ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ШИПОВ ПРОТИВОСКОЛЬЖЕНИЯ
(Журнал
"Автотранспортное предприятие" N 02 за 2007 год)
А.С. Степанов,
доцент кафедры ТМС ВоГТУ, зав. лабораторией средств противоскольжения НИЧ ВоГТУ, канд. техн. наук
А.В. Старостин,
лаборатория средств противоскольжения НИЧ ВоГТУ
В статье проанализирован мировой опыт борьбы с зимней скользкостью.
Рассмотрены различные аспекты применения химических средств и шипов
противоскольжения. Приведены методика и результаты исследований динамических
взаимодействий шипов с дорожным покрытием. Выявлены пути и способы
уменьшения негативных последствий применения шипов. Проведены результаты
технико-экономического анализа затрат на борьбу с зимней скользкостью
на автодорогах г. Вологды. Обоснован вывод о недостаточной эффективности
применяемых методов обеспечения безопасности дорожного движения.
МИРОВОЙ ОПЫТ БОРЬБЫ С ЗИМНЕЙ СКОЛЬЗКОСТЬЮ
Зимнюю скользкость на дорожных покрытиях создают все виды снежно-ледяных отложений, снижающих коэффициент сцепления автомобиля с покрытием. При её образовании ухудшаются условия эксплуатации дороги, уменьшается скорость движения транспортных средств и возрастает количество дорожно-транспортных происшествий. Зимняя скользкость (снежно-ледяные отложения), образующаяся на дороге, по своему физическому состоянию и внешним признакам подразделяется на следующие виды: рыхлый снег, уплотненный снег (накат), стекловидный лед.
Для борьбы с зимней скользкостью в настоящее время используются механические способы и (или) химические вещества и их смеси, способствующие разрушению и удалению льда с поверхности покрытия.
Химические способы борьбы с зимней скользкостью основаны на применении химических средств – солей, в основном хлоридов, обладающих способностью при контакте переводить снежно-ледяные отложения в раствор, не замерзающий при отрицательных температурах [1, 2, 3].
К механическим способам можно отнести:
– применение различных дорожных машин для удаления ледяного наката. Недостатком данного способа является невозможность полного удаления скользкости, а также вероятность повреждения дорожного полотна. Положительным эффектом является образование микро- и макронеровностей на поверхности ледяного наката;
– оснащение шин шипами противоскольжения позволяет существенно повысить коэффициент сцепления при движении по обледенелой поверхности дороги. Массовое использование ошипованных шин поддерживает повышенную шероховатость ледяного покрытия, что обеспечивает дополнительное увеличение коэффициента сцепления.
Однако применение шипов не лишено недостатков. Проблема влияния ошипованных шин на износ дорожного полотна возникла ещё в начале 70-х годов, когда имело место достаточно массовое применение шипов в Западной Европе, Северной Америке и Японии. Вскоре после этого применение шипов противоскольжения (далее по тексту – ШП) в ряде стран стало ограничиваться или было запрещено [9, 10]. 80-е годы характеризуются почти полным информационным вакуумом по тематике ШП. Но с 90-х годов произошел бурный рост информации, интереса и исследований по ШП и ошипованным шинам.
Прак тически во всех исследовательских отчётах утверждается, что ошипованные шины более эффективны на льду по сравнению с любыми другими шинами, в том числе всесезонными и специальными зимними без шипов. Однако они менее эффективны в других условиях, в частности на сухом асфальте. Тем не менее, их преимущество часто перевешивает ущерб, который они наносят дорожному полотну, поэтому, например, во многих штатах США законом установлено, что школьные автобусы обязаны в зимнее время быть оснащенными ошипованными шинами.
Исследовательские работы проводились также с точки зрения социоэкономических расчетов: эффект от применения ШП для обеспечения безопасности дорожного движения, износа дорожного полотна, ущерба от аварийности на дорогах [4, 5], стоимостные расходы на ошиповку, экологическое влияние на окружающую среду [7]. Исследования, проведенные в Alaska Department of Transportation, показали, что на ошипованных шинах значительно уменьшается время междугородных перевозок, достигается сокращение расхода топлива и транспортных расходов. Кроме того, ущерб от аварийности по своему уровню сопоставим с расходами на ремонт дорог. Так, по данным, полученным К. Перчонком (США), в 1978 году в двух штатах Миннесота и Мичиган за одну зиму из 91275 дорожных происшествий 36639 были связаны с шинами, из которых преобладающая доля не была ошипована.
В Японии ШП запрещены полностью, кроме машин скорой помощи и служб спасения. В Хоккайдо с 1990 до конца 90-х годов после вступления в силу соответствующих нормативных актов количество автомобилей, оснащенных ошипованными шинами, уменьшилось с 90% до 0. При этом, как указывается в исследованиях, уменьшилось количество пыли, загрязняющей окружающую среду, однако увеличилось число транспортных происшествий в периоды, когда дороги покрывались снегом и льдом. Кроме того, в исследованиях приводятся данные о том, что шины без шипов полируют дорогу, покрытую снегом, увеличивая риск заносов автомобиля, в то время как ошипованные шины разрушают укатанный снег и лед, обеспечивая лучшие условия для простых шин.
Исследования, проведенные в Японии, показали также, что единственной альтернативой шипованным шинам является соль. Приводятся расчетные данные, что если в движении по дорогам участвуют 75% автомобилей, оснащенных шипованными шинами, то эквивалентом достигнутого уровня безопасности станет внесение в течение зимнего сезона 10 тонн соли на каждый километр дороги [6, 8]. В финских источниках 70-х годов отмечается, что наилучший эффект безопасности наблюдается при одновременном применении соли и ошипованных шин, но с середины 80-х годов приоритеты изменились, соль практически не используется для целей повышения безопасности дорожного движения, и введена законодательная норма по применению зимних шин.
В России до настоящего времени отсутствуют законодательные нормативы по использованию зимних, в том числе ошипованных шин. При этом применение ошипованных шин в последние годы приняло массовый характер. Что касается износа дорог такими шинами, то можно отметить, что в России в соответствии с ГОСТ Р 50597-93 критерием необходимости ремонта дорог является появление на дорожном полотне отдельных просадок, выбоин и иных повреждений, размеры которых превышают по длине 15 см, по ширине – 60см и по глубине – 5 см.
Влияние шипов на образование дефектов таких размеров выделить достаточно сложно.
Применение соли приводит к расширению температурного диапазона наличия жидкости на дороге. При отрицательных температурах, в случае присутствия определенного количества соли, на поверхности дороги образуется жидкость, что создает условия для возникновения эффекта гидродинамического разрушения дорожного покрытия шинами автомобилей.
Это негативно сказывается на состоянии дорог и приводит к увеличению затрат на их ремонт в весенний период.
Напротив, при отказе от применения соли при отрицательных температурах на дорогах образуется прочная ледяная корка, которая практически предотвращает их разрушение.
Итак, основным аргументом противников массового применения ошипованных шин является усиленный износ дорог. Известно, что в состав дорожного полотна входят минеральные составляющие различной твердости и мягкие связующие материалы. Процесс износа (разрушения) дорог ошипованными шинами в значительной степени связан с динамическими взаимодействиями, которые имеют место при взаимодействии вставки шипа с твёрдыми и хрупкими компонентами дорожного покрытия. С целью выявления масштабов этого эффекта и поиска путей снижения разрушающих воздействий на дорожное покрытие в ЛСП ВоГТУ были проведены некоторые исследования.
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В СИСТЕМЕ «ШИНА – ШИП – ДОРОГА»
Динамической характеристикой рассматриваемых взаимодействий является ударный импульс шипа о поверхность. Величина ударного импульса зависит от твёрдости контртела и определяет динамическое усилие прокола. Динамическое усилие прокола (ударное взаимодействие) имеет большое значение в процессах износа шипов и разрушения ими дорожного покрытия, а также в шумообразовании. Следовательно, для обеспечения эксплуатационной надежности и экологичности ошипованной шины наибольший интерес вызывает исследование особенностей и закономерностей динамических взаимодействий в системе «протектор шины – шип – твёрдое дорожное покрытие» (П-Ш-ТД).
Для исследования взаимодействий в системе «шина – шип – дорога» использовался разработанный в ЛСП ВоГТУ испытательный стенд ИС – 1 (рис. 1).
Рис. 1. Испытательный стенд ИС – 1:
1 – рама; 2 – автомобильное колесо; 3 – барабан; 4 – опора барабана; 5– механизм нагружения; 6– динамометр ДПУ – 02.2; 7– коробка скоростей; 8 – электродвигатель; 9 – шип противоскольжения; 10 – пластина датчика; 11 – датчик; 12 – образец
Рама стенда 1 представляет собой сварную конструкцию. На ней предусмотрены отверстия для крепления электродвигателя, для установки механизма нагружения, а также отверстия для крепления к полу и к стене. На опору 4 крепится барабан 3 с приклеенным на поверхность качения войлочным покрытием. Барабан имеет прорезь, в которую устанавливается пластина 10 с датчиком 11. Опора 4 укрепляется на раме 1 посредством цилиндрического шарнира. С правой стороны устанавливается механизм нагружения 5, в состав которого входит динамометр 6. С левой стороны крепится электродвигатель 8, передающий через ременную передачу вращение на коробку скоростей 7. На её шпинделе имеется стандартная автомобильная ступица, на которой устанавливается колесо 2.
В процессе динамических испытаний – при качении шины по поверхности барабана – происходят удары вставок шипов о пластину датчика, установленного в барабан. На рис. 2 приведена кинематическая схема эксперимента.
Рис 2. Кинематическая схема эксперимента.
Скорость колеса и барабана определяется по формулам:
, (1)
где:
Vк–скорость поверхности колеса, м/с;
Nк – частота вращения колеса, 1/мин;
Rк – радиус колеса, м
, (2)
где:
Vб–скорость поверхности барабана, м/с;
Nб – частота вращения барабана, 1/мин;
Rб – радиус барабана, м
Суммарная скорость удара определяется по формуле:
(3)
В качестве датчика ударных импульсов на стенде ИС – 1 используется преобразователь пьезоэлектрический виброизмерительный ДН-5, предназначенный для преобразования механических колебаний в электрические сигналы.
Данное возмущение фиксируется датчиком (пьезоэлектрическим виброизмерительным преобразователем), который преобразует механические колебания в электрические сигналы, пропорциональные ускорению колеблющегося объекта. Электрические сигналы по кабелю передаются на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В результате получена картина ударных взаимодействий, представленная сигналами различной амплитуды (рис. 3).
Рис. 3. Картина ударных взаимодействий:
1 – удары шипа о пластину датчика; 2 – удары выступов протектора о пластину датчика.
Ввиду сложности процессов, действующих в системе, не представляется возможным определение силовых факторов по величине амплитуды получаемых сигналов. Поэтому возникла необходимость ввести понятие условного ударного импульса 
, прямо-пропорционального амплитуде.
В результате проведенных исследований были получены зависимости условного ударного импульса 
от угловой жесткости посадки шипов (рис.4) и от величины выступания шипов над поверхностью протектора (рис.5) для автошин 175/70R13 моделей Я-620, К-190 М, Кама-578.
Рис. 4. Зависимость условного ударного импульса 
от угловой жёсткости посадки шипа:
1 – Кама-578, 2 – К-190 М, 3 – Я-620.
При анализе полученных данных установлено, что:
– при уменьшении исходной угловой жесткости посадки шипа (путем увеличения диаметра отверстия) наблюдается стабильное увеличение ударного импульса;
– при уменьшении выступания шипов над поверхностью протектора наблюдается стабильное уменьшение ударного импульса;
– увеличение твердости материала протектора приводит к некоторому увеличению ударного импульса.
Для минимизации динамических взаимодействий между шипами и твердыми элементами дорожной поверхности в процессе эксплуатации шины следует:
– снижать твёрдость материала протектора;
– устанавливать шипы в отверстия меньшего диаметра, но это снижает долговечность системы;
– уменьшить высот у выст упания шипов над поверхностью протектора, но это приводит к снижению коэффициента сцепления протектора шины со скользкими поверхностями.
Рис. 5. Зависимость условного ударного импульса 
от величины выступания шипов над поверхностью протектора:
1 – Кама-578, 2 – К-190 М, 3 – Я-620.
В результате расчёта коэффициентов линейных уравнений регрессии получена следующая зависимость условного ударного импульса от технических параметров ошиповки шины:
, (4)
где 
- условный ударный импульс;
dотв. – диаметр отверстия, мм;
Нрез. – твердость резины по Шору;
L – глубина отверстия, мм.
Из приведенных данных следует, что негативные воздействия ошипованных шин на дорожное покрытие могут быть существенно снижены в случае корректного выбора технических и технологических параметров системы «шип-резина протектора».
АНАЛИЗ ЗАТРАТ НА БОРЬБУ С ЗИМНЕЙ СКОЛЬЗКОСТЬЮ НА АВТОДОРОГАХ (г. ВОЛОГДА)
Среднемноголетние данные начала, окончания и продолжительности борьбы с зимней скользкостью для Вологодской области, а также для областей, граничащих и расположенных на незначительном расстоянии от нее [1], приведены в таблице 1.
Таблица 1
Среднемноголетние данные начала, окончания и продолжительности борьбы с зимней скользкостью
По данным ГУ «Управление автомобильной магистрали Москва-Архангельск» Федерального дорожного агентства («Упрдор «Холмогоры») и Департамента дорожного хозяйства, в Вологодской области более 15 000 км автодорог. Из них без снежного наката содержатся 584 км областных и 760 км федеральных дорог.
Для г. Вологды, по данным МУП САХ, на обработку дорог в зимний период скользкости 2005–2006 гг. было выделено 11 млн руб, часть средств использована на закупку 19600 т песочно.соляной (NaCl) смеси, содержащей 1 часть соли и 12,5 частей песка, остальные – на заработную плату рабочих и эксплуатацию специального транспорта.
На 31 декабря 2005 года в г. Вологде были зарегистрированы транспортные средства, представленные в таблице 2.
Таблица 2
Количество транспортных средств, зарегистрированных в г. Вологде
Количество легковых автомобилей, эксплуатирующихся зимой, в среднем на 1/3 меньше, чем их общее количество. Соответственно общее число легковых автомобилей по Вологде, эксплуатируемых в зимний период, будет составлять примерно 37 тыс. единиц. Таким образом, общее число транспортных средств, эксплуатирующихся зимой, включая грузовые, легковые автомобили и автобусы, без учёта мотоциклов составит примерно 50,8 тыс. единиц.
Средний удельный расход соли на 1 единицу автотранспорта и средний денежный эквивалент на 1 единицу автотранспорта составят:
19600 т соли/50,8 тыс. единиц 
0,386 т.
11 млн. руб./50,8 тыс. единиц 
216 руб.
В данном расчёте не учтено большое количество косвенных затрат, связанных с интенсификацией износа автотранспорта, дорог и мостов, засолением почвы и грунтовых вод и др. При этом следует учесть, что по Вологодской области химическими средствами обрабатываются всего лишь 9% дорог, а с учетом подъездных путей, дворов и т.д. – ещё меньше. Транспортные пути, не обрабатываемые химическими средствами, практически в течение всего зимнего сезона остаются покрытыми снежно-ледяными отложениями, и только рыхлый снег периодически удаляется механическим способом.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СРЕДСТВ БОРЬБЫ С ЗИМНЕЙ СКОЛЬЗКОСТЬЮ
В таблице 3 приведены результаты систематизации основных особенностей и достигаемых результатов применения используемых в настоящее время методов борьбы с зимней скользкостью.
Таблица 3
Сравнительный анализ средств борьбы с зимней скользкостью
Из приведенных в данной статье материалов следует:условия эксплуатации автотранспорта и технико-экономические возможности содержания дорог в зимний период в России существенно отличаются от имеющихся в других северных странах. Применение химических способов борьбы с зимней скользкостью в большинстве случаев (может быть, за исключением мегаполисов) не позволяет обеспечить требуемый уровень безопасности дорожного движения. Массовое использование специализированных зимних шин (преимущественно ошипованных) на всех видах транспортных средств позволяет существенно улучшить ситуацию.
ЛИТЕРАТУРА
1. Инструкция по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. ВСН 20-87. Минавтодор РСФСР. – М.: Транспорт, 1988. – С.41.
|Распоряжением Минтранса России от 16.06.2003 № ОС-548-р введён в дейстаие
|ОДМ "Руководство по борьбе с зимней скользкостью" взамен ВСН 20-87.
2. Отдел организации движения и дорожной инспекции ГУ ГАИ МВД России. Влияние технического состояния автомобильных дорог на безопасность движения. //Автомобильные дороги, 1995, № 7 – 8. – С. 11 – 12.
3. Прусенко Е. Д. Оптимизация зон применения противогололёдных материалов на основе отходов промышленности.//Изв. Вузов. Строительство, 1992, № 9 – 10. – С. 96 – 99.
4. Estimation of effects of reduced salting and decreased use of studded tires on road accidents in winter /Veli-Pekka Kallberg [et. al. ] P. 38–43: ill.; 28 cm.
5. Estimation of effects of reduced salting and decreased use of studded tires onroad accidents in winter: Kallberg, V-P; Kanner, H; Makinen, T; Roine, M,: Transportation Research BoardSeries: Transportation Research Record 1533: pp 38.43: 1996: 4 Fig. 1 Tab. 13.
6. Kari Alppivuori, Anne Leppanen, Matti Anila, Kari Makela «Road traffic in winter». Helsinki. 1995.
7. Krukar, Milan. Studded tire pavement wear reduction and repair, phase I; report to the Washington State Department of Highways on Research project Y–1439, by Milan Krukar and John C. Cook. Prepared for Washington+ Dept. of Highways in cooperation with U. S.+ Federal Highway Administration and Idaho Dept. of Highways. Pullman, Transportation Systems Section, College of Engineering Research Division, Washington State University, 1972. XVI, 160 p. illus. 28 cm.
8. Lu, Jian John. Evaluation of winter vehicle traction with different types of tires/, Jian John Lu, David Junge, and David Esch. p. 22–30: ill.; 28 cm.
9. Washington State Highway Department Research program report 9.1, Transportation Systems Section publication H-39, Washington (State). Dept. of Highways Research program report; no. 9.1., Washington State University. Transportation Systems Section Publication; no. H-39.
10. Wheel track rutting due to studded tires /James R. Lundy [et al. ]. p. 18 – 28: ill.; 28 cm.