УСТАНОВКА ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ

Полезная модель относится к дорожному строительству, а именно к дорожной технике и может быть использована при испытании несущей способности и оценке прочности нежестких дорожных одежд автомобильных дорог.
Прочность дорожных одежд на участках планируемого ремонта можно оценивать по значению фактического модуля упругости покрытия, который определяют с помощью установок динамического нагружения для выбора технологии выполнения ремонта.
Известна установка динамического нагружения, например, (патент RU 2114242, опубл. 27.06.1998). В состав устройства входит штамп в виде двух спаренных колес, установленных на базовом автомобиле, подвижном в вертикальном направлении под действием падающего груза, размещенного между направляющими штангами с подъемным механизмом. Установка содержит также информационную систему, связанную с измерительным приспособлением, содержащим инерционный датчик прогиба дорожных одежд.
Известна также установка динамического нагружения (патент RU 2117722, опубл. 20.08.1998), которая содержит узел для динамических испытаний дорожных одежд и измерительное приспособление прогиба. Дополнительно устройство снабжено датчиком относительного перемещения, который установлен жестко внутри кузова-фургона базового автомобиля и выполнен в виде приводного барабана, диска и блока для определения величины и направления перемещения штампа в виде спаренных колес по вертикали.
Известна также установка динамического нагружения (патент RU 2134738, опубл. 20.08.1999). Устройство установлено в прицепе и содержит штамп, выполненный в виде двух спаренных колес, объединенных опорной платформой, которая жестко связана с двумя направляющими штангами, соединенными подвижно с возможностью их вертикального перемещения. Падающий груз с зацепным механизмом, размещен между направляющими штангами и имеет привод для подъема падающего груза. Измерительное приспособление, состоящее из измерительного ролика и датчика вертикального перемещения установлено на свободном конце траверсы, другой конец которой подвижно соединен посредством штока с электроприводом, закрепленным на раме прицепа.
Недостатком данных устройств является то, что они не позволяют с достаточной точностью определять модуль упругости дорожной одежды, т.к. в рассматриваемых установках отсутствует измеритель нагрузки, фиксирующий прилагаемую нагрузку с погрешностью не более 0,1 кН и установлен только один измеритель прогиба.
Наиболее близким техническим решением является установка динамического нагружения (патент RU 2273688, опубл. 10.04.2006), которая содержит корпус прицепа и расположенный в нем рабочий блок для создания динамической нагрузки с жестким штампом в форме круга с отверстием для фиксации наконечника преобразователя линейных перемещений. Груз закреплен на вертикальных направляющих рабочего блока, которые установлены между горизонтальными плитами с механизмом захвата груза и амортизирующей пружиной. Преобразователь линейных перемещений соединен с блоком управления.
Недостатком данного устройства является то, что система определения упругого прогиба на основе датчика линейных перемещений, устанавливаемого на жестком штампе, не отвечает заявленной точности. А именно, жесткий штамп установки не позволяет равномерно передавать динамическую нагрузку на неровное покрытие. Динамическая нагрузка при каждом нагружении дорожной одежды не определяется. Кроме этого в момент приложения нагрузки создается ударная волна, которая непосредственно влияет на процесс измерения. Все это снижает точность и надежность измерения упругого прогиба и определения модуля упругости покрытия дорожной одежды.
Технической задачей данного решения является повышение точности и надежности измерения упругого прогиба и модуля упругости покрытия дорожной одежды.
Поставленная задача достигается тем, что установка динамического нагружения, содержит расположенный в корпусе прицепа рабочий блок для создания динамической нагрузки со штампом в форме круга и грузом, который закреплен с возможностью перемещения на вертикальных направляющих, установленных между горизонтальными плитами. К верхней плите присоединен механизм захвата груза, а к нижней - амортизатор для гашения удара. В штампе расположено устройство для измерения упругого прогиба, соединенное с блоком управления. Новым является то, что штамп выполнен в виде сегментов, закрепленных с помощью шаровых опор к основанию, жестко соединенному с нижней нагрузочной плитой. В качестве устройства для измерения упругого прогиба использован акселерометр, установленный на штоке по оси штампа. Введен также датчик измерения динамической нагрузки, расположенный между нижней нагрузочной плитой и основанием штампа по его оси для определения создаваемой нагрузки при расчете модуля упругости дорожной одежды. Кроме этого дополнительно введена горизонтальная балка, соединенная одним концом с нижней плитой рабочего блока, вдоль которой на определенном расстоянии установлены акселерометры. В рабочем блоке дополнительно введены вертикальные направляющие, закрепленные на верхней плите и нижней нагрузочной плите рабочего блока, при этом нижняя плита соединена с приводом для перемещения рабочего блока. Механизм захвата груза выполнен в виде электронно-магнитного устройства, соединенного с блоком управления. Груз закреплен с возможностью перемещения на вертикальных направляющих с помощью шариковых элементов.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид установки динамического нагружения, на фиг 2 представлена конструкция штампа.
Установка динамического нагружения (фиг. 1) содержит корпус прицепа 1, в котором расположен рабочий блок 2 для создания динамической нагрузки со штампом 3 в форме круга. Рабочий блок 2 состоит из двух (верхней и нижней нагрузочной) горизонтальных плит 4, между которыми установлены и закреплены четыре вертикальных направляющих. Две внешние направляющие 5 предназначены для перемещения рабочего блока 2 относительно прицепа 1 в вертикальном направлении из транспортного положения в рабочее и наоборот. Для перемещения (подъема-опускания) рабочего блока используют привод 6, состоящий из лебедки и системы блоков, соединенный с нижней плитой. Две внутренние направляющие 7 предназначены для перемещения падающего груза 8, который может быть выполнен наборным из металлических плит. Груз 8 закреплен на вертикальных направляющих 7 с помощью расположенных во втулке шариковых элементов 17, которые являются направляющими линейного перемещения и обеспечивают свободное вертикальное перемещение груза 8 с минимальной потерей энергии на трение. К верхней плите присоединен привод захвата груза 9, состоящий из лебедки с электромотором и блоков. На свободном конце лебедки закреплен электро-магнитный захват 10. На нижней плите установлены амортизаторы 15 в виде резиновых буферов для гашения энергии удара груза 8. Штамп 3 (фиг. 2), имеющий форму круга диаметром 300 мм, состоит из отдельных сегментов 19, разделяющих круг на несколько частей. В созданной авторами установке использовано четыре сегмента, каждый из которых закреплен с помощью шаровых опор 18 на основании 11. Внутри штампа вдоль его оси установлен шток, на верхнем конце которого закреплен акселерометр 12 для измерения упругого прогиба. Второй конец штока устанавливают на дорожное покрытие. Между нижней нагрузочной плитой 4 рабочего блока и основанием 11 штампа по его оси установлен датчик измерения динамической нагрузки - динамометр 13. Основание 11 соединено через шаровую опору динамометра 13 с нижней нагрузочной плитой 4. На нижней плите 4 с помощью тросов закреплена одним концом горизонтальная балка 14 (фиг. 1), вдоль которой на определенном расстоянии установлены акселерометры 12 для измерения упругого прогиба. Расстояние между акселерометрами зависит от длины горизонтальной балки и количества акселерометров, необходимых для измерения упругого прогиба дорожного покрытия. Оптимальное число акселерометров составляет 6 - 8 штук, а длина балки 2 метра В разработанной установке использовано 7 акселерометров и расстояние между ними составляет 300 мм. Все акселерометры 12 для определения упругого прогиба и динамометр 13, а также приводы 6, 9 для перемещения груза и рабочего блока соединены с блоком управления 16, расположенным в корпусе прицепа 1.
Установка динамического нагружения работает следующим образом. Устанавливают прицеп 1 на проезжей части так, чтобы центр штампа 3 находился не менее двух метров от кромки асфальтобетонного покрытия. По команде, переданной с блока управления 16 приводом 6 приподнимают рабочий блок 2 и балку 14, разблокируют фиксаторы, а затем, опускают на дорожное покрытие. При этом рабочий блок освобождается от жесткой связи с прицепом 1. С помощью привода 9, также по команде, переданной с блока управления 16, электро-магнитный захват 10 опускают до соприкосновения с грузом 8 и захватывает его. В момент захвата груза включают реверс привода 9 и груз 8 поднимают на заданную высоту. Высота подъема груза может изменяться в зависимости от создаваемой установкой динамической нагрузки от 30 до 65 кН. На высоте сброса груза электро-магнитный захват 10 освобождает груз. Это приводит к свободному его падению с минимальной потерей энергии на трение за счет использования шариковых направляющих линейного перемещения 17. В результате удара о четырех секционный штамп 3 динамическая нагрузка равномерно передается на определенный участок дорожного покрытия, т.к. каждый сегмент 19 штампа 3 соединен с помощью шаровой опоры. Величину нагрузки, созданной при ударе груза, измеряют с помощью динамометра 13, установленного в штампе 3. Возникающий в результате динамического воздействия прогиб дорожной одежды измеряют с помощью акселерометров 12, установленных в штампе 3 и по длине горизонтальной балки 14 на расстоянии 300 мм. Измеренную акселерометрами величину ускорения передают на блок управления 16, где рассчитывают величину упругого прогиба по измеренному ускорению, зафиксированному каждым акселерометром 12 путем двойного интегрирования ускорения по времени по формуле:
где: S - перемещение в мм,
i
2
a - значение ускорения в м/с в i-й отсчет времени,
k - конечный отсчет времени,
dt - интервал времени между двумя соседними отсчетами (для частоты 50 кГц t=0,00002 сек),
0
S=0 мм,
0
2
а=0 м/с.
-3
По полученным значениям упругого прогиба и измеренному значению динамической нагрузки определяют модуль упругости дорожной одежды по формуле: Е=1,329×10×F/(D×S) Мпа,
где F - среднее усилие воздействия штампа на дорожную одежду, равное измеренному значению динамической нагрузки Н,
D - диаметр штампа, м;
S - прогиб дорожной одежды, мм.
Блок управления 16, куда передают данные с акселерометра 12 и динамометра 13 рассчитывает значение модуля упругости дорожной одежды.
После завершения цикла измерения с помощью привода 6 рабочий блок 2 и горизонтальную балку 14 поднимают в транспортное положение на прицеп 1.
Конструктивное выполнение штампа из нескольких сегментов позволяет производить равномерную передачу нагрузки на неровную поверхность покрытия дороги, в том числе в колее, что повышает точность измерения упругого прогиба. Величину упругого прогиба рассчитывают по измеренному ускорению, зафиксированному акселерометром, путем двойного интегрирования ускорения по времени. Измерение значения динамической нагрузки непосредственно в момент удара динамометром позволяет получить точное значения среднего усилия воздействия. Таким образом повышается точность определения модуля упругости как функции значения упругого прогиба и среднего усилия воздействия, что соответственно позволяет повысить точность определения модуля упругости прочности дорожного покрытия. Кроме того рабочий блок на время проведения измерений опускается на поверхность дороги и динамически развязывается от прицепа. При этом штамп, закрепленный на нижней плите опускают вместе с рабочим блоком. Это обеспечивает предварительный прижим штампа к поверхности, а подвеска прицепа не создает дополнительных колебаний рабочего блока, что также повышает точность измерений упругого прогиба. Для повышения надежности работы установки использован электро-магнитный механизм захвата груза. Судя по отзывам потребителей этот узел наиболее часто выходил из строя. Для дополнительного повышения точности измерения упругого прогиба установка дополнительно оснащена балкой для измерения чаши прогиба определенного участка дороги, позволяющей разместить до 7 акселерометрических датчиков, что позволяет определять форму чаши прогиба дорожного покрытия, и получить более точный и достоверный результат по прочности дорожной одежды определенного участка дороги.