авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

Разработка теории вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд и путей повышения их долговечности

-- [ Страница 2 ] --

Многочисленные экспериментальные материалы, связанные с исследованием вибрационных процессов в дорожных конструкциях, представлены в трудах научных школ А.В.Смирнова, С.К. Илиополова, М.В. Немчинова, В.П. Матуа, Е.В.Угловой. Натурные исследования, проведенные учеными этих научных школ, выявили, что после проезда транспортных средств в дорожной конструкции возбуждается вибрация в виде свободных затухающих колебаний. Уровень этой вибрации во многом зависит от ровности дорожного покрытия. Наличие на покрытии различных дефектов приводит к росту динамической нагрузки со стороны движущегося автомобильного транспорта и одновременно к увеличению вибрации дорожных одежд.

Анализ экспериментальных амплитудно-временных характеристик дорожных конструкций позволил выделить на них три характерных участка. Первый участок фиксируется вибродатчиками при приближении автомобиля. Колебания характеризуются очень малыми амплитудами и относятся к процессу распространения колебаний в горизонтальной плоскости. В момент прохождения колес автомобиля в месте установки датчика формируется второй участок колебаний. Эти колебания связаны с ударно-импульсным характером взаимодействия движущегося колеса автомобиля с покрытием и здесь фиксируются максимальные амплитуды.

Третий участок амплитудно-временных характеристик описывает колебательный процесс после прохождения автомобилем исследуемого сечения дорожной конструкции. Колебания на этом участке характеризуются относительно большими амплитудами и постепенным затуханием. Качественная картина этого процесса не зависит от скорости движения и типа транспортного средства, так как это процесс свободных затухающих колебаний дорожной конструкции или слоев дорожной одежды и грунта земляного полотна.

Колебания дорожных конструкций возникают за счет того, что все слои дорожной одежды и грунт земляного полотна обладают массой. При ударно-импульсном нагружении дорожной конструкции, которое фиксируется на втором участке амплитудно-временной характеристики, массы приходят в движение. Так как слои дорожной одежды и грунт земляного полотна обладают также упругостью, то эти движения преобразовываются в колебательные. Как известно, колебания осуществляются за счет перехода кинетической энергии в потенциальную и наоборот. Потенциальная энергия упругой деформации и кинетическая энергия движущихся масс формируются в каждом слое дорожной одежды и грунте земляного полотна. Дорожные слои и грунт земляного полотна также обладают силами внутреннего трения, за счет которых осуществляется диссипация и затухание их колебаний.

Из анализа причин преждевременного разрушения нежестких дорожных одежд, методов проектирования дорожных конструкций и особенностей расчетных моделей следует, что дорожная наука в РФ и за рубежом в число факторов воздействия на дорожные конструкции не включает их вибронагруженность.

В данной работе выдвинута гипотеза о том, что вибронагруженность нежестких дорожных одежд является одной из основных причин преждевременного их разрушения. На основании этой гипотезы сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе выполнено математическое моделирование вертикальной динамики конструкций дорожных одежд и произведена оценка воздействия транспортных средств на дорожную одежду. Показано, что наиболее опасным и разрушительным фактором для дорожных слоев является ударное взаимодействие колес автомобилей с дорожным покрытием.

При движении автомобиля в зоне контакта движущегося колеса с дорожным покрытием возникает сложный процесс взаимодействия. Дорожные конструкции воспринимают статические и динамические нагрузки (за счет вибрации подрессоренных масс движущихся автомобилей), передаваемые через колесо. Одним из видов динамического нагружения дорожной конструкции является ударное взаимодействие между колесом и покрытием. При таком взаимодействии возбуждаются колебания не только автомобиля, но и элементов дорожной конструкции.

Нагрузка от колеса, воздействующая на покрытие, является распределенной по некоторой ограниченной площади, характеризуемой длиной зоны контакта шины с поверхностью качения. При этом воздействие движущегося автомобиля в сечении дорожной конструкции осуществляется за относительно малое время. В связи с тем, что образование общей чаши прогиба дорожной конструкции происходит путем последовательного деформирования слоев сверху вниз, она формируется с некоторым запаздыванием по времени по отношению к продолжительности действия нагрузки.

Экспериментальные исследования М.В. Немчинова, А.В. Смирнова и С.К. Илиополова выявили, что при движении автомобилей со скоростями более 40 км/ч фиксируется ударное взаимодействие колес с поверхностью покрытия. Процессы возникновения и развития ударных взаимодействий автомобиля и дорожных конструкций до сих пор мало изучены, так как представляют собой одну из сложнейших задач теории качения колеса.

Среди причин формирования ударов между движущимся колесом и дорожным покрытием можно отметить следующие: сочетание высокой скорости движения автомобиля и наличия на покрытии выступов (впадин) с различными высотами; наличие статического и динамического дисбалансов колес и др.

При контакте движущегося колеса автомобиля с дорожным покрытием формируются два независимых процесса нагружения дорожных конструкций: от статического и динамического воздействия движущегося колеса (процесс «загрузка-разгрузка») и от ударного взаимодействия. За счет наложения этих двух процессов происходит общее деформирование дорожной конструкции и возбуждение в ней колебательных процессов.

Таким образом, первоначальное возбуждение колебаний или движение масс слоев дорожной одежды может происходить за счет кратковременной деформации покрытия под действием движущейся колесной нагрузки (импульсное нагружение) и за счет ударного взаимодействия между колесом автомобиля и дорожным покрытием.

Теоретические исследования вибрационных процессов, возникающих в многослойных дорожных одеждах, базировались на разработке расчетных схем, выводе дифференциальных уравнений движения, решении этих уравнений и последующем анализе результатов расчета. Адекватность математических моделей и дорожных конструкций обеспечивалась динамическим критерием подобия, а именно, равенством собственных частот объекта и модели.

Динамические процессы в дорожной конструкции рассматривались в поперечных сечениях и, с учетом энергетического плоскостного баланса, только в вертикальной плоскости. При таких условиях и допущениях наиболее целесообразным было применение цепных динамических расчетных схем (рис. 1).

Расчетные схемы представляют собой идеализированные модели дорожных конструкций, образованные набором инерционно-упруго-диссипативных элементов, для имитации динамики слоев дорожных одежд. Такой подход позволил реализовать принцип зависимых колебаний слоев дорожной одежды в составе единой дорожной конструкции. Корректность такой методики моделирования подтверждается многочисленными экспериментальными амплитудно-частотными спектрами.

 Динамическая расчетная схема-0 Рис. 1. Динамическая расчетная схема колебаний слоев дорожной одежды В этих схемах каждый слой дорожной одежды представлен как элемент, обладающий массой mi и жесткостью Жi. Силы внутреннего трения в слое заменены эквивалентными силами вязкого трения i, пропорциональными скорости изменения прогиба (Yi). На схемах Zi - перемещения масс слоев. Расчетные схемы, соответствующие реальным конструкциям дорожных одежд, должны иметь столько степеней свободы, сколько слоев в конструкции. Материалам слоев были присвоены цифровые и буквенные обозначения: 1пл – асфальтобетон плотный, 1пор асфальтобетон пористый, 2ч – щебень обработанный битумом, – щебень фракционированный, 3 – цементогрунт, 4 – ПГС, 5 – песок.

В первом приближении, для упрощения задачи моделирования, грунт земляного полотна принимался как опорный элемент для дорожной одежды.

Сложность выбора численных значений основных параметров (колеблющихся масс, жесткостей слоев и уровней диссипативных сил) состояла в том, что они были неизвестны. Для каждой дорожной конструкции эти величины различны. Они зависят от физических и конструкционных параметров слоев (толщин, модулей упругости, плотностей и т.д.).

Для исследования вибрационного разрушения дорожной конструкции целесообразно привести массы, участвующие в процессе колебаний, к расчетному сечению. При проезде автомобиля в колебательный процесс вовлекается некоторая площадь в районе расчетного сечения (приведенная площадь Fпр). В этом случае инерционные параметры выражаются как функция этой площади mi=f(Fпр).

Величины динамических параметров слоев дорожной одежды, величина приведенной площади и собственные частоты слоев были получены на основе анализа экспериментальных виброспектров типовой конструкции пятислойной дорожной одежды автомобильной дороги II категории.

Аналитическое решение системы дифференциальных уравнений позволило сформировать частотное уравнение пятой степени в функции приведенной площади. Численным методом последовательных приближений были определены совокупности собственных частот дорожной одежды для различных величин приведенных площадей. Из сопоставления расчетных частот пятистепенной системы и экспериментальных частот спектра было получено, что наиболее близкая совокупность расчетных и экспериментальных частот достигается при Fпр=18…20 м2.

Дальнейший анализ показал, что величина этой площади практически мало зависит от конструкции дорожной одежды. Для формирования параметров расчетных схем других конструкций была использована средняя приведенная площадь, которая обеспечила динамическую адекватность математических моделей и реальных дорожных одежд.

В соответствии с расчетными схемами, с помощью уравнения Лагранжа II-го рода, были выведены дифференциальные уравнения (1), описывающие свободные затухающие колебания слоев дорожных одежд.

(1)

Здесь,

bi – коэффициент диссипации, 1/с; i – коэффициент вязкого трения, кН*с/м.

При исследовании свободных колебаний дорожной одежды в качестве начальных условий принималось при t0=0 , и , т.е. возбуждение осуществлялось за счет начальной деформации верхнего слоя асфальтобетонного покрытия. Для исследования вибрационных процессов в слоях дорожных одежд после ударного взаимодействия колеса движущего автомобиля с дорожной неровностью начальные условия принимались t0=0 и , .

В системе уравнений частоты , , , , являются парциальными частотами. Количество этих частот соответствует числу степеней свободы на расчетных схемах. С физической точки зрения парциальные частоты дорожной одежды являются частотами упругой взаимосвязи между слоями и являются основным фактором формирования совместных колебаний многостепенной колебательной системы. В зависимости от соотношения этих частот общий вибрационный фон дорожной одежды возрастает или снижается.

Частоты , , и будут являться собственными частотами соответствующих слоев, если представлять эти слои в виде одностепенных моделей или в случае отсутствия упругих связей между слоями.

На характер протекания колебательного процесса существенное влияние оказывает уровень диссипации. При свободных колебаниях диссипация определяет время полного затухания. Повышение уровня диссипации в слоях позволило бы снизить вибронагруженность дорожных одежд за счет сокращения временного диапазона с достаточно большими динамическими прогибами.

В данном исследовании использовалась теоретико-экспериментальная методика косвенной оценки коэффициентов диссипации (bi). Для этого расчетные коэффициенты диссипации предварительно принимались как оптимальные. Затем материалы расчетов колебаний при наличии оптимальных коэффициентов диссипации сопоставлялись с экспериментальными амплитудно-временными характеристиками свободных затухающих колебаний дорожных одежд. Это позволило скорректировать значения коэффициентов диссипации.

Наилучшие динамические качества колеблющегося объекта достигаются при наличии в нем диссипативных сил с оптимальными коэффициентами трения. Эти коэффициенты составляют приблизительно 25% от критических. Из этого условия, оптимальные коэффициенты трения определились как

; ; (2)

Если бы в слоях дорожных одежд диссипация соответствовала оптимальным коэффициентам трения, то полное затухание колебаний слоев могло происходить за 0,3…0,4 с, а временной диапазон амплитуд больших прогибов не превышал 0,1…0,15 с. Такой процесс представлен на Рис. 2.

Однако, экспериментальные исследования выполненные в ДорТрансНИИ РГСУ показали, что уровни диссипации в слоях дорожных одежд крайне малы. Полное время затухания колебаний после прохождения автомобиля составляет 2,5…3,0 с. Следовательно, реальные колебательные процессы в дорожных одеждах, являясь относительно продолжительными, должны приводить к значительному динамическому нагружению дорожных конструкций.

Рис. 2. Перемещения масс слоев дорожных одежд

при свободных затухающих колебаниях и оптимальном демпфировании

Теоретически возможно, что при движении транспортных потоков в дорожных конструкциях могут возникать вынужденные колебания. Для исследования вынужденных колебаний дорожных одежд при периодических возмущениях была использована упрощенная идеализированная модель. Для этого в расчетные схемы дорожных одежд (рис. 1) добавлялась модель автомобиля. Модель автомобиля представлялась одностепенной динамической системой, состоящей из подрессоренной массы автомобиля, жесткости его подвески и параметров гасителя колебаний. Неподрессоренная масса автомобиля объединялась с приведенной массой покрытия. В этом случае подвеска автомобиля опиралась непосредственно на дорожное покрытие, имеющее некоторую периодическую геометрическую неровность, описываемую функцией , где А – амплитуда неровности, а – частота возмущения.

Таким образом, автомобиль моделировался как условный вибратор, установленный в расчетном сечении. Возбуждение колебаний дорожной конструкции осуществлялось за счет упругой деформации нижнего конца подвески автомобиля, опирающегося на покрытие. Упругая деформация формировалась по закону или амплитудно-частотного показателя, характеризующего неровность покрытия. Изменение вибровоздействия со стороны движущегося автомобиля имитировалось варьированием круговой частоты возмущения, которая выражалась как функция скорости движения автомобиля V и длины геометрической неровности L

(3)

Такая методика позволила смоделировать передачу динамической нагрузки от автомобилей на покрытие, возникающую при их движении по геометрической неровности. Условность этой схемы связана с тем, что в действительности автомобиль находится в зоне расчетного сечения крайне малое время. Этого времени недостаточно, чтоб сформировать вынужденные колебания слоев дорожной одежды и грунта земляного полотна в исследуемых сечениях. Теоретически, при некоторых условиях, группа движущихся автомобилей могла бы реализовать режим вынужденных колебаний в дорожной конструкции.

Из (3) видно, что на формирование частот вынужденных колебаний слоев дорожной одежды влияют параметры геометрических неровностей на покрытии и скоростной режим движения автомобилей. Учитывая это, в работе была составлена динамическая классификация неровностей, базирующаяся на частотном показателе.

При наличии вибратора, варьируя показателями скоростного режима движения автомобиля и длинами геометрических неровностей, можно исследовать многочисленные частные случаи вынужденных колебаний слоев дорожных одежд. Общую качественную физическую картину вынужденных колебаний может описать динамический паспорт объекта или его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Сформировав АЧХ можно спрогнозировать поведение исследуемого объекта при возникновении вынужденных колебаний. Для этого необходимо представить слои дорожной одежды как инерционно-упругие одностепенные динамические объекты.

Например, представив асфальтобетонное покрытие, как одностепенной объект, получили, что его математическая модель АЧХ описывается как

или   (4)

где, С - амплитуда вынужденных колебаний асфальтобетонного покрытия;

Yст- локальный статический прогиб покрытия под статическим воздействием амплитудного значения возмущающей силы Q0;

К – частотный коэффициент равный отношению частоты возмущения к собственной частоте покрытия без диссипации ();

h - коэффициент относительной диссипации, показывающий соотношение между уровнем диссипации и величиной параметров  Ж и m, выражаемых собственной частотой  ();

дин – коэффициент динамичности.

Если ввести ограничение по допустимой величине прогиба асфальтобетонного покрытия, то его амплитудно-частотная характеристика разбивается на три зоны: дорезонансную, резонансную и зарезонансную. Каждую зону образует определенный частотный диапазон возмущающих сил.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.