Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 11
1.1 Общая характеристика воздействия многоосных транспортных средств на дорожные конструкции 11
выводы по разделу 1.1 17
1.2 Анализ показателей оценки динамического воздействия, транспортных средств на дорожную конструкцию, используемых в российской федерации и за рубежом 18
1.2.1 Коэффициент динамической нагрузки DLC 19
1.2.2 Динамический коэффициент 22
1.2.3 Динамический совокупный коэффициент силы 23
1.2.4 Дорожный коэффициент напряжения 26
1.2.5 Совокупный критерий силы 26
1.2.6 Коэффициент усталостного разрушения для оценки динамических перегрузок 27
1.2.7 Показатели оценки динамического воздействия, используемые в Российской Федерации 31
Выводы по разделу 1.2 34
1.3 Обзор значений коэффициентов приведения многоосных транспортных средств 35
Выводы по разделу 1.3 47
1.4 Цели и задачи исследований анализ современного скоростного транспортного потока грузовых автомобилей на территории российской федерации 51
2.1 Анализ современных тенденций расширения парка многоосных транспортных средств при перевозке грузов на автомобильных дорогах РФ 51
2.2 Определение характеристик распределения осевой и полной нагрузки в существующем потоке многоосных транспортных средств на автомобильных дорог ах 60
2.3 Определение скоростных режимов движения многоосных транспортных средств на автомобильных дорогах 70
выводы по главе 2: 72
3 Проведение имитационного моделирования динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию 74
3.1 Программный комплекс «универсальный механизм» 74
3.2. Модели взаимодействия транспортных средств и дорожной конструкции 77
3.3. Входные данные для моделирования проезда автотранспортных средств 88
3.1.1 Продольный профиль участка дороги 88
3.1.2 Скорость движения автомобиля 98
3.1.3 Масса транспортного средства 100
3.4. Моделирование динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожную одежду 101
3.5. Характеристики динамического воздействия транспортного потока 107
3.6. Влияние скоростных режимов движения и полной массы транспортных средств на величину динамического воздействия 109
3.7. Оценка влияния ровности покрытия, скорости движения и массы грузовых автомобилей на величину коэффициента приведения многоосных транспортных средств к расчетной нагрузке 119
Выводы по главе 3: 126
4 Проведение экспериментальных работ по определению характеристик динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожные конструкции и обработка экспериментальных данных .. 128
4.1 Проведение экспериментальных работ по определению характеристик динамического воздействия транспортных средств на
дорожные конструкции 128
4.2. Обработка данных, полученных в результате экспериментальных работ 136
4.3 Сопоставление результатов численного эксперимента и натурных наблюдений 142
Выводы по главе 4 149
5 Учет динамического воздействия многоосных транспортных средств при проектировании дорожных конструкций и расчете остаточного ресурса эксплуатируемых нежестких дорожных одежд 150
5.1 Учёт воздействия транспортных средств при проектировании нежестких дорожных одежд 150
5.2 расчета суммарного количества приложений расчетной нагрузки за весь срок службы дорожной одежды 157
5.3 Расчет остаточного ресурса дорожной одежды с учётом заданных скоростных режимов движения и степени загрузки автотранспортных средств, а так же учетом изменения показателей ровности дорожного покрытия в процессе эксплуатации 160
Выводы по главе 5 163
Основные результаты и выводы 165
Библиографический список использованных материалов
- Анализ показателей оценки динамического воздействия, транспортных средств на дорожную конструкцию, используемых в российской федерации и за рубежом
- Определение скоростных режимов движения многоосных транспортных средств на автомобильных дорогах
- Входные данные для моделирования проезда автотранспортных средств
- Сопоставление результатов численного эксперимента и натурных наблюдений
Введение к работе
Актуальность исследований.
Значительный прирост интенсивности движения на российских автомобильных дорогах за последние десятилетия, увеличение грузоподъемности транспортных средств и доли многоосных автопоездов в составе грузового транспортного потока (до 45 %) обуславливает увеличение количества и интенсивности приложения транспортных нагрузок к автомобильной дороге в единицу времени. Фактический срок службы дорожных конструкций существенно сократился.
Анализ напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции показал, что основное разрушающее воздействие на автомобильную дорогу производят грузовые многоосные автопоезда, движение которых осуществляется с нагрузками нередко превышающими нормативные.
Действующая методика приведения многоосных транспортных средств к расчетным нагрузкам, изложенная в нормативном документе по проектированию нежестких дорожных одежд (ОДН 218.046-01), не позволяет учесть вариативность многоосных транспортных средств по конструктивным схемам, их скорость движения, распределение нагрузок по осям и их взаимное влияние при расчете дорожных конструкций, что нередко приводит к ошибочным конструктивным решениям.
В настоящее время очевидна необходимость совершенствования методики расчета дорожных конструкций с учетом динамического воздействия многоосных транспортных средств.
Целью диссертационной работы является разработка методики учета динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию в зависимости от параметров скоростных режимов движения, распределения осевых нагрузок автомобилей и ровности дорожного покрытия для определения суммарного количества приложений расчетной нагрузки при проектировании строящихся и расчете остаточного ресурса эксплуатируемых нежестких дорожных одежд.
Для достижения поставленной цели диссертационной работы сформулированы следующие задачи:
- исследование факторов, влияющих на уровень динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию;
- исследование и анализ динамики изменений состава, скоростных режимов движения, осевых и полных нагрузок многоосных грузовых транспортных средств, движущихся в транспортном потоке по автомагистралям Российской Федерации;
- имитационное моделирование динамического воздействия многоосных транспортных средств на покрытие дорожных конструкций с учетом их скоростных режимов движения, осевых нагрузок и ровности покрытия;
- проведение численного эксперимента оценки динамического воздействия многоосных транспортных средств на основе разработанных имитационных моделей;
- проведение опытно-экспериментальных работ по определению характеристик воздействия многоосных транспортных средств на нежёсткие дорожные конструкции и сопоставление с результатами численного эксперимента;
- разработка методики учета динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию на стадии проектирования дорожных конструкций и при расчете остаточного срока службы дорожных одежд.
Объект исследования – воздействие движущихся многоосных транспортных средств на дорожные конструкции.
Методы исследования. Результаты диссертационных исследований получены методами документального изучения, имитационного моделирования, натурного исследования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработаны имитационные модели динамического воздействия многоосных транспортных средств при проезде по покрытию дорожных конструкций с учетом показателя ровности;
- выявлены зависимости динамического коэффициента для наиболее распространенных в РФ конструктивных схем многоосных транспортных средств от скорости движения, осевых нагрузок и продольной ровности дорожного покрытия;
- получена эмпирическая зависимость коэффициентов приведения многоосных транспортных средств к расчетной нагрузке от скорости их движения, распределения осевых нагрузок и продольной ровности дорожного покрытия.
Достоверность результатов, содержащихся в диссертации, и методики обеспечена совокупностью численно-экспериментальных исследований, выполненных на современном оборудовании и сходимостью полученных данных с результатами экспериментальных замеров.
Практическое значение диссертационной работы заключается в следующем:
- на основе имитационного моделирования выявлены типы многоосных транспортных средств оказывающих наибольшее динамическое воздействие на дорожные конструкции;
- разработана методика расчета суммарного количества приложений расчетной нагрузки на стадии проектирования с учетом конструктивных схем многоосных транспортных средств и расчетной скорости движения ;
- разработана методика, позволяющая учитывать реальное воздействие многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию с учетом их скоростных режимов движения, осевых нагрузок и фактической ровности покрытия при расчете дорожных конструкций на стадии эксплуатации.
На защиту выносятся:
- анализ составов транспортных потоков, скоростных режимов движения, распределения осевых нагрузок многоосных транспортных средств, движущихся по автомагистралям Российской Федерации;
- результаты имитационного моделирования динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожные конструкции;
- результаты натурных опытно-экспериментальных исследований воздействия многоосных транспортных средств на нежесткие дорожные конструкции;
- методика расчета суммарного количества приложений расчетной нагрузки на стадии проектирования дорожных одежд и остаточного срока службы на стадии их эксплуатации.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований использовались при составлении научно-технических отчетов по темам НИОКР Росавтодора в 2006 – 2011гг: «Разработка методики оценки динамических перегрузок эксплуатируемых дорожных покрытий для расчета остаточного срока их службы», «Разработка предложений по учету воздействия современного парка многоосных транспортных средств при проектировании нежестких дорожных одежд». Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы».
Апробация результатов исследования
Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство» (г. Ростов-на-Дону, 2007, 2009, 2010, 2011 гг.), на 4-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов, и молодых учёных «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования » (г. Омск, 2011 г.)
Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 18 научных работ, в том числе 5 работ в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации составляет 187 стр., 100 рисунков, 40 таблиц, библиографический список из 107 наименований, приложения.
Анализ показателей оценки динамического воздействия, транспортных средств на дорожную конструкцию, используемых в российской федерации и за рубежом
Одна из ведущих тенденций в современном отечественном и мировом автомобилестроении состоит в непрерывном увеличении доли выпуска в общей массе транспортных средств многоосных автомобилей, прицепов и полуприцепов с числом осей три и более. Появление этих транспортных средств обусловлено взаимодействием двух противоположных факторов: стремлением повысить грузоподъёмность автомобиля и ограничением максимально допустимых осевых нагрузок на дорожные одежды. Многочисленные исследования, проведённые в России и за рубежом, показали, что с точки зрения обеспечения долговечности дорожной одежды предпочтение следует отдавать увеличению числа осей транспортного средства по сравнению с повышением осевых нагрузок [16,18,69,71,72,80,88,91,100,103]. В связи с этим историческое развитие конструктивных схем автотранспортных средств осуществлялось, в основном, по пути увеличения числа осей в различном их сочетании [2].
Опыт эксплуатации многоосных транспортных средств и автопоездов показал, что они имеют следующие преимущества по сравнению с двухосными автомобилями: повышенную производительность (в 1,5 раза и более); себестоимость перевозок на 20—30% ниже в зависимости от расстояния перевозок; расход топлива на 1 т перевозимого груза на 20—30% меньше [10].
Себестоимость серийного производства прицепов и полуприцепов значительно ниже, чем автомобилей соответствующей грузоподъемности, а при эксплуатации автопоездов требуются меньшие капиталовложения в строительство зон хранения подвижного состава, а также сокращается потребность в водительском составе.
В настоящее время грузовые автомобили, согласно конструктивным схемам, можно разделить на три типа:
Помимо этого тягачи могут иметь от одной до трех, а прицепы до пяти спаренных осей. Обычно автопоезд состоит из двух основных элементов (звеньев), но могут быть и многозвенные автопоезда с числом звеньев три и более. Основные компоновочные схемы таких автопоездов показаны на рис. 1.1. По типу связи автопоезда делятся на прицепные, седельные и автопоезда-роспуски. По назначению - на общетранспортные для перевозки различных грузов, иногда называемые универсальными или бортовыми (по виду кузова); специализированные приспособленные для перевозки определенных видов грузов; специальные, предназначенные для перевозки определенных грузов и для выполнения с ними различных технологических операций с помощью специального постоянно смонтированного оборудования.
Важнейшим вопросом для оценки воздействия транспортного потока на дорожные конструкции является обоснованное назначение максимально допустимой осевой нагрузки.
Нормы осевых нагрузок для расчета дорожных одежд устанавливают на основе проведения технико-экономических расчетов, в которых учитываются: фактическая структура автомобильного парка, транспортно-эксплуатационное состояние автомобильных дорог, искусственные сооружений и размеры затрат на их переустройство, реальные возможности государства и сроки осуществления программы работ по внедрению новых норм. По этим причинам принятые в разных странах максимальные осевые нагрузки значительно различаются: от 6 до 13 тс на одиночную ось.
Как в нашей стране, так и за рубежом применительно к автопоездам действуют различные ограничения. Предельно допустимые полные массы общетранспортных и специализированных автопоездов зависят от числа осей и допускаемых на них нагрузок. Например, в нашей стране максимальная полная масса автопоезда при пяти и более осях составляет 40 т. Наибольшая ширина автопоезда — 2,55 м, высота 4,00 м. Наибольшая длина автопоезда — 20,00м. Габаритно-массовые показатели специализированных транспортных средств устанавливаются специальными нормативными документами и, как правило, значительно превышают вышеуказанные значения. Специализированные транспортные средства в работе рассмотрены не будут.
Для многоосных транспортных средств помимо максимальной одиночной осевой нагрузки, существует ограничение нагрузки на оси, расположенные близко друг к другу. Данное ограничение связанно с влиянием нагрузок соседних осей на напряженно-деформированное состояние дорожной конструкции. Так в странах Европейского Сообщества, учитывая разнообразие национальных стандартов, Директивой Совета ЕС 96/5 3/ЕС [12] регламентированы следующие нагрузки на оси транспортных средств, тс (таблица 1.1).
В нашей стране ограничение максимальной нагрузки на оси транспортных средств зависит от расстояния между сближенными осями (таблица 1.2) [43]. Таблица 1.2 -Допустимые нагрузки на оси транспортных средств в РФ
Расстояние между сближенными осями (метров) Значение предельно допустимой осевой нагрузки Для автомобильных дорог, проектирование, строительство и реконструкция которых осуществлялись под нормативную осевую нагрузку транспортного средства 100 кН/10тс. Для автомобильных дорог, проектирование, строительство и реконструкция которых осуществлялись под нормативную осевую нагрузку транспортного средства 115 кН/11,5тс. Несмотря на все положительные стороны использования автопоездов с точки зрения организации перевозок, повышенное разрушающее воздействие многоосных транспортных средств на дорожные конструкции очевидно.
Так, 131-м выпуске «Обобщения практики дорожного строительства в США», выпущенного в рамках Программы национальных объединенных дорожных исследований отмечается, что дороги изнашиваются раньше предусмотренных сроков [8]. Одной из причин разрушения считают недопустимые и незаконные перегрузки грузовых автомобилей, интенсивность движения которых на сети межштатных дорог быстро возрастает. Обследования показали, что в составе транспортных потоков от 10 до 25 % грузовых автомобилей имеют осевые нагрузки, превышающие допустимые пределы. Американской ассоциацией сотрудников дорожных организаций (AASHO) в результате проведения натурных испытаний было установлено влияние перегрузок на долговечность дорожной одежды. Это влияние пропорционально превышению фактических нагрузок над допустимыми примерно в степени 4,5, т.е. с увеличением нагрузки на одну треть долговечность нежесткой дорожной одежды уменьшается приблизительно в 4 раза. Двукратное увеличение нагрузки на одиночную ось приводит к уменьшению долговечности - дорожной одежды в 24-25 раз. Таким образом, данное увеличение осевых нагрузок транспортных средств является разрушительным для дорожных одежд.
В результате проведенных во Франции исследований [46] установлено, что перегруженные оси увеличивают агрессивное воздействие на нежесткие дорожные одежды более, чем на 40 %, на полужесткие дорожные одежды -более чем на 88 %. Во Франции считают, что превышение максимально допустимых нагрузок приводит к колееобразованию.
Исследователи в Финляндии также отмечают [39], что на износ дорог разрушающее влияние оказывают тяжеловесные автомобили. Так, в 1975 г. допустимая осевая нагрузка была повышена с 80 до 100 кН. По результатам эксперимента AASHO это увеличило эффект воздействия нагрузки на 144% и привело к сокращению срока службы дорожных одежд. В таких условиях необходимо усиливать дорожную одежду.
Определение скоростных режимов движения многоосных транспортных средств на автомобильных дорогах
В современном мире глобального роста торговли, ускорения темпов развития торговых отношений, постоянно возрастает уровень грузовых перевозок. В настоящее время автомобильный транспорт обеспечивает свыше 65% перевозок от всего объёма внутренних грузовых перевозок страны. Прогноз объёмов перевозки грузов автомобильным транспортом в Российской Федерации на 2010-2015 годы показан на рисунке 2.1. В процессе международной интеграции значительно возросла роль автомобильного транспорта во внешней торговле. В 2001 году по сравнению с 1990 годом объём перевозок внешнеторговых грузов возрос почти в 12 раз. В 2010 году объём перевозок, по сравнению с 2000 годом увеличился на 17%) (рисунок 2.2).
С каждым годом растет интенсивность движения транспортных средств, увеличивается количество многоосных автомобилей, также увеличивается их скорость движения, масса и вследствие этого - количество осей, что способствует преждевременному разрушению дорожных конструкций. Увеличение интенсивности движения транспортных средств различных типов на примере анализа движения на автомагистрали М-4 «Дон», показано на рисунках 2.3 - 2.4.
К сожалению, установить достаточно точные единые зависимости изменения интенсивности и состава движения в течение года невозможно, так как каждая автомобильная дорога имеет свои особенности формирования транспортного потока. Поэтому основой для практического определения характеристик транспортного потока являются материалы учета, выполняемого службами эксплуатации автомобильных дорог. Учет ведут с распределением автомобилей по группам: легкие грузовые (грузоподъемность до 2 т); средние грузовые (от 2.1 до 5 т); тяжелые грузовые (от 5,1 до 8 т); очень тяжелые грузовые (более 8 т); автомобильные поезда (по соответствующим весовым категориям); легковые автомобили и автобусы.
Анализ материалов учета, выполненного на автомобильных дорогах ЮФО за последние 10 лет, позволил выявить следующие закономерности изменения интенсивности и состава движения: - прирост среднегодовой суточной интенсивности движения составил 30 - 60 % на участках автомагистрали М 4 «Дон», 70 - 90 % на участках автомагистрали «Кавказ», на участках территориальных автомобильных дорог 25 - 50 %; -распределение транспортного потока по видам транспортных средств практически не изменилось и составляет в среднем: 60 - 75 % легковые, 25 — 38 % грузовые, 2 - 4 % автобусы; - состав грузового транспортного потока существенно изменился -значительно выросла доля автопоездов (с 35 % до 50 %). Количество легких и средних грузовых автомобилей в 2007 году осталось на уровне 2001 года.
Учитывая, что наибольшее разрушающее воздействие на дорожные одежды оказывают грузовые автомобили, остановимся подробнее на составе грузового транспортного потока. Расширение экономических связей и интеграция в мировую экономику способствовало расширению номенклатуры автомобилей, а также существенному увеличению доли очень тяжелых грузовых автомобилей и автопоездов (особенно на автомагистралях). Анализируя тенденции развития автомобильного парка, можно привести следующие данные, характеризующие изменение состава движения грузового транспортного потока (таблица 2.1).
Анализ изменения состава грузового транспортного потока за прошедшие тридцать лет показывает, что в последнее время количество многоосных автомобилей с грузоподъёмностью более 8 тонн и автопоездов заметно возросло, а именно эти транспортные средства оказывают на дорожную конструкцию наибольшее разрушающее воздействие.
По данным прогнозируемым Росавтодором (рисунок 2.5) к 2015 году доля автомобилей с грузоподъемностью 8-15 тонн увеличится до 17.3% (увеличение составит 30% по сравнению с 2000 годом), а автопоездов свыше 15 тонн - до 2.3% (увеличение произойдет в 7.7 раза по сравнению с 2000 годом) от общего потока грузовых транспортных средств.
Анализируя изменение интенсивности движения грузовых автомобилей необходимо коснуться вопроса несовершенства существующей системы учета движения. В 2002 году распоряжением Росавтодора 04.11.2002 года № ИС-992-р была утверждена программа «Создание автоматизированной системы учёта интенсивности движения на федеральных автомобильных дорогах на период 2002-2005г.». После её утверждения на сети федеральных дорог активизировались работы по созданию пунктов автоматизированного учета.
В настоящее время автоматизированная система учёта движения включает 452 пункта и представляет собой систему сбора, обработки, передачи и хранения информации о размерах движения транспортных потоков на автомобильных дорогах федерального значения. Данные, полученные с помощью системы автоматизированного учёта, опубликованы в «Сборнике по интенсивности и составу движения с оценкой динамики изменения параметров движения на автомобильных дорогах федерального значения за 2009 год» [50].
Пункты учёта интенсивности и состава движения оборудуются техническими средствами, принцип действия которых основан на различных методах детектирования типов автотранспортных средств. В настоящее время пункты автоматизированного учёта на автомобильных дорогах общего пользования федерального значения оборудованы техническими средствами, основанными па электромагнитном и радиолокационном принципах детектирования автотранспортных средств.
Входные данные для моделирования проезда автотранспортных средств
Следует отметить, что в программном комплексе «Универсальный механизм» имеется возможность задавать различный микропрофиль под правыми и левыми колесами. В связи с большим затруднением получения микропрофиля по правой полосе наката, в нашем случае микропрофиль на правой и левой полосе наката был принят одинаковым, что исключает возможность поперечных колебаний, поэтому данная модель будет рассматриваться как плоская.
На исследуемых участках автомобильная дорога представляет из себя прямую линию в плане, поэтому горизонтальный макропрофиль, также задается прямой линией (рисунок 3.25).
Шероховатость дорожного покрытия главным образом влияет на сцепные качества автомобиля с дорогой и практически не оказывает влияния на колебания автомобиля, а то в представленной работе по оценке динамического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию, она не учитывалась.
Скорость движения автомобиля В программном комплексе «Универсальный механизм» имеются следующие варианты задания продольной скорости движения (рисунок 3.26): Выбег - при данном режиме автомобиль разгоняется, пока не наберёт заданную скорость, после чего автомобиль начинает двигаться по инерции (катиться) до тех пор, пока полностью не остановиться; с постоянной скоростью - тяговый момент поддерживает постоянное значение продольной скорости, заданное значением параметра vO. по профилю - режим поддержания скорости, заданной в файле В данном случае имеется возможность задавать различные режимы движения (равноускоренное движение, разгон и торможение и т. п.)
Примеры задания скорости движения автомобиля профилем а) равноускоренное движение; б) разгон и замедление
В представленной работе принято, что многоосные транспортные средства по автомобильной дороге передвигаются равнопоступательно, следовательно и при моделировании проезда грузового автомобиля по участку автомобильной дороги принято, что транспортное средство движется с постоянной скоростью.
Для более детального рассмотрения динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию от осевой нагрузки и скорости движения, были выбраны два наиболее распространенных автомобиля: трехосный грузового автомобиля, и пятиосный автопоезд, состоящий из двухосного тягача с трехосным полуприцепом. Для данных моделей транспортных средств численный эксперимент был проведен в диапазоне скоростей от 20 до 150 км/ч.
Для остальных разновидностей многоосных транспортных средств были выбраны три основные скорости движения:
40 км/ч - минимальная скорость движения многоосного транспортного средства, выявленного на графике распределения скорости. С данной скоростью движется маломощный, либо сильно загруженный транспорт. Помимо этого, данная скорость может быть обусловлена наличием заторов на автомобильных дорогах;
80 км/ч - максимально разрешенная скорость движения грузовых транспортных средств по автомобильным дорогам РФ (в соответствии с правилами дорожного движения разрешенная скорость движения 70 км/ч плюс 10 километровая буферная зона погрешности изменения скорости) Данная скорость является пиковой на графике скорости движения. Помимо этого, на современных грузовых автомобилях в системе бортового управления ставится ограничение скорости — не более 85 км/ч ;
120 км/ч - максимальная скорость движения транспортного средства, выявленного на графике распределения скорости. Данная скорость является максимальной по паспортным данным для нескольких разновидностей грузовых многоосных автомобилей.
В программном комплексе «Универсальный механизм» для многомодульных транспортных средств масса каждого его звена задается отдельно (масса тягача, масса прицепов). В зависимости от сочетаний массы кузова, массы рамы, кабины осевые нагрузки существенно различаются, поэтому для моделей предложенных автомобилей были максимально близко подобраны распределения нагрузок в зависимости от их конструкции.
Для наиболее распространенных автомобилей был проведен численный эксперимент во всем диапазоне их возможной загрузки, в частности, масса для трехосного грузового автомобиля изменялась от 12250 кг до 35000 кг, для пятиосного автопоезда, состоящего из двухосного тягача с трехосным полуприцепом от 14818 кг до 50000 кг.
Для остальных разновидностей многоосных транспортных средств было выбрано три основных вида нагрузки: масса транспортного средства без груза, масса транспортного средства с грузом, масса транспортного средства с превышением допустимой нагрузки. Снаряженную массу транспортных средств (без груза) устанавливали по техническим паспортам автомобилей и прицепов. Нагрузки в загруженном состоянии и в состоянии перегрузки получали путем увеличения массы перевозимого груза. Для основных компоновочных схем, были получены модели, нагрузки на оси которых приведены в таблице 3.6. Данные нагрузки подбирались исходя из среднестатистических нагрузок в потоке.
Моделирование динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожную одежду
Исследование динамики автомобиля начинается с определения положения равновесия. Модель автомобиля при нулевых координатах, как правило, довольно далека от положения равновесия. И если начинать моделирование движения автомобиля не из положения равновесия, то это приведет к появлению переходного процесса в решении. Тест равновесия позволяет: определить начальные значения координат, соответствующие положению равновесия; вычислить статическую нагрузку и деформацию колес; определить значения активных сил в положении равновесия.
Сопоставление результатов численного эксперимента и натурных наблюдений
После проезда транспортного средства по исследуемому участку автомобильной дороги получены результаты непрерывной регистрации сигнала, записанные на жесткий диск компьютера, представленные в виде массивов равномерно дискретизированных во времени отсчетов.
Дальнейшая обработка указанных массивов данных производится с помощью исследовательского комплекта программного обеспечения (ПО) визуализации и анализа экспериментальных данных. Данный комплект ПО состоит из ряда базовых программных модулей и подключаемых собственных модулей, обеспечивающих обработку сигналов во временной и частотной областях в том числе цифровую фильтрацию, корреляционную обработку сигналов, хранение в базе данных сигналов и результатов их обработки.
Анализ экспериментальных данных осуществляется на основе зарегистрированных амплитудно-временных (АВХ) и амплитудно-частотных (АЧХ) характеристик регистрируемого сигнала. Амплитудно-временная характеристика позволяет оценить максимальные амплитуды ускорения при проезде транспортных средств по микропрофилю поверхности дорожного покрытия. Амплитудно-частотная характеристика позволяет выявить преобладающие частоты в спектре колебаний конструктивных элементов транспортного средства.
С помощью многоканального измерительного комплекса в режиме реального времени на жестком диске регистрируются параметры эксперимента и данные измерений. Эти данные для каждого эксперимента записываются в виде двух файлов: файла параметров и файла данных.
Файл параметров содержит сведения о дате и времени проведения эксперимента, количестве каналов, частоте дискретизации, количестве отсчетов по каждому каналу и др. Файл данных содержит записи амплитуд ускорений по каждому каналу с заданной частотой дискретизации, то есть амплитудно-временные характеристики ускорений по всем задействованным каналам АЦП.
Амплитудно-временная и амплитудно-частотная характеристики ускорения подрессоренной и неподрессоренных масс, при движении транспортных средств по участкам с различной ровностью (участок автомобильной дороги «Азов-Староминская» 23 км, протяженностью 500 метров имеющий показатель ровности по международному индексу IRI - 6 m/km и участок автомобильной дороги «Азов-Староминская» 45 км, протяженностью 500 метров имеющий показатель ровности по международному индексу IRI - 8,3 m/km и) приведены, на рисунках 4.5-4.8 для трехосного грузового автомобиля, на рисунках 4.9-4.12 - для пятиосного автопоезда.
Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:
1. Амплитудно-частотная (АЧХ) характеристика регистрируемого сигнала имеет ярко выраженный всплеск на частоте 8-12 Гц. Распределение частотного спектра при этом происходит в диапазоне 1—25 Гц.
2. Период собственных колебаний неподрессоренной массы трёхосного грузового автомобиля составляет 0,067-0,2 с, что соответствует частоте 5-15 Гц. При совпадении вынужденных и собственных колебаний неподрессоренной массы автомобиля возможно возникновение динамических перегрузок. Для трёхосного автомобиля при скорости движения 40 км/ч, длина волны неровностей, генерирующих вынужденные колебания в опасном диапазоне частот находится в пределах 0,74 - 2,22 м, при 80 км/ч 1,49-4,4 м, а при 100 км/ч 1,86 - 5,56м.
3. Период собственных колебаний неподрессоренной массы пятиосного автопоезда составляет 0,063-0,14 с, что соответствует частоте 7 -16 Гц. Для пятиосного автопоезда при скорости движения 40 км/ч, длина волны неровностей, генерирующих вынужденные колебания в опасном диапазоне частот находится в пределах 0,70 - 1,56 м, при 80 км/ч 1,40-3,11 м, а при 100 км/ч 1,75 - 3,88м.
Как при проведении экспериментальных замеров, так и в результате проведения численного эксперимента были получены амплитудно-временные (АВХ) и амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) ускорения неподрессоренных и подрессоренных частей автомобилей при проезде по рассматриваемым участкам. Это позволяет сравнить результаты между собой и установить степень соответствия данных, полученных в результате численного эксперимента с данными, полученными в результате экспериментальных замеров. Чтобы избавиться от погрешностей, которые имели место при проведении экспериментальных замеров, для сравнения будем использовать интегральную оценку (ИнтОц), как количественную характеристику интенсивности колебаний различных частей транспортного средства при проезде по участку автомобильной дороги. Вычисление интегральной оценки производится в заданном диапазоне частот по формуле (4.1).
Графическое представление расчетных и экспериментальных результатов (рисунки 4.13 - 4.20, таблицы 4.2 - 4.5) подтверждает их хорошую сходимость, что свидетельствует о возможности использования для анализа динамического воздействия транспортных средств на участках автомобильных дорог как результатов численного эксперимента, так и экспериментального метода, позволяющего в ходе полевых испытаний получать временную функцию ускорения колебаний неподрессоренных масс автомобиля.
