10.4. Измерение продольной и поперечной ровности дорожных покрытий

Общие положения. Ровность поверхности дорожных покрытий в России (СССР) начали оценивать с тридцатых годов XX века. При этом исходили из того, что ровность покрытий дорог должна определяться показателем, характеризующим плавность, удобство и безопасность движения автомобиля с расчётной скоростью. Поэтому в качестве наиболее эффективного показателя ровности дорожного покрытия были приняты колебания самого автомобиля при его движении по дороге. В качестве характеристики колебаний была принята их амплитуда. С увеличением неровностей увеличивается амплитуда и частота колебаний автомобиля. Сумма сжатия рессор на определенном участке дороги является условным показателем ровности покрытия, выражаемым в сантиметрах сжатия рессор на одном километре пути (см/км). Для оценки этого показателя в 30-х гг. в Харьковском автомобильно-дорожном институте (проф. А.К. Бируля) был создан прибор - толчкомер ХАДИ. В последующие годы конструкция толчкомера совершенствовалась, были созданы толчкомеры ТХК, ТХК-2 и др. (Е.И. Попов, О.А. Красиков, Малинин), и он получил широкое распространение в дорожном хозяйстве.

Так как колебания автомобиля зависят от его конструкции, скорости движения, нагрузки в кузове, то для получения сравнимых показателей эти факторы должны быть нормированы и в случае отклонения от нормированных значений результаты измерений ровности должны быть пересчитаны к нормированным условиям. В качестве базового был выбран автомобиль УАЗ-452 с нормированной нагрузкой в кузове до 2,5 кН. Скорость движения была принята равной 50 км/ч.

Прогресс автомобильной техники, улучшение автомобильных дорог и, как следствие, увеличение модельного ряда автомобилей и скорости их движения потребовали изменения и условий оценки ровности дорожных покрытий. Применение толчкомера стало затруднительным. Поэтому были предложены другие конструкции приборов с использованием того же принципа оценки ровности (по величине колебаний автомобиля). Наиболее перспективными оказались приборы: ПКРС, созданный в Союздорнии (Б.И. Елисеев, В.А. Астров), и прибор МАДИ (прибор ДПП, созданный на кафедре теоретической механики под руководством А.А. Хачатурова, усовершенствованный под руководством В.П. Жигарева).

В настоящее время в России для оценки ровности поверхности дорожных покрытий используется показатель измерений прибора ПКРС-2, выражаемый в см/км (S_n), в международной практике - международный индекс ровности, выраженный в м/км или мм/мIRI. ПоказателиS_nиIRIявляются интегральными показателями и оценивают ровность поверхности проезжей части автомобильной дороги во всем диапазоне дорожных частот, на которые реагирует автотранспортное средство (АТС) при определённой скорости движения. Оба показателя являются косвенными, так как ровность поверхности покрытия оценивается не по результатам измерения его геометрических параметров, а по реакции динамической системы, «прокатываемой» по дороге. Различие показателейS_nиIRIсостоит в том, чтоIRI- это расчётный показатель, получаемый при «прокатывании» 2-массовой линейной модели колебаний АТС по продольному профилю участка дороги (рис. 10.12). В приборе ПКРС-2 устройство для оценки ровности представляет собой конструкцию, имитирующую двухмассовую модель колебаний АТС, прицепляемую к буксирующему автомобилю. Математическая модель прибора ПКРС-2 приведена на рис. 10.13. В обеих моделях (дляS_nиIRI) для упрощения расчётов и получения аналитического решения не учитывается реально существующее трение в шине и конечность длины её отпечатка на покрытии. Разница между показателямиIRIи расчётным значением показателяS_n(расчётным показателем, т.е. полученным аналитически, не экспериментально при прокатывании ПКРС-2 по участку дороги) обусловлена разницей в нормативных значениях скорости АТС при определенииIRI(80 км/ч) иS_n(50 км/ч); и различием в параметрах динамических систем, моделирующих «эталонный» АТС и прибор ПКРС. Различие в принимаемых размерностях устраняется простым масштабным множителем 100.

Рис. 10.12. Расчётная схема колебаний эталонного автомобиля при расчёте IRI

Рис. 10.13. Расчётная схема ПКРС

Конструктивные особенности прибора ПКРС не позволяют дать точное значение коэффициента пропорциональности показателей S_nиIRI. Недостатком показателяIRIявляется то, что для его расчёта необходимо знать ординаты микропрофиля поверхности проезжей части дороги. Однако этот недостаток устраняется, если использовать при оценке ровности комплект приборов конструкции кафедры теоретической механики МАДИ, в частности прибор ДПП, обеспечивающий оценку ровности в показателеIRIи позволяющий быстро и точно получать ординаты микропрофиля поверхности проезжей части автомобильной дороги.

Принципы работы приборов измерения ровности. В мировой практике известно более 50 конструкций приборов для измерения ровности покрытий. По принципу их действия различают приборы:регистрирующие геометрические параметры неровностей(количество, высоту и длину волны) - рейки, профилографы, виографы, уклономеры, профилометры, нивелиры и др.;приборы импульсивного действия, измеряющие величину механического или электрического импульса или перемещения отдельных частей автомобиля при наезде на неровность, которые косвенно характеризуют ровность поверхности покрытия - толчкомеры, акселерометры (приборы, измеряющие ускорения при колебаниях масс) и др.;приборы инерционного действия- динамометрический принцип ПКРС-2У, в котором измеряются вертикальные колебания подрессорной массы, возникающие в результате наезда на неровность и др.

Рейки и профилографы. Простейшим прибором для оценки ровности является рейка длиной 2 м, 3 м или 4 м, которая прикладывается к покрытию. Под рейкой выявляются просветы, величину которых измеряют линейкой или клином. Эта величина показывает размеры неровности: отклонения от условной прямой линии поверхности.

В России для измерения продольной ровности используется рейка длиной 3 м. Для оценки поперечной ровности (колейности) используется укороченная рейка длиной 2 м при измерении по упрошенному способу, когда рейка укладывается на поверхность покрытия и под ней измеряются просветы. При измерении по способу вертикальных отметок применяется рейка длиной 3 м с подставочными стаканами, при помощи которых рейка выводится в горизонтальное положение, по отношению к которому определяются просветы (рис. 10.14). Измерение рейками требует больших затрат ручного труда, даёт приближённое значение ровности и не позволяет судить о колебаниях автомобиля при движении. Рейки применяют для контроля ровности при строительстве дорог и для выборочного контроля ровности при эксплуатации дорог.

Рис. 10.14. Укороченная рейка для измерения поперечной ровности (колеи): 1, 2 - подставочные стаканы постоянной и переменной высоты

Развитием этого метода являются многоопорные (многоколесные) рейки, профилометры, профилографы, виографы. Самым современным прибором из этой группы является анализатор продольного профиля APL(Analyseur de Profil Longitudinele).

Первым прототипом этого прибора явился разработанный в МАДИ под руководством проф. А.А. Хачатурова динамический преобразователь микропрофиля покрытия (рис. 10.15). Динамический преобразователь записывает микропрофиль косвенно: сначала регистрируются преобразованные прибором электрические сигналы от неровностей покрытия; затем эти сигналы на аналоговом счётно-решающем устройстве обратным преобразованием пересчитываются в неровности микропрофиля и записываются в неровности покрытия.

Рис. 10.15. Схема динамического преобразования микропрофиля покрытия (конструкция Афанасьева и Хачатурова): а - вид сбоку; б - вид сверху. 1 - автомобиль; 2 - сцепные устройства; 3 - датчик относительных перемещений; 4 - ось вращения маятника; 5 - медленный маятник; 6 - амортизатор, гасящий колебания; 7 - наружная рама; 8 - внутренняя рама; 9 - груз

Анализ зарегистрированных сигналов может производиться двумя способами. Первый способ основан на определении спектральной плотности неровностей и является очень точным. Минимальная длина изучаемого участка должна быть не менее 400 м. Второй способ предусматривает анализ средней изменяемости неровностей, разделяемых по пределам длины волны. Французские специалисты значительно модернизировали конструкцию этого прибора и создали установкуAPL-25;APL-72 и др. (рис. 10.16).

Рис. 10.16. Анализатор продольного профиля APL-25: 1 - измеритель скорости; 2 - усилитель сигнала; 3 - устройство записи скорости; 4 - измерительный прицеп

Измерения ровности установкой APLв зависимости от целей может производиться со скоростью 21,6 км/ч; 50 км/ч или 72 км/ч. В результате измерений получают спектральную плотность неровностей, которую можно перевести в показатели неровности поIRI(International Roughness Index) или в другие показатели. Обработка измерений полностью автоматизирована.

Приборы импульсного действия. Из приборов импульсного действия наиболее широкое распространение получил прибор для косвенного измерения ровности покрытия толчкомер ХАДИ, предложенный проф. А.К. Бируля еще в пятидесятых годах XX века. Впоследствии этот прибор многократно совершенствовался. Схема модифицированной конструкции этого прибора - ТКХ-2 Казахского филиала Союздорнии, который выпускается серийно, показан на рис. 10.17.

Рис. 10.17. Толчкомер ТХК-2: 1 - кузов автомобиля; 2 - шкала замера неровностей; 3 - трос; 4 - задний мост автомобиля

Толчкомер ТХК-2 устанавливают в кузове автомобиля над его задним местом. Толчкомер состоит из трех основных узлов: счётного механизма, системы крепления к кузову автомобиля и соединения с задним мостом автомобиля.

Колебания рессор через гибкий трос передаются на барабан счётного механизма. Ровность дорожных покрытий оценивают суммарным сжатием рессор автомобиля в см/км на участке дороги длиной 1 км при постоянной скорости движения. Производительность толчкомера составляет около 170 км/сут. По этому же принципу работают толчкомеры ТЭД-2М, ИВП-1М идр.

Следует иметь в виду, что толчкомером определяют не истинную, а условную ровность поверхности дороги, так как сумма прогибов (сжатия) рессоры при проезде автомобилем данного участка зависит не только от состояния покрытия, но и от свойств подвески автомобиля, нагрузки и др. Толчкомер, установленный на автомобилях разных марок, даёт разные показатели.

Толчкомеры используются для сплошного контроля ровности.

Приборы инерционного действия. Более совершенными являются приборы инерционного действия - прицепные ровномеры, или динамометрические тележки. Эти приборы имеют измерительное колесо, пригруженное сравнительно тяжёлой массой, совершающей совместно с ним колебания относительно общего центра. Перемещения системы «колесо-масса» служат характеристикой ровности.

В России для сплошного контроля ровности за эталонный прибор принят динамометрический прицеп ПКРС-2У, разработанный Союздорнии. Эта установка выпускается серийно под маркой КП-511 и предназначена для измерения ровности и коэффициента сцепления. Установка состоит из специально оборудованного автомобиля типа УАЗ, Газель и др. и одноколёсного прицепа с мягкой подвеской, на котором установлены датчики для измерения ровности и тормозной силы. В кузове автомобиля смонтированы устройства управления, измерительная и регистрирующая аппаратура, а также бак с водой для поливки дороги при измерении коэффициента сцепления покрытия (рис. 10.18).

Рис. 10.18. Автомобильная установка ПКРС-2У для контроля ровности: 1 - прицеп с измерительным колесом; 2 - измерительный преобразователь ровности; 3 - регистрирующий прибор

Ровность измеряют во время проезда с постоянной скоростью движения в 60 км/ч с допустимым отклонением ±2 км/ч. По результатам измерения вычисляют средние отклонения и соответствующие им значения показателя ровности в см/км.

Приборы для измерения ровности в поперечном направлении (колейности). В мировой практике отказались от ручных методов измерения ровности проезжей части в поперечном направлении с применением реек. Измерение параметров поперечной ровности и колеи выполняют с использованием ультразвуковых и лазерных датчиков, которые размещаются на несущей балке, прикрепленной к передней части автомобиля. Такие установки называются профилографы или колеемеры.

Выпускается широкий спектр таких установок (рис. 10.19). Ультразвуковые профилографы измеряют просветы на ширине 2-2,5 м и более, при помощи ультразвуковых датчиков, количество которых в поперечном направлении колеблется от 12 до 30. Измерения производятся через каждые 3 м вдоль дороги с точностью 0,1 мм. Скорость движения профилографов может изменяться от 20 км/ч до 80 км/ч.

Рис. 10.19. Профилограф для измерения поперечной ровности (глубины колеи)

Лазерные профилографы измеряют просветы на ширине 2,7 м и более с помощью 15 датчиков через каждые 5 м вдоль дороги с точностью 0,1 мм. Имеются модификации профилографов, которые снимают отсчёты через каждые 20 см вдоль дороги. Скорость движения лазерных профилографов в процессе измерений может изменяться от 20 до 80 км/ч. В России разработка аналогичных приборов находится в начальной стадии.

Организация работ по измерению ровности. При оценке продольной ровности покрытий выполняют сплошные или выборочные измерения. Сплошные измерения выполняют при обследовании участков дорог протяжённостью более 1 км, выборочные - менее 1 км. Выборочные измерения выполняют при обследовании: участков концентрации ДТП, опасных участков дорог, участков дорог, на которых произошло ДТП, отремонтированных участков. Сплошные измерения продольной ровности, как правило, осуществляют с помощью передвижной установки ПКРС-2У.

Допускается использование передвижных лабораторий, оборудованных толчкомерами ТХК-2, ИР-1 или ИВП-1 на базе автомобилей УАЗ-2206, ГАЗ -31022, ГАЗ-2705 и других автомобилей семейства ГАЗель с колесной формулой 42. Могут быть использованы и другие приборы, имеющие необходимое метрологическое обеспечение, показания которых должны быть приведены к показаниям ПКРС-2У или толчкомера, установленного на один из базовых автомобилей. В этом случае составляется акт о результатах корреляционных испытаний, а также проводится калибровка используемого прибора. Эти действия оформляются протоколом и аттестатом по установленным формам. Корреляционные испытания необходимо проводить не менее чем на 5 участках, различающихся не менее чем на 20 % по ровности или сцепным свойствам дорожного покрытия.

Выборочные измерения ровности выполняют с помощью нивелиров, трехметровых реек или многоопорных реек ПКР-4М. Измерения продольной ровности дорожного покрытия с помощью передвижной установки ПКРС-2У производится при постоянной скорости движения 50±5 км/ч, по правой полосе наката каждой полосы движения. Требуемое количество измерений на 1 км дороги в зависимости от однородности поверхности покрытия колеблется от 2 до 6.

При проведении измерений толчкомером эксплуатационное состояние автомобиля должно соответствовать требованиям технического паспорта: давление в шинах, состояние рессор и амортизаторов, допуск люфтов в пальцах и серьгах рессор. Спидометр или датчик пройденного пути необходимо предварительно откалибровать. Давление воздуха в шинах следует контролировать не реже одного раза в сутки. Подготовленность аппаратуры ходовой лаборатории проверяют сопоставлением показаний толчкомера, полученных при проезде по одному и тому же участку дороги с однородным покрытием не менее 3 раз. При этом результаты измерений не должны различаться более чем на 5 %.

Измерения ровности с помощью толчкомера производятся при движении автомобиля строго по полосам наката. Загрузка автомобиля в период измерений должна быть распределена равномерно на правое и левое колесо задней оси. Суммарный вес груза с пассажирами и нагрузка на заднюю ось автомобилей приведены в табл. 10.2.

Таблица 10.2

При использовании другого автомобиля показания толчкомера следует привести к показаниям базовых приборов.

Измерение продольной ровности с помощью толчкомера производится при постоянной скорости движения 50±2 км/ч. Показания спидометра должны соответствовать фактической скорости движения. Если по непреодолимым причинам невозможно выдержать требуемую скорость (например, при движении в плотном транспортном потоке), то показания толчкомера следует умножить на поправку (табл. 10.3).

Таблица 10.3

Измерение и оценка колейности дорожного покрытия. Измерения параметров колеи в процессе диагностики выполняют в соответствии с ОДМ «Методика измерений и оценки эксплуатационного состояния дорог по глубине колеи» по упрощённому варианту с помощью 2-метровой рейки и измерительного щупа. Измерения производят по правой внешней полосе наката в прямом и обратном направлении на участках, где при визуальном осмотре установлено наличие колеи.

Количество створов измерений и расстояния между створами принимают в зависимости от длины самостоятельного и измерительного участков. Самостоятельным считается участок, на котором по визуальной оценке параметры колеи примерно одинаковы. Протяжённость такого участка может колебаться от 20 м до нескольких километров. Самостоятельный участок разбивается на измерительные участки длиной по 100 м каждый.

Если общая длина самостоятельного участка не равна целому количеству измерительных участков по 100 м каждый, выделяется дополнительный укороченный измерительный участок. Также назначается укороченный измерительный участок, если длина всего самостоятельного участка меньше 100 м.

На каждом измерительном участке выделяют 5 створов измерения на равном расстоянии один от другого (на 100-метровом участке через каждые 20 м), которым присваивают номера от 1 до 5. При этом последний створ предыдущего измерительного участка становится первым створом последующего и имеет номер 5/1. Укороченный измерительный участок также разбивается на 5 створов, расположенных на равном расстоянии один от другого.

Рейку укладывают на выпоры внешней колеи и берут один отсчёт h_кв точке, соответствующей наибольшему углублению колеи в каждом створе, при помощи измерительного щупа, устанавливаемого вертикально, с точностью до 1 мм; при отсутствии выпоров рейку укладывают на проезжую часть таким образом, чтобы перекрыть измеряемую колею.

Если в створе измерения имеется дефект покрытия (выбоина, трещина и т.п.), створ измерения может быть перемещен вперед или назад на расстояние до 0,5 м, чтобы исключить влияние данного дефекта на считываемый параметр. Измеренная в каждом створе глубина колеи записывается в ведомость, форма которой с примером заполнения приведена в табл. 10.4.

Таблица 10.4

ВЕДОМОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИНЫ КОЛЕИ

Участок дороги______________ Направление_________________________

Номер полосы________________________

Положение начала участка_____________

Положение конца участка______________

Дата измерения_______________________

По каждому измерительному участку определяют расчётную глубину колеи. Для этого анализируют результаты измерений в 5 створах измерительного участка, отбрасывают самую большую величину, а следующую за ней величину глубины колеи в убывающем ряде принимают за расчётную на данном измерительном участке (h_кн).

Расчётную глубину колеи для самостоятельного участка определяют как среднеарифметическое из всех значений расчётной глубины колеи на измерительных участках:

(10.9)