книги / Совершенствование метода вибродиагностики технического состояния элементов дорожных конструкций и кольцевых стендов

мимо фиксирования виброхарактеристик, интересными представлялись следующие моменты:

–уровень виброперемещений покрытия при движении по нему легковых и грузовых автомобилей;

–частотный состав колебаний конструкции.

Аппаратное обеспечение эксперимента представляет собой вибропреобразователь Д21А, виброметр ВИП-2 и электронный осциллограф KAL Scope Equip (производство Великобритания, рис. 2.10).

Рис. 2.10. Аппаратное обеспечение эксперимента

Виброметр ВИП-2 У4.2 предназначен для измерения действующих значений виброскорости и виброперемещений периодической вибрации работающего оборудования и машин в лабораторных и производственных условиях. Совместно с виброметром используется индукционный виброизмерительный преобразователь Д21А.

Основные технические параметры и характеристики прибора ВИП-2

Диапазон рабочих частот при измерении виброперемеще-

ния – 10…200 Гц.

Основная относительная погрешность в диапазоне амплитуд и частот – ±25 %:

91

Диапазон рабочих амплитуд при измерении виброперемещения – 2…1000 мкм.

Дополнительная погрешность энергетического суммирования частотных составляющих вибрации в рабочем диапазоне частот и сигналов при коэффициенте амплитуды до 5 не превышает ±10 %.

Для проведения измерений колебаний с частотой менее 10 Гц была проведена тарировка прибора ВИП-2 с последующей коррекцией коэффициента усиления в диапазоне 0…10 Гц.

С помощью соединительного кабеля вибропреобразователь Д21А подключается ко входу измерительного прибора ВИП-2. Колебания вибрирующего объекта воспринимаются вибропреобразователем и преобразуются в электрический сигнал. Сигнал от вибропреобразователя, пропорциональный виброскорости или виброперемещению, поступает на разъем «Вход» измерительного прибора. На лицевой панели измерительного прибора ВИП-2 расположен разъем «Выход», через который измеренный и преобразованный сигнал подается на электронный цифровой осциллограф.

При установке переключателя измерительного прибора «Род работы» в положение «µm» в усилителе отрицательная обратная связь по переменному току шунтируется конденсатором С1, а на вход усилителя включается интегрирующая цепь, состоящая из резисторов R6, R7 и конденсатора С6, которая позволяет получать сигнал, пропорциональный виброперемещению. Усиленный сигнал с выхода оконечного усилителя через конденсатор С14 и переключатель S2 поступает на пиковый детектор, выполненный на диодах V10 и V12. С пикового детектора выпрямленный сигнал поступает через переключатель S2 на стрелочный прибор, отклонение стрелки которого пропорционально сумме амплитуд положительной и отрицательной полуволн сигнала. Этот же сигнал подается на разъем «Выход», через который осуществляется его передача на цифровой осциллограф.

92

Перед эксплуатацией измерительного прибора была проведена его поверка и определение погрешности измерений. Для этого вибропреобразователь был закреплен в вертикальном положении на платформе образцового виброкалибровочного устройства СОВКУ-68 ТУ25.06.1113–72 и подсоединен ко входу измерительного устройства. Платформе вибростенда последовательно задавались колебания определенной частоты и амплитуды. Основная относительная погрешность измерения виброперемещения δS определялась по формуле

где Sпр – показания виброметра, мкм; Sст – значение установ-

ленного размаха виброперемещения платформы вибростенда, мкм.

Исследование влияния динамической нагрузки на дорожную конструкцию проводилось для различных марок грузовых и легковых автомобилей, при различных скоростях их движения на расстоянии 0,3 м от кромки проезжей части (1,8 м от полосы наката под правыми колесами автотранспорта). Эксперимент проводился в безветренную погоду, при температуре окружающего воздуха 25 °С, при относительной влажности 75 %. Место проведения – участок дороги IV категории – относительно новый, имеет ровное покрытие, без дефектов (чтобы исключить их влияние на результаты измерений).

Скорость движения автомобилей и автобусов варьировалась в интервале от 50 до 100 км/ч. Движение транспорта рассматривалось в свободном режиме, без учета встречного движения.

Вибродатчик Д-21А устанавливался на массивном стальном основании для исключения влияния боковых перемещений (от ветра) (рис. 2.11). На выходе датчика преобразованные механические колебания имеют вид аналогового временного сигнала (табл. 2.1).

93

Для предварительного усиления сигналы от датчика подаются на вход виброизмерительного прибора. Для удобного представления полученных сигналов в виде графиков сигнал поступал на канал электронного осциллографа, оснащенного жидкокристаллическим дисплеем. Осциллограф позволяет хранить в памяти до 128 графиков результатов измерений.

Анализ полученных данных показывает, что проезд транспортных средств вызывает колебания проезжей части в широком диапазоне частот – от 30 до 500 Гц. Уровень амплитуды виброперемещений в месте установки датчика достигал величины 0,05 мкм и зависел не только от массы транспортных средств, но и от их скорости. Помимо этого, практически во всех случаях отмечен выпор поверхности покрытия перед передними колесами движущегося автомобиля, причем его величина прямо пропорциональна скорости движения автомобиля.

Начальными условиями для расчета (величина виброперемещений) с помощью цифровой модели-сетки служили данные натурного эксперимента.

Обратимся к результатам, приведенным в табл. 2.1 (результат № 4). Амплитуду перемещений на трех шагах по времени после начала затухания используем в качестве начального условия для расчета.

Исходя из условий используемой математической модели начальными данными для расчета являются характеристики материалов изучаемого объекта (модуль упругости, коэффициент вязкости, коэффициент Пуассона и коэффициенты Ламэ). Граничными условиями являются значения начальных перемещений узловых точек в нулевой момент времени (момент приложения нагрузки). Результатом расчета является значение перемещений точки, находящейся внутри массива, в форме апериодической функции по времени. Варьируя значения и их комбинации характеристик грунта, можно добиться совпадения значений средних частот колебаний поверхности дорожного покрытия и колебаний расчетной точки на поверхности мо-

95

дели-сетки. При совпадении с погрешностью 10 % фиксируем актуальное значение модуля деформации грунта и его вязкость

(рис. 2.12).

Рис. 2.12. Тестовый замер

Как видно из результатов расчета, определенный набор физико-механических свойств материалов объекта в любой точке соответствует конкретной зависимости изменения перемещения по времени, т.е. процессу затухания колебаний. Характеристиками процесса являются время колебаний t, частота f, амплитуда А и декремент. Следовательно, производя расчет и минимизируя расхождение между данными эксперимента и результатами расчета, можно судить о характеристиках грунта и нижележащих слоев дороги.

При расчете, где в качестве начальных данных мы внесли результаты эксперимента (см. табл. 2.1, результат № 4), получены следующие значения параметров и их комбинация для исследуемой дорожной конструкции:

1)модуль деформации на глубине 1,8 м Е – 12 МПа;

2)плотность грунта ρ – 2100 кг/м3;

3)вязкость η – 150 МПа·с;

4)центральная частота вертикальных колебаний частицы грунта – 11,75 Гц.

96

В ходе составления компьютерной программы, проведения расчета и натурных экспериментов выявлены недостатки данного метода. Так, для проведения расчетов используется последовательный перебор возможных значений физикомеханических свойств и их комбинаций для каждой точки измерения до совпадения рассчитанной амплитудно-частотной характеристики с полученной непосредственно с автомобильной дороги. Не исключена возможность получения нескольких наборов значений для одной точки измерения. При расчете многослойных конструкций (более трех слоев) исследования сильно затруднены из-за громоздких вычислений, требующих много времени даже на мощных компьютерах последнего поколения. В связи с наличием указанных недостатков, несмотря на возможность доработки модели, авторы решили временно отказаться от цифровой модели-сетки.

2.3. Одномассовая модель динамики дорожных конструкций

Авторами, совместно с коллегами по кафедре АТМ ПНИПУ, был разработан вариант математической модели дорожной конструкции на основании исследования динамики колебаний от проезжающего транспорта [9].

Данная модель имитирует одномерное колебательное движение точки контакта автомобильной шины и покрытия дорожной одежды. При этом возможны три режима – баллистический, квазирезонансный и квазистатический. Возникновение того или иного режима определяется соотношением между длительностью возбуждающего воздействия и периодом собственных колебаний системы. Характер движения в баллистическом режиме существенно отличается от изменения во времени входной величины. В этом случае процесс растягивается во времени и приобретает вид гармонических колебаний. Квазистатический режим возможен, когда отношение длительности возбуждения к периоду собственных колебаний системы

97

больше единицы. В этом случае перемещения подвижной части колебательной системы, а также ее ускорения практически совпадают с приложенными перемещениями и ускорениями. Квазистатический режим характеризуется незначительным искажением формы кривой возбуждающего воздействия, заключающийся в появлении наложенных колебаний с собственной частотой. Квазирезонансный режим характеризуется определенным увеличением выходного сигнала и поэтому в данном случае является наиболее эффективным инструментом исследования (рис. 2.13).

р(t)

M= Mш + mп.г

сη

Рис. 2.13. Одномассовая модель импульсного нагружения дорожной конструкции

При этом общий вид уравнения

98

Тогда уравнение (2.31) примет вид

В начальный момент времени (при нулевых начальных условиях: yн, Vн, νн = 0), решение уравнения (2.34) представим в виде

ϕ1 = ϕ2 −ξ2 ,

где ϕ1 – частота собственных колебаний системы с учетом демпфирования;

где K – поправочный коэффициент для круглого пятна контак-

та, K = 1,13.

После затухания колебаний с частотой φ1

99

При p0 f (t) = p0θ2 sin(θt)

Расчет сводится к определению амплитудно-временной характеристики колебания точки покрытия в центре пятна контакта шины автомобиля и покрытия. При проведении тестового расчета данными являются приведенный модуль упругости системы 400 МПа, толщина конструкции 84 см, вязкость 1,965 МПа·с. При движении автомобиля с нагрузкой 2500 кг на колесо и диаметром пятна контакта 0,3 м расчетная характеристика колебания поверхности покрытия имеет вид, изображенный на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Амплитудно-временная характеристика колебания точки дорожного покрытия после снятия нагрузки

Круговая частота собственных колебаний после действия импульса составила 8,34 рад/с.

100