ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Опыт эксплуатации лесовозных автомобильных дорог Северо-Западного региона показывает, что вывозка лесоматериалов из лесосек на лесные склады, пункты переработки и потребителям является важнейшей фазой лесозаготовительного производства, которая определяет возможности и целесообразности освоения лесных запасов, и в значительной степени - себестоимость продукции лесозаготовок.
Лесовозные автопоезда эксплуатируются на лесовозных автомобильных дорогах и на дорогах общего пользования, которые на отдельных участках характеризуются сложными условиями для водителей, плохим состоянием поверхности автодороги. Всесезонность вывозки лесоматериалов по автомобильным дорогам обуславливает движение при состоянии покрытия, характеризующимся низкими значениями коэффициента сцепления.
При таких обстоятельствах проблема повышения транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог, безопасности движения и профилактики дорожно-транспортных происшествий является чрезвычайно актуальной для лесного комплекса России и особенно условий Республики Коми в связи со значительным увеличением парка лесовозного автомобильного подвижного состава и перспективы вывозки лесоматериалов по дорогам общего пользования.
Указанное выдвигает рассматриваемую проблему в число важнейших народнохозяйственных и социальных задач, подчеркивая ее актуальность.
Тема диссертации посвящена проблеме повышения надежности и эффективности лесовозных автомобильных дорог и способствует разработке ресурсосберегающей и экологически перспективной технологии работы лесотранспорта и автомобильных дорог.
Цель работы. Целью данной работы является повышение надежности и эффективности лесовозных автомобильных дорог, повышение
8
устойчивости лесовозных автотранспортных средств на основе моделирования динамики их торможения в различных эксплуатационных условиях Северо-Западного региона.
Объекты и методы исследований. Объектами исследований являлись дороги, лесовозные автопоезда, процессы движения автомобилей и автопоездов в режимах торможения. Научные исследования проводились при помощи методов: дифференциального и интегрального исчислений, теории дифференциальных уравнений, теоретической механики, имитационного моделирования, регрессионного анализа, планирования эксперимента.
Научная новизна работы:
- теоретическое обоснование метода управления качеством дорожных покрытий на основе оптимизации ремонтных работ в условиях ограниченных ресурсов Северо-Западного региона, отличающееся тем, что позволит повысить транспортно-эксплуатационный уровень лесовозных автомобильных дорог и будет способствовать более обоснованному планированию ремонтных мероприятий и рациональному использованию материальных ресурсов;
- дифференциальные уравнения определения динамической нагруженности узлов и деталей лесовозных автопоездов, отличающиеся тем, что позволяют выявить и проанализировать причины отказов механизмов и узлов лесовозных автопоездов;
- теоретическое обоснование методики расчета допускаемой скорости движения лесовозных автопоездов с необеспеченной видимостью в условиях Северо-Западного региона, отличающейся учетом сил действующих на автомобиль при его движении на кривой;
- дифференциальные уравнения динамического взаимодействия между звеньями автопоезда в режиме экстренного или служебного торможения, отличающиеся тем, что позволяют определять нормальные реакции на осях лесовозного автопоезда, когда в сцепном устройстве действует усилие растяжения или усилие отсутствует;
- дифференциальные уравнения движения трехосного автомобиля в режиме торможения, отличающиеся тем, что учитывают неравномерность действия тормозных механизмов и позволяют определить параметры процесса торможения в любых эксплуатационных условиях, которые встречаются на лесовозных автомобильных дорогах;
- регрессионные модели, выражающие показатели эффективности и устойчивости торможения лесовозных автопоездов, отличающиеся возможностью поиска оптимальной начальной скорости торможения при заданном коэффициенте сцепления;
- математические модели, выражающие состояние дорожных условий и назначение мероприятий по повышению транспортно-эксплуатационного уровня лесовозной автомобильной дороги, отличающиеся тем, что позволяют выявлять повышенной потенциальной опасности и назначения мероприятий по их ликвидации.
Практическая значимость и результаты внедрения. Практическая ценность работы связана с использованием основных ее положений:
- предложенных математических моделей метрологического обеспечения измерений при ремонте и содержании лесовозных автомобильных дорог Республики Коми, позволяющих выявить влияние качества работ по содержанию и текущему ремонту на транспортно-эксплуатационные показатели автомобильных дорог;
- математических моделей динамического воздействия между звеньями автопоезда, позволяющих рассчитать вертикальные и горизонтальные реакции на колесах автопоезда в режиме экстренного и служебного торможения, способствующих повышению безопасности движения автопоездов;
- математических моделей силовых воздействий в системе «автомобиль-дорога» при торможении, алгоритмы, реализующие эти модели, позволяющие определять силовые и кинематические параметры, присущие
10
процессу торможения лесовозных автопоездов в любых эксплуатационных условиях;
- регрессионных моделей, выражающих показатели эффективности и устойчивости транспортных средств при торможении, позволяющие выявить влияние уклонов дороги, радиусов ее поворота и микропрофиля, а также начальной скорости движения и величины неравномерности действия тормозных механизмов автомобиля на тормозной путь и габаритное отклонение;
- математических моделей разбиения дороги на однородные участки и формирования базы характеристик однородных участков, алгоритмы, реализующие модели анализа дорожных условий с целью выявления мест повышенной опасности, позволяющие разработать и назначить мероприятия по их ликвидации, по обеспечению безопасности движения в местах концентрации ДТП, по обеспечению экономичности движения на дороге.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Математическая модель управления качеством дорожных покрытий на основе оптимизации ремонтных работ в условиях ограниченных ресурсов. 2.Дифференциальные уравнения определения динамической нагруженности узлов и деталей лесовозных автопоездов.
3. Расчетные схемы и дифференциальные уравнения расчета допускаемой скорости движения на участках с ограниченной видимостью.
4. Дифференциальные уравнения динамического взаимодействия между звеньями автопоезда в режиме экстренного или служебного торможения.
5. Расчетная схема и дифференциальные уравнения движения трехосного автомобиля в режиме торможения, математические модели силовых взаимодействий в системе «автомобиль-дорога» при торможении, алгоритмы, реализующие эти модели.
6. Регрессионные модели, выражающие показатели эффективности и устойчивости торможения лесовозных автопоездов.
11
7. Методика определения однородных участков на автомобильной дороге, алгоритмы анализа дорожных условий с целью выявления мест повышенной опасности и разработки мероприятий по обеспечению экономичности и безопасности дорожного движения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались:
- на международных научных, научно-практических и научно-технических конференциях: «Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса» (Воронеж, 1998г.); «Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем лесного комплекса» (Воронеж, 2000г.); «Международный форум по проблемам науки, техники и образования» (Москва, 2003, 2004гг.); «Вузовская наука -региону» (Вологда, 2004, 2005гг.); «Технологии, машины и производство лесного комплекса будущего» (Воронеж, 2004г.); «Экология: Образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород, 2004г.); «Наука и технологии: Труды XXIV Российской школы» (Москва, 2004г.); «Наука и образование-2005» (Мурманск, 2005г.); на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГЛТА и УГТУ с 1998 по 2006г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 103 работы. Основные результаты исследований - в 62 научных работах, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАКом - 14, в 4 монографиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов и рекомендаций, библиографического списка литературы наименований и приложений. Общий объём работы - 392 с, включая 52 рисунка, 38 таблиц, библиографического списка литературы - 227 наименований, в том числе на иностранном языке - 13.
12
1 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ
ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
1.1 Состояние проблемы и задачи исследований
1.1.1. Анализ существующих требований к параметрам шероховатости, сцепным качествам и ровности дорожных покрытий. Для контроля ровности дорожных покрытий применяются различные методы и приборы. Наиболее точно характеризуют взаимодействие автомобиля с дорожным покрытием приборы типа толчкомера, которые широко применяются в России и за рубежом [4,5,6,152]. В основном толчкомеры применяются при эксплуатационном контроле ровности, однако, их достаточно часто используют и при приемке дорог в эксплуатацию.
Нормативные значения показателя ровности, выражаемые в см/км и действующие в настоящее время, базируются на субъективном восприятии комфортности езды группой экспертов: допустимых вертикальных ускорениях, воздействующих на автомобиль и пассажиров; эмоциональном состоянии водителя в процессе движения автомобиля по дороге; в результате расчета, в основу которого положены устойчивость автомобиля на дороге, экономические условия перевозок и т.п.
В качестве объективного критерия для оценки ровности дорожных покрытий может быть использована средняя скорость движения автотранспорта. Многочисленные исследования показали значительное влияние ровности на скорость движения [135,159,197,198]. Нормирование ровности по средней скорости отличается универсальностью. Она отражает влияние ряда факторов: самой ровности покрытия, эмоционального состояния водителя, экономических характеристик перевозок.
Одним из наиболее эффективных можно считать комбинированные методы нормирования, включающие в себя экономико-математические и эргономические характеристики [152]. Вопросам нормирования значений
13
коэффициента сцепления (<р) уделялось большое внимание на протяжении всего периода изучения сцепных качеств дорожных покрытий. Существуют 2 способа нормирования значений коэффициента сцепления: статистический и расчетный.
Статистический метод заключается в установлении зависимости между величиной коэффициента сцепления и количеством дорожно-транспортных происшествий (ДТП). За минимально допустимое значение принимается такой коэффициент сцепления, при котором количество ДТП резко возрастает.
В основе расчетного способа лежат физические явления, которые происходят в результате взаимодействия автомобильного колеса с дорожным покрытием. Одним из примеров реализации расчетного способа является зависимость [21,164,185]:
где ^-величина коэффициента сцепления;
а- ускорение, требуемое для выполнения маневра автомобилем, м/с ;
g- ускорение свободного падения, принимается g =9,81 м/с2.
Величина ускорения а определялась по реальным значениям замедления при движении автомобиля по дороге. Недостатком этого метода является то, что наблюдаемые замедления автомобилей определялись сцепными качествами тех покрытий, на которых происходило торможение, т.е. нормирование коэффициента сцепления дорожных покрытий происходит "от достигнутого".
Собственно расчетный метод нормирования коэффициента сцепления основывается на использовании формулы:
^ (1.2)
где SV-путь торможения, м; vg- начальная скорость движения, м/с.
Такой метод применялся в работе Э.Г. Подлиха [185]. При этом q> назначался, исходя из расчетной скорости движения по дороге
14
соответствующей категории и расстояния видимости, принятого для данной категории. Проверялось выполнение неравенства
ST (1.3)
где ?«,-расстояние видимости, м.
При встречном движении двух автомобилей и при условии, что они тормозят одновременно и столкновение исключено, расчетная формула имеет вид:
К V2
где Кэ- коэффициент эксплуатационных условий торможения, -1.2; //- запас безопасности, 5 м; to- время реакции водителя.
В случае торможения автомобиля перед препятствием коэффициент сцепления определяется по формуле:
к v2
В таблице 1.1 приведены значения коэффициента сцепления для различных категорий дорог и соответствующих им расчетных скоростей движения и расстояний видимости [178].
Значения коэффициента сцепления, указанные в таблице 1.1, относятся к величинам, полученным по методу экстренного торможения. Учитывая, что расстояние видимости обычно значительно превышает минимально допустимое значение, формулами (1.4) и (1.5) для нормирования коэффициента сцепления следует пользоваться лишь на участках дорог с ограниченной видимостью.
К расчетному способу нормирования относится и экономический метод [21]. Учитываются потери от ДТП, себестоимость перевозок и другие факторы, зависящие от сцепных качеств дорожного покрытия.
Наиболее верной следует признать путь нормирования сцепных качеств на основе экономико-математических методов с учетом условий
15
безопасности дорожного движения.
Таблица 1.1- Расчетные значения коэффициента сцепления
Категория дороги Расчетная скорость, км/ч Расстояние видимости поверхности дороги, м Расстояние видимости встречного автомобиля, м Коэффициент сцепления
по формуле (1.4) по формуле (1.5)
1в 150 250 — 0.52 —
Пв 120 175 350 0.50 0.49
Шв 100 140 280 0.44 0.43
IVb 80 100 200 0.41 0.40
Vb 60 75 150 0.32 0.30
50 60 120 0.29 0.27
40 50 100 0.24 0.21
30 40 80 0.16 0.15
Прямая связь имеется между сцепными качествами дорожного покрытия и шероховатостью его поверхности [185,188]. Повышение степени шероховатости дорожного покрытия улучшает сцепные качества мокрой поверхности при некотором снижении их в сухом состоянии. Шероховатая поверхность улучшает отвод воды из зоны контакта колеса с покрытием, но одновременно увеличивается износ шин.
Оптимальное значение шероховатости будет находиться в диапазоне, обеспечивающем минимальные транспортные затраты, при условии сохранения безопасных условий движения.
Степень шероховатости дорожного покрытия оценивается средней высотой выступов макрошероховатости Нср, средней величиной расстояния между вершинами выступов Тср, количеством выступов с углом при вершине менее 90° и менее 150°. На основе этих показателей в СоюздорНИИ были разработаны нормативные значения шероховатости для обеспечения необходимого коэффициента-сцепления [188].
В настоящее время на территории России действуют "Технические указания по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью" (ВСН 38-80) [209].
16
Целью нормирования параметров шероховатости дорожных покрытий является получение стабильных сцепных качеств поверхности дорог.
1.1.2 Анализ метрологического обеспечения измерений параметров при ремонтах и содержании автомобильных дорог Северо-Западного региона. Высокое качество дорожного строительства зависит от сырья, материалов, изделий, оборудования, обеспечивается своевременным внедрением стандартов и контролем за их соблюдением, а также аттестацией продукции.
При выполнении технологических операций отдельных видов работ, как при строительстве дорог, так и при их ремонте и содержании возможно появление погрешностей^ изготовления. Технологический—процесс можно привести к некоторой системе независимых и взаимосвязанных случайных и систематических факторов, обусловливающих получение параметра. Систематическое изменение параметра изделия вызвано его конструктивной недоработкой, систематическими погрешностями производства или систематическим воздействием внешних условий. Результаты контроля, анализ контролируемых параметров опираются на первичную объективную информацию, главным образом, измерительную, о числовых значениях физических величин, параметров, о свойствах физических объектов. Вместе с тем подготовка и выполнение с требуемой точностью измерительных операций, получение достоверных результатов измерений вызывают необходимость разработки метрологического обеспечения измерений контролируемых параметров. Недостаточная точность, недостоверность и ограниченный объем измерительной информации влечет за собой низкое качество выпускаемой продукции и, в конечном счете, ведет к неоправданным потерям материальных средств и фондов, как в отрасли, так и в масштабе Республики Коми.
Согласно [184] под метрологическим обеспечением понимают установление и применение научных и организационных основ, технических
17

 Часть из работы     Получить работу