Jak prędkość pojazdu, ekscentryczność i nierówności nawierzchni wpływają na identyfikację parametrów mostu?

W przeprowadzonych badaniach analizowano, w jaki sposób różne prędkości pojazdu, ekscentryczność jego toru jazdy oraz nierówności nawierzchni wpływają na identyfikację parametrów drgań mostu, takich jak częstotliwości, współczynniki tłumienia czy kształty modów. Wyniki, uzyskane przy użyciu metody identyfikacji drgań mostu w obecności pojazdu, ujawniają kilka interesujących zależności, które są istotne z praktycznego punktu widzenia.

Analiza danych pokazuje, że wyniki identyfikacji są zadowalające dla wszystkich rozważanych prędkości pojazdu. Szczególnie zauważalne jest, że przy prędkości 2,5 m/s jakość drugiego trybu pionowego, mimo tego, że jest zadowalająca, jest gorsza niż w przypadku wyższych prędkości (5 m/s i 10 m/s). Wynika to z faktu, że przy niższej prędkości wibracje generowane przez pojazd nie są wystarczająco silne, aby pobudzić wyższe tryby mostu. Mimo to, wyższe prędkości mogą prowadzić do przesunięcia częstotliwości, a także skrócenia czasu próbkowania, co nie zawsze jest korzystne. Z tego względu, w praktyce, dla dokładniejszego pomiaru stosuje się ruchome obciążenia lub dodatkowe wibratory, które mają na celu zwiększenie amplitudy wibracji mostu.

Jeśli chodzi o ekscentryczność pojazdu, eksperymenty wykazały, że zmiana toru jazdy pojazdu, w szczególności wzdłuż osi mostu (ekscentryczność e = 0,1 m), ma minimalny wpływ na identyfikację parametrów drgań mostu. Największy wpływ zaobserwowano, gdy pojazd poruszał się po zewnętrznej krawędzi mostu (ekscentryczność e = 5,25 m), gdzie amplitudy drgań mostu były wyraźnie większe, co ułatwiało identyfikację częstotliwości, współczynników tłumienia oraz kształtów modów. Zatem większa ekscentryczność pojazdu pozwala na lepsze skanowanie częstotliwości skrętnych mostu, a tym samym uzyskiwanie dokładniejszych wyników w analizach drgań.

Nierówności nawierzchni stanowią istotny czynnik wpływający na jakość identyfikacji. Zjawisko to jest związane z tym, że wibracje mostu mogą być maskowane przez wibracje wywołane przez nierówności nawierzchni. W przypadku braku odpowiednich technik filtrowania, takie jak stosowanie metod odpływu resztkowego, identyfikacja parametrów może być bardzo trudna. W badaniu przyjęto, że nawierzchnia mostu ma lepszą klasę jakości (ISO-8608 Klasa A), ale przy wyższych nierównościowych amplitudach wibracje mostu mogą zostać przesłonięte przez wibracje generowane przez nierówności. W takich warunkach identyfikacja parametrów może stać się niemożliwa, co zostało zaobserwowane przy prędkości 2,5 m/s i ekscentryczności 1,75 m, gdzie wyniki były błędne lub nierealistyczne.

Aby zniwelować negatywne efekty nierówności nawierzchni, zastosowanie ruchu innych pojazdów lub bieżącego ruchu drogowego stało się powszechną praktyką. Przykładowo, do generowania wibracji mostu zastosowano ciężarówki o masach 5, 10 i 20 ton, poruszające się z prędkością 2,5 m/s. Ważnym spostrzeżeniem jest to, że mimo iż pojazdy te mają stosunkowo małą masę w porównaniu do mostu, służą one jako źródło losowych drgań, które pomagają w wyrównaniu wpływu nierówności nawierzchni.

Zasadniczym wnioskiem płynącym z przeprowadzonych badań jest to, że przy odpowiednim doborze parametrów, takich jak prędkość pojazdu, jego ekscentryczność czy sposób radzenia sobie z nierównościami nawierzchni, możliwe jest skuteczne przeprowadzenie identyfikacji parametrów drgań mostu. Istotne jest, aby w takich badaniach wykorzystywać odpowiednie techniki, które eliminują lub przynajmniej minimalizują wpływ niepożądanych czynników, takich jak nierówności nawierzchni, jednocześnie zwiększając jakość pomiarów.

Jak wzmacniacz wpływa na identyfikację częstotliwości mostu i zjawisko rezonansu w systemach pojazdów testowych

Analiza zachowania pojazdów testowych oraz wzmacniaczy mechanicznych w kontekście rezonansu i identyfikacji częstotliwości drgań mostów opiera się na porównaniu rozwiązań analitycznych i numerycznych, takich jak metoda elementów skończonych (FEM). Badania wykazują doskonałą zgodność wyników w dziedzinach czasu i częstotliwości, co potwierdza trafność stosowanych modeli.

W szczególności, w analizach przedstawionych na wykresach widoczne jest, że wzmacniacz przewyższa pojazd pod względem możliwości wyodrębnienia drugiej częstotliwości mostu. Wynika to z efektu tłumika masowego (TMD), który jest wywołany bliskością dwóch częstotliwości – wzmacniacza i pojazdu. W sytuacji, gdy częstotliwość wzmacniacza jest zbliżona do częstotliwości mostu, dochodzi do rezonansu wzmacniającego amplitudę drgań charakterystycznych dla mostu. Takie działanie pozwala na znaczne uwypuklenie sygnału nośnego i poprawę identyfikacji istotnych częstotliwości drgań.

Eksperymenty prowadzone na układzie wzmacniacz–pojazd testowy potwierdzają, że ustawienie pojazdu w rezonansie powoduje gwałtowne wzmocnienie sygnału drgań, które są przekazywane na wzmacniacz. Natomiast gdy pojazd nie jest w rezonansie, lecz wzmacniacz zostaje nastrojony na częstotliwość wzbudzenia (tzw. warunek anulacji), wzmocnienie pojawia się wyłącznie w odpowiedzi wzmacniacza, natomiast odpowiedź pojazdu zostaje znacznie stłumiona. Efekt ten jest wykorzystywany w praktyce do eliminowania zakłóceń oraz wyodrębniania istotnych składowych drgań mostu. Ponadto, zjawisko przesunięcia częstotliwości związane z ruchem pojazdu powoduje rozszczepienie charakterystycznej częstotliwości mostu na dwie, co pozwala na obecność sygnału w odpowiedzi pojazdu nawet przy spełnionym warunku anulacji.

Wpływ masy wzmacniacza na ekstrakcję częstotliwości mostu okazuje się być marginalny. Przeprowadzone analizy z różnymi masami wzmacniacza (od zera do nawet 1/50 masy pojazdu) pokazują, że zmiany amplitudy sygnału są minimalne, a wzmacniacz wciąż przewyższa pojazd w rozpoznawaniu drugiej częstotliwości mostu. Dlatego masa wzmacniacza może być w praktyce pomijana.

Znaczenie ma natomiast częstotliwość wzmacniacza, która powinna być odpowiednio dobrana względem częstotliwości mostu, ale z lekkim przesunięciem (np. 1,1 razy częstotliwość mostu), aby uniknąć bezpośredniego rezonansu. Dzięki takiemu nastrojeniu wzmacniacz w sposób selektywny wzmacnia pożądaną częstotliwość drgań mostu, co jest szczególnie istotne w pomiarach dynamicznych podczas przejazdu testowego pojazdu. Proces regulacji wzmacniacza można realizować podczas kolejnych przejazdów (tam i z powrotem), co pozwala najpierw zidentyfikować wstępne częstotliwości na podstawie sygnału pojazdu, a następnie poprawić ich rozpoznanie za pomocą wzmacniacza.

W praktycznym zastosowaniu metody skanowania pojazdem (Vehicle Scanning Method, VSM) należy uwzględnić przesunięcia częstotliwości spowodowane prędkością ruchu pojazdu, co powoduje rozszczepienie mostowych częstotliwości na dwie oddzielne składowe. Ten efekt jest kluczowy do prawidłowego odczytu i interpretacji danych pomiarowych oraz do skutecznej kalibracji wzmacniacza.

Podsumowując, zastosowanie wzmacniacza w układzie pojazd–most znacząco podnosi jakość identyfikacji dynamicznych parametrów konstrukcji mostowych. Wzmacniacz pozwala na selektywne zwiększenie amplitudy drgań przy wybranych częstotliwościach, eliminując jednocześnie zakłócenia i minimalizując wpływ masy na pomiary. Ustawienie wzmacniacza w odpowiedniej częstotliwości oraz zrozumienie efektów rezonansu i przesunięć częstotliwości są fundamentem skutecznego wykorzystania tej technologii.

Istotne jest również zrozumienie, że zjawiska dynamiczne opisane w tekście mają charakter nieliniowy i zależą od wielu czynników, takich jak warunki brzegowe, prędkość pojazdu, parametry materiałowe mostu czy sposób mocowania wzmacniacza. Dlatego w praktyce należy stosować iteracyjne podejście do kalibracji i analizy pomiarów, wykorzystując dane z różnych źródeł i z uwzględnieniem zmiennych dynamicznych, aby uzyskać pełen i wiarygodny obraz zachowania konstrukcji.