Технические средства измерений и обработки колебаний конструкций мостов

Цикл статей:
Глава 1 — Вибродиагностика балочных пролетных строений
железнодорожных мостов
Глава 2 — Технические средства измерений и обработки колебаний конструкций мостов
Глава 3 — Натурные эксперементальные исследования динамических воздействий на балочные пролетные строения железнодорожных мостов
Глава 4 — Расчет балочных пролетных строений

Глава 5 — Методики вибродиагностики балочных пролетных строений железнодорожных мостов

Основные технические характеристики мобильных программно-аппаратных комплексов

Программно-аппаратные комплексы «ПАК», состоят из сертифицированных и поверенных средств измерений ведущих мировых производителей, обеспечивающих высокую мобильность, дальность передачи информации и простоту монтажа измерительного оборудования. Данное оборудование также имеет высокую степень отказоустойчивости и помехозащищённости используемых средств измерений и линий связи, возможность расширения конфигурации подключаемых датчиков, возможность применения в системе мониторинга, автоматическое распознавание и диагностику подключаемых устройств.

А. Тензометрический программно-аппаратный комплекс (ТПАК) предназначен для измерения относительных деформаций и напряжений в конструкциях. При помощи данного оборудования можно производить: измерение напряжений и относительных деформаций в элементах пролетных строений мостов при воздействии подвижного состава одновременно в 16 сечениях при длине измерительного тракта до 500 м (Рисунок 2.1) и комплектации ТПАК для испытаний конструкций искусственных сооружений, представленной на рисунке 2.2.

ТПАК состоит из:

1) защищенного ноутбука, с высокой степенью защиты корпуса (1Р65), обладающего высокой производительностью и всевозможными портами для ввода-вывода информации (Рисунок 2.3).

Из-за наличия прочного противоударного корпуса, устойчивости к вибрациям и ударам, поддержки твердотельных накопителей такие ноутбуки часто называют «военными»;

2) измерительная электроника с промышленной шиной «Модуль РМЕ- 55» (Рисунок 2.4);

3) тензорезисторы PFL-10-11 и FLM-60-11 (Рисунок 2.5). Тензорезисторы марки PFL и FLM предназначены для измерения деформации деталей машин и конструкций или для использования в качестве чувствительных элементов измерительных преобразователей.

Изготовитель: Tokyo Sokki Kenkyujo Co., Ltd. Поставщик: ООО «Японские измерительные технологии».

Программно-аппаратные комплексы «ПАК» для испытаний мостовых и инженерных сооружений [15-18, 66, 68] предназначены для измерения различных типов деформаций испытываемых конструкций путем регистрации и преобразования в инженерные единицы в реальном масштабе времени сигналов соответствующих датчиков, представления полученной информации в виде графиков и таблиц и ее сохранения в персональном компьютере.

Б. Вибродинамический программно-аппаратный комплекс (ВПАК) предназначен для динамических испытаний конструкций искусственных сооружений и служит для измерения динамических характеристик мостов при воздействии подвижного состава одновременно в 8 сечениях при длине измерительного тракта до 250 м, построения графиков прогибов и определения максимальных динамических коэффициентов пролетных строений мостов при воздействии подвижного состава, определения частот собственных колебаний пролетных строений мостов, определения АЧХ пролетных строений мостов в вертикальном, горизонтально-поперечном и горизонтально-продольном направлениях, определения оценки воздействия подвижного состава на подходные насыпи и земляное полотно (Рисунок 2.6).

Комплектация ВПАК для динамических испытаний конструкций искусственных сооружений показана на рисунке 2.7.

ВПАК состоит из:

1) защищенного ноутбука, с теми же техническими параметрами и характеристиками, как и для предыдущего комплекта (Рисунок 2.3);

2) преобразователя напряжения измерительного Е-14-440D представленного на рисунке 2.8.

Преобразователь напряжения измерительный Е14-440D, предназначен для измерения напряжения постоянного и переменного тока, для ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации в измерительных устройствах и системах на базе персонального компьютера;
3) сейсмометр ЕР-300-сотраС; трёхкомпонентный с жидкостным успокоителем для определения частот собственных колебаний пролетных строений мостов и АЧХ пролетных строений мостов в вертикальном (7), горизонтально-поперечном и горизонтально-продольном (К)

Виды датчиков и преобразователей, применяемых для записей колебаний мостов при динамических воздействиях

Комплекс ТПАК предназначен для измерения сигналов фиксируемых тензодатчиками соединенных по полу-мостовой схеме подключения [49, 77], регистрации на съемном энергонезависимом накопителе результатов измерений с предоставлением измерительной информации в цифровой и графической форме в единицах механического напряжения, возникающего в месте размещения тензодатчиков на объекте контроля. Также в этой системе предусмотрено представление измерительной информации на экране жидкокристаллического дисплея пульта управления и индикации.

Все основные датчики (тензометры, инклинометры и прогибомеры) имеют единую электронную схему.

ТПАК использует проволочные датчики сопротивлений — тензорезисторы. Они представляют собой плоскую спираль из тонкой (20-30 мкм) константановой проволоки, наклеенной на виниловую полоску. Сопротивление датчиков обычно находятся в пределах от нескольких десятков до 1000 Ом. Наиболее часто применяются датчики с сопротивлением 200-400 Ом с базой 10 мм для металлических конструкций и 60 мм для бетонных и железобетонных.

ТПАК допускает продолжительность непрерывной работы с питанием от встроенных аккумуляторных батарей в течение 72-х часов, а от внешних источников питания — постоянный мониторинг.

Комплекс ВПАК предназначен для регистрации сигналов от сейсмометров, которые обрабатывает преобразователь напряжения E14-440D и определения АЧХ пролетных строений мостов в трех направлениях. Измеряемый параметр — виброскорость; чувствительность сейсмометра 2000 В • м/ с ; частотный диапазон 0,0167 ^ 50 Гц.

При помощи этой компьютерной измерительной системы были проведены статические и динамические испытания нескольких мостов [9, 11, 12, 13, 14, 15, 52, 53, 54, 65, 74, 83, 92] и других инженерных сооружений [10, 51, 59], результаты которых изложены в выше перечисленных работах.

За рубежом также применяются компьютерные измерительные системы, позволяющие записывать колебания мостовых конструкций в реальном масштабе времени. При этом в качестве датчиков используются в основном акселерометры и велосиметры. Полученные экспериментальные значения сравниваются с теоретическими значениями, рассчитанными при помощи моделирования динамического поведения конструкций под действием движущейся нагрузки. Подобные работы проводились в Италии при испытании моста с криволинейной в плане балкой [99].

Программное обеспечение для оперативного управления измерениями и анализа полученных данных

Для обработки статических и динамических результатов измерений, при непосредственном участии автора, были написаны и используются программы спектрального анализа «ТЕНЗО» и «ДИНАМИК».

Статические испытания

Тензорезисторы PFL-10-11 и FLM-60-11 (Рисунок 2.5), используемые в ТКАП, позволяют измерять относительные деформации при непрерывной записи процесса нагружения, что позволяет получать дополнительную информацию о воздействиях в моменты остановки или начале движения подвижного состава. Пример непрерывной записи показаний 16-ти датчиков, регистрирующих относительные деформации (напряжения) в процессе испытаний показан на рисунке 2.10.

Использование программы «ТЕНЗО» при обработке результатов статических испытаний позволяет устранить погрешности измерений, вызванные температурным дрейфом и обнаружить отдельные дефекты моста.

На рисунке 2.11 представлены диаграммы фибровых напряжений и прогиба среднего пролетного строения от воздействия испытательной

нагрузки при статических испытаниях железобетонного железнодорожного путепровода по схеме 16,5+23,6+16,5м на км 56 ПК9+50 железнодорожной линии Кульсары-Тенгиз.

Динамические испытания

В данной работе рассматривались два метода проведения динамических испытаний конструкций мостовых сооружений:

  1. определение АЧХ конструкций путем возбуждения в них вынужденных колебаний прогибов и напряжений, от воздействия подвижной нагрузки и последующим сравнением этих характеристик с расчетными данными;
  2. определение АЧХ конструкций, частот собственных колебаний, возникающих в них от малого импульсного воздействия (прыжков человека).

Результаты, полученные при динамических испытаниях, обрабатывались с помощью программы «ДИНАМИК», совместимой с программой «LGraph2», применяемой для сбора и хранения полученных данных (Рисунок 2.12).

Выводы по второй главе

Разработанная автором техническая и аппаратно-программная база, включающая в себя программно-аппаратные комплексы «ТПАК» и «ВПАК» и программное обеспечение, позволяют наиболее полно с высокой точностью решать задачи исследований механических колебаний балочных пролетных строений железнодорожных мостов при воздействии подвижного состава и малом импульсном воздействии (прыжок человека).

В результате тарировки программно-аппаратных комплексов «ТПАК» и «ВПАК» установлены следующие закономерности. Комплексы с высокой точностью и без искажения характера сигналов способны измерять реакцию на механическое воздействие в частотном диапазоне 0,0167 ^ 50 Гц.

Ошибка измерений проводимых в этом диапазоне частот составляет не более 5%. Таким образом, собранные при участии автора, «ТПАК» и «ВПАК» могут применяться для проведения экспериментальных исследований механических колебаний балочных пролетных строений железнодорожных мостов.

Рассмотренные программы «ТЕНЗО» и «ДИНАМИК» позволяют осуществлять запись, хранение и многопараметрический анализ полученных экспериментальных данных. Данное программное обеспечение, предназначенное для анализа механических колебаний балочных пролетных строений железнодорожных мостов, является достаточно гибким. Оно обеспечивает вычисления всех характерных показателей, при этом достаточно прозрачно и легко корректируется. При необходимости существует возможность разработки и внедрения дополнительных модулей на пользовательском уровне.

Таким образом, предлагаемые программно-аппаратные комплексы «ТПАК» и «ВПАК» обладают всеми необходимыми качествами для качественного проведения экспериментальных исследований механических колебаний балочных пролетных строений железнодорожных мостов.

Список литературы

  1. Дьяченко Л.К. Динамическое взаимодействие разрезных балочных пролётных строений мостов и подвижного состава на высокоскоростных железнодорожных магистралях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук — Санкт-Петербург — 2017. — 191 с.
  2. Евграфов Г.К., Богданов Н.Н. Проектирование мостов. М.: Транспорт 1966. — С. 664.
  3. Зайцев А.А. Обнаружение дефектов мостов методами вибродиагностики / Зайцев А.А., Бондарь И.С., Алдекеева Д.Т. // Труды IX Международной научно-практической конференции «Транспорт Евразии XXI века: Современные цифровые технологии на рынке транспортных и логистических услуг». Алматы.: КазАТК им. М. Тынышпаева, 2018. — С. 460-465.
  4. А.Н. Звягинцев. Динамическая диагностика автодорожных мостов и других инженерных сооружений. Методическая инструкция МН 30. М.: ОАО ЦНИИС, 2003. — С. 21.
  5. Зылев В.Б. Вычислительные методы в нелинейной механике конструкций. М.: НИЦ «Инженер», 1999. — 144 с.
  6. Зылев В.Б. Динамические опорные реакции в уточненных балочных схемах / Зылев В.Б., Алферов И.В. // Труды V международной научно- практической конференции «Инженерные системы — 2012». М.: Российский университет дружбы народов, 2012. — С. 105-109.
  7. Зылев В.Б. Динамические опорные реакции при свободных колебаниях плитно-балочных и ферменных систем / Зылев В.Б., Алферов И.В. // Сборник трудов «Инженерные сооружения на транспорте». Выпуск 4. — М.: МИИТ, 2012. — С. 69-71.
  8. Иванченко И.И. Динамика транспортных сооружений: высокоскоростные подвижные, сейсмические и ударные нагрузки. М: Наука, 2011. — С. 574.
  9. Иванченко И.И. Нестационарная динамика стержневых систем. — Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / МИИТ-М.: 1990 — С. 521.
  10. Иванченко И.И. Расчеты на подвижные и импульсные нагрузки стержневых систем с распределенными параметрами // Прикладная механика, 1988. т. 24, № 9, — С. 109-118.
  11. Иванченко И.И. Применение метода конечных элементов для изучения колебаний несущих конструкций при действии подвижных нагрузок / Иванченко И.И., Грошев Д.Г. / МГУПС(МИИТ) Деп. В ВИНИТИ 28.05.99, № 1678-В99 — М.: 1999.
  12. Иванченко И.И. Теоретические исследования воздействия высокоскоростной подвижной нагрузки на мостовые конструкции / Иванченко И.И., Ивашкевич A.B., Грошев Д.Г. // Фундаментальные и поисковые научно- исследовательские работы в области железнодорожного транспорта, сб. науч. тр. МИИТ, М.: — 1996 — Вып. 910. — С. 193-197.
  13. Иванченко И.И. К динамическому расчету мостов на подвижную нагрузку в виде железнодорожного состава // Строительная механика и расчет сооружений. М.: — 1989. — № 6. — С. 26-31.
  14. Ильясевич С.А.. Основы динамического расчета балочных металлических мостов. Л.-М: Госмашметиздат — 1934. — С. 285.
  15. Ильясевич С.А.. К вопросу о колебаниях стальных мостов. М: Издание военно-инженерной академии Красной Армии им. В.В. Куйбышева — 1940. — С 136.
  16. Казей И.И.. Динамический расчет пролетных строений железнодорожных мостов. М.: ВИПО МПС — 1960. — С. 468.
  17. Картопольцев В. М. и др. Проектирование металлических мостов — Томск: Изд-во ТГАСУ, 2012. — 96 с.
  18. Картопольцев В. М., А. Г. Боровиков. Проектирование металлических мостов. — Томск: Изд-во ТГАСУ, 2008. — 70 с.
  19. Картопольцев В. М. и др. Численное моделирование и экспериментальные исследования динамических характеристик сталежелезобетонного пролетного строения со сквозными балками. Вестник ТГАСУ № 1, 2012 — С. 169-175.
  20. Картопольцев А.В. Совершенствование метода оценки динамических характеристик пролетных строений балочных автодорожных мостов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Томск: 1998. — С. 153.
  21. Катаев С.К. Применение метода конечных элементов при расчете конструкций на подвижную нагрузку. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 01.02.03 / МИИТ — М.: 1984 — С. 127.
  22. Китаев К.Е. «Вертикальные колебания балочных систем с учетом сил сопротивления и инерции подвижной нагрузки», Труды МИИТа, — М.: 1961 — Вып. 131. — С. 124.
  23. Квашнин Н.М. Исследование механических колебаний железнодорожного пути. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук — Алматы: — 2010. — С. 144.
  24. Квашнин М.Я. Вейвлет-анализ в виброакустическом методе контроля / Квашнин М.Я., Квашнин Н.М., Бондарь И.С. / «Мир транспорта». — М: МИИТ, 2014. — № 6(55). — С. 78-84.