АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ОЦЕНКИ РОВНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Неровности автомобильных дорог (АД) являются основной причиной возникновения вынужденных колебаний автотранспортных средств (АТС). Поэтому при проведении доводочных испытаний систем подрессоривания АТС необходимо иметь стабильные характеристики ровности поверхности испытательных дорог или их известное изменение.

Существует множество различных методов измерения и оценки ровности (микропрофиля) дорожной поверхности АД.

В зависимости от выбранного уровня оценки ровности АД применяется прямой или косвенный метод оценки и измерения. При прямых методах оценок ровность определяется непосредственными измерениями геометрических параметров неровностей. При косвенных методах оценки определяются параметры, являющиеся преобразованием микропрофиля АД, выполняемыми динамическими системами. Значения этих параметров либо непосредственно служат критериями ровности АД, либо пересчитываются в геометрические параметры неровностей.

Универсальным прямым методом является короткошаговое геометрическое нивелирование. При выполнении определенных условий замера ординат профиля АД (эти условия касаются точности замера ординат, величины шага замера, длины реализации) и определенной процедуре обработки информации можно на основании результатов нивелирования получить любые критерии оценки ровности дорожной поверхности любого уровня.

Поэтому этот метод следует считать эталонным при сопоставлении с другими методами оценки ровности. Недостатком геометрического нивелирования является большая трудоемкость метода измерений, практически не позволяющая применять его при оценке ровности АД или участков с длиной реализации более 100 м.

В этой ситуации хорошо подходит косвенный метод оценки ровности АД с помощью динамической системы измерения, позволяющий получить массивы ординат микропрофиля. Производительность данных измерений может быть очень высокой (V-изм. до 80 км/ч) и при этом с помощью вычислений можно получить любые критерии ровности дорожной поверхности. Основным условием, которому должны удовлетворять приборы, реализующие косвенную оценку ровности и позволяющие определить массивы ординат микропрофиля является требование линейности динамической системы, стабильности и контролируемости ее передаточной функции.

В настоящее время таким условиям принципиально удовлетворяют только динамический преобразователь профиля (ДПП) МАДИ и лазерный измеритель.

Наиболее информативным критерием ровности дорожной поверхности АД является спектральная плотность дисперсии (СПД) ординат его микропрофиля [1]. Это обусловлено тем, что микропрофиль участка АД с однородным покрытием – гауссовский стационарный процесс, полной характеристикой которого является корреляционная функция или ее Фурье-преобразование – СПД ординат микропрофиля (спектр микропрофиля). Так как спектр случайного процесса определен при достаточной длине реализации, то СПД ординат микропрофиля может быть использован только для оценки ровности дорожной поверхности участка АД или всей АД.

Использование СПД ординат микропрофиля в качестве критерия ровности дорожной поверхности предусматривается отраслевыми нормативными документами [2, 3] при испытаниях и доводке систем подрессоривания АТС. Международные нормы ИСО также в качестве критерия ровности и классификационной характеристики АД принимают СПД ординат микропрофиля [4]. Форма СПД при классификации АД по степени ровности принимается постоянной и соответствующей следующей аппроксимации спектра микропрофиля:

где n – дорожная частота (цикл/метр);
nо =1 ц/м – базовая частота;
Dо – коэффициент уровня СПД (м);
W – коэффициент формы СПД.


Однопараметрическими критериями ровности дорожной поверхности, непосредственно связанными с определением ординат микропрофиля, могут использоваться среднеквадратическое значение (дисперсия) ординат в определенной полосе дорожных частот и средний модуль этих ординат. Но эти интегральные показатели, менее информативны, чем СПД ординат микропрофиля.

Для осуществления испытаний АТС на участках дорог длиной реализации более 500 м, необходимо использование скоростных методов измерений микропрофиля дорожной поверхности этих участков.

С целью определения точности измерения микропрофиля дорожной поверхности косвенным методом было проведено сравнительное измерение двумя методами - прямым и косвенным.

Прямой метод заключался в проведении геометрического нивелирования дорожной поверхности испытательного участка АД длиной 2000 м высокоточным прецизионным нивелиром Н-05 с шагом 0,2 м по двум колеям движения АТС.

Косвенный метод заключался в измерении микропрофиля дорожной поверхности того же участка АД с помощью динамической (ДПП) системы, оценивающей микропрофиль посредством его воздействия на автомобиль.

Данная аппаратура содержит механическую часть (ДПП) и электрическую часть, обеспечивающую запись выходного сигнала. ДПП выполнен в виде буксируемой автомобилем одноколесной тележки, на которой смонтирован «медленный маятник», перемещение оси которого относительно колеса и есть выходной сигнал ДПП.

Колесо ДПП имеет пневматическую шину и нагружено через рессору грузом, препятствующим отрыву колеса от дорожной поверхности. Выходной сигнал – не копия микропрофиля, а преобразование от этого профиля, соответствующее передаточной функции ДПП. Обратным преобразованием этот сигнал (после воспроизведения) пересчитывается в ординаты неровностей микропрофиля и далее определяются его функции спектральной плотности. Для получения записи левого и правого микропрофилей по колеям движения автомобиль буксирует два ДПП, выходные сигналы которых фиксируются синхронно.

Из теории случайных полей и их сечений [5] следует, что возмущающее воздействие двух продольных профилей вполне характеризуется функцией СПД ординат каждого профиля и функцией их взаимной спектральной плотности.

Функция СПД ординат микропрофиля S () характеризует распределение дисперсии по длинам неровностей, причем аргумент этой функции – дорожная частота , есть величина, обратная длине неровности L и определяемая соотношением:


Интеграл от функции СПД, взятый в определенной полосе дорожных частот от min до max, дает дисперсию D пол. ординат дорожных неровностей, длины которых занимают полосу от


то есть

Этот показатель и среднее значение уровня спектральной плотности в принятой полосе частот


также применяют для оценки ровности дорожной поверхности. Но как основной оценочный показатель ровности принята функция СПД ординат микропрофиля [1] , [2] и [4].

Запись микропрофиля производилась по двум колеям движения АТС двумя ДПП на скоростях 30 и 80 км/ч в соответствии с [2] скорости измерения микропрофиля выбирались из учета диапазона длин неровностей (от 0,1 до 100 м) воздействующих на АТС.

Перед записью производилась динамическая тарировка двух ДПП на вибрационном стенде, с целью получения их амплитудно-частотных характеристик для корректировки функции СПД записанного сигнала S зап. ( ) и функции СПД продольного профиля Sп ( ), связанных соотношением




В зависимости от скорости записи АЧХ аппаратуры занимает на шкале дорожных частот разные положения.

Количественная оценка ровности участка АД, измеренная двумя методами прямым и косвенным, проводилась по функциям СПД ординат дорожной поверхности согласно [2], [4] и [6] . На рис. 1 представлены функции СПД ординат микропрофиля дорожной поверхности участка АД, измеренные двумя методами.

Рисунок 1. Функция спектральной плотности дисперсии ординат микропрофиля дороги с доверительными границами.


Сравнительная оценка двух методов измерения производилась с помощью математического анализа [7] доверительных границ функции СПД по частотам при 80% доверительной вероятности.

Дисперсия выборочных спектральных оценок, а следовательно, их доверительные границы определяются числом степеней свободы. В нашем случае число степеней свободы с учетом сглаживания определяется соотношением


NKF - длина выборочной оценки корреляционной функции, которая использовалась для получения выборочных спектральных оценок на заданной частоте;

N - общая длина дискретного временного ряда.

Значения и границы доверительных интервалов микропрофиля для всех базовых частот приведены в таблице 1.

В качестве N рассмотрено значение 2500. За эталонное значение, относительно которого рассматривались доверительные границы были взяты функции СПД ординат микропрофиля, полученные после обработки короткошагового геометрического нивелирования.

Спектральный анализ доверительных границ функций СПД по частотам показал, что кривая, полученная при измерении косвенным методом (ДПП), хорошо коррелируется с кривой, полученной геометрическим нивелированием и укладывается в доверительном интервале от 1 до 50 м диапазона длин неровностей.

Следовательно, метод измерения микропрофилей динамической системой ДПП не только более производительный, но и достаточно достоверный.

Таблица 1
Таблица доверительных интервалов оценок дисперсий микропрофилей для базовых частот


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Динамика системы дорога-шина-автомобиль-водитель. Под ред. А.А.Хачатурова, М., Машиностроение, 1976 г.

2.РТМ 37.031.014 «Методы измерений и статистической обработки данных по микропрофилям дорог». Дмитров-7, Московская область, 1980 г.

3.ОСТ 92-1351-83 «Агрегаты, транспортные характеристики вибрации, технические требования к контролю, методы испытаний на вибрацию, 1983 г.

4.Стандарт ИСО 8608-95 «Механические вибрации. Профили дорожных покрытий. Представление результатов измерений».

5.Бендат Д.М., Пирсон А. «Измерение и анализ случайных процессов». Изд. Мир., М., 1974 г.

6.ТС 108/SC2/4, Воздействие случайных вертикальных неровностей на транспортное средство, 1981 г.

7.Г.Дженкинс, Д.Ваттс. Спектральный анализ и его приложения. М., 1971 г.