4.           ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ

Испытание конструкции динамической нагрузкой является более сложным, чем испытание статической нагрузкой. Эта сложность заключается в том, что испытательная нагрузка и испытательные приборы, применяемые для записи деформаций, представляют собой в большей своей части механизмы, приводимые в движение во время испытания. Причем требуется, чтобы они работали синхронно и четко, как один общий агрегат. Необходимо составить подробный план проведения испытания, в котором надо предусмотреть все детали, даже имеющие второстепенное значение.

Обработку результатов испытания желательно разделить на две части:

1) полевую обработку результатов для оценки правильности протекания эксперимента и для своевременного устранения возможных неполадок;

2) камеральную обработку результатов испытания с вычислением всех намеченных к определению величин: амплитуд и частот колебаний, ускорений, напряжений, динамических коэффициентов и т. п.

Рассмотрим некоторые случаи проведения испытаний сооружений динамической нагрузкой.

Экспериментальное определение частоты свободных колебаний конструкции

Определение частоты свободных колебаний имеет большое значение для правильной эксплуатации исследуемой конструкции. Зная частоту собственных колебаний конструкции, можно решить вопрос о допустимости установки на исследуемом объекте какого-либо агрегата, создающего при его движении возмущающую нагрузку с определенной частотой, или же выяснить, какой агрегат из ранее установленных создает резонанс, и найти возможные пути ликвидации этого явление.

Определение частоты свободных колебаний конструкции или ее элемента, можно осуществить двумя способами.

Первый способ. Конструкция подвергается отдельному удару, который вызовет ее затухающие (свободные) колебания, и на установленном заранее вибрографе или осциллографе записать виброграмму. Имея запись колебаний и времени, можно подсчитать частоту колебаний исследуемой конструкции. При эксперименте фотоленту прибора следует пускать с достаточно большой скоростью и для подсчета частоты колебаний брать длинный участок записи, что обеспечит условия для наиболее точного определения частоты.

При обработке виброграммы первые две-три полуволны исключаются из рассмотрения, так как на них отражается непосредственное действие удар. Определение числа колебаний рекомендуется вести на остальной части виброграммы, где колебания имеют более установившийся характер. Следует иметь в виду, что скорость движения ленты переменная, поэтому необходимо следить за показаниями отметчика времени.

Второй способ. На испытываемом элементе устанавливается вибромашина. Затем приводят её в действие, увеличивая ступенями число оборотов. При каждой ступени оборотов, выждав, пока колебания конструкции примут стабильный характер, делают необходимые записи самопишущими приборами (вибрографом, динамическим прогибомером или осциллографом).

Когда частота возмущающей силы вибромашины совпадает с частотой собственных свободных колебаний конструкции, образуется резонанс, который резко выделится на виброграмме возросшими размерами амплитуд. Полезно одновременно изме­рить частоту вращения вибромашины с помощью тахометра или частотомера, что даст возможность проверить также правильность показаний отметчика времени и более уверенно вычислить частоту собственных колебаний.

4.2. Определение динамических коэффициентов

Динамические коэффициенты определяются, как правило, для тех конструкций, по которым перемещаются подвижные нагрузки, например железнодорожные составы, автомобили, мостовые краны и т. п. и необходимы для расчета подобных конструкций. Определяемые расчетным путем напряжения и деформации от динамических нагрузок суммируются с напряжениями и деформациями от статических нагрузок.

При проектировании динамический коэффициент определяют теоретически с рядом допущений или же используют динамические коэффициенты, полученные экспериментально для аналогичных сооружений, ранее построенных. Для мостов такие определения динамических коэффициентов ведутся много лет и накоплен достаточно богатый опытный материал.

При экспериментальном определении динамического коэффициента его значение выводится из соотношения

где  - максимальный прогиб балочной конструкции при мед­ленном проходе нагрузки (статическое загружение);

 - максимальный прогиб при движении нагрузки со скоростью, вызывающей наибольшие колебания конструкции (динамическое загружение).

Такие два загружения можно легко осуществить для нагрузок, движущихся по рельсам (локомотивы, трамваи, подъёмные краны и т. п.).

При экспериментальном определении динамического коэффициента для автодорожных мостов, где повторить идентичное загружение почти не представляется возможным, подвижную нагрузку пропускают по мосту не дважды, а один раз со скоростью, вызывающей наибольшие колебания конструкции, и записывают виброграмму или осциллограмму прогибов (рис. 7). Наибольшая ордината даст величину максимального динамического про­иба . Для получения прогиба от статической нагрузки необходимо на записанной кривой провести среднюю линию, делящую пополам размах вибраций; эта кривая представляет собой диаграмму статических прогибов, и её наибольшая ордината  принимается для определения динамического коэффициента.

Определение напряжений в элементах конструкции при действии динамической нагрузки

Напряжения в элементе конструкции при действии динамической нагрузки состоят из напряжения от статической нагрузки, включая собственный вес элемента, сложенного с динамическим напряжением вызванным вибрацией:

В этом случае учитываются только те динамические напряжения, которые имеют одинаковый знак с напряжениями от статической нагрузки. Например, если рассматривается изгибаемая балка, то к напряжениям от статической нагрузки прибавляются напряжения, вызываемые динамической нагрузкой, при деформации балки в сторону статического прогиба.

Для определения  необходимо вычислить инерционную силу, действующую на исследуемый элемент. Инерционная сила равна массе, умноженной на ускорение:

.

Ускорение можно измерить акселерометром или получить из виброграммы, пользуясь формулой:

,

где - период колебания;

 - наибольшая амплитуда;

 - ускорение элемента конструкции. Отсюда

Отсюда

,

где  - частота колебаний элемента.

Во всех точках, где требуется определить ускорение, надо установить акселерометры, вибрографы, динамические прогибомеры или прогибомеры с проволочными датчиками и записать виброграммы или осциллограммы.

При действии на элемент осевой силы динамическое напряжение

.

В случае действия на балку на двух шарнирных опорах со­средоточенной силы , приложенной в середине пролета, динамическое напряжение равно:

.

Если вибрирует балка на двух шарнирных опорах под действием собственного веса и равномерно распределенной нагрузки, то динамическое напряжение можно вычислить по формуле:

.

где - масса, приходящаяся на единицу длины балки;

 - ускорение, определенное на середине пролета балки.

При вибрации балки, несущей равномерно распределенную нагрузку и сосредоточенный груз посередине пролета, динамическое напряжение найдется по формуле

/

Когда вибрирующая балка несет сложную нагрузку, состоящую из ряда сосредоточенных сил и сплошных неравномерных нагрузок, теоретическое вычисление приведенной массы которых представляет некоторые затруднения, рекомендуется следующий прием. Балка вместе с приходящейся на нее нагрузкой разбивается на ряд участков, в пределах которых просто вычислить величины масс  каждого участка. В центрах каждого участка устанавливаются акселерометры, вибрографы или прогибомеры с петлевыми тензорезисторами и записываются осциллограммы или виброграммы, по которым определяются ускорения . Перемножив массы на соответствующие ускорения, находят инерционные силы , действующие в каждом участке балки. Зная величины инерционных сил и точки их приложения, принимаемые в центрах отдельных участков, можно вычислить изгибающие моменты, действующие на балку, и определить динамические напряжения в любом сечении по ее пролету.

Определение напряжений в конструкции от динамической нагрузки можно также произвести с помощью петлевых тензорезисторов, наклеенных в тех местах, где необходимо найти эти напряжения, и просуммировать их с напряжениями от статической нагрузки. При таком определении напряжений надо знать величину модуля упругости материала конструкции.

Вибрационные колебания конструкции непрерывно меняют величину суммарного напряжения. В большинстве случаев знаки напряжений остаются постоянными, так как напряжения от статической нагрузки превалируют над напряжениями от динамической нагрузки. Однако возможны случаи, когда суммы напряжений от статической и динамической нагрузок будут переходить через нуль и напряжения станут знакопеременными. В том и другом случаях возможно возникновение усталости материала, причем во втором случае, когда имеются знакопеременные напряжения, явление усталости проявляется в большей степени, чем в первом.

Для возникновения усталости материала необходимо большое число циклов изменений напряжений, исчисляемое сотнями ты­сяч и миллионами.

4.    ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. "ДИНАМИЧЕСКОЕ ИСПЫТАНИЕ СТАЛЬНОЙ БАЛКИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ"

4.1.    Виброизмерительные приборы

4.1.1.  Сведения о теории и классификация приборов

Динамические испытания строительных конструкций отличаются от статических тем, что величина и направление нагрузки не остаются постоянными на этапах загружения, они сравнительно быстро изменяются во времени и вызывают линейные и угловые перемещения.

Параметрами линейной вибрации являются; перемещения, скорость, ускорения и резкость (первая производная от ускорения).

К параметрам угловой вибрации относятся: угол поворота, угловая скорость, угловое ускорение, угловая резкость.

Параметрами обеих видов вибрации служат: фаза, частота и коэффициент нелинейных искажений. Для их измерения необходима внешняя неподвижная система координат, относительно которой крепятся виброизмерительные приборы, фиксирующие абсолютные перемещения. Если создание такой системы затруднительно, применяют подвижную систе­му отсчета и вибропреобразователи инерционного действия. Основным элементом вибропреобразователя является инерционная масса m, соеди­ненная с корпусом прибора пружиной жесткостью к и демпфирующим элементом с коэффициентом успокоения с (рис. 2). Корпус прибора со­вершает колебания у вместе с исследуемой конструкцией. Масса перемещается относительно корпуса прибора на величину z, которая может быть записана на вращающемся с заданной скоростью барабане. Пе­ремещение пружины — х. Следовательно, z = х + у.

Для определения закономерностей движения системы запишем дифференциальное уравнение движения массы m по времени t:

,

где точки над буквами обознача­ют дифференцирование по времени.

Для анализа работы вибропреобразователя введем в уравнение (15) следующие обозначения:

 - частота собственных колебаний системы;

 - коэффициент затуха­ния.

Если в приборе нет демпфирующего элемента  и частота собственных колебаний незначительная , то. Пренебрегая произвольными постоянными, получим , и показания прибора будут соответствовать действительным перемещениям испытываемой конструкции. Такой прибор называется виброметром.

Инерционная масса (или сейсмомасса) при податливой пружине практически не меняет своего положения в пространстве.

Если при низкой частоте собственных колебаний  в прибор ввести хорошо гасящий колебания демпфирующий элемент, то из уравнения (16), пренебрегая первым и третьим слагаемыми, получим , откуда . Такой прибор служит для определения скорости колебаний и его называют виброметром скорости (вибровелосиметром).

При отсутствии демпфера и высокий частоте колебаний перемещение массы пропорционально ускорению;  и такой прибор является виброметром ускорения (виброакселерометром).

Виброизмерительные приборы можно разделить на две основные группы: контактные и дистанционные (рис.8). К контактным приборам относятся механические и оптические приборы, применяемые чаще при освидетельствовании конструкций для приближённого определения параметров колебаний (амплитуд и частот). Аналогично назначение и оптических приборов. Более точные измерения могут быть получены приборами с регистрацией показаний на специальной ленте или бумаге ручным вибрографом или вибрографом Гейгера.

Бесспорными преимуществами обладают дистанционно работающие вибропреобразователи, устанавливаемые на испытываемой конструкции (первичные приборы), сигнал которых записывается вторичными прибо­рами, установленными на определенном расстоянии от испытываемой конструкции.

Процесс измерения динамических характеристик испытываемой кон­струкции обычно состоит из следующих операций:

-преобразование измеряемой величины в другую физическую вели­чину более удобную для измерения;

-измерение вторичной физической величины;

-регистрация измерений;

-обработка результатов измерений.

4.1.2. Характеристики используемых приборов

4.1.2.1.   Вибромарка

Вибромарка инженера Р.И. Аронова (рис. 7) служит для измерения вибрации с постоянной амплитудой. Принцип действия прибора основан на оптическом эффекте человеческого глаза, т. е. на слитности восприятий явлений, чередующихся быстрее 7 раз в 1 секунду. Следовательно, вибромарка применима при колебаниях с частотой 17 циклов в секунду с малой амплитудой или 8 циклов в секунду при большей амплитуде, так как при меньшем числе колебаний наблюдатель не может надёжно видеть фигуру возникающего клина. Чем больше амплитуда вибрации, тем ближе к основанию расположится остриё клина (рис. 9). Таким образом, вибромарка может быть протарирована как приспособление для измерения амплитуд.

Вибромарка вычерчивается на бумаге в виде острого угла с основанием b=5...20 мм и L=50...200 мм и наклеивается на поверхность конструкции, размах колебаний которой требуется определить. Колебания совершаются в направлении стрелок (Рис. 10). Наблюдатель может измерить расстояние l до пересечения сдвоенных треугольников, а затем определить амплитуду колебаний по формуле

4.1.2.2. Ручной виброграф

Для записи колебаний высокой частоты могут с успехом применяться ручные вибрографы. Среди них нашел большое распространение ручной виброграф марки ВР-1, который при записи виброграммы удерживается непосредственно в руках экспериментатора и не требует никакой подставки.

Виброграф (рис. 11) состоит из корпуса 1, в который запрессована трубка 2. Внутри трубки расположен стержень 3 с выступающим наружу наконечником 4. Верхний конец стержня проходит в корпус и упирается своим наконечником в рычаг 5, оттягиваемый книзу концом спиральной пружины 6, прикрепленной к поводку 7. Поводок может передвигаться вдоль трубки и закрепляться в желаемом положении двумя винтами 8. Передвигая по­водок книзу, можно увеличить давление пружины на стержень. Чтобы давление пружины не вытолкнуло стержень вниз, в верхней его части, под наконечником насажена сферическая шайбочка 9, упирающаяся в соответствующее гнездо.

На свободном конце рычага имеется острие, которое производит запись виброграммы путем царапания воскового слоя, покрывающего бумажную ленту 10 шириной 24 мм.
На этой же ленте рядом с виброграммой наконечник 11 (отметчик времени) делает отметку времени в виде черточек, наносимых с интервалом в 1 секунду. Лентопротяжный механизм приводится в действие часовой пружиной 12, заводимой ключом 13.

Отметчик времени может работать от собственной батареи, помещающейся в отсеке 14, или от внешнего источника электрического тока, включаемого в соответствующее штепсельное гнездо. Реле отметчика времени, и приводное устройство помещены в отсеке 15. Ручка 16 для приведения вибрографа в действие расположена на крышке корпуса.

Общие габариты прибора: 80 X 130X230 мм. Вес прибора с рычажным приспособлением равен 1.7 кг. Амплитуды колебаний от 0.05 до 1.5 мм записываются с шестикратным увеличением; амплитуды колебаний от 1, 5 до 6 мм записываются в натуральную величину или с двукратным увеличением, для чего на конец трубки надевается специальное рычажное приспособление 17, состоящее из шарнирного параллелограмма, в верхний стержень которого упирается наконечник 4.

Для записи амплитуд и марок времени следует наконечник 4 или рычажное приспособление 17 привести в соприкосновение с вибрирующим элементом конструкции, ориентировав стержень 3 по направлению колебаний исследуемого элемента, и включить виброграф, повернув ручку 16. При самом сильном натяжении пружины стержень 3 с наконечником 4 может следовать за элементом, имеющим ускорение до 20 g.

Корпус прибора со всеми относящимися к нему частями образует инертную массу, которая удерживается руками экспериментатора.

Ручной виброграф записывает виброграмму с амплитудами от 0,05 до 6 мм при частотах от 5 до 100 Гц.

Недостатком ручного вибрографа является сравнительно невысокая точность (до 8%), а так же ограниченные параметры измеряемых амплитуд и частот.

4.1.2.3.Светолучевой осциллограф

Светолучевой осциллограф предназначен для визуального наблюдения и синхронной записи на фотоленте функций одной или нескольких (до 12) исследуемых величин времени, называемых осциллограммами. Это обеспечивается набором гальванометров с различными собственными частотами и широким диапазоном скоростей движения фотоленты.

Для записи быстро меняющихся напряжений или деформаций конструкции с успехом применяются проволочные тензорезисторы с записью осциллограммы (виброграммы) на осциллографе. Тензорезисторы для динамических испытаний применяются такие же, как и для статических, но со значительно повышенным омическим сопротивлением до 500—1000 Ом, а иногда и до 2000 Ом.

При записи осциллограмм приходится усиливать ток, подаваемый про­волочными датчиками на осциллограф.

Взаимное расположение отдельных частей установки показано на рисунке 12. Если источником питания является переменный ток, то приборы соединяются в последовательности, показанной на рисунке: к мостику Уитстона 1 подключается усилитель переменного тока 2, к усилителю подключается выпрямитель 3, а к последнему присоединяется осциллограф 4. Усилитель совместно с выпрямителем образуют тензометрический усилитель.

Страницы: 1, 2, 3, 4