новая папка / БЕЗОПАСНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

i 0

tg 0 – коэффициент внутреннего трения; i – показатель степени; n – наибольшая степень

полиномиальной зависимости; Ai – коэффициенты регрессии, (см3/г)i, - плотность снега, г/см3.

где HC – твердость снега, Па; i , n – параметры, указанные в формуле (5); Ai – коэффициенты

В таблице 1 представлены полученные на основе метода наименьших квадратов

коэффициенты регрессионных зависимостей (5)-(8).

Таблица 1

Коэффициенты регрессионных уравнений связи механических параметров снега и его плотности

Зависимости tg 0 ( ), HC ( ),C0 (), Кж (), описываемые уравнениями (5)-(8) представлены на рисунках 1-4.

Из представленных рисунков следует, что с увеличением плотности снега происходит существенное увеличение твердости, коэффициента жесткости, связности. В интервале значений плотности 0,1…0,6 г/см3 значения вышеуказанных параметров возрастают на несколько порядков. Снежный покров является сложной физико-химической системой. Состояние его зависит от термодинамического равновесия твердой, жидкой и газообразной фаз. Одним из факторов, определяющим состояние снега, является наличие в нем воды. При температуре 00C происходит интенсивный процесс таяния и увлажнения. При этом свойства снега начинают существенно меняться. Исследования, проведенные В.И. Пановым в ОНИЛВМ [2], показали, что влажность существенно влияет на плотность, это в свою очередь приводит к изменению других свойств.

130

Взаимосвязи этих параметры наиболее адекватно описываются представленными ниже уравнениями:

i 0

Вформулах (9)-(12): A(n i), i – коэффициенты регрессии; i , n – параметры, указанные в

снежного покрова, z – расстояние от поверхности подстилающего слоя до нижней точки внедряемого в снег штампа; 0 – начальная плотность снежного покрова.

На основе метода наименьших квадратов для зависимостей (9) – (12) были получены коэффициенты регрессии, представленные в таблице 2. С их учетом, например, для снега

131

зимнего периода зависимость твердости снега от его плотности при различных температурах с учетом уравнения (6) примет вид:

HC(ρ, T ) -0,16599 0,54153 ρ - 0,08925 T 0,447667 ρ2 0,159256 ρ T

0,01336 T 2 0,261043 ρ3 0,15863 ρ2 T 0,022601 ρ T 2 0,00032 T 3

Таблица 2

Коэффициенты регрессионных уравнений связи параметров состояния снега

На рисунках 5-8 представлены полученные аппроксимационные зависимости и сравнение их с экспериментальными данными.

На основании представленных результатов на рисунках 5-8 можно говорить об удовлетворительной сходимости новых предложенных зависимостей (5)-(8) с экспериментальными данными.

На рисунке 5, а представлено изменение плотности снега от относительной деформации. При определенных значениях относительной деформации происходит возрастание плотности снега до значений =0,65 г/см3, после которых снег переходит в состояние льда, являющегося практически недеформируемым при тех давлениях, которые оказывают движители транспортных средств на него.

132

а) б) в)

Рис. 5. – Зависимость плотности снега от относительной деформации при различных

значениях начальной плотности 0:

1 - 0,1 г/см3; 2 - 0,2 г/см3; 3 - 0,3 г/см3; 4 - 0,4 г/см3; 5 - 0,5 г/см3; 6 – 0,6 г/см3

- экспериментально полученные зависимости, полученные в ОНИЛВМ - предложенные полиномиальные зависимости

а – Проекция в плоскости О ; б – Многомерная экспериментальная зависимость;

в – Полученная аппроксимационная зависимость

а) б) в)

Рис. 6. Зависимость плотности снега от влажности при различных значениях начальной

плотности 0 сухого снега:

1 - 0,23 г/см3; 2 - 0,32 г/см3; 3 - 0,43 г/см3

- экспериментально полученные зависимости, полученные в ОНИЛВМ - предложенные полиномиальные зависимости

а – Проекция в плоскости -W; б – Многомерная экспериментальная зависимость;

в – Полученная аппроксимационная зависимость

Рис. 7. Зависимость сопротивления сдвигу снега от влажности при плотности сухого

снега:

1- 0,23 г/см3; 2 - 0,32 г/см3; 3 - 0,43 г/см3

-экспериментально полученные зависимости, полученные в ОНИЛВМ

-предложенные полиномиальные зависимости

а– Проекция в плоскости -W; б – Многомерная экспериментальная зависимость;

в– Полученная аппроксимационная зависимость

133

Рис. 8. – Зависимость твердости снега от его плотности при различных температурах:

1– (-1,4)0C; 2 – (-3)0C; 3 – (-6)0C; 4 – (-10)0C; 5 – (-15)0C; 6 – (-18)0C

-экспериментально полученные зависимости, полученные в ОНИЛВМ

-предложенные полиномиальные зависимости

а– Проекция в плоскости НС- ; б – Многомерная экспериментальная зависимость;

в– Полученная аппроксимационная зависимость

Вработе [3] предложено 4 типа снега с соответствующими параметрами для оценки проходимости наземных транспортных средств, а в работе [4] указанные значения параметров корректируются до значений, представленных в таблице 3.

Таблица 3

Численные значения параметров снега [4]

Примечание: =C´·Кж, где - несущая способность (начальная жесткость) снега, C´ - коэффициент пропорциональности (C´=0,735) [3]

Ранее при исследовании взаимодействия движителя со снегом (в том числе при многократном проходе движителя по одной колее или при анализе работы колес разных осей многоосных машин) значения параметров снежного покрова выбирались с учетом заданного типа снега из таблицы 3. Причем считалось, что указанные параметры снега сохраняют свои значения в независимости от деформации, температуры и влажности снега.

Теперь на основании выражения (12) можно уточнить плотность снега в зависимости от относительной деформации снега (глубины колеи) и начальной плотности. Далее по зависимостям (5), (7) и (8) соответственно определяются остальные параметры снега: tg 0, С0,,, которые подставляются в выражения для описания процесса взаимодействия движителя со снегом.

Аналогично можно уточнять значения плотности от влажности по выражению (9), а затем по зависимостям (8), (7) и (5) соответственно определять параметры , С0, tg 0 , входящие в выражения (1)-(4).

В заключении следует отметить, что работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного контракта от 21.04.2011 №16.516.11.6023 «Создание экспериментального образца специального транспортного средства северного исполнения на шинах сверхнизкого давления для работ на слабонесущих опорных поверхностях».

134

Библиографический список

1.Барахтанов, Л.В. Расчет сопротивления движению машин по снегу / Л.В. Барахтанов, С.Е. Манянин // Журнал ААИ. – 2012. – №1(72), с. 24-27.

2.Барахтанов, Л.В. Физико-механические свойства снега как полотна пути для движения машин / Л.В. Барахтанов, А.А. Аникин, И.О. Донато // Электрон. жур. «Наука и образование: электронное научно-техническое издание». – 2010. – №10 http://technomag.edu.ru/doc/160649.html

3.Барахтанов, Л.В. Проходимость автомобиля / Л.В. Барахтанов, В.В. Беляков, В.Н. Кравец – Н. Новгород: НГТУ, 1996. – 200 с.

4.Донато, И.О. Проходимость колесных машин по снегу. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 231 с.

5.Алипов, А.А.Распределение давлений в контакте шины с дорогой/ А.А. Алипов, В.В. Беляков, А.Н. Блохин, Д.В. Зезюлин // Вестник ИжГТУ. – 2011. – №1(49), с. 15-1

УДК 629.113

МОДЕЛИРОВАНИЕ АТЛАСА КАРТ ПОДВИЖНОСТИ НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН НА ПРИМЕРЕ НИЖЕГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ

Беляков В.В., Беляев А.М., Гончаров К.О., Зезюлин Д.В., Макаров В.С., Папунин А.В., Редкозубов А.В., Федоренко А.В.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева

Одним из важнейших свойств характеризующих транспортные средства является подвижность. Подвижность можно определить как интегральное эксплуатационное свойство транспортно-технологических машин (ТТМ) определяющее способность ТТМ выполнять поставленную задачу с оптимальной адаптивностью к условиям эксплуатации и состоянию самой машины. Можно выделить потерю подвижности по живучести и мобильности. Живучесть (подвижность по живучести) – это отказная надежность транспортного средства ТС. Мобильность (подвижность по мобильности) – эксплуатационная надежность ТС. При этом проходимость – это эксплуатационное свойство, определяющее возможность движения автомобиля в ухудшенных дорожных условиях, по бездорожью, а также при преодолении различных препятствий, которая относится к критическим условиям подвижности машины по мобильности. [1, 2]

Почти две трети площади нашей страны относятся к труднопроходимым, труднодоступным или вообще являются непригодными для передвижения на любом существующем виде транспорта. О разнообразии ландшафта говорить не приходиться. В данной ситуации трудно переоценить разработки, связанные с систематизацией и оценкой поверхности передвижения для транспортно-технологических машин, целью которой в конечном итоге является если не навсегда решение этой проблемы, то существенное облегчение жизни для значительной части населения. Сколько проблем, порой, возникает у государственных, федеральных и муниципальных структур при выполнении поставленных задач по причине несоответствия транспорта условиям движения или его полного отсутствия? Сколько бюджетных средств тратится впустую? И, наконец, какое количество жизней не удается спасти разным государственным службам?

Примером может служить сложившаяся обстановка последних десятилетий содержания лесных массивов с точки зрения пожарной безопасности. Отсутствие статистики и адекватных карт, позволяющих судить о проезжаемости территорий и запасных путей «сыграло злую шутку» со всей системой предупреждения чрезвычайный ситуаций Нижегородской области.

Понятно, что в ближайшее время уровень дорожной инфраструктуры нашей страны сильно не измениться и за ближайшие несколько лет даже десятилетий не поднимется до приемлемого, например европейского уровня. Поэтому востребованность машин высокой и

135

повышенной проходимости, различных транспортно-технологических комплексов и иных машин с подобными характеристиками в будущем не снизиться. Поэтому именно сейчас проблема рационального использования того или иного транспорта в различных районах страны становится все актуальней.

Оценка машин высокой проходимости, а также различных мобильных систем, по сути, основывается на множестве различных показателей, которые в свою очередь характеризуют как среду, с которой взаимодействует машина, так и саму машину.

Сама среда, с которой взаимодействует машина, представляет собой верхний покров планеты и складывается из таких составляющих как грунты, почвы с расположенной на ней растительностью, озера, реки и моря; горы и скалистые массивы, которые делятся на естественные и искусственные препятствия и т.д. Математические модели взаимодействия машины со средой можно создать на физических и геометрических показателях среды, при этом давая приемлемые закономерности для определения эффективности движения в целом, соответствия машины для данных условий, экономической оценки целесообразности применения машин различного типа. Такие исследования проводились в работах Беккера и Вонга [3, 4].

Очевидно, что большая добавочная информация об окружающей среде (геологические, географические, экономические, гидрологические и др. данные) может потребоваться не только для инженерных расчетов, например при создании машины, но и в дальнейшем позволит определить так называемые «оптимальные» зоны эксплуатации данной машины, при этом довольно весомую роль будут играть экономические, тактические и стратегические интересы.

Составление карт подвижности на основании характеристик грунта является наиболее трудоемким, так как требует большого ручного труда. Саму методику их составления можно описать следующим образом. И если оптимизация вопросов проходимости зависит от физических и геометрических величин, характеризующих поверхность движения, то целесообразно при помощи ограниченного числа показателей и числа проб представить более полно эти окружающие условия. [4]

При этом потребуется двухэтапное преобразование: отбор «группы площадей» на исследуемой территории и выявление участков этих площадей для взятия проб с целью определения физико-механических характеристик грунта. Установление «группы площадей» с большой долей вероятности входит во все работы, связанные с геологическими изысканиями, проводившимися в последнее время на исследуемой территории.

Нельзя отказаться при этом от такого вида информации как: визуальное наблюдение, фотоинтерпретирование, мнения опытных геологов и экологов, которые обладают солидным опытом в данной сфере.

Системный анализ различных показателей, биоклиматологические схемы и статистические различия между отдельными чертами поверхности могут стать необходимы при определении по карте границы между различными участками без проведения дополнительного мониторинга местности. Для этого целесообразно использовать карты и фотографии, иллюстрирующие текстуру поверхности и участки растительности, содержащие описание грунтов и их характеристик. По существу, почвенные и геологические карты обычно представляют собой отправные материалы при определении «группы площадей».

После того как определены площади «группы площадей», представляющие собой участки, которые геологически однородны, можно выделить поверхности, которые не представляют препятствии при движении по ним машин, т.е. плоские и твердые поверхности. Это в свою очередь позволит обратить внимание на геометрию труднопроходимых участков и изучить физико-механические свойства мягкого грунта, не обращая внимания на его геометрию.

Непосредственно сама оценка площадей возможна при наличии некого инженерного опыта от людей, которые понимают суть проблемы, имеют практический опыт эксплуатации машин высокой проходимости в похожих районах.

136

Другой путь сокращения «групп площадей» при оценке проходимости заключается в рассмотрении их с оперативной точки зрения. Если леса плотные и никакая машина не может их преодолеть, то их нужно перевести в класс непреодолимых препятствий, картографировать и не подвергать дальнейшему описанию. Фактор, который сократит число данных об окружающих условиях, это назначение машины. Если трелевщик должен использоваться только на лесоразработках, то нужны данные только о лесе.

Это говорит о том, что отбор необходимых данных и проб основывается на опыте в большей мере, чем на точных данных о среде передвижения.

На рис 1 представлены две фазы определения окружающих условий. Первая фаза основанная на отборе «групп площадей» из общей площади, определяет площади меньшего размера, представляющие интерес.

Вторая фаза определяет число проб и необходимое число показателей, оцениваемых статистиками.

Рис. 1. Фазы определения окружающих условий

Рассмотренный пример показывает лишь одну часть модели карты подвижности. Глобально оценить возможность движения можно по следующей предлагаемой методике. Сами карты представляют собой совокупность слоев наложенных друг на друга и состоящих из областей имеющих различные весовые коэффициенты.

1. Определение характеристик грунтов рассматриваемой территории и составление карты местности в зависимости от сезона, то есть в течение года условия движения меняются. Основной причиной изменения характеристик грунтов является их влагонасыщенность, например в осенне-весенний период. В данном случае необходимо учитывать статистические данные по продолжительности и сроках начала рассматриваемого периода.

Принцип получения характеристик был показан на рис.1. Также, если воспользоваться данными почвенных карт Нижегородской (Горьковской) области, то зная площади залегания грунтов можно определить и их характеристики необходимые для определения подвижности ТТМ. По самим грунтам и их характеристикам ( – связность, – угол внутреннего трения,

- плотность грунта, – модуль деформации и др.) накоплен большой опыт. Сопоставляя

картографические с данными об их физико-механических свойствах можно получить слой карты подвижности.

В отдельную группу целесообразно выделить карты подвижности по снегам.

2. Определение статистических характеристик: плотности и глубины залегания в течение года, а также продолжительности и сроках начала снежного сезона в разных районах рассматриваемой территории. Все остальные параметры могут быть получены исходя из плотности , например жесткость , связность и угол внутреннего трения ,

необходимые для оценки проходимости машин.

Пример карты характеристик снежного покрова показан на рис. 3.

137

Рис. 2. Пример участка карты грунтов территории Нижегородской области

Рис. 3. Средние значения максимальных глубин снега на территории Нижегородской области

3.Составление карты подвижности учитывающей глобальные участки леса, рек, озер, болот, а также объекты индустриального и техногенного характера (см. рис. 4). Все они могут быть как непреодолимыми препятствиями (реки, озера), так и дополнительными путями движения (ЛЭП, газо- и нефтепроводы).

4.Составление карты подвижности учитывающей дороги, в том числе шоссе, магистрали, проселочные и грунтовые дороги. Если существую дороги, то по ним целесообразно ездить. Всякую дорогу можно оценить по характеристикам опорного основания и характеристикам микропрофиля, а также залеганию снега, причем, необходимо учитывать, что часть оживленных и местных дорог чистятся от снега, а другая часть, в основном, грунтовых остается покрытой снегом. На рис. 4 показана часть карты с примерами характеристик участков пути, а именно микропрофилем, нормированными корреляционными функциями микропрофиля и нормированными виброускорениями.

138

Рис. 4. Пример слоя карты Павловского района Нижегородской области с населенными пунктами, реками, ЛЭП и др.

Рис. 5. Пример слоя карты Павловского района Нижегородской области с дорогами

Объедения все многообразие слоев карты можно получить многогранную характеристику дорог и «направлений» Нижегородской области.

Среди организаций, которые нуждаются в «карте подвижности» можно выделить некоторые подразделения, службы и министерства и пр. Министерство обороны, ФСБ, МЧС, Министерство здравоохранения, МВД, Прокуратура, Охотнадзор и Рыбнадзор, Ростехнадзор, Гостехнадзор, Росреестр, Федеральная кадастровая служба и др.

Часть данного исследования проведена в рамках поддержанного проекта РФФИ «Организация и проведение полевых работ по определению характеристик микропрофиля дорог, предназначенных для движения транспортно-технологических машин» № 12-08- 10004-к.

Библиографический список

1.Беляков, В.В. Оценка эффективности специальных транспортных средств при движении по снегу/ В.В. Беляков, Д.А. Галкин, А.С. Зайцев, Д.В. Зезюлин, Е.М. Кудряшов, В.С. Макаров // Труды НГТУ им. Р.Е.Алексеева. – 2012. – №2 – С. 156-166.

2.Беляков, В.В. Подвижность специальных транспортных средств по дорогам типа «stone-road» / В.В. Беляков, У.Ш. Вахидов, Д.А. Галкин, А.С. Зайцев, Е.М. Кудряшов, В.С. Макаров // Труды НГТУ им. Р.Е.Алексеева. 2012. №1. С.143-151.

3.Wong, J.Y. Theory of Ground Vehicles, Fourth Edition. John Wiley, New York, 592 pages, 2008.

4.Беккер, М.Г. Введение в теорию систем местность—машина. М.: Машиностроение, 1973. 520 с.

139