Методическое пособие 767

Научный журнал строительства и архитектуры

16.Hollerbach, J. M. A Recursive Formulation of Lagrangian Manipulator Dynamics / J. M. Hollerbach // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics. — 1980. — Vol. 10, № 11. — P. 730—736.

17.Kahn, M. E. The Near-Minimum-Time Control of Open-Loop Articulated Kinematic Chains / M. E. Kahn, B. Roth // Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control. — 1971. — № 93. — P. 164—172.

18.Renaud, N. An Efficient Iterative Analytical Procedure for Obtaining a Robot Manipulator Dynamic Model / N. Renaud // Proceedings of First International Symposium of Robotics Research. — Bretton Woods, New Hampshire, USA, 1983. — P. 749—762.

19.Uicker, J. J. Dynamic Force Analysis of Spatial Linkages / J. J. Uicker // Transactions of the ASME Journal of Applied Mechanics. — 1976. — Vol. 34 — P. 418—424.

20.Vukobratovich, M. New Method for Real-Time Manipulator Dynamic Model, Forming on Microcomputers / M. Vukobratovich, N. Kircanski // Proceeding of First Yugoslav-Soviet Symposium on Applied Robotics. — Moscow, 1983. — P. 60—65.

21.Yang, A. T. Inertia Force Analysis of Spatial Mechanisms / A. T. Yang // Transactions of the ASME Journal of Engineering for Industry, February, 1971. — P. 39—46.

ROBOT WITH AN ANGULAR COORDINATE SYSTEM

FOR INSTALLATION OF SUBWAY SLEEPERS

V. A. Medvedev 1, V. L. Burkovskii 2, V. A. Trubetskoi 3, A. K. Mukonin4

Voronezh State Technical University 1, 2, 3, 4

Russia, Voronezh

1PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Electric Drive, Automation and Control in Technical Systems, tel.: (473)243-77-20, e-mail: va.medved60@yandex.ru

2D. Sc. in Engineering, Prof., Head of the Dept. of Electric Drive, Automation and Control in Technical Systems, Honored scientist of the Russian Federation, tel.: (473) 243-76-87, e-mail: bvl@vorstu.ru

3PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Electric Drive, Automation and Control in Technical Systems, tel.: (473)243-77-20

4PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Electric Drive, Automation and Control in Technical Systems, tel.: (473)243-77-20

Statement of the problem. The article deals with the questions of designing a manipulation robot for the installation of metro ties. In order to reproduce the required trajectories at high motion speeds of manipulator links, the task is to develop its dynamic model as well as the structure of a microprocessor system of dynamic control of a manipulator.

Results. The equations of dynamics of a three-coordinate manipulator with an angular coordinate system in differential and vector form of recording are obtained providing the solution of the inverse problem of dynamics. The structure of the microprocessor system of dynamic control by a three-link manipulator with an angular coordinate system is developed.

Conclusions. It is advisable to use three-coordinate manipulators with an angular coordinate system in a limited metro space. As controlling impacts on the drives of the robot for the installation of ties are formed, it is rational to use a method of dynamic control while developing a dynamic model of the manipulator based on its design scheme and the Lagrange method.

Keywords: robot for the installation of ties, manipulator, dynamic model, dynamic control, angular coordinate system.

РФФИОБЪЯВЛЕНЫ

региональные конкурсы проектов фундаментальных научных исследований

Заявки принимаются до: 01.07.2019 23:59

Подробнее см. на официальном сайте РФФИ: https://www.rfbr.ru.

120

DOI 10.25987/VSTU.2019.54.2.011

УДК 625.7/.8

НОВЫЙ ПОДХОД К МОНИТОРИНГУ СОСТОЯНИЯ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

А. Н. Тиратурян 1

Донской государственный технический университет 1 Россия, г. Ростов-на-Дону

1 Канд. техн. наук, доц. кафедры автомобильных дорог, тел.: +7-951-820-03-03, e-mail: tiraturjan@list.ru

Постановка задачи. Обеспечение увеличенных межремонтных сроков службы нежестких дорожных одежд требует значительного совершенствования организационно-технических механизмов управления их состоянием. Одним из таких элементов является мониторинг состояния нежестких дорожных одежд, которому в дорожной практике РФ уделяется недостаточное внимание. Разработка концептуальных основ мониторинга состояния нежестких дорожных одежд и является основной целью данного исследования.

Результаты. В качестве основного параметра, характеризующего состояние нежесткой дорожной одежды, предлагается использовать плотность рассеиваемой энергии при проезде расчетного автомобиля, определяемую исходя из площади динамической петли гистерезиса. В статье рассмотрены методы построения динамических петель гистерезиса на стадии проектирования и стадии эксплуатации. Представлены результаты натурных и камеральных исследований по установлению статистических законов распределения структурных параметров нежестких дорожных одежд на стадии эксплуатации.

Выводы. Разработан новый подход к мониторингу состояния нежестких дорожных одежд, базирующийся на анализе плотности рассеивания энергии в структуре дорожной одежды и учитывающий стохастический характер распределения ее основных структурных параметров, позволяющий осуществлять оперативное планирование и управление техническим состоянием нежестких дорожных одежд.

Ключевые слова: дорожная одежда, технический мониторинг, остаточный ресурс, плотность рассеиваемой энергии, петля динамического гистерезиса, коэффициент демпфирования.

Введение. Переход на 24-летние межремонтные сроки службы нежестких дорожных одежд ставит новые задачи по совершенствованию механизмов управления их состоянием. В последние годы значительно обновилась номенклатура диагностического оборудования для инструментальной оценки их состояния, разработан и развит ряд эффективных решений, позволяющих эффективно интегрировать это оборудование в действующую нормативнотехническую базу Российской Федерации.

Одним из путей решения данной задачи является формирование эффективных механизмов принятия управленческих решений. Существуют единые комплексные системы управления состоянием дорожных одежд, базирующиеся на основных положениях ОДН 218.0.006-2002 [1, 3, 4, 12]. Применяются отдельные подходы к управлению состоянием нежестких дорожных одежд на основе оценки их остаточного ресурса [2, 5, 10, 13] и предпроектной оценки состояния дорожных одежд [16—18]. При этом нельзя не отметить, что одним из важнейших элементов в любой системе управления состоянием является мониторинг. В отечественной дорожной отрасли данное понятие воспринимается несколько поверхностно, подразумевая лишь систематическое проведение мероприятий по оценке состояния дорожной одежды для оценки скорости ее ухудшения [8, 14]. Анализ зарубежных исследований по-

© Тиратурян А. Н., 2019

121

Научный журнал строительства и архитектуры

казывает, что основное внимание уделяется созданию новых технологий сбора, хранения и систематизации информации о состоянии дорожных одежд [11, 17, 19]. В то же время определение технического мониторинга, регламентируемое ГОСТ Р 54257-2010 «Надежность строительных конструкций и оснований», несравнимо шире и подразумевает систематическое наблюдение за состоянием конструкций с целью контроля их качества, оценки соответствия проектным решениям и нормативным требованиям, прогноза фактической несущей способности и прогнозирования на этой основе остаточного ресурса сооружения, принятие обоснованных решений о продлении срока безаварийной эксплуатации объекта.

1. Моделирование эффекта динамического гистерезиса на поверхности дорожной одежды при воздействии расчетного автомобиля. Существующая система показателей со-

стояния автомобильных дорог подразумевает определение комплекса эксплуатационных (продольной ровности, коэффициента сцепления, колейности) и структурных характеристик нежестких дорожных одежд (общего модуля упругости, среднего балла по визуальной оценки). В то же время отсутствует энергетический параметр, характеризующий состояние дорожной конструкции и учитывающий влияние всех вышеприведенных факторов. Таким параметром может выступать плотность рассеиваемой энергии при проезде расчетного автомобиля, определяемая как:

где левая часть приведенного выражения определяет потери энергии в среде под воздействием поверхностного источника с пятном контакта Ω; σij, εij — напряжения и деформации на поверхности дорожной конструкции; Епов — энергия, уносимая на бесконечность поверхностными волнами; ЕP,S — энергия объемных волн;Е* — величина энергии, рассеиваемой в структуре дорожной конструкции за счет проявления вязких свойств и внутренних аномалий.

Рассчитать данный показатель возможно исходя из площади динамической петли гистерезиса [9, 25], получаемой при моделировании проезда колеса расчетного автомобиля по поверхности покрытия. Решение данной задачи осуществляется путем применения механи- ко-математического моделирования динамического напряженно-деформированного состояния (НДС) нежесткой дорожной одежды. Математическая модель базируется на решении систем граничных интегральных уравнений и описана в [11, 25].

При этом учитывая, что в реальных условиях при взаимодействии колеса транспортного средства с покрытием дорожной одежды в ее структуре формируется пространственное динамическое НДС, плотность энергии целесообразно рассчитывать по формуле

где W — плотность рассеянной энергии, Дж/м3.

Подробно результаты численного моделирования плотности рассеиваемой энергии для различных конструкций дорожных одежд с различным соотношением жесткостей слоев представлены в [25].

2. Восстановление параметров динамического напряженно-деформированного состояния нежесткой дорожной одежды на этапе эксплуатации. Реализация системы техни-

ческого мониторинга состояния нежесткой дорожной одежды предполагает возможность получения аналогичных параметров и на стадии эксплуатации дорожной одежды, что требует восстановления параметров ее динамического НДС.

Применение современного оборудования и программных комплексов позволяет осуществлять определение модулей упругости конструктивных слоев нежестких дорожных одежд на стадии эксплуатации по результатам регистрации чаш упругих прогибов [6, 7, 22, 23]. В

122

то же время площадь динамической петли гистерезиса определяется помимо значений модулей упругости слоев дорожной одежды, показателями их затухания. В качестве такого показателя может выступать коэффициент демпфирования слоя, определяемый исходя из ампли- тудно-временной характеристики перемещений, регистрируемой на поверхности покрытия дорожной одежды при ударном нагружении, с использованием измерительных установок типа FWD, позволяющих осуществлять регистрацию вертикальных деформаций как в точке приложения нагрузки, так и на удалении от нее по 9 датчикам-геофонам (рис. 1).

Рис. 1. Амплитудно-временная характеристика перемещений, регистрируемых при ударном воздействии

Результаты имитационного моделирования, представленные в работе [24], позволили сделать вывод о том, что изменение коэффициента демпфирования слоев асфальтобетона связано с временным сдвигом между экстремумами амплитудно-временной характеристики перемещений в зоне 0—0,30 м от точки ударного нагружения, слоев основания в зоне 0,3— 1,2 м, грунта земляного полотна — 1,2—2,5 м.

Величина коэффициента демпфирования ζ может быть определена в соответствии с формулой [20]:

, (3)

2 2 2

ln A1 t 1 ,

A2

где δ — логарифмический декремент затухания; А1, А2 — экстремумы амплитуд вертикальных перемещений, для которых рассчитывается коэффициент демпфирования.

На основе проведенных натурных исследований был предложен подход к восстановлению параметров НДС нежесткой дорожной одежды на стадии эксплуатации (рис. 2).

3. Натурные исследования статистических законов распределения модулей упругости и коэффициентов демпфирования нежестких дорожных одежд. Возможность вос-

становления параметров динамического НДС дорожной одежды на основе результатов инструментального обследования и механико-математического моделирования позволяет реализовать блок оценки соответствия фактического состояния дорожной одежды проектному. Однако необходимо отметить, что для реализации данного блока необходимо установить статистические законы распределения основных структурных параметров нежестких дорожных одежд и закономерности их деградации в течение жизненного цикла.

Для решения данной задачи в период с 2014 по 2018 годы проводились исследования на эксплуатируемых участках автомобильных дорог, основной целью которых было установление статистических законов распределения основных структурных параметров (моду-

123

Научный журнал строительства и архитектуры

лей упругости и коэффициентов демпфирования) нежестких дорожных одежд и их изменения в процессе эксплуатации. Для достижения данных целей все обследуемые участки автомобильных дорог подразделялись на три группы со сроком службы 0—5 лет, 5—10 лет, более 10 лет. Общая протяженность обследованных участков составила 260 км, на протяжении которых было зарегистрировано более 3000 чаш упругих прогибов и амплитудно-временных характеристик перемещений. На основе анализа полученных результатов было экспериментально установлено, что распределение модулей упругости и коэффициентов демпфирования слоев нежестких дорожных одежд подчиняется логарифмически нормальному закону:

где m и σ — параметры логнормального распределения (параметры масштаба и формы распределения).

Инструментальная оценка состояния дорожной одежды

Аналитическая модель динамического напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции

Распределение основных компонент напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции

xx( xx); yy( yy); zz( zz)

Статистическая обработка полученных результатов:

-определение характера распределения значений;

-оценка среднего значения, 95-процентной, 5-процентной обеспеченности

Рис. 2. Алгоритм восстановления параметров динамического НДС нежесткой дорожной конструкции на стадии эксплуатации

124

Также на основе проведенных измерений были установлены осредненные значения параметров логарифмически нормального распределения для дорожных одежд со сроком службы 0—5 лет, 5—10 лет, 10—15 лет (табл. 1—2).

Полученные осредненные значения параметров логарифмически нормального распределения служат основой для моделирования изменения динамического контура петель гистерезиса на поверхности дорожной одежды на различных этапах ее эксплуатации и учитываются при определении расчетного и остаточного ресурса дорожной одежды.

4. Теоретические основы реализации системы технического мониторинга со-

стояния нежестких дорожных одежд. Комплекс теоретических и натурных испытаний позволил сформулировать основные подходы, предлагаемые в рамках системы технического мониторинга состояния нежестких дорожных одежд, включающего в себя три основных блока (рис. 3—5):

определение расчетного ресурса (наработки) дорожной одежды в течение ее срока

службы;

определение остаточного ресурса и гамма-процентного ресурса дорожной одежды, оценка соответствия проектным решениям;

назначение толщины слоя усиления дорожной одежды для обеспечения ее проектного расчетного срока службы.

В основе представленных подходов лежит расчет суммарной рассеянной энергии в структуре дорожной одежды в течение ее расчетного срока службы на основе расчета петель динамического гистерезиса за цикл нагрузки под воздействием колеса расчетного автомобиля, с учетом статистических законов распределения основных структурных и эксплуатационных параметров нежестких дорожных одежд (рис. 3).

125

Научный журнал строительства и архитектуры

Входные данные:

Дорожная конструкция:

Модули упругости слоев E1…En Толщины слоев h1…hn Коэффициенты демпфирования λ1…λn Продольная ровность IRI

Транспортная нагрузка:

Вычисление плотности рассеиваемой энергии при проезде колеса расчетного автомобиля на каждый год службы дорожной конструкции на основе петель динамического гистерезиса, построенных для рассматриваемых сочетаний входных параметров в пространственной постановке:

Суммирование плотности рассеиваемой энергии на поверхности дорожной конструкции за срок эксплуатации

для рассматриваемых сочетаний входных параметров

Wполн (Wxx Wyy Wzz) Nр

Определение расчетной наработки как суммарной плотности рассеиваемой энергии в дорожной одежде за срок службы заданной обеспеченности 95 % (I категория),

90 % (II категория), 80 % (III категория)

Рис. 3. Определение расчетной суммарной наработки дорожной одежды на стадии проектирования

126

Использование современного оборудования, позволяющего определить основные структурные и эксплуатационные параметры нежестких дорожных одежд, позволяет осуществить расчет фактического динамического НДС дорожной одежды на стадии ее эксплуатации с последующим расчетом фактических динамических петель гистерезиса дорожной конструкции и определением ее фактической наработки до момента проведения испытаний. Разность между значениями расчетной наработки дорожной одежды, определяемой в соответствии с алгоритмом на рис. 3, и фактической наработкой, определенной на этапе эксплуатации, позволяет осуществить расчет остаточного ресурса дорожной конструкции (рис. 4).

Анализ динамического напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции с использованием аналитической модели для фактических параметров дорожной конструкции, установленных на стадии эксплуатации:

Вычисление плотности рассеиваемой энергии при проезде колеса расчетного автомобиля на каждый год службы дорожной конструкции на основе петель динамического гистерезиса в пространственной постановке, построенных для фактических значений параметров, установленных на стадии эксплуатации:

Определение суммарной плотности рассеянной энергии в структуре дорожной конструкции за период эксплуатации: W'экспл (Wxx.экспл Wyy.экспл Wzz.экспл ) Nр

Расчет остаточной плотности рассеиваемой энергии, передаваемой при движении транспортных средств: W'ост Wполн Wэкспл

Расчет остаточного ресурса, остаточного срока службы, гамма-процентного остаточного ресурса, гамма-процентного остаточного срока службы

Рис. 4. Определение показателей остаточного ресурса и остаточного срока службы дорожной одежды на стадии эксплуатации

127

Научный журнал строительства и архитектуры

На основе представленного подхода возможно определение толщины слоя усиления дорожной одежды, позволяющего снизить плотность энергии, рассеиваемой на поверхности нежесткой дорожной одежды, до расчетного (проектного) уровня (рис. 5).

Проектная стадия

Анализ динамического напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции при проезде расчетного автомобиля для проектных параметров дорожной конструкции по годам ее срока службы:

Определение плотности рассеянной энергии при проезде расчетного автомобиля по годам службы дорожной конструкции:

Wпрi Wxxi .пр Wyyi .пр Wzzi .пр

Стадия эксплуатации

Мониторинг эксплуатационного состояния дорожной конструкции

срегистрацией структурных параметров дорожной конструкции

ифактической продольной ровности

Выделение характерных секций дорожной одежды по результатам мониторинга

Анализ динамического напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции при проезде расчетного автомобиля для эксплуатационных параметров

дорожной конструкции по годам ее срока службы:

Определение плотности рассеянной энергии при проезде расчетного автомобиля по годам службы дорожной конструкции:

Wфактi Wxxi .факт Wyyi .факт Wzzi .факт

Сопоставление значений Wпрi и Wфактi

Подбор толщины слоя усиления

Рис. 5. Методика назначения мероприятий по усилению дорожной одежды

Апробация данного подхода осуществлялась на одном из эксплуатируемых участков автомобильной дороги М-4 «Дон». Конструкция дорожной одежды на данном участке пред-

128

ставлена на рис. 6. Суммарное число приложений расчетной нагрузки для данной конструкции составило 12 233 000 приложений расчетной нагрузки А11.5 (115 кН) за срок службы.

Рис. 6. Конструкция дорожной одежды на участке мониторинга

Значения входных параметров (модулей упругости, коэффициентов демпфирования) конструктивных слоев дорожной одежды задавались в виде логарифмически нормального распределения. Темпы изменения структурных параметров дорожной одежды задавались в соответствии с табл. 2—3. Для каждого года эксплуатации данной дорожной одежды были осуществлены расчеты объема рассеянной энергии в течение года и суммарного объема рассеянной энергии в течение всего срока службы дорожной одежды в соответствии с методикой, представленной на рис. 5.

На 1 и 5 годы эксплуатации осуществлялась оценка состояния дорожной одежды, включающая в себя определение средних и 95-процентной обеспеченности фактических значений модулей упругости, и коэффициентов демпфирования дорожной одежды (результаты представлены в табл. 4).

По полученным в полевых условиях фактическим данным 95-процентной обеспеченности также был рассчитан объем рассеиваемой энергии в структуре дорожной одежды и про-

129