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

Следует отметить то, что чаша прогиба, возникающая при движении нагруженного колеса, несимметрична и перед исследователями стоит задача выбора наилучшего в смысле адекватного описания чаши прогиба расположения датчиков. Традиционно правильнее измерять параметры чаши позади колеса. Однако RWD исследует чашу прогиба перед движущимся колесом, так как в этом случае легче проводить сравнительные измерения нагруженного и ненагруженного колесом дорожного покрытия.

На основе предложенной модели измерения в Саратовском научно-производственном центре «Росдортех» совместно с «Беломо» (Белоруссия) была разработана и апробирована установка измерения прочности дорожных одежд с применением лазерных измерителей расстояния ТИРП-100. Система предназначена для установки на грузовой автомобиль или прицеп, состоит из трех лазерных измерителей перемещений, мерного колеса, блока управления и портативного компьютера. Лазерный измеритель перемещений и дополнительный датчик определяют расстояния до поверхности покрытия ненагруженного колесом автомобиля участка дорожной одежды, т.е. создают линию отсчета. Измеритель перемещений расположен вблизи заднего колеса и определяет расстояние до поверхности дороги в области чаши прогиба. По материалам исследований российских и американских специалистов кривизна и размеры чаши прогиба зависят от скорости движения автомобиля и несущей способности дорожных одежд [40]. При скорости движения автомобиля 6,2 км/ч продольный размер чаши прогиба составляет около 5 м. Чем выше скорость движения, тем меньше размеры чаши. В связи с этим для проведения оптимальных измерений необходимо учитывать продольные размеры чаши, т.е., имея полуприцеп с длиной базы 5,5 м и применяя разработанную измерительную схему, получаем, что скорость движения автомобиля при измерениях должна быть не менее 10 км/ч. В противном случае опорная (ненагруженная) область дорож-

61

ного покрытия будет входить в зону деформации дорожной одежды.

Установка представляет собой несущую раму, устанавливаемую на грузовой полуприцеп, нагруженный массой 8,6 т в районе задней оси. В совокупности с весом прицепа в районе одного заднего колеса создается нагрузка на дорожные одежды массой 5 т. Установка, перемещаясь вдоль дорожного покрытия, прогибает его собственным весом на величину, которую надо измерить с помощью установленных лазерных датчиков. Под полуприцепом установлен каркас с несущей балкой, на которой, в свою очередь, находятся кронштейны для крепежа лазерных датчиков и пирометра, необходимого для сбора сведений о температуре покрытия дорожного полотна. Для привязки к пути, проходимому установкой, на каркас крепится датчик пути. Выбранный метод оценки прочности основан на бесконтактном лазерном измерении прогиба и позволяет проводить измерения при квазистатическом и динамическом нагружении. Отличиями данной системы от аналогичных зарубежных являются простота изготовления установки, методы обработки измерительных сигналов и процедура самокалибровки системы.

Во Франции для испытания покрытия применяется установка для непрерывного измерения прогибов – дефектограф La Croix. Вся измерительная аппаратура смонтирована на базе грузового автомобиля или большегрузного автобуса, рабочая скорость которого составляет 2,5–4 км/ч. При использовании типовых шин с нагрузкой на спаренное колесо 5–6,5 тс переключение датчиков происходит через каждые 3,4 м пути. Таким образом, на измеряемом участке длиной 1 км удается получить около 600 значений величины прогибов и сделать приблизительно 8–9 тыс. замеров в день, причем точность измерений составляет 0,05 мм.

Подход к измерению чаши прогиба, разработанный спе-

циалистами из Дании (фирма Greenwood Engineering A/S), реа-

62

лизован в «высокоскоростной установке измерения прогиба»

(High Speed Deflectograph, HSD, рис. 1.21). В отличие от уста-

новок с падающим грузом и нагружением наездом колеса, HSD измеряет не перемещение поверхности покрытия дороги, а скорость ее деформации с помощью лазерных доплеровских датчиков с последующим ее интегрированием. Переменная нагрузка создается перемещением груза вдоль платформы от кабины к заднему мосту автомобиля. Скорость движения установки при измерениях с высокой точностью достигает 70 км/ч. Среди недостатков можно отметить трудность калибровки измерителя, так как необходимо учесть влияние сжатия шин и рессор.

Рис. 1.21. Установка HSD

В 2000 году инженерами Московского государственного автомобильно-дорожного института (технического университета) было разработано устройство для оценки технико-эксп- луатационных показателей дорожной одежды. Устройство позволяет оценивать пять эксплуатационных параметров прогиба и кривизны чаши: максимальный динамический прогиб; индекс кривизны покрытия; индекс кривизны основания; средний прогиб, характеризующий несущую способность дорожной

63

одежды и отношение модулей упругости ее слоев; косвенный показатель модуля упругости [16].

Устройство устанавливается на прицепе, выполненном в виде виброизолированной тележки, содержащей штамп в виде двух спаренных колес, объединенных платформой, жестко связанной с направляющими штангами, выполненными с возможностью их вертикального перемещения при нагружении. В результате динамического нагружения опорной платформы через спаренные колеса штампа на дорожную одежду передается динамическая нагрузка. Датчики инерционного типа фактически фиксируют вертикальные перемещения дорожной одежды, возникающие при динамическом нагружении (устройство для оценки технико-эксплуатационных показателей дорожной одежды МАДИ (ТУ)) [16].

Как видно из обзора, существующие установки, использующие нагружение ударом, компактны, довольно простой конструкции, но имеют небольшую производительность, так как процесс создания нагрузки измерения прогиба должен происходить локально в стационарном режиме.

К недостаткам установок с движущейся нагрузкой можно отнести высокую сложность измерительной аппаратуры, требующей точной настройки, влияние на измерение упругости шин и подвески нагружаемого колеса, а также высокую стоимость. Также следует отметить, что удар по дороге лишь приблизительно моделирует воздействие на нее проезжающего транспорта. Удар служит для возбуждения колебаний конструкции, при этом измеряется только упругий прогиб поверхности и кривизна чаши прогиба, а амплитуда колебаний и остальные характеристики колебательного процесса игнорируются. При использовании некоторых установок импульсного воздействия (например, УДН-ПД) на дороге создается существенно большая нагрузка, чем при движении реального транспорта, что является разрушающим фактором при использовании данного вида установок.

64

Для получения характеристик прочности дорожной конструкции через исследование волновых полей отклика автодороги при прохождении автотранспорта инженерами ДорТрансНИИ при Ростовском государственном строительном университете был разработан, изготовлен и испытан новый мобильный виброизмерительный комплекс с соответствующим программным обеспечением для обработки результатов измерений вибрационных характеристик дорог.

В состав мобильного комплекса входят: виброакселерометры – низкочастотный (3 шт.), высокочастотный (1 шт.); многоканальный виброизмерительный прибор на базе микропроцессорной техники (с собственным программным обеспечением) для аналоговой обработки сигналов, преобразования их в цифровую форму и формирования непрерывного файла данных для обработки в ПК; ноутбук для регистрации данных натурного эксперимента; настольный компьютер для обработки и визуализации результатов измерений; специальное программное обеспечение для обработки и анализа результатов измерений; комплект соединительных кабелей и механические конструкции «антенных устройств» для крепления датчиков.

Запись сигналов на жесткий диск выполняется при помощи сопряженного с компьютером аналого-цифрового преобразователя специализированным программным обеспечением с одновременным и поканальным отображением амплитудновременных характеристик сигналов на экране монитора в режиме реального времени. Эти результаты представлены в виде массивов равномерно дискретизированных во времени отсчетов. Дальнейшая обработка указанных массивов данных производится с помощью исследовательского комплекта программного обеспечения визуализации и анализа экспериментальных данных. Комплект ПО состоит из ряда базовых модулей, обеспечивающих обработку во временной и частотных областях, в том числе цифровую фильтрацию, корреляционную

65

обработку сигналов, а также хранение в базе данных экспериментов и сигналов и результаты их обработки [16].

Для проведения анализа технического состояния дорог с помощью описанного мобильного комплекса учеными РГСУ был разработан ряд математических моделей дорожных конструкций. На основе этих математических моделей изобретены и запатентованы несколько способов оценки состояния дорог.

Один из предлагаемых способов заключается в том, что на эксплуатируемой автомобильной дороге регистрируют характеристики деформирования дорожной конструкции при проезде транспортных средств; при этом характеристики деформирования регистрируют с помощью вибродатчиков, установленных на поверхности различных элементов дорожной конструкции: дорожном покрытии, земляном полотне, грунто- во-геологическом массиве с ориентацией по трем направлениям: вертикальному, поперечному к оси дороги, продольному; характеристики сохраняют в компьютере в виде оцифрованной амплитудно-временной характеристики ускорения и обрабатывают с использованием преобразования Фурье для получения амплитудно-частотных характеристик (рис. 1.22, 1.23) [35].

Рис. 1.22. Схема расстановки датчиков при оценке дорожной конструкции

66

Этим коллективом разработаны адекватные математические модели дорожных конструкций, программное обеспечение для анализа динамических параметров волновых процессов в конструкции дорог, разработаны и внедрены мобильные измерительные комплексы. Исследованы динамические процессы, присутствующие при проезде автомобильного транспорта и при воздействии на дорогу искусственной нагрузки (падающий груз).

Теоретическая база подкреплена соответствующими экспериментами и испытаниями. Новые методы испытаний были внедрены на реальных объектах в ходе проведения работ по определению технического состояния дорожных конструкций.

Выводы по гл. 1

В настоящее время подробно рассмотрены вопросы механики грунтов применительно к строительным объектам и сооружениям. При этом недостаточное внимание было уделено механике грунтов и слоистых сред именно для дорожной конструкции, мало проработаны вопросы учета динамики. Большинство методик [16] направлено на измерение упругого прогиба покрытия или чаши прогиба. Для более точного воспроизведения реальной нагрузки используются колеса автомобилей, при этом самый современный метод измерения – применение лазера. Сами же динамические процессы в слоях не изучаются. Их исследование также связано с невозможностью практической реализации измерений уровня колебаний внутри дорожной конструкции без ее разрушения.

Существующие методы определения состояния автомобильных дорог основаны на определении одного показателя, прямо или косвенно влияющего на общее техническое состояние дороги. Наиболее объективным и обобщающим показателем является прочность. Современные методы расчета прочности основаны на измерении прогиба или чаши прогиба. При

68

этом в разных методах варьируются способы приложения нагрузки, применяются различные варианты измерения прогиба и методики расчета. Описанные способы требуют использования громоздкого оборудования (достаточно дорогого) и занимают много времени при их проведении.

На сегодняшний день назрела острая необходимость в создании методики экспресс-диагностики автомобильных дорог, основанной на проведении измерения вибрации дорожной конструкции. Вибрационный процесс несет в себе важную информацию о техническом состоянии объекта диагностики. Требуется разработать новый диагностический признак, содержащий одновременно информацию о ровности, прочности, состоянии слоев конструкции, наличии и степени повреждений. Также требуется создание неформального подхода к принятию решения о состоянии автомобильной дороги, основанного на мнении экспертов.

69

Глава 2. ВЫБОР МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ И КОЛЕСА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

2.1. Цифровая модель-сетка

На начальном этапе создания методики для оперативной оценки технического состояния дорожных конструкций авторами совместно с сотрудниками кафедр автодорожного факультета ПНИПУ была построена и рассчитана трехмерная мо- дель-сетка [8, 9, 10]. При выполнении динамических расчетов автомобильной дороги с целью определения прочностных характеристик слоев вычисление частот точными аналитическими методами возможно только в случае упрощений, если, например, конструкция представляется в виде нескольких сосредоточенных масс, соединенных упругими связями. Поэтому оценка прочности дороги при динамическом на нее воздействии производится в основном экспериментально с определением упругого прогиба поверхности. Часто данный расчет сопровождается эмпирическими зависимостями.

Применение современного вычислительного и измерительного комплексов, а также развитие приближенных методов решения задач математической физики позволяют подойти к теоретическому решению столь сложных задач. Среди приближенных методов заслуживают внимания вариационные методы, метод конечных элементов (FEM) и метод конечных разностей [10]. Последний метод является наиболее экономичным по объему вычислений и поэтому позволяет решать сложные задачи. Методика расчета механических процессов в конструкциях с помощью программных расчетов на персональном компьютере с применением метода конечных разностей называется цифровым моделированием вибраций в конструкциях. Метод цифрового моделирования является достаточно универ-

70