПД ординат микропрофиля не менее 70 % значения IRI приходятся на диапазон длин неровностей до 4 м, не менее 90 % - до 10 м, на неровности длиной менее 0,4 м приходится не более 10 % значений IRI.

Предельно-допустимые значения по ровности автомобильных дорог I, II категорий значения IRI от 4,5 до 5,5 мм/м. Современные технологии строительства и ремонта автомобильных дорог позволяют получить значения в 2,5-3 раза меньше. При менее совершенных технологиях значения IRI получаются в 1,8-2,0 раза меньше предельных значений.

Показатель, аналогичный показателю IRI для оценки ровности в продольной вертикальной плоскости (для оценки продольного микропрофиля), называется IRI поперечных кренов – IRI_попер. Он определяет отношение к пройденному пути модуля суммарного относительного углового перемещения подрессоренных (кузова) и неподрессоренных (мосты) масс двухмассовой линейной модели колебаний, например, одноосного прицепа с записанными параметрами и при заданной скорости движения прицепа.

Уравнения поперечных колебаний такой модели имеют следующий вид:

Ј₁φ₁ + r _1φ φ₁ + c _1φ φ₁ – r _1φ φ₂ – c _1φ φ₂ = 0;

Ј₂φ₂ + r _1φ φ₂ + (c _1φ + c _2φ)φ₂ – r _1φ φ₁ – c _1φ φ₁ = c _1φ φ _{поп              ,}                   (5.6)

где Ј₁, Ј₂ - моменты инерции подрессоренных и неподрессоренных масс относительно центральных предельных осей, r_1φ - коэффициент вязкого трения в подвеске прицепа (при его угловых поперечных колебаниях r _1φ = 2 r ₁ ∙ d ² _p, (r ₁ - коэффициент вязкого трения в амортизаторах, d ² _p - рессорная колея); c _1φ - угловая жесткость подвески (c _1φ = 2 c ₁ d ² _p, c _1φ - жесткость рессор); c _2φ = 2 c ₂ B ² (c ₂ - радиальная жесткость шин прицепа, 2B - колея прицепа); φ₁ и φ₂ - углы поперечного крена подрессоренных и неподрессоренных масс прицепа, φ_поп – поперечный угол наклона поверхности автомобильной дороги под колесами прицепа (φ_поп = [ q _п (t) – q _л (t)]/(2В), q _л,п (t) - ординаты микропрофиля под левыми и правыми колесами прицепа).

Предлагаются следующие значения параметров стандартной динамиче-ской системы (они аналогичны параметрам динамической системы, принимае-мой при расчете IRI): Ј₁= 1,0; Ј₂ = 0,15; r _1φ = 6,0; c _1φ = 63,3; c _2φ =653. Колея прицепа принимается равной колее тележки автопоезда: 2В = 3160 мм.

По другому определению предлагаемый критерий равен отношению среднего (за пройденный путь) модуля относительной угловой скорости поперечного крена подрессоренных и неподрессоренных масс стандартной динамической системы к скорости движения:

IRI _попер = [ m _{( φ 2 – φ 1)} ]/ v = 1/ L ∫│ φ₂- φ₂│ dt           .                      (5.7)

Осредненный поперечный уклон определяется по формуле:

j _поп(l) = S j _i (l) = 1 / 2 B ´ S [ q_{i п} (l) – q_{i л} (l)]; 1/ n                  ,          (5.8)

где 2В = 3160 мм - колея транспортного средства; [ q_{i п} (l) – q_{i л} (l) ] - разность ординат микропрофиля по левой и правой колее; j _i (l)=1 / 2 B ´ [ q_{i п} (l)– q_{i л} (l)] - значение поперечного уклона (радианы) под I ой осью; n = 14 - число осей.

Этот показатель предлагается для использования, учитывая влияние поперечных угловых колебаний транспортного средства на безопасность транспортировки груза.

5.3.5 Методика исследования

Массивы ординат микропрофилей участков автомобильных дорог записываются в файлах на компьютер и последовательно обрабатываются с использованием разработанного программного комплекса.

В результате обработки для каждого участка рекомендуется получать следующие параметры, характеризующие ровность его поверхности, например:

- значения международного индекса ровности (IRI₅₀) для отрезков участков автомобильных дорог длиной 50 м;

- значения международного индекса ровности (IRI₁₀) для отрезков участков автомобильных дорог длиной 10,0 м;

- значения переменной составляющей поперечного угла наклона прямой, проходящей через точки контакта колес транспортного средства по левому и правому борту (переменная составляющая поперечного уклона профиля поверхности дороги на базе, равной колее транспортного средства – 3160 мм);

- значения переменной составляющей поперечного угла наклона поверх-ности дороги на базе, равной колее транспортного средства, осредненного по базе платформы (тележки), используемой для транспортировки груза;

- значения для участков длиной 10,0 м параметра, аналогичного международному индексу ровности, для оценки реакции стандартной линейной динамической системы на поперечные угловые воздействия от конструкции автомобильной дороги.

Значения поперечного уклона (его переменной составляющей), определяют возмущающее воздействие на транспортное средство под его соответствующую ось; осредненные по длине тележки значения поперечного уклона определяют суммарное воздействие от автомобильной дороги на поперечные угловые колебания транспортного средства.

5.3.6 Порядок экспериментальных исследований

Производится запись микропрофилей исследуемых участков. Одновременно рекомендуется использовать два прибора ДПП, установленные на расстоянии 3160 мм друг от друга. При проезде маршрута водитель должен стараться двигаться так, чтобы находиться посередине полосы движения. Правый ДПП рекомендуется позиционировать на расстоянии 1,7-2,0 м от кромки. Скорость движения выбирается более 40 км/ч, но на некоторых участках из-за помех со стороны других транспортных средств и из-за больших неровностей эту скорость в ряде случаев приходится уменьшать. Там, где было зарегистрировано уменьшение скорости при обработке записей микропрофилей, такие участки выделяются отдельно и исключаются из анализа, так как методика получения ординат микропрофиля по записям сигналов ДПП предполагает постоянство его скорости движения.

5.3.7 Обработка результатов

Рекомендуется выполняться два заезда с записью микропрофиля дорожного покрытия. В рекомендуемой для практического применения таблице 5.1 приводятся номера участков и их наименования в соответствии с картой маршрута, указываются длины участков, где были обработаны записи микропрофиля. Привязка участков к карте маршрута задается с погрешностью 20-30 м.

 

 

Таблица 5.1 Участки маршрута

№ участка	Наимено- вание	Длина, м	Скорость движения ДПП,	Обработка записей микропрофиля	Полоса движения на проезжей части
			км/ч
1

 

Вычисленные значения поперечного угла наклона прицепа с грузом – это динамические значения угла поперечного крена. Полные значения этого угла на обследованных участках маршрута будут равны динамическим значениям, сложенным со статическим значением, определяемым постоянным поперечным углом наклона дорожной поверхности. Этот угол прибором ДПП не регистрируется. Постоянную составляющую угла поперечного наклона по-верхности дорожного покрытия можно оценить из заданного проектного поперечного профиля.

На поворотах, где скорость автопоезда будет в 2-2,5 раза меньше, чем на прямолинейных участках маршрута, динамические значения углов поперечного крена прицепа будут меньше, но к ним добавятся углы крена от центробежных сил. Чтобы оценить эти углы, надо знать угловую жесткость подвески транспортного средства и положение по высоте центра тяжести прицепа с грузом, между тем, эти углы будут достаточно малыми.

Более точную оценку значений угла поперечного крена прицепа с грузом при движении автопоезда на маршруте можно получить, если промодели-ровать это движение, зная необходимые параметры транспортного средства.

Интегральные показатели ровности (например, IRI и т.д.) имеют одина-ковую физическую природу и могут быть интерпретированы как отношение среднего модуля относительной скорости подрессоренных и неподрессоренных масс действительного или модельного автомобиля к скорости его движения.

Однако различия получаются из-за нелинейностей динамических систем. При одинаковых скоростях движения приборов при определении этих показателей и при линейности системы эти показатели линейно связаны между собой и мало зависят от коэффициента формы СПД ординат микропрофиля.

Коэффициент ровности и коэффициент IRI рекомендуется применять совместно с информацией об амплитуде и частоте встречающихся на дороге неровностей. Для точного и полного анализа потребительских свойств автомобильной дороги необходимо снимать и использовать профилограмму поверхности дорожного покрытия, причем желательно не только по полосе наката, а по всей полосе движения.

Для точной оценки коэффициента динамичности, нормальной реакции на колесах прицепа, вертикальных и поперечных ускорений и углов поперечного крена прицепа необходим расчет колебаний динамической системы, для чего нужно знать достаточно точно ее параметры: массовые (масса, положения центров тяжести груза и прицепа, их моменты инерции), жесткости шин колес прицепа и коэффициенты трения в них.