Способ и устройство оценки технического состояния инженерного сооружения
METHOD AND DEVICE FOR TECHNICAL CONDITION ESTIMATION OF THE ENGINEERING STRUCTURES

Изобретение относится к технологиям проведения вибрационных испытаний и может быть использовано в процессе динамических исследований различных инженерных сооружений.
Инженерные сооружения сложных конструкций (мосты, транспортные переходы, тоннели) в процессе эксплуатации подвергаются интенсивным динамическим нагрузкам, что приводит изменению свойств составляющих элементов. Для того чтобы эксплуатация конструкций проходила в безопасном режиме, необходимо периодически проводить оценку их технического состояния. Для направленного возбуждения механических колебаний инженерных конструкций предлагается способ, основанный на использовании передвижной вибрационной машины с возможностями изменения сил воздействия и их направленности, что позволяет возбуждать вынужденные колебания в локальных местах конструкции для последующей фиксации и сравнительного анализа изменений, вызванных нагрузками и условиями длительной эксплуатации. При проведении патентного поиска выявлены следующие аналоги.
о
В патенте на изобретение (№2335356, МПК В06В 1/16, опубл. 10.10.2008) предложен способ, сущность которого заключается в том, что возбуждение резонансных колебаний массы на упругой связи происходит путем принудительного периодического перемещения противоположного конца упругой связи, также производится настройка резонансных колебаний заданной амплитуды, отличающийся тем, что принудительное периодическое перемещение концу упругой связи сообщают инерционным вибратором, инерционный вибратор удерживают в пространстве виброизолирующей упругой связью с основанием, изменяют жесткость упругой связи и возбуждают резонансные колебания в области периода Т колебаний, который выбирают по формуле
о
o
o
где Т - период колебаний, с; С - жесткость упругой связи, Н/м; m - колеблющаяся масса, кг; при этом выдерживают соотношение С>>С, где С - жесткость виброизолирующей упругой связи.
Устройство для возбуждения резонансных механических колебаний, содержащее массу, соединенную с упругим элементом, противоположный конец которого присоединен к механизму принудительного периодического перемещения, отличающееся тем, что в качестве механизма принудительного периодического перемещения применен инерционный вибратор, соединенный с основанием через виброизолирующую упругую подвеску, упругий элемент выполнен с жесткостью, определяемой по формуле
,
o
o
о
где С - жесткость упругого элемента, Н/м; m - колеблющаяся масса, кг; Т - период колебаний, с; виброизолирующая упругая подвеска выполнена с жесткостью С, связанной с жесткостью упругого элемента соотношением С<<С, при этом упругий элемент выполнен с возможностью его подстройки.
Недостатком данного изобретения является отсутствие возможности изменения направления вибрационного возмущения.
Известен также способ №2072660, В06В 1/16, опубл. 27.01.1997. В данном изобретении предложено устройство, в котором параметрический вибровозбудитель содержит корпус, приводной вал, упругие элементы и тела качения; на приводном валу жестко закреплен один инерционный элемент в виде уравновешенного маховика, снабженного двумя парами незамкнутых беговых дорожек, которые расположены симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных диаметров, а их центры смещены от оси вращения маховика в диаметрально противоположных направлениях, причем круговые беговые дорожки одной пары повернуты вокруг оси маховика на угол 90° относительно другой, на круговых беговых дорожках размещены тела качения с возможностью обкатки в виде четырех одинаковых уравновешенных бегунков.
Рабочий орган (плита, к которой крепится, например, лоток вибротранспортера), вибровозбудитель (уравновешенный маховик с телами, качения) и упругие связи образуют колебательную систему. Маховик представляет собой монолитную деталь с беговыми дорожками на обеих его плоскостях.
Резонансные механические колебания возбуждаются в направлении оси ОХ за счет периодического принудительного изменения инерционных параметров колебательной системы.
Физическая сущность известного способа возбуждения колебаний состоит в том, что в зоне параметрического резонанса автоматически образуется неуравновешенность маховика, которая и приводит к появлению возмущающей силы. Вместе с тем маховик играет роль аккумулятора кинетической энергии. В нерезонансной зоне маховик полностью уравновешен.
Недостатки данного изобретения заключаются в том, что оно предназначено для возбуждения однонаправленных (по оси ОХ) прямолинейных механических колебаний, что существенно ограничивает области его применения.
За прототип взят способ (патент на изобретение (№2410167, МПК В06В 1/16, опубл. 27.01.2011), сущность которого заключается в возможности осуществления упругой подвески рабочего органа с возможностью перемещения колебательной системы по осям координат, настройка колебательной системы производится заданием жесткости упругой подвески и частоты вращения ротора, выбирается различная жесткость упругой подвески, создаются роторы с различным числом дисков ротора и с различным их расположением. В рамках рассматриваемого способа создана энергосберегающая колебательная система со многими степенями свободы, предлагаемая настройка которой обеспечивает самоорганизованное возбуждение стабильных резонансных колебаний без внешнего участия. Устройство для реализации данного способа содержит колебательную систему в виде соединенного с основанием упругими связями рабочего органа и установленного на нем параметрического вибровозбудителя, в котором на валу электродвигателя закреплен уравновешенный ротор с парой незамкнутых круговых беговых дорожек, расположенных симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных его диаметров, их центры смещены от оси вращения ротора на одинаковые расстояния в сторону беговой дорожки, а в беговых дорожках размещены одинаковые уравновешенные тела качения, отличающееся тем, что ротор выполнен из одного диска с двумя одинаковыми телами качения в беговых дорожках, а колебательная система выполнена с возможностью перемещения рабочего органа по осям координат.
Вместе с тем, недостатком представленного способа является отсутствие возможности возбуждения колебаний по вертикальной оси OZ, а также изменения точки приложения вибрационного воздействия.
Цель предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы при помощи специальной передвижной вибрационной машины возбуждать периодическое возмущение с регулируемой частотой, амплитудой, по разным направлениям в локальных местах конструкции с возможностями последующей фиксации полученных данных, необходимых для оценки технического состояния исследуемого технического объекта в течение всего срока его эксплуатации.
Способ оценки технического состояния инженерных сооружений, заключающийся в том, что возбуждают гармонические колебания путем приложения периодического вибрационного возмущения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях X и Y, отличающийся тем, что осуществляют передачу внешнего воздействия вибровозбудителем также перпендикулярно к плоскостям X и Y по оси Z, настройку периодического вибрационного воздействия производят путем изменения амплитуды и частоты колебаний рабочего органа, полученные результаты сравнивают с предыдущими замерами, после чего дают оценку технического состояния инженерного сооружения.
Устройство оценки технического состояния инженерных сооружений, содержащее вибрационную машину с электродвигателем, вал которого связан с рабочим органом, снабженным вибраторами и возбуждающим колебания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях X и Y, отличающееся тем, что корпус вибрационной машины жестко соединен с рабочим органом и с исследуемой конструкцией, вибрационная машина способна перемещаться и возбуждать колебания по оси Z с различной амплитудой и частотой.
Способ заключается в создании при помощи специальной передвижной вибрационной машины, снабженной четырьмя рабочими органами, соединенными общей рифленой поверхностью, в выбранной точке возмущения с гармонической составляющей определенной регулируемой амплитуды и частоты для последующей фиксации данных.
На фиг. 1 приведена динамическая модель передвижной вибрационной машины.
Фиг. 2 дает более детальное представление о составляющих машину элементах. В конструкции имеется регулируемый вибратор 2 с дисбалансами, приводимый в действие электродвигателем 1 посредством вала 3. Изменение параметров возмущающего воздействия производится при помощи органов управления 4, снабженных коробкой передач, что позволяет регулировать частоту и амплитуду приложения вибрационного возмущения. Машина снабжена четырьмя гидравлическими домкратами 5 с рифленой резиной на основании для лучшего сцепления с поверхностью сооружения. Нижняя часть опоры снабжена пазами для вставки в них складывающихся частей, создающих при скреплении общую рифленую поверхность 9 для лучшего сообщения обследуемому объекту требуемого вибрационного возмущения. Вибрационная машина для перемещения при помощи автомобиля снабжена сцепным устройством 7, которое для устойчивости опирается на реечный домкрат 6. Для передачи инженерному сооружению продольных и поперечных вибраций машина прикрепляется к нему при помощи стальных растяжек, снабженных устройствами для натяжения и датчиками усилий. Для крепления растяжек к корпусу прикреплены кольца 8. Для фиксации растяжек на инженерном сооружении, в зависимости от его типа, используются различные виды креплений (анкерные болты, фидеры, крюки и т.д.).
Вибровозбудитель (фиг. 3) представляет собой корпус с жестко закрепленным эксцентриситетом внутри, снабженным вибраторами для приложения гармонического возмущения по осям координат ОХ 1, OY 2, OZ 3.
Для инженерных сооружений различных конструкций в соответствии с технической документацией выбирается система локальных точек для установки на них вибрационной машины массой 950 кг. Основные пространственные параметры приведены на фиг. 1. Колеса и устройства подвески вибрационной машины при возмущающем воздействии будут выполнять функции гасителей колебаний, поэтому пружины жестко стягиваются скобами для минимизации влияния эффекта гашения колебаний на передаваемое вибрационное воздействие. В вертикальном направлении (ОХ) для проведения продолжительных низкочастотных вибрационных воздействий максимальная частота не должна превышать 10 Гц. Для эффективного сбора данных и анализа полученной информации устанавливается алгоритм перехода между локальными местами. Время работы вибровозбудителя составляет 1,5-2 минут, что определяет объем фиксируемой информации, сбор которой осуществляется датчиками для измерения усилий, скоростей и деформаций, установленными в критических местах конструкции. Фиксируемые данные передаются по спутниковому каналу в центр контроля и оценки технического состояния, где обрабатываются методом спектрального анализа и отправляются на хранение в общую электронную базу по исследуемому объекту. Основным фактором оценки является динамическая жесткость инженерной конструкции в локальных местах, которая представляет собой отношение максимальной возмущающей силы к максимальному упругому смещению
.
Исследование инженерных сооружений (мостов, тоннелей, насыпей, дорожных покрытий и т.д.) производится с определенной периодичностью, что позволяет отслеживать изменение упругих свойств конструкции относительно эталонных значений, за которые принимаются измерения, проведенные при введении конструкции в эксплуатацию.
Предлагаемый способ использован при проведении технической диагностики конструкции моста и показал наличие возможностей мобильности вибрационной машины, разносторонней оценки технического состояния, что позволяет более точно высчитать ресурс различных частей сооружения, определения критических мест конструкции, а также общего ресурса инженерного сооружения.