Библиографическое описание:

Кычкин В. И., Юшков В. С. Резонансные колебания при движении автотранспортного средства по виброполосе // Молодой ученый. — 2013. — №3. — С. 65-68.



Проблема аварийности на автотранспорте имеет важную роль в последнее десятилетие в связи с несоответствием существующей дорожно-транспортной инфраструктуры потребностям общества и государства в безопасном дорожном движении, недостаточной эффективностью функционирования системы обеспечения безопасности дорожного движения, крайне низкой дисциплиной участников дорожного движения [1, 10, 11].

Мероприятия, позволившие добиться снижение аварийности на автомобильных дорогах, связаны с внедрением, прежде всего, с принудительным ограничением скорости автотранспортных средств (АТС) в местах повышенной опасности [2]. Одним из путей решения этой проблемы является создание конструктивных элементов на дорожной одежде, способствующих генерации колебаний транспортных средств в режимах некомфортного восприятия водителем условий движения, что ведет к изменению параметров движения по направлению и скорости. Для выбора оптимальных параметров такой конструкции необходимы математические модели, включающие в себя особенности тактильного восприятия водителем наличия виброполосы, характеристики автотранспортных средств, скорость движения, общую длину полосы, глубину, ширину и шаг неровностей, материалы элементов конструкции виброполосы, дорожного покрытия и основания [3].

Виброполоса является конструктивным элементом дороги и в свою очередь определяет совокупные транспортно — эксплуатационные характеристики участка ее расположения, на котором этот элемент является средством снижения риска возможного дорожно-транспортного происшествия.

При наличии неровностей на поверхности автомобильной дороги в виде виброполосы, проведенные нами исследования позволяют определить основные ее параметры при движении АТС со скоростью 60 км/ч и шагом неровностей виброполосы 200 мм: глубина конструктивного элемента виброполосы 20…30 мм, ширина полосы может быть принята 150…200 мм, длина виброполосы выбирается в зависимости от продольного и поперечного профилей автомобильной дороги. С ростом скорости движения автомобиля и уменьшением длины волны неровностей существенного влияния глубины конструктивного элемента не наблюдается, что позволяет принять этот параметр на уровне 40 мм. При этом достигаются виброускорения в пределах 2,1 м/с2.

На следующем этапе рассматривается вибронагружение дорожной конструкции в следствие движения АТС по виброполосе. Принимая принципы расчета линейных упругих систем, рассмотрим динамическую модель дорожной конструкции и виброполосы с одной степенью свободы, с учетом вязко — упругих свойств материалов конструкции. Диссипативные силы принимаются пропорциональными скоростям. Ударный импульс представлен в форме полуволны синусоиды и из спектра нагрузки выделены частоты 8…20 Гц.

Действующие нагрузки являются квазистационарными с полимодальным распределением вероятностей. Накопленные остаточные деформации не определяются какой-либо одной нагрузкой, и характеризуются всей их совокупностью с учетом стохастичности. В связи с этим требуется разработка методики учета всех разновидностей режимов нагружения по долям их участия в формировании основных статистик распределения вероятности воздействий в каждом сегменте пути [4].

Определим единичное перемещение основания по зависимости [5]:

,

где P0, — параметры нагрузки; Q, ξ, , параметры процесса; t — время; m — активная масса.

, , , , ,

где — коэффициент поглощения строительных материалов 0,25; — частота внешней силы; — собственная частота; С — жесткость; К — коэффициент согласования 1,13; F — площадь штампа.

По разработанной математической модели были проведены имитационные расчеты перемещений дорожного покрытия (рис. 1). Колебания носят затухающий характер при расчетном коэффициенте затухания. Максимальное значение амплитуды перемещения наблюдается при t = 0,02–0,03 с.

Рис. 1. График зависимости динамического прогиба от времени при Е = 200 кг/см2


Полимодальное действие внешней нагрузки представлено на рис. 2, 3. По результатам расчетов отметим, что в системе имеет место резонанс, например, при Е = 200 кг/см2 и t = 0,01 с резонанс наступает при частоте 14 Гц. При Е = 500 кг/см2 резонанс смещается в сторону увеличения частоты и наблюдается при частоте 21 Гц.

Рис. 2. График зависимости динамического прогиба от частоты нагружения при Е = 200 кг/см2

Рис. 3. График зависимости динамического прогиба от частоты нагружения при Е = 500 кг/см2


Проведены также расчеты статического модуля упругости по формуле:

,

где Р — давление в месте контакта; D — диаметр эквивалентного штампа; — коэффициент Пуассона материала основания; y — прогиб.

Результаты расчетов приведены на рис. 4. В качестве примера рассмотрено отношение динамического модуля к статическому при действии нагрузки 25 кН с частотой 8 Гц. Это отношение составило . В работе [6] указано, что с ростом скорости движения с 10 до 130 км/ч динамический модуль упругости может вырасти в 12 раз, а напряжение сжатия на поверхности основания могут увеличиться больше, чем на 20 %.

Рис. 4. Статический модуль основания в функции прогиба


В работе также рассмотрена двухмассовая модель дорожной конструкции для динамической идентификации деформационного состояния дорожной конструкции при свободных колебаниях [7, 8, 9]:

,

где m1 и m2 — массы верхнего и нижнего слоя; С1 и С2 — коэффициент жесткости дорожного покрытия и основания; у1 и у2 — перемещение первой и второй масс.

Если виброперемещения представить в виде у1=А1sint1) и у22sint2), то соответствующие преобразования дают соотношение для определения собственных частот:

, с-1

Методика расчета реализована при допущении: формирование жесткостей слоев С1 и С2 до расчетного значения происходит во времени намного большее, чем время действия штатной или тестовой нагрузки.

Для определения амплитуд колебаний двухмассовой системы без учета затухания представим решения дифференциальных уравнений движения в виде:

,

где - амплитуды колебаний по обеим гармоникам; - фазы колебаний.

Для определения коэффициентов воспользуемся отношением амплитуд составляющих гармоник, соответственно для первой и второй частоты:

, , , , , .

Для исследование влияния параметров состояния слоев основания дороги на спектр собственных колебаний конструкций воспользуемся пакетом программ Mathcad.

Результаты моделирования колебаний дорожного покрытия и слоев основания с учетом динамической жесткости дорожной конструкции приведены на рис. 5, из которого видно, что перемещение слоев происходит в противофазе (относительная влажность w/w0 = 0,5 %, Еу — модуль упругости основания).


Рис. 5. Результаты расчетов вибрационных перемещений слоев дорожной конструкции


Математическая модель и результаты расчетов являются составной частью программного обеспечения диагностических процедур оценки динамического модуля материалов дорожной конструкции в режимах их нагружения АТС движущихся по виброполосе [12]. Это является основой разработки метода оценки, прогнозирования и повышения эффективности функционального назначения виброполосы для достижения цели снижения ДТП при анализе деформативности дорожной конструкции.


Литература:

  1. Кычкин В. И., Юшков В. С. Математическая модель создания некомфортных условий при движении автомобиля по виброполосе // «Инновации в науке». Часть I г. Новосибирск 2012 г. С 73–80.

  2. Илиополов С. К., Селезнев М. Г., Углова Е. В. Динамика дорожных конструкций. Ростов Н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2002. — 258 с.

  3. Смирнов А. В., Андреева Е. В., Кузин Н. В. Гашение колебаний и резонанс в дорожных конструкциях // М.: Наука и техника в дорожной отрасли. № 3–2006. С. 39–41.

  4. Кычкин В. И., Мунасипов И. И. Разработка и исследование математической модели вибродиагностики подшпального основания трамвайных путей // Вестник ПНИПУ. — 2012 № 1. — С. 119–127.

  5. Саргсян А. Е. Строительная механика. Механика инженерных конструкций: Учеб. для вузов / А. Е. Саргсян. — М.: Высш. шк., — 462 с.

  6. Zhao Yan ging, Yu Xin, Tan Yi giu Beijing gongye daxue xuebao // J. Beijing Univ. Technol. 2010. 36, № 9, с. 1253–1257.

  7. Кычкин В. И., Юшков В. С. Перспективный метод отраслевой системы вибродиагностики автомобильных дорог // Журнал «Молодой ученый» № 11 Чита 2012 г. С. 65–68.

  8. Кычкин В. И., Юшков В. С. Неразрушающий динамический метод контроля дорожных одежд // Интернет-журнал «Науковедение». 2013 № 1 (14) [Электронный ресурс].- М. 2013. — Режим доступа: http://naukovedenie.ru/sbornik14/34tvn113.pdf.

  9. Юшков Б. С., Юшков В. С., Кычкин В. И. Конструктивные особенности виброполосы в качестве дорожной разметки // Журнал «Народное хозяйство. Вопросы инновационного развития». Изд-во МИИ наука Москва № 2 2012 г. С. 71–75.

  10. Юшков В. С. Новые подходы по нанесению горизонтальной дорожной разметки // Приволжский научный вестник № 2. Издательский центр Научного просвещения. Ижевск 2012 г. С. 17–19.

  11. Юшков В. С. Шумовые полосы для снижения аварийности на автомобильных дорогах // Журнал «Молодой ученый» № 3 Чита 2012 г. С. 86–87.

  12. Юшков Б. С., Кычкин В. И., Юшков В. С., Отчик Е. А. Разработка математической модели взаимодействия автомобиля и шумовой полосы // Вестник ПНИПУ «Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности» № 2 Пермь 2012 г. С. 79–85.




Основные термины (генерируются автоматически): дорожной конструкции, зависимости динамического прогиба, График зависимости динамического, модель дорожной конструкции, дорожного покрытия, ростом скорости движения, слоев основания, вибронагружение дорожной конструкции, дорожной разметки, жесткости дорожной конструкции, состояния дорожной конструкции, математической модели, деформативности дорожной конструкции, материалов дорожной конструкции, частоты нагружения, дорожного движения, элементов конструкции виброполосы, динамическую модель дорожной, слоев основания дороги, Журнал «Молодой ученый».

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос