Разработка теории вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд и путей повышения их долговечности (30.01.2012)

Автор: Осиновская Вероника Александровна

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

где, С - амплитуда вынужденных колебаний асфальтобетонного покрытия;

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

(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.

Как известно, оптимальным условием функционирования любого динамического объекта являются его колебания в зарезонансой зоне, где коэффициент динамичности (дин(0 и С(0.

Путем преобразования возмущающих сил воздействия автомобиля на покрытие в переменные силы упругости его подвески в функции амплитуды геометрической неровности А, был сформирован динамический паспорт асфальтобетонного покрытия в виде:

где, Жа – жесткость подвески автомобиля, кН/м.

Анализ динамического паспорта асфальтобетонного покрытия показал, что при движении колес автомобилей по геометрическим неровностям со скоростями более 30 км/ч коэффициенты динамичности покрытия стремятся к нулевому значению. При этом воздействие на покрытие становится квазистатическим.

Эту методику рекомендуется использовать на первичном этапе исследования. Для реальных динамических характеристик следует учитывать совместную работу всех слоев дорожной одежды. В этом случае аналитическое построение АЧХ дорожной конструкции затруднительно из-за формирования многочисленных взаимосвязанных резонансных зон.

В работе эта проблема была решена с помощью численных методов расчета. Варьируя различной длиной геометрических неровностей или меняя скорости движения автомобиля при постоянной величине длины неровности, выбирались частоты возмущения близкие или равные собственным частотам дорожной одежды. В результате были получены расчетные амплитудно-временные характеристики всех слоев в соответствующих резонансных зонах.

Собственные частоты всей дорожной одежды, начиная от более высоких, были обозначены, как первая, вторая и т.д. Таким образом, индексация частот отдельных слоев и собственных частот дорожной одежды совпадала. На Рис. 3 представлена расчетная АЧХ первого слоя асфальтобетонного покрытия по динамическим силам F.

Рис. 3. Расчетные амплитудно-частотные характеристики покрытия

Анализ показал, что верхний слой покрытия из плотного асфальтобетона, на который автомобили оказывают инерционное возмущение, может иметь основной резонанс на первой частоте дорожной одежды. Эта частота почти равна парциальной частоте асфальтобетонного слоя (39,5 Гц и 42,2 Гц соответственно). Слой имеет достаточно широкую резонансную зону диапазона 198….420 рад/с. Кроме основного резонанса здесь наблюдается малый резонанс на четвертой частоте дорожной одежды. Такие же АЧХ были построены для всех слоев и для них были определены резонансные зоны.

При определенных длинах геометрических неровностей в зоне эксплуатационных скоростей движения автомобилей (80…90 км/ч) теоретически возможно формирование резонансных режимов в асфальтобетонном покрытии. Практическая реализация резонансных режимов в слоях возможна только при наличии «вибратора», вовлечение в процесс колебаний значительных площадей дорожных одежд, а также постоянства длин геометрических неровностей и скоростей движения.

Как видно из Рис. 3, уровень вибрационного нагружения дорожных слоев незначителен, так как даже при резонансном режиме он не превышает 8 кН. Отсюда следует, что при расчетах на прочность с учетом вибрационного фактора можно не учитывать возможные резонансы слоев дорожных одежд и дополнительное нагружение конструкций за счет вибрации автомобилей, движущихся по геометрическим неровностям.

В третьей главе исследовано ударное взаимодействие колеса автомобиля и дорожной конструкции. В процессе исследования производилась косвенная оценка количества энергии, запасаемой ударяемым телом, по уровню послеударных скоростей. Форма ударных сил и импульсов не учитывалась, так как при свободных колебаниях дорожных одежд эти показатели не существенны.

Было принято, что при высоких скоростях движения автомобилей инерционность слоев дорожных одежд исключает возможность перемещения слоев на всем временном диапазоне действия импульса. Это позволило удар и импульс рассматривать как единый фактор ударного возмущения.

Для исследования ударных процессов была сформирована обобщенная модель ударно-импульсного взаимодействия колеса движущегося автомобиля с динамическими неровностями. Главным энергетическим показателем такого взаимодействия была принята послеударная скорость асфальтобетонного покрытия. Для определения послеударных скоростей использовалась расчетная схема, представленная на рис. 4.

Рис. 4. Расчетная схема ударного взаимодействия колеса автомобиля и дорожной неровности

На схеме обозначено:

V0 – скорость движения центра колеса до удара; Vа – скорость движения автомобиля; V0а – скорость движения центра колеса после удара; R – радиус колеса; Р – мгновенный центр скоростей; (р – угловая скорость вращения колеса вокруг Р; (а – угловая скорость вращения колеса вокруг А; Z, x – вертикальная и продольная ось дороги соответственно; Sx, Sz – горизонтальная и вертикальная проекции ударного импульса; h – высота неровности.

Варьирование величиной показателя h позволяет моделировать различные уровни ударно-импульсного нагружения.

Такая схема формирует функциональную связь уровня послеударных скоростей асфальтобетонного покрытия со скоростным режимом движения автомобиля, инерционными параметрами (масса неподрессоренных частей автомобиля и приведенная масса дорожной одежды) и амплитудами неровностей дорожного покрытия.

Применяя теорему об изменении кинетического момента механической системы и теорию плоскопараллельного движения колеса и производя соответствующие преобразования, были выведены функциональные зависимости:

где, mK – масса неподрессоренных частей автомобиля; mд/о – приведенная масса дорожной одежды; Vа/бz, Vа/бx – вертикальная и горизонтальная проекция послеударной скорости покрытия соответственно.

С использованием зависимостей (6) определялись численные значения вертикальных проекций послеударных скоростей покрытия с учетом параметров движущегося автомобиля (двухосный грузовой автомобиль) и конструкции дорожной одежды (пятислойная дорожная одежда) (таблица 1).

Таблица 1 – Вертикальные послеударные скорости асфальтобетонного слоя

Скорость движения Высота дорожной неровности, мм

грузового 0,2 0,5 10 15 20 25 35 40

автомобиля км/ч Вертикальная проекция скорости асфальтобетонного слоя, м/с

40 0,004 0,006 0,026 0,032 0,037 0,041 0,047 0,050

50 0,005 0,008 0,033 0,040 0,046 0,051 0,059 0,063

60 0,006 0,009 0,040 0,048 0,055 0,061 0,071 0,075

70 0,007 0,011 0,046 0,056 0,064 0,071 0,083 0,088

80 0,008 0,012 0,053 0,064 0,073 0,081 0,094 0,100

90 0,009 0,014 0,059 0,072 0,083 0,092 0,106 0,113


загрузка...