Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Исследование факторов, влияющих на возникновение и величину динамических перегрузок дорожных конструкций 11
1.1 Анализ исследований динамического воздействия движущегося автомобиля на дорогу 11
1.2 Оценка влияния динамического воздействия транспортных средств на долговечность дорожных конструкций 23
1.3 Анализ используемых показателей ровности в Российской федерации и за рубежом 33
1.4 Цель и задачи исследований 43
1.5 Выводы по главе I 45
ГЛАВА II. Разработка расчетной модели динамического воздействия транспортных средств на покрытие 46
2.1 Оценка микропрофиля покрытий автомобильных дорог 46
2.2 Разработка расчётной модели динамического воздействия транспортных средств на покрытие дорожной одежды на основе данных о микропрофиле поверхности дороги 48
2.2.1 Построение модели 48
2.2.2 Решение с помощью интегрального преобразования Фурье 50
2.2.3 Решение с использованием дискретного преобразования Фурье 51
2.3 Моделирование динамического воздействия транспортных средств на покрытие дорожной одежды при различных скоростных режимах движения 63
2.4 Выводы по главе II
ГЛАВА III. Разработка методики оценки динамического воздействия транспортных средств на дорожные конструкции с различными показателями ровности 72
3.1 Методика проведения экспериментальных исследований 72
3.1.1 Обоснование применения виброизмерительного комплекса для проведения натурных замеров 73
3.1.2 Программные средства обработки и анализа экспериментальных данных 81
3.1.3 Отработка методики проведения замеров по регистрации динамического воздействия транспортных средств 83
3.2 Характеристика участков наблюдения эксплуатируемых автомобильных дорог 89
3.3 Регистрация спектра воздействия автомобиля на покрытие 96
3.4 Адекватность разработанной модели 103
3.4 Регистрация отклика системы на проезд грузового и
легкового автотранспорта 109
3.6 Определение резонансных режимов воздействия 119
3.7 Выводы по главе III 125
ГЛАВА IV. Оценка динамически прегрузок дорожных конструкций эксплуатируемых автомобильных дорог 126
4.1 Оценка динамического воздействия транспортных средств на дорожные конструкции. Определение коэффициента динамичности 126
4.2 Дополнительные области применения разработанной модели 135
4.2.1 Оценка ровности дорожных покрытий международным индексом ровности IRI 136
4.2.2 Оценка безопасности движения с выявлением опасных режимов движения 137
4.2.3 Оценка комфортности движения с учетом ровности дорожного покрытия 140
4.3 Результаты оценки динамического воздействия транспортных средств наэксплуатируемые автомобильные дороги 141
4.4 Предложения по снижению динамических перегрузок участков наблюдения на основе разработанных методик оценки 147
4.5 Выводы по главе IV 150
Общие выводы 152
Список литературы
- Анализ используемых показателей ровности в Российской федерации и за рубежом
- Разработка расчётной модели динамического воздействия транспортных средств на покрытие дорожной одежды на основе данных о микропрофиле поверхности дороги
- Обоснование применения виброизмерительного комплекса для проведения натурных замеров
- Дополнительные области применения разработанной модели
Введение к работе
В настоящее время наблюдается стойкая тенденция увеличения грузоподъемности и скоростей движения транспортных средств. С учетом существующего состояния дорожных покрытий по показателям ровности данные тенденции приводят к существенному увеличению динамической составляющей давления на покрытие.
В условиях постоянного недоремонта сети автомобильных дорог, при ухудшении показателя ровности покрытия, дорожные одежды начинают работать в условиях динамических перегрузок, что приводит к их ускоренному разрушению. Динамические перегрузки на неровных участках в среднем составляют 50 - 90 %, при допустимых - 30 %.
Следует отметить, что в настоящее время при расчете дорожных конструкций, обосновании различных ремонтных мероприятий, прогнозировании транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог изменение динамического воздействия транспортного потока и его влияние на состояние дорожной конструкции не учитывается. Экспериментальных исследований в этой области очень мало по причине отсутствия приборного обеспечения и отработанных методик натурных замеров.
Исследованиями в области взаимодействия автомобиля и дороги успешно занимались многие отечественные и зарубежные ученые: А.К. Бируля, Н.Я. Говорущенко, Д.В. Ермакович, В.Ф. Бабков, А.П. Васильев, А.В. Смирнов, Ю.М. Яковлев, В.В Сильянов, А.А. Хачатуров, А.Г. Малофеев, В.Н. Кравец, М.С. Коганзон, А.В. Жуков, Б.С. Радовский, В.Л. Афанасьев, В.П. Жигарев, В.Б. Борисевич, О.А. Красиков, В.Д. Казарновский, В.П. Носов, Ю.В. Слободчиков, А.Р. Рзаев, В.В. Кузьмин, З.А. Круцух, А.С. Супрун, Р.В. Ротенберг, Ф.И. Бомхард, Е. Клоппел, Н Мопперт, Р. Коеслер, П. Пильц и многие другие. Однако среди полученных результатов исследований взаимодействия автомобиля и дороги имеет место рассогласованность, связанная со следующими причинами:
- исследования проводились большинством авторов для оценки плавности хода автомобиля, а не динамических перегрузок воздействия транспортного потока на дорожную конструкцию. Для полного и объективного исследования работы дорожной конструкции при воздействии транспортных средств, движущихся по поверхности, имеющей неровности (идеально ровные могут быть только теоретически), необходимо особое внимание уделять адекватному описанию динамического воздействия;
- проводя экспериментальные исследования, авторы использовали раз
ные показатели ровности покрытий. Поэтому необходимо установить показа-
ф тели ровности, наиболее точно оценивающие влияние эксплуатационного со-
стояния дорожного покрытия на динамические перегрузки воздействия транспортных средств;
- при изучении взаимодействия движущегося автомобиля и дорожной
конструкции недоучитываются некоторые важные факторы, связанные с осо
бенностями работы колебательной системы автомобиля, при движении на
различных скоростях по неровной поверхности.
,* Поэтому, представленная работа, направленная на разработку теорети-
ческих (методом моделирования) и экспериментальных методов оценки фактического динамического воздействия транспортных средств на автомобильную дорогу и определение динамических перегрузок дорожных конструкций, с учетом неровностей дорожного покрытия, является актуальной и своевременной.
Экспериментальные исследования позволяют дать реальную картину
<Ф взаимодействия автомобиля с покрытием дорожной конструкции. Однако
использование экспериментальных средств и методов исследований не спо
собно в полной мере просчитать все ситуации, возникающие при движении
различных автомобилей по неровной поверхности в разных скоростных диа
пазонах. Экспериментальные исследования при движении на высокоскорост
ных режимах являются небезопасными. Поэтому, при исследовании зависн
ім мостей влияния ровности покрытия и режимов движения транспортных
(Лі средств на динамические перегрузки, действующие на конструкцию, наибо-
лее целесообразным представляется использовать численные эксперименты, основанные на методе компьютерного моделирования.
Исходя из этого, для реализации данной цели необходима разработка математических моделей взаимодействия «автомобиль - дорога», позволяющих определять динамические перегрузки, возникающие при движении транспортного средства с учетом его скорости, определять распределение динамических нагрузок между осями автомобиля и прогнозировать динамическое воздействие транспортных средств, при ухудшении показателя ровно-
Ф сти. Моделирование как способ исследования взаимодействия автомобиля и
дорожного покрытия позволяет просчитывать снижение динамического воздействия транспортного потока при выполнении различных эксплуатационных и организационных мероприятий.
Целью диссертационной работы является разработка метода оценки
динамических перегрузок дорожных конструкций на основе моделирования
скоростных режимов транспортных средств и микропрофиля проезжей части
^ для разработки мероприятий по снижению уровня динамического воздейст-
вия транспортного потока на эксплуатируемых автомобильных дорогах.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
исследование факторов, влияющих на возникновение и величину динамических перегрузок дорожных конструкций;
разработка расчетной модели динамического воздействия транспорт-
ных средств на покрытие дорожной одежды на основе данных о микропрофиле поверхности дороги и моделирование динамического воздействия различных транспортных средств на дорожные конструкции при различных скоростных режимах движения;
- разработка методики экспериментальных исследований по оценке ди-
намического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию с
использованием виброизмерительного комплекса и проведение эксперимен-
8 тальных исследований по оценке динамического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию на эксплуатируемых автомобильных дорогах с различными показателями ровности;
- разработка метода оценки динамических перегрузок дорожных конст
рукций на основе моделирования скоростных режимов транспортных средств
и микропрофиля проезжей части.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана расчетная модель динамического воздействия транспортных средств на покрытие дорожной одежды на основе параметров микропрофиля поверхности дороги, технических характеристиках автомобилей и скорости их движения, позволяющая оценить динамические перегрузки дорожных конструкций
установлена зависимость динамического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию от частотного распределения амплитуд в диапазоне 0,4 - 80 Гц;
установлена зависимость динамических перегрузок дорожных конструкций от скорости движения автомобиля с учетом возникновения резонансных режимов воздействия при движении по неровной поверхности заданного профиля.
Достоверность результатов, содержащихся в диссертации, подтверждается: теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях теоретической механики; адекватностью предложенной модели взаимодействия «автомобиль - дорожное покрытие», подтверждаемой результатами натурных экспериментальных исследований.
Практическое значение работы:
- разработан программный продукт, позволяющий определять фактиче
ский коэффициент динамичности воздействия автомобилей на дорожные
конструкции в зависимости от скоростных режимов и просчитывать сниже-
9 ниє динамического воздействия транспортного потока при выполнении различных эксплуатационных и организационных мероприятий;
разработанный программный продукт позволяет решать ряд задач, связанных с обеспечением безопасности и комфортности движения, такие как оценка ровности дорожных покрытий по международному индексу ровности IRI, оценка безопасности движения с выявлением опасных режимов движения, оценка комфортности движения с учетом ровности дорожного покрытия;
отработана методика экспериментальных замеров по оценке динамического воздействия автомобильного транспорта на дорожную конструкцию эксплуатируемых автомобильных дорог;
обоснована и подтверждена возможность и целесообразность применения мобильного виброизмерительного комплекса ВИК-1 для проведения натурных замеров по регистрации динамического воздействия транспортных средств на дорожные конструкции;
разработаны мероприятия по снижению динамических нагрузок для участков автомобильных дорог, на которых выявлены динамические перегрузки дорожных конструкций.
На защиту выносятся:
метод оценки динамических перегрузок дорожных конструкций на основе моделирования скоростных режимов транспортных средств и микропрофиля проезжей части для разработки мероприятий по снижению уровня динамического воздействия транспортного потока на эксплуатируемых автомобильных дорогах;
результаты комплексных исследований влияния скоростных режимов различных транспортных средств и микропрофиля проезжей части на динамические перегрузки дорожных конструкций;
методика экспериментальных работ на участках эксплуатируемых автомобильных дорог по оценке динамического воздействия автомобильного транспорта на дорожную конструкцию.
10 Реализация работы.
Результаты исследований внедрены при ежегодной оценке изменения ровности автодороги «Азов - Ростов», находящейся на балансе ГУЛ РО «Азовское ДРСУ», после проведения капитального ремонта в период с 2001 года по 2005 год.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждались на Международных научно-практических конференциях "Строительство-2002", "Строительство-2003", "Строительство-2004" и "Строительство-2005" (Ростов-на-Дону, 2002, 2003, 2004 и 2005), Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог» (Краснодар, 2002), Всероссийской научно-технической конференции „Автомобильные дороги и безопасность движения" (Хабаровск, 2004), Всероссийской научно-технической конференции „Проблемы проектирования, строительства, эксплуатации автомобильных дорог, охрана окружающей среды" (Пермь, 2005) и др.
Публикации. По теме диссертационных исследований опубликовано 8 печатных работ, также подана заявка на получение патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 134 наименований, из них 22 на иностранных языках, содержит 176 стр. машинописного текста, 91 рисунок, 3 таблицы и приложения.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю доктору технических наук, профессору С.К. Илиополову и кандидату технических наук, доценту Е.В. Угловой за помощь, ценные советы и замечания в процессе работы над диссертацией.
Анализ используемых показателей ровности в Российской федерации и за рубежом
Технико-экономические расчеты на различных этапах дорожного строительства предусматривают оценку транспортно-эксплуатационных расходов, в том числе себестоимость перевозок автомобильным транспортом. Значительную часть себестоимости перевозок составляют затраты на приобретение топлива для автомобилей. Расход топлива двигателем автомобиля, помимо его конструктивных особенностей во многом определяется и дорожными неровностями [67]. При нынешнем состоянии дорожной сети автомобиль расходует почти в 1.5 раза больше горючего, чем в развитых зарубежных странах. Стоимость эксплуатации автомобилей возрастает в 2.5 - 3.5 раз (рис. 1.3.1, 1.3.2), срок службы автомобильных шин сокращается в 1.15-1.8 раза, срок службы автомобиля уменьшается на 30 % [20].
Только за счет средних скоростей движения на дорогах России, которые более чем в 2 раза ниже, чем в Европе (80 км/ч), стоимость перевозки грузов выше на 20 %. В результате перечисленных причин Российская Федерация имеет самый высокий удельный показатель транспортной составляющей в себестоимости продукции, который в отдельных отраслях превышает 50 %.
В целом, общая упущенная выгода экономики России от бездорожья и плохого состояния дорог оценивается более чем в 60 трлн. руб. в год [20].
Особое внимание заслуживает вопрос безопасности дорожного движения, к которому относится негативное воздействие вибрации и колебаний автомобиля при проезде по неровностям на общее самочувствие водителя и пассажиров.
Автомобиль, движущийся по дороге с неровной поверхностью, представляет собой колебательную систему. Колебания, вызванные неровной поверхностью дороги, воздействуют на людей находящихся в автомобиле и отражаются на важнейшей характеристике водителя как оператора
Влияние ровности дорожного покрытия на себестоимость перевозок на безошибочности его действия, его «надежности». Это определяется, в частности, ускорениями, которые он испытывает в продольном, поперечном и вертикальном направлениях.
Водитель и пассажиры оценивают плавность хода субъективно, на основе собственных ощущений. Ощущения людей и наступающее утомление связано с ускорениями колебаний и их повторяемостью.
При оценке воздействия неровности покрытия на колебания автомобиля с точки зрения безопасности движения важнейшими показателями служат психофизиологические реакции, непосредственно влияющие на работоспособность человека и надежность выполнения им требуемых операций.
Процесс ручного управления машиной во многом зависит от способности водителя принимать, анализировать информацию, вырабатывать командные сигналы и, наконец, от возможности передавать эти сигналы на органы управления машины. Каждое из описанных звеньев процесса управления реализуется работой различных систем организма человека. Все функциональные системы организма по-разному реагируют на экстремальные воздействия (в частности на действия колебаний).
В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция увеличения скоростей движения автомобилей при повышении комфортности передвижения. Многие автомобилестроительные компании направляют усилия не только на совершенствование подвески автомобиля, но и на введение дополнительных ступеней подрессоривания (подрессоривание кабины относительно рамы и специальные сидения, имеющие собственную систему подвески). В результате чего при проезде через неровность или совокупность неровностей теряется связь между водителем и реакцией автомобиля, что в экстремальных ситуациях (например, отрыв колес автомобиля от покрытия) при высоких скоростях движения (более 100 км/ч) может привести к неадекватному восприятию водителем ситуации на дороге и повлиять на безопасность движения. Тело человека можно условно рассмотреть как своеобразную колеблющуюся систему [66], поскольку под воздействием вибрации части тела человека перемещаются относительно друг друга с амплитудами, зависящими от источника колебаний и массы органов. Относительные перемещения частей тела приводят к напряжениям в связках и к взаимному соударению и надавливанию.
Двигательная активность человека при действии ускорений может оказываться нарушенной; движения в крупных суставах ограничиваются уже при 6-8 g. Продолжительные колебания человека с частотой 3-5 Гц негативно отражается на вестибюлярном аппарате, сердечно-сосудистой системе и вызывают синдром укачивания, частоты колебаний 5-11 Гц вызывают расстройства вследствие резонансных колебаний головы, желудка, кишечника. При частотах 11-45 Гц ухудшается зрение, возникает тошнота, рвота, нарушается нормальная деятельность других органов. Повреждения сосудов головного мозга, расстройство циркуляции крови и высшей нервной деятельности с последующим развитием вибрационной болезни могут возникнуть при частотах более 45 Гц.
При исследовании влияния колебаний и вибрации на человека можно выделить следующие типичные нарушения нормального состояния организма: ухудшение управления дыханием; нарушение координации движения рук; увеличение времени реакции кисти; ухудшение способности слежения, ослабление внимания; уменьшение остроты зрения; дрожание рук, дрожание всего тела; ухудшение прицельных движений.
Таким образом, неудовлетворительное состояние дорожной одежды и резкое ухудшение ровности дорожного покрытия способствует накоплению и развитию множества негативных факторов и явлений. К ним относятся увеличение себестоимости перевозок, повышение расхода топлива, сокращение срока службы автомобильных шин, увеличение стоимости эксплуатации автомобиля и расходов на его ремонт, ухудшение экологического состояния окружающей среды, высокий уровень аварийности и т.д.
Разработка расчётной модели динамического воздействия транспортных средств на покрытие дорожной одежды на основе данных о микропрофиле поверхности дороги
Исходя из вышеперечисленных факторов, главной задачей работников дорожного хозяйства является необходимость поддержания автомобильной дороги в хорошем состоянии, повышение долговечности и увеличение межремонтных сроков автомобильной дороги. Для этого, в частности, необходимо правильно и своевременно проводить диагностику автомобильных дорог в период эксплуатации.
Ровность поверхности дорожных покрытий в нашей стране начали оценивать с тридцатых годов XX века. При этом исходили из того, что ровность должна определяться показателем, характеризующим плавность, удобство и безопасность движения автомобиля с расчетной скоростью. Т.е. характеристиками, направленными, главным образом, на комфорт передвижения пассажиров в движущемся автомобиле. Нас же, в большей степени, интересует оценка ровности покрытия с позиции повышения долговечности дорожной конструкции путем своевременного проведения ремонтно-восстановительных работ, исходя из прогнозируемого динамического воздействия транспортного потока на поверхность автомобильной дороги. Таким образом, немаловажным фактором в повышении долговечности дорожной конструкции служит уменьшение динамического давления на покрытие от проезжающего транспорта.
Рассмотрим преимущества и недостатки приборов измерения ровности с позиции поставленной цели исследования.
В мировой практике известно более 50 конструкций приборов для измерения ровности покрытия [7, 8 ,98, 62, 96, 76, 80, 81, 101, 103, 18, 16, 27, 40, 41, 118, 120, 121]. Существующие методы и приборы контроля ровности дорожных покрытий в зависимости от принципа действия можно разделить на три группы:
1) приборы, в основу которых положен принцип регистрации геометрических параметров поверхности автомобильной дороги (используются методы непосредственного перемещения); 2) приборы, в основу которых положен принцип регистрации амплитуды, ускорения кузова или перемещений отдельных элементов движущегося автомобиля под воздействием неровностей покрытия (импульсные методы);
3) приборы, в основу которых положен принцип динамического преобразования продольного профиля дороги (инерционные методы).
К приборам первой группы относятся рейки различных конструкций, профилометры, виографы, профилографы, уклономеры, нивелиры, электронные рейки и т.д. С использованием реек измеряют просветы между покрытием и рейкой. При этом применяют рейки различной длины, как правило трехметровые (Франция, Нидерланды, Япония, Испания, Россия и др.) и четырехметровые (Швейцария, Германия, Польша и др.). Просветы измеряют в определенных нескольких точках или максимальный - по длине рейки. Основным недостатком данной методики является низкая производительность, и большая трудоемкость. Более того, рейкой измеряется только высота неровности на отрезке 3 или 4 метра. Полностью снять микропрофиль поверхности автомобильной дороги позволяет автоматический нивелир с последующей обработкой данных методом амплитуд. Точность замеров микропрофиля зависит от длины шага измерений.
Более производительным методом измерения ровности является динамический преобразователь микропрофиля покрытия, разработанный в МАДИ под руководством профессора А.А. Хачатурова. В данном случае микропрофиль записывается косвенно, путем регистрации преобразованных прибором электрических сигналов от неровностей покрытия; затем эти сигналы на аналоговом счетно-решающем устройстве обратным преобразованием пересчи-тываются в неровности микропрофиля и записываются в неровности покрытия [98].
Более совершенную аппаратуру представляют собой анализаторы продольного профиля APL - 25; APL - 72 (Франция), ROADMAN (Финляндия). Во время движения измеряется изменение угла между продольной осью анализатора и продольной осью автомобиля в вертикальной плоскости. Таким образом, фиксируются неоднородности покрытия в диапазоне ± 100 мм для длин волн от 0,5 до 50 м в зависимости от скорости движения автомобиля [126].
В дорожной отрасли, особенно за рубежом, измерение параметров ровности и колейности дороги выполняют с использованием профилографов. Ультразвуковые профилографы измеряют просветы при помощи ультразвуковых датчиков, количество которых в поперечном направлении составляет от 12 до 30. Измерения производятся через каждые 3 м вдоль дороги с точностью 0,1 мм. Скорость движения профилографов может изменяться от 20 км/ч до 80 км/ч. Лазерные профилографы измеряют просветы на ширине 2,7 м и более с помощью 15-20 датчиков через каждые 5 м вдоль дороги с точностью 0,1 мм. Результаты сканирования поверхности дороги служат исходной базой для определения ровности методом амплитуд, выбора метода ремонта дорожной одежды и определения объемов работ.
К сожалению, диапазон и точность измерений этих дорогостоящих систем зависят от погодных условий, видимости и отражающих качеств различных типов поверхностей, результатом чего является низкая производительность и высокая стоимость работ.
Разработанная «РОСДОРТЕХом» передвижная лаборатория производит измерения профиля по полосе движения со скоростью 25 км/час. Лаборатория имеет 15 датчиков и снимает показания через 25 см. Погрешность съемки составляет 20%, а обработка данных, полученных за одну рабочую смену, составляет одну неделю.
Обоснование применения виброизмерительного комплекса для проведения натурных замеров
Как правило, продольный профиль дороги - функция z(y) - задается дискретно массивом значений ъу = z(yk), описывающим вертикальные отметки участка дороги длиной L. Если считать этот участок «типичным» для дороги и доопределить функцию z(y) периодически на всей оси у у то для решения задачи можно применить дискретное преобразование Фурье.
Пусть функции Xio(t) и Х2о(0 представлены в дискретной форме в точках по времени, заданных с постоянным шагом. Применяя к исходным уравнениям дискретное преобразование Фурье, получим формулы аналогичные (2.3)-(2.5), в которых все функции частоты являются дискретными для заданного набора значений частоты, а именно шп = (n/N) %, где сод - частота дискретизации. СіпдхХоія(С2я +д2 -т2о 2) + С2яд2Хо2я(С1я +дх -тха 2) (2.6) (С1я +С2п -Мсо2я)(Си +дх -т1й)л2)(С2л +д2 -т2со2)-С2я(С2я +д2 -m2co2n)-C2Zn{Cu +дх -тха 2я) {Р1я+д1-т1ая X2n = ffin+ClnX\ (2.8) (С2п+д2-т2а)я Здесь Xojn - дискретное преобразование Фурье массива z . Следует отметить, что массив Zk представляет собой массив вертикальных смещений первой оси в моменты времени tk = kid, где /а — шаг дискретизации. Хо2я=е "Хои; (2.9) Если число точек оцифровки продольного профиля является степенью числа 2, то возможно применение быстрого преобразования Фурье (БПФ). Для вычисления амплитудно-временных характеристик смещения применяется обратное преобразование Фурье. Величина дополнительного динамического усилия на дорожное полотно вследствие неровности для первой и второй осей определяется по формулам: А = -ї( і(0 - оі(0); Pi = - ( 2 (0 - % ( )) (2.10)
Описанный подход реализован в виде файла-программы средствами пакета MathCad. С целью тестирования метода решения, оценки его эффективности, выработки критериев выбора длины «типового» участка проведен ряд численных экспериментов на различных моделях продольного профиля. Результаты расчетов показаны на рис. 2.2.2 - 2.2.23. Во всех расчетах рассматривается модель транспортного средства массой 14т со следующими характеристиками: Параметр Задняя ось Передняя ось Неподрессоренная масса (кг) 1300 650 Жесткость амортизатора (н/м) 834 000 556 000 Вязкость амортизации (н с /м) 3 000 2 000 Масса кузова на ось (кг) 9 800 4 200 Жесткость шины (н/м) 3 139 000 1 569 500 На рис. 2.2.2 - 2.2.7 показаны АВХ перемещений точек контакта и динамических усилий, АЧХ усилия контакта для участков дорожного полотна длиной L=100 м с неровностью, задаваемой одной волной косинусоиды вида z(y) = h(l-cos7ry/l) в середине участка (у Є [(L-l)/2, (L+l)/2]). Здесь h - амплитуда, a / - длина волны неровности. Иными словами, в рамках рассматриваемой модели, продольный профиль представляет собой последовательность периодических косинусоидальных импульсов с периодом L.
Сплошными линиями изображены данные для второй (задней) оси. Все графики построены для скорости движения 80 км/ч и амплитуды неровности h = 5см.
Меру влияния неровности на силу воздействия транспортного средства на дорожную конструкцию можно оценить отношением максимальной динамической нагрузки к статической. В рассматриваемом примере в качестве такого коэффициента динамичности принимается величина Kd = (M2g+p2)/M2g, (2.11) где Мг - масса кузова, приходящаяся на вторую ось; g - ускорение силы тяжести; р2 - максимальная на рассматриваемом участке дополнительная сила воздействия на дорогу вследствие неровности. Так введенный коэффициент определяется для «типового» участка дороги.1
Неровности рассмотренного вида порождают при движении автомобиля спектр частот воздействия транспортного средства на дорожное покрытие. Из рисунков 2.2.2 - 2.2.7 видно, что если длина неровности намного больше расстоянием между осями, то воздействия обеих осей на дорожное полотно происходит почти синфазно. При этом превалирующая частота затухающих колебаний после наезда на неровность соответствует собственной частоте колебаний кузова. Это хорошо видно из амплитудно-частотных зависимостей. Если же длина волны неровности меньше или соизмерима с ме-жосным расстоянием, то отчетливо просматривается воздействие каждой оси, а в амплитудно-частотной зависимости проявляется резонанс неподрес-соренной массы.
Дополнительные области применения разработанной модели
Движение транспортных средств по неровному покрытию сопровождается колебаниями колес и кузова, что обуславливает увеличение динамических перегрузок дорожных конструкций. Изменение величины вертикального давления оказывает существенное влияние на износ дорожного покрытия, на деформирование и разрушение дорожной конструкции, что в конечном итоге приводит к еще большему увеличению неровности покрытия. Поэтому для увеличения срока службы дорожных одежд, для прогнозирования их транспортно-эксплуатационного состояния важно не только запроектировать и построить прочную конструкцию, но и такую, чтобы при движении по ней колебания автомобилей были минимальными, а возникающая при этом нагрузка не превышала принятую при расчете.
Таким образом, при исследовании взаимодействия движущегося транспортного средства и дорожного покрытия первая (основная) задача - оценить динамическое воздействие транспортных средств на дорожные конструкции с учетом реальной ровности дорожного покрытия и скоростных режимов движения. Данная задача решена в рамках поставленной задачи. В представленной работе изложены расчетные и экспериментальные методы оценки динамического воздействия транспортных средств на дорожные конструкции.
Однако, разработанная модель позволяет решать и другие задачи, связанные с обеспечением безопасности и комфортности движения, а именно: - оценка ровности дорожных покрытий по международному индексу ровности IRI; - оценка безопасности движения с выявлением опасных режимов движения; - оценка комфортности движения с учетом ровности дорожного покрытия.
Для оценки ровности дорожной поверхности в международной практике используют международный индекс ровности IRI (International Roughness Index). Этот показатель является интегральным. Он учитывает неровности, распределенные по всему анализируемому участку дороги. Показатель IRI -это косвенная оценка ровности дороги, не связанная непосредственно с данными измерения продольного профиля. Этот показатель является вычисляемой величиной. Он определяется как суммарное перемещение подрессоренной массы автомобиля относительно неподрессореннои, нормированное по длине пройденного пути [13]. /R/eiflxW-i.Wl (4-2.1) L о Здесь L - анализируемый участок дороги; x(t) - смещение подрессоренной массы; x\(t) - смещение неподрессореннои массы. Размерность коэффициента ровности -м/км.
При расчетах коэффициента ровности используется «эталонное транспортное средство», модель которого представляет собой двухмассовую механическую систему с подрессоренной массой. Эта система получается из модели, рассмотренной в главе 2, если расстояние между осями положить равным нулю (В=0). Индекс ровности рассчитывается для нормативной скорости движения эталонного транспортного средства 80 км/ч и применяется для учета неровностей в диапазоне от 2м до 20м. В предположении В=0; Сі=С2=с/2; ті=т2=т/2; М1=М2=М/2; bj b2=b/2; Ci C2= =C/l расчетные формулы упрощаются. Хл (со) = 5— - (4.2.2) (Сп-Ма 2й)(Ся+д-та 2я)-С2я Хи0) = # +С-Х\ (4.2.3) C„+g-mco„ Здесь Хо„ - по-прежнему дискретное преобразование Фурье продольного профиля. Применяя к правым частям (4.2.2-4.2.3) оператор дифференцирования в частотной области, т.е. домножая на icvn и вычисляя обратное преобразование Фурье, получаем скорости dx(t)/dt и dxi(t)/dt. Интеграл (4.2.1) считается численно с применением кубической сплайн-интерполяции.
В рассмотренной выше модели учета ровности покрытия дорожной конструкции предполагалось, что транспортное средство движется по поверхности безотрывно. Это условие может не выполняться для высоких скоростей движения при достаточно больших неровностях покрытия. О нарушении безотрывности движения свидетельствует отрицательное значение контактного усилия между колесом и дорогой. В этом случае можно говорить, во-первых, о повышенной опасности движения транспортного средства, а во-вторых, об увеличении коэффициента динамичности по сравнению с расчетным, вследствие последующего удара колеса о дорогу.
