Аналитические зависимости для определения рационального режима снижения скорости лесовозного автопоезда при дорожных ограничениях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аналитические зависимости для определения рационального режима снижения скорости лесовозного автопоезда при дорожных

ограничениях

И. Р. Шегельман, В. И. Скрыпник, А. В. Кузнецов, А. С. Лещевич

Петрозаводский государственный университет

Аннотация: Получены зависимости, позволяющие определить оптимальный режим снижения скорости движения автопоезда при подходе к участкам, имеющим ее ограничения с обеспечением максимально допустимой по дорожным условиям средней скорости движения. Представленная методика позволит ускорить и уточнить расчеты при моделировании движения лесовозных автопоездов.

Ключевые слова: лесовозный транспорт, тяговые расчеты, моделирование движения, параметры движения, ограничения, торможение.

На основе тяговых расчетов в лесной отрасли может решаться комплекс технико-экономических задач, обеспечивающих эффективность транспортно-технологического освоения лесосырьевых баз

лесозаготовительных предприятий [1, 2, 5-12]. В частности, к таким задачам можно отнести [4]: определение производительности лесовозных автопоездов и схем вывозки леса - одноступенчатая, двухступенчатая; выбор оптимального типа лесовозного автопоезда для конкретных условий эксплуатации, при постепенной замене парка автопоездов на перспективные [9]; оценка трассы дорог по эксплуатационным условиям и условиям безопасности для разработки мероприятий по ремонту и реконструкции дорог; оптимизация схемы транспортного освоения, очередности вывозки леса с учетом эксплуатационных показателей дорог, сезонности их действия, потребностей потребителей по объемам и сортиментно-качественным показателям.

До настоящего времени на лесотранспорте тяговые расчеты выполняются на основе традиционного метода равновесных скоростей, который совершенствовался и уточнялся различными учеными [1, 2].

Однако, основной принцип, на котором базировались эти методы, оставался неизменным - скорость на каждом элементе продольного профиля определяется по условию равенства тягового усилия и суммарной силы сопротивления движению; в результате график скорости движения получается ступенчатым, скорость при переходе с одного участка на другой меняется мгновенно. При расчетах не учитываются многие факторы, влияющие на показатели движения, в частности, наличие инерционных и тормозных сил, варьирование тягового усилия с изменением скорости, непрерывное изменение уклона на вертикальных кривых, ограничение скорости движения по условиям видимости на вертикальных кривых и на закрытых поворотах на горизонтальных кривых с учетом центробежных сил. Проведенные исследования показали [5], что результаты расчетов на основе метода равновесных скоростей не обеспечивают достаточной точности, расчетные графики скоростей не адекватны фактическим.

На кафедре «Технологии и организации лесного комплекса» и в КарНИИЛПе (ПетрГУ) разработаны новые методы расчетов [3, 6-8], учитывающие все факторы, которые не принимаются во внимание при проведении расчетов по методу равновесных скоростей и позволяющие определять показатели движения не только в режиме разгона и замедления автопоезда с работающим двигателем с полным или частичным использованием мощности, но и в режиме движения накатом, при торможении двигателем, моторным тормозом, колесными тормозами и др.

Для облегчения расчетов вручную разработаны таблицы [6-8], а для проведения массовых расчетов разработаны алгоритм и «Программа расчета показателей движения лесовозных автопоездов», моделирующие процесс движения автопоезда во всех режимах движения [6-8].

Алгоритмом программы с использованием ряда логических условий моделируется переход к расчету скорости на одной передачи к расчету на

другой, смена режимов движения при наличии ограничений скорости на отдельных участках, снижение скорости на предыдущем участке с тем, чтобы при подходе к участку, имеющему ограничения скорости, она не превысила величины ограничения. Для выполнения этого условия при моделировании движения лесовозных автопоездов производились многочисленные расчеты через короткие интервалы с тем, чтобы определить расстояние до точки начала торможения и скорости, при достижении которой, следует его производить в различных режимах (торможение двигателем, моторным тормозом, колесными тормозами) [6-8].

Для уменьшения объемов расчетов и уточнения результатов указанных показателей предлагается вместо проведения большего числа итеративных вычислений решить систему двух уравнений, одним из которых определяется значение скорости в точке начала торможения, а вторым - скорость в точке начала ограничения при торможении автопоезда в заданном режиме.

В работах [6-8] для условий движения на прямолинейных в профиле участках скорость движения определяется по формуле:

2 „ А - БУ2

к = А - ^Г' (1)

еаа

С 2

где А = а - Оо± 01 + О —; В = Ь + ксАО^ ; у0 - скорость движения в начале

Кг

участка, м/с; V - скорость движения автопоезда в конце участка, м/с; £ -длина расчетного участка, м; О - вес автопоезда, кгс; Яг - радиус горизонтальной кривой; Сг - коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления движению на горизонтальных кривых; Я - радиус вертикальной кривой (при расчете показателей движения на вертикальных выпуклых кривых применяется со знаком «+», на вогнутой кривой со знаком «-»); а и Ь - коэффициенты зависимости, аппроксимирующей тяговую или тормозную характеристику автопоезда в виде ^ = a-bv2; ю - коэффициент

сопротивления качению; 8 - коэффициент учета инерции вращающихся масс; кс, А, О - соответственно коэффициент сопротивления воздушной среды для автомобиля, коэффициент, учитывающий дополнительное сопротивление от прицепов; лобовая площадь автомобиля, м2; I - продольный уклон; g -ускорение силы тяжести, м/с2.

Тогда на прямолинейных в профиле участках скорость автопоезда, в начале участка торможения - уНТ, определим по формуле:

в 2 , А - БУ20

=А - -аеБТГ, ■ (2)

е О

где Бн - длина участка, м; Бт - тормозной путь, м.

т

Обозначив, д 2Б"'0 = К и учитывая, что значение функционала еа5~ с

А - БУ2

2Бg

-Б

е О5

точностью превышающей 0,5% аппроксимируется зависимостью

е°5 = 1 + аБТ [7, 8] получим:

БУ2н = А) - К - аБтК. (3)

В режиме торможения

^ = А - ^ ■ (4)

е

где А = а> - Оо± Ог; а) и Б} - коэффициенты зависимости, аппроксимирующие тормозную характеристику в виде ¥} = а) - Б}у2;

е О5 ' = 1 + а)БТ .

А) - Б)V2

БVI = А) - А Б) ^Т 1 + а) БТ

огр 1 -1- с (5)

тогда Бv 2НТ = Б) v2oгр + Б) v2oгрaSТ - А - А а}БТ + А, учитывая, что Б)/Б = С, получим:

Б^2ор + Б^с&т + А)а)Бт -СА + СК + СКаБТ = 0, отсюда:

_ B)v2oгр - СА + СК

^ _ Аа-в^у-акс • (6)

Достоверность выведенных зависимостей подтверждается следующим примером. Автопоезд МАЗ-6303-26+МАЗ-83781 с полной нагрузкой начал движение на участке длиной 180 с уклоном - 0,030 с начальной скоростью 14 м/сек на 8 передаче КПП; ш=0,02; скорость ограничения на следующем участке - 14 м/сек. Определить тормозной путь, расстояние, которое пройдет автопоезд до точки начала торможения моторным тормозом и скорость, с которой следует начать торможение.

С использованием таблиц, приведенных в работах [7, 8] находим:

<2=1047,8, В=0,972, ¿=-402, В=0,951.

А = 1047,8-48000(0,02-0,01) =567,8; А} = -402-48000(0,02-0,01) = -882 ;

„ 567,8-0,972 ■ 142 ос1П >

К = 6+ 0,0004-180 _3519; а=°'0004; ^=0'00039; С=°'978.

0,951 ■ 142 -0,978 ■ 567,8 + 0,978 ■ 374

зТ _-_ 44,48 м

- 0,951 ■ 0,00039 ■ 196 - 882 ■ 0,00039 - 0,0004 ■ 347 ■ 0,978

Разгон автопоезда производится на расстоянии 180-44,48=135,52 м. Скорость в конце разгона при переходе к режиму торможения:

^^ 2 .^о 567,8-0,972 ■ 142

0,972 ■ V2 = 567,8--' , ^^-= 209 ; у=14,68 м/с.

Для проверки определим скорость автопоезда в точке начала ограничения.

2 оо. 882-0,951 ■ 14,682

0,972 ■ Vт2 = -882--'-_ 186,9 ; у=14,01 м/с.

1,01688

Таким образом, доказана правильность разработанного метода и высокая точность расчетов.

При значительном превышении скорости движения на участке величины допустимой скорости на следующем участке мощности моторного

тормоза может не хватить для своевременного снижения скорости в заданном режиме, или тормозной путь будет слишком велик, что приведет к значительному снижению средней скорости движения на участке. Рассмотрим случай, когда для снижения скорости необходимо совместное торможение моторным тормозом и колесными тормозами.

Автопоезд МАЗ-6303-26 + МАЗ-83781 с полной нагрузкой начал движение на участке длиной 180 м с уклоном - 0,030 с начальной скоростью 15 м/сек на 8 передаче КПП; ш=0,020; на следующем участке ограничение скорости составляет 14 м/сек. Определить тормозной путь, расстояние, которое пройдет автопоезд до точки начала совместного торможения моторным тормозом и колесными тормозами. Движение в зимнее время по снежно-ледяной дороге фсц=0,1. Коэффициент торможения колесными тормозами принимается равным 0,5 от фсц и составляет 0,05.

А = 1047,8 -48000(0,02 -0,03) = 1527,8 ; £=972;

А) = -402 - 48000 ■ 0,05- 48000(0,02 -0,003) = -2322 ; В)=0,951;

„ 1527,8-0,972 ■ 152 ,

К = 1 + 0,0004-180 =12212; а=°'0004; ^=0'00039; С=°'978.

0,951 ■ 142 - 0,978 ■ 1527,8 + 0,978 ■ 1221,2 __ „

БТ =-= 77,53 м

Т - 0,951 ■ 0,00039 ■ 225 - 2322 ■ 0,00039 - 0,0004 ■ 1221 ■ 0,978

Расстояние до точки начала торможения 180-77,53=102,47 м.

Скорость в точке начала торможения:

2 1527,8-0, 972 ■ 152

0,972 ■у2 =1527,8------= 269,3 • у=16 65 м/с

1 + 0,0004 ■ 102,47 ' '

Скорость в точке ограничения:

2 „„„„ -2322-0,972 ■ 16,652 70_

0,972 ■у2 =-2322--:-:-= 187,84 ; у=14 05 м/с

1 + 0,00039 ■ 77,53 ' '

На вертикальных кривых расчетные формулы для определения скорости движения усложняются [7, 8]:

( Л bs=a -ia - bv2

—-St

GS

e

+ P (7)

V e

где p - определяются по зависимости, приведенной в работе [7].

Р =

2 I Л G2 S 1 , GS

2BRe g

-1

—£-S

GS

V e У

(8)

где Re - радиус вертикальной кривой, м.

Значение функционала p с достаточной точностью аппроксимируется зависимостью [7, 8]:

P = YS2. (9)

В таблицах [7, 8] p определяется при r=1000 м. Для R имеющим другое 1000

значение y = Yl000-R-.

Следовательно, при длине участка S скорость на любом расстоянии от начала участка:

Bv2H = A - K-aSK ±p = A - K-aST ±y(S - ST)2;

Bv2H = A - K -aST + S2 - 2SST + S2T; (10)

Bv2H = A - K -aST К + p = A - K-aST +r(S - ST)2;

BvH = A - K - aSTK + YS2 - 2 YSS2 ;

T 5 5 T

B)vH = AC - KC - CaSTK + C YS2 - C2 YSST + C YS2. /114

5 5 T 5 T (11)

В режиме торможения:

B)v2 = A) - A) - B)vH +GS

1 + a% 2BReg JgSst 2BReg R '

S

Б^2 + Б^аБт = А) + А)а)Бт - А) + Б^н + 05(1 + а>2Цт) ---0-5а)Бт +

р р 1 1 н —БТ 9 й) Р гг 9 й) Р гг

2Б% ge

2Б)Я^ 2Б)Я^

+ -а)БтОБ-;

я т я

БV2 + Б^сс8т = А)а)Бт + Б^Н--05а)Бт + — -а)Бт02;

огр огр т т Н 2Б)Я^ т Я т Я

Б^2н = Б^2 + Б^2аБт - А)а)Бт + а)Бт-°5--- а)Б2°;

Н огр огр т т т 2Б)Я^ Я т Я

АС - КС - СаБТК + Су Б2¡5 - С2у8 Бт/5 + СуБ2т - Б)v2oгp - Б^2огр

+ А)а)Бт - + + а)Б2т° = 0. (12)

т т 2Б)Яеg Я т Я

Значение А определяется зависимостью:

А) = Г а) + V = А>а - Ява+Яоа. (13)

Обозначив,

АС - КС - Су Б2/5 - Б^2огр = к; (14)

- СаК - СауБ/5 - Б) v2oгpa + ГА)БОV - а-05 = к2; (15)

Я ) 2Б)Яg

О , _ )0 =

я а) + Су/5 + а)Я = щ. (16)

Получим квадратное уравнение, в результате решения которого определяется тормозной путь, и расстояние до точки начала торможения остальные показатели (скорость в точке начала торможения и скорость, достигаемая автопоездом):

к} + к2Бт + к3Б = 0.

Пример расчета показателей при движении автопоезда по вертикальной кривой. Автопоезд МАЗ-6303-26 + МАЗ 89781, вес 48000 кгс начал движение на участке вертикальной кривой радиусом 5000 м на 8 передаче КПП с

начальной скоростью 15 м/сек; /=-0,010, ш=0,020. ограничение скорости на следующем участке 14 м/сек. Определить тормозной путь, расстояние, которое пройдет автопоезд до точки начала совместного торможения моторным тормозом и колесными тормозами. Движение летом по гравийной дороге. Коэффициент торможения колесными тормозами ^=0,1.

А = 1047,8 - 48000(0,020 - 0,010) = 567,8;В = 0,972.

Л) = -402 - 48000 ■ 0,10 - 48000(0,02 - 0,01) = 5682;В) = 0,951.

С = 0,978; К = 567,8 - 0,972 = 323,2; ^0=0,0089; у=0,0879.

1 + 0,0004 ■ 200

к1 = 567 ■ 0,978 - 323,2 ■ 0,978 - 0,951 ■ 196 + 0,978 ■ 2002 ■ 0,0089/5 = 121,63;

к2 = 0,978 ■ 0,0004 ■ 323,2 - 0,978 ■ 2/200 ■ 0,0089/5 - 0,951 ■ 196 ■ 0,0004 + (-5682 + -20 •

■ 48000/0,00039 - 0,00039 ■ 48000'1048 + 48000 = 2,86;

/ 2 ■ 0,951 ■ 5000 ■ 9,81 5000

= 48000 ■ 0,00039 + 0,978 ■ 0,0089/5 + 0,00039 ■ 48000 = 0,00922.

3 5000 5000

Тормозной путь

0 2,86 + V2,862 - 4 ■ 121,6 ■ 0,00922 г , „

£Т = —-—-----= 51,2 м.

Т 2 ■ 0,00922

Расстояние до точки, где следует начать торможение в заданном режиме £ - бт = 148,8 м.

Значение скорости, которой достигает автопоезд в точке начала торможения:

^ „„„ 567,8 - 0,972 ■ 152 0,0088 ■ 148,82 „„„ „ „„,, „„„ , , . п

Е\2 = 567,8------+ —-— = 238,3 - 38,41 = 277,1; У=16,9

1 + 0,0004 ■ 148,8 5

м\сек.

Скорость в точке ограничения:

148 8

B)v2 = -5682 +-- • 48000

5000

5682 +1428 - 0,951 • 16,9

2

0,00879 • 51,2 5

2

+

1 + 0,00039 • 51,2

+ 4,61 = 18,74;.

1,020

у=14,05 м\сек.

Полученные зависимости дают возможность определить оптимальный режим снижения скорости движения автопоезда при подходе к участкам, имеющим ее ограничения с обеспечением максимально допустимой по дорожным условиям средней скорости движения без проведения значительного объема итеративных вычислений, что позволит ускорить и уточнить расчеты при моделировании движения лесовозных автопоездов с использованием ПЭВМ.

1. Ильин Б. А. Тягово-эксплуатационные расчеты при проектировании лесовозных дорог. Л.: ЛТА, 1986. 70 с.

2. Корунов, М. М. Тагильцев Н. Д. Примеры и задачи по сухопутному транспорту леса. М.: Лесная промышленность, 1976. 94 с.

3. Кувалдин Б. И., Скрыпник В. И. Расчеты на ЭВМ режимов движения лесовозных автопоездов // Известия вузов. Лесной журнал. 1976. № 6. С. 60-

4. Кузнецов А.В., Скрыпник В.И., Крупко А.М. Принципы подхода к объемному календарному планированию при проведении лесотранспортных работ // Инженерный вестник Дона, 2012, № 2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/881.

5. Скрыпник В. И., Кузнецов А. В. Оценка точности и адекватности новых методов расчета показателей движения лесовозных автопоездов // Всероссийская науч.-техн. конф. «Вузовская наука - региону». Вологда: ВоГТУ, 2008. С. 283-286.

Литература

65.

6. Шегельман И. Р., Скрыпник В. И., Пладов А. В., Кочанов А. Н., Кузнецов В. А. Моделирование движения лесовозных автопоездов на ПВЭМ. Петрозаводск: ПетрГУ, 2003. 234 с.

7. Шегельман И. Р., Скрыпник В. И., Кузнецов А. В. Эффективная организация автомобильного транспорта леса. Петрозаводск: ПетрГУ, 2007. 280 с.

8. Шегельман И. Р., Скрыпник В. И., Кузнецов А. В., Пладов А. В. Вывозка леса автопоездами. Техника. Технология. Организация. СПб: ПРОФИКС, 2008. 304 с.

9. Шегельман И. Р., Скрыпник В. И., Кузнецов А. В., Васильев А. С. Обоснование направлений повышения эффективности функционирования лесовозных автопоездов // Инженерный вестник Дона, 2013, № 4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2007.

10. Zhen-Wei Feng, Douglas Robert A. Logging Truck Vehicle Performance Prediction for Efficient Resource Transportation System Planning: Computer Modelling Approach // Journal of Forest Engineering. 1993. №4 (2). pp. 7-18.

11. McCormack R.J. TRUCKSIM - A Log Truck Performance Simulator // Journal of Forest Engineering. 1990. №2 (1). pp. 31-37.

12. Holzleitner F., Kanzian C., Stampfer K. Analyzing time and fuel consumption in road transport of round wood with an onboard fleet manager // Eur J Forest Res (130). 2011. pp. 293-301.

References

1. Il'in B. A. Tjagovo-jekspluatacionnye raschety pri proektirovanii lesovoznyh dorog [Traction and performance calculations for the design of forest roads]. L.: LTA, 1986. 70 p.

2. Korunov M. M., Tagil'cev N. D. Primery i zadachi po suhoputnomu transporta lesa [Examples and problems on land transport timber]. M.: Lesnaja promyshlennost', 1976. 94 p.

3. Kuvaldin B.I., Skrypnik V.I. Izvestija vuzov. Lesnoj zhurnal. 1976. № 6. pp. 60-65.

4. Kuznecov A.V., Skrypnik V.I., Krupko A.M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/881.

5. Skrypnik V.I., Kuznecov A.V. Vserossijskaja nauch.-tehn. konf. «Vuzovskaja nauka - regionu»: trudy (Proc. All-Russian Scientific and Technical Conference "University Science - Region"). Vologda, 2008, pp. 283-286.

6. Shegel'man I. R., Skrypnik V. I., Pladov A. V., Kochanov A. N., Kuznecov V. A. Modelirovanie dvizhenija lesovoznyh avtopoezdov na PVJeM [Simulation of the motion of logging trucks on PVEM]. Petrozavodsk: PetrGU, 2003. 234 p.

7. Shegel'man I. R., Skrypnik V. I., Kuznecov A. V. Jeffektivnaja organizacija avtomobil'nogo transporta lesa [Effective organization of road transport timber]. Petrozavodsk: PetrGU, 2007. 280 p.

8. Shegel'man I. R., Skrypnik V. I., Kuznecov A. V., Pladov A. V. Vyvozka lesa avtopoezdami. Tehnika. Tehnologija. Organizacija [Transporting timber road trains. Technology. Organization]. SPb: PROFIKS, 2008. 304 p.

9. Shegel'man I.R., Skrypnik V.I., Kuznecov A.V., Vasil'ev A.S. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, № 4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2007.

10. Zhen-Wei Feng, Douglas Robert A. Journal of Forest Engineering. 1993. №4 (2). pp. 7-18.

11. McCormack R.J. Journal of Forest Engineering. 1990. №2 (1). pp. 3137.

12. Holzleitner F., Kanzian C., Stampfer K. Eur J Forest Res (130). 2011. pp. 293-301.