Методика анализа изменения коэффициента динамичности

6.3.1 Грузовые транспортные средства имеют близкие значения собственных частот и движутся по автомобильной дороге заданного микропрофиля с приблизительно одинаковой скоростью. Наибольшие значения динамических нагрузок реализуются на ограниченных участках автомобильной дороги (пространственная повторяемость динамических нагрузок), где дорожное покрытие подвержено ускоренному усталостному разрушению. О нарушении условия безотрывного движения свидетельствует отрицательное значение контактного усилия между колесом и автомобильной дорогой. При коэффициенте динамичности более 2,0 возможен отрыв колес транспортного средства от поверхности проезжей части.

При моделировании динамического воздействия транспортных средств на участках с плохой ровностью (при скорости грузового транспортного средства 80 км/ч средний коэффициент динамичности обычно больше 1,1, максимальный коэффициент динамичности - больше 1,6) рекомендуется проверка условия безотрывного движения на заданных скоростных режимах.

При уменьшении осевой нагрузки коэффициент динамичности увели-чивается. Это связано с характеристиками транспортного средства, с соотно-шением подрессоренной и неподрессоренной массы. На участках с неудовлет-ворительным показателем ровности максимальный коэффициент динамично-сти превышает нормативное значение 1,3 на всем диапазоне изменения осевой нагрузки, а на участках с удовлетворительным показателем ровности - при малом соотношении подрессоренной и неподрессоренной массы.

Средний коэффициент динамичности для достаточно ровных участков автомобильных дорог незначительно повышается с уменьшением осевой нагрузки, но не превышает значения 1,2 на всем диапазоне ее изменения.

6.3.2 Динамическое воздействие нагрузки учитывается при проектировании дорожных одежд. Известны результаты П.И.Теляева и Ю.И.Смирнова, полученные в Ленинградском филиале Союздорнии в 1980-х годах. Эксперименты были проведены в том числе на участках, продольный профиль которых был замерен, где записывали вертикальную нагрузку в движении. Считая предельно допустимой продольную неровность высотой 7 мм, с обеспеченностью 95% при скорости движения грузового автомобиля 80 км/ч был получен коэффициент динамичности 1,3, а для неровности высотой 10 мм при скорости 60 км/ч - коэффициент динамичности 1,33.

6.2.3 Е.В.Угловой на основе анализа максимального коэффициента динамичности на 5,0 % протяженности участка (расчеты выполнены для 38 участков автомобильных дорог) предложены следующие значения коэффициента динамичности для участков с обеспеченным показателем ровности (таблица 6.4) [21].

Таблица 6.4 Предложенные значения коэффициента динамичности для расчета нежестких дорожных одежд

Осевая масса автомобиля, т	2	4	6	8	10	12
Кдин95%	1,4	1,3	1,2	1,18	1,15	1,1

 

6.2.4 Для участков автомобильных дорог с неудовлетворительной ровностью коэффициенты динамичности следует рассчитывать на основе модели взаимодействия «транспортное средство - дорога», так как на этих участках наблюдается значительный разброс величин коэффициента динамичности (от 1,2 до 2,5) в зависимости от микропрофиля дорожного покрытия, осевой нагрузки и скорости движения автомобиля.

6.2.5 Для оценки влияния ровности эксплуатируемых дорожных покрытий на уровень динамического воздействия транспортных средств рекомендуется выполнять расчет коэффициентов приведения транспортных средств к расчетной нагрузке с учетом их динамического воздействия на участках автомобильных дорог с различным показателем ровности.

6.2.6 В качестве расчетного коэффициента динамичности эксплуати-руемых автомобильных дорог рекомендуется принимать значение максималь-ного коэффициента динамичности заданной вероятности, полученного методом моделирования динамического воздействия грузового транспортного средства при проезде по заданному участку со скоростью 80 км/ч.

 

6.2.7 При движении транспортного средства на малых скоростях (20–30 км/ч) перемещения массы подрессоренной, т.е. кузов с грузом, и массы неподрессоренной, т.е. колеса и оси, совершаются одновременно и ускорения этих масс имеют одинаковые величины, стремящиеся к нулю, а вертикальное давление равно статической нагрузке. При увеличении скорости движения (40–60 км/ч) наблюдается выделение колебаний подрессоренной массы на рессорах с частотой 1-2 Гц, соответствующей собственной частоте колебаний подрессоренной массы, что сопровождается нарушением синхронности колебаний подрессоренной и неподрессоренной масс. Подрессоренная масса обладает большой амплитудой колебаний, которые могут превысить высоту неровности. При этом увеличивается динамическое воздействие.

Дальнейшему увеличению скорости движения транспортного средства сопутствует появление более высоких частот колебаний (8–12 Гц); при резонансе, когда в наибольшей мере выявлены инерционные силы неподрессоренных масс, интенсивность колебаний и вертикальное давление достигают максимальной величины. В зависимости от длины неровности и скорости движения транспортного средства появляются колебания, свойственные неподрессоренной массе, либо колебания, характерные для подрессоренных масс, либо же оба вида колебаний одновременно.

6.2.7 Выбор значения коэффициента динамичности в качестве расчетного при оценке динамического воздействия транспортного средства на дорожное покрытие производится следующим образом.

Даже при неудовлетворительной ровности дорожного покрытия среднее значение коэффициента динамичности в редких случаях превышает значение 1,3 (таблица 6.5).

 

Таблица 6.5 – Сравнение характеристик динамического воздействия при проезде автомобиля МАЗ по опытным участкам автомобильных дорог

Скорость движения	Участок №1		Участок №2		Участок №3
	показатель ровности по толчкомеру 60 см/км		показатель ровности по толчкомеру 80 см/км		показатель ровности по толчкомеру 290 см/км
	Кд сред	Кд макс	Кд сред	Кд макс	Кд сред	Кд макс
20 км/ч	1,02	1,15	1,04	1,25	1,05	1,32
60 км/ч	1,06	1,27	1,09	1,44	1,16	1,74
90 км/ч	1,11	1,35	1,25	1,77	1,29	1,91

Максимальное значение коэффициента динамичности на участке автомобильной дороги при удовлетворительной ровности покрытия может существенно превышать нормативную величину - 1,3, что связано с локальными неровностями на участке.

6.2.8 Подвижная нагрузка создает в монолитном слое растягивающие напряжения, превосходящие в 1,5 раза для ровного покрытия и в 2,3 раза для неровного величину напряжений, возникающих при статическом нагружении.

При учете нагружения дорожного покрытия динамические проявления от воздействия перемещающегося по дороге грузового транспортного средства можно рассматривать как набор контактных напряжений на поверхности дорожного покрытия, зависящий от времени.

6.2.9 При использовании математического моделирования рекомендуется учитывать, что статическая нагрузка прикладывается от каждого колеса транспортного средства; динамическая составляющая учитывается в нагрузке каждого колеса; характер распределения давления по площади отпечатка колеса зависит от типа шин.

6.2.10 При оценке влияния динамических нагрузок на повреждения автомобильной дороги рекомендуется использовать два подхода:

1) первый опирается на статистический анализ транспортных нагрузок и использование «четвертого степенного закона», показывающего степень повреждения дорожной конструкции при движении нагрузок;

2) второй включает вычисление теоретического ущерба, нанесенного автомобильной дороге при прохождении одного или более транспортных средств, путем вычисления с использованием модели реакции дорожной конструкции на действие движущейся динамической нагрузки.

6.2.11 В ряде случаев предполагают, что дорожное повреждение зависит от четвертой степени моментной нагрузки на колесо транспортного средства.

Учитывая, что динамические нагрузки на колесо транспортного средства подчиняются нормальному закону распределения, получено, что коэффициент напряжения равен [26]:

                              , (6.16)

где P(t) - моментная нагрузка на колесо во время t; P_stat = E [ P (t)], s = b / m

- статическая (средняя) нагрузка на колесо; s - коэффициент вариации динамической нагрузки на колесо; b - среднеквадратичное отклонение; m - среднее значение (коэффициент динамической нагрузки DLC); E - оператор ожидания.

6.2.12 Усталостное разрушение чувствительно к пиковым динамическим нагрузкам, поэтому оно происходит сначала в локализованных областях, где динамические нагрузки высоки.

6.2.13 При исследовании динамического воздействия транспортного средства на конструкцию дорожной одежды в работах Угловой Е.В. использовалась математическая модель взаимодействия «автомобиль – дорожное покрытие» [21].

Рассматривается, что транспортное средство при проезде по неровному дорожному покрытию совершает колебательные движения, оказывая при этом дополнительные динамические перегрузки. При движении транспортного сре-дства на участке с периодически повторяющимися неровностями колебания его подрессоренной и неподрессоренной части совершаются с некоторой частотой.

Предложенный в работах Угловой Е.В. подход реализован ею в виде программы средствами пакета MathCad (рисунок 6.4). Этот подход рекомендуется к расширенному применению [21].

Результаты моделирования динамического воздействия транспортных средств с учетом микропрофиля поверхности дорожного покрытия, выполненные для эксплуатируемых участков автомобильных дорог, позволили установить следующие закономерности:

1) Средний коэффициент динамичности на заданном участке позволяет провести сравнительных анализ участков автомобильных дорог по уровню динамического воздействия транспортных средств. На достаточно ровных участках (с нормативным показателем ровности) средний коэффициент динамичности при эксплуатационных скоростных режимах движения 60÷120 км/ч не превышает значения 1,15. На неровных участках средний коэффициент динамичности достигает значения 1,3÷1,45.

2) Средний коэффициент динамичности не позволяет выявлять динамические перегрузки, связанные с локальными неровностями, а также прогнозировать развитие деформаций и поврежденностей (накопление неровностей) дорожного покрытия.

Максимальный коэффициент динамичности на ровных участках при скорости движения 60÷120 км/ч составляет 1,3÷1,8 для легкового и 1,2÷1,5 для грузового транспортных средств.

Максимальный коэффициент динамичности связан с одиночной неровностью дорожного покрытия и не отражает уровень динамического воздействия транспортных средств на всем участке автомобильной дороги. На неровных участках максимальные коэффициенты динамичности для легкового транспортного средства достигают значения от 2,5 до 2,8, для грузового – от 2,0 до 2,2.

Микропрофиль (длина волны от 0,2 до 80 м) вызывает интенсивные колебания неподрессоренных и подрессоренной частей автомобиля, и по характеру воздействия на колебательные системы автомобиля делится на коротковолновый диапазон (от 0,2 до 3,5 м), средневолновый (от 3,5 до 15 м) и длинно-волновый (от 15 до 80 м).

Дорожный диапазон неровностей существенно влияющих на колебания автомобиля находится в пределах от 0,2 до 80 м, что следует учитывать при построении цифровой модели поверхности автомобильной дороги для моделирования динамического воздействия транспортных средств на дорожное покрытие.