CC BY
32
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
References
1. Gerasimov V., Soloviev R. and other Utilization in the system of renewal of agricultural machinery in agriculture // V. Gerasimov [and other] - M: THE «Rosinformagroteh», 2013. - 123 p.
2. Chernoivanov V., Pale V, North of acoustic emission and other maintenance and repair of machines in agriculture: the textbook // GOSNITI, Chelyabinsk state agricultural University, 2003.
3. Burdin N. Technical level of the forest sector of the Russian Federation: situation, problems // Bulletin of the MSFU - Lesnoi Vestnik. - 2012. № 5. - P. 50-56.
4. Federal law dated 27.12.2002 N 184-FZ (as amended on 28.12.2013) «On technical regulation».
5. Ignatov V Disposal: from «jalopy of the unified system of recycling techniques //Recycling of wastes. - 2013. № 2(44). - P. 18-21.
6. Ignatov V. Motivation for recycling. // Recycling of waste. - 2012. № 5(41). - P. 18-20.
7. European practice of waste management: problems, solutions, perspectives. Saint-Petersburg, 2005. NP «Regional Energy Partnership» (electronic resource).
8. Directive 75/442/EEC as amended by Directive 91/156/EC.
9. The Ministry of environment of the Nizhny Novgorod region The waste management system in the EU (Electronic resource).
10. Utilization of vehicles: Scientific monograph / J. Trofi-menko, Y. Vorontsov, К. Trofimenko. M., 2011. 336 P.
К ВОПРОСУ О МЕТОДИКЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАННЫХ
по профилям пути мобильных машин лесного и лесопаркового хозяйств
Д.В. ТУЛУЗАКОВ, доц. каф. технической механики МГУЛ, канд. техн. наук,
М.В. ПОДРУБАЛОВ, доц. каф. технической механики МГУЛ, канд. техн. наук,
В.К. ПОДРУБАЛОВ, доц. каф. теории и конструирования машин МГУЛ, канд. техн. наук
tuluzakov@mgul.ac.ru, podrubalov@mgul.ac.ru, podrubalov@bk.ru
В РФ в связи с переходом на рыночные отношения с 2008 г. введены в действие международные стандарты по безопасности труда [1-4]. В них учтены основные нормативные положения европейских (ЕН) и международных (ИСО) стандартов. Коренным отличием от ранее действовавших отечественных стандартов является то, что теперь ответственными сторонами в области обеспечения вибрационной безопасности являются государство, работодатель и изготовитель (поставщик) машины. В странах Европейского Союза (ЕС) и других странах, где применяется эта концепция, на изготовителя ложится ответственность за заявление вибрационных характеристик этой машины, полученных при натурных испытаниях и непосредственно влияющих на условия ее безопасного применения. В дальнейшем ответственность за выбор машины и назначение режимов движения, определяющих ее виброактивность, переходит к работодателю. В свою очередь, надзорные органы государства проверяют правильность заявленных характеристик (контроль изготовителя) и эксплуатации машины (контроль работодателя). Видно, что
при этом аккредитованные государством независимые организации (центры, лаборатории, фирмы) могут иметь существенное влияние на конъюнктуру рынка машин и их конкурентоспособность, поскольку каждая марка импортного и отечественного производства должна иметь сертификат вибрационной характеристики, полученный у аккредитованной организации по испытательному коду (методу испытаний)[1-4]. Мобильные машины для лесного и лесопаркового хозяйств, а также техника, применяемая на рубках ухода и при ландшафтном строительстве (как правило, малогабаритная техника (МГТ)) - в дальнейшем лесные машины (ЛМ) - также полностью подпадают под действие указанных стандартов [3].
До 2008 г. для ЛМ существовали утвержденные критерии оценки вибрации и методы их получения (включая эталонные искусственные треки), аналогичные используемым для сельскохозяйственных тракторов и других самоходных машин [5], что было весьма удобно при проектировании. На сегодняшний день ситуация иная. Если параметры оценки вибрации (вибрационная характеристика) остались
34
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
во вновь принятых стандартах в основном такими же, то внедренный метод натурного испытания машины (испытательный код) претерпел существенные изменения [4]. В нем вместо отечественных в качестве эталонных приняты искусственные треки из СТ ИСО 5008 с существенными дополнениями по скоростным режимам движения машины и, следовательно, возможным увеличением уровня его воздействий от профиля пути. Кроме того, стандарт [4] теперь не распространяется на ЛМ, которые согласно [3] должны иметь собственный испытательный код.
Из сказанного выше следует актуальность проведения теоретических и экспериментальных работ по совершенствованию методов оценки и создания базы данных по кинематическим возбуждениям от профиля пути в типичных условиях эксплуатации. Это позволит обосновать методы испытательного кода по вибрации для ЛМ и сформировать требования по созданию эффективных систем их виброзащиты. Создание же искусственного трека по этому коду в соответствии с [3] позволит также задавать характеристики воздействий, в наибольшей мере пригодные для математического моделирования колебаний масс динамических систем машин и оптимизации их параметров, а также реальных испытаний. Только при использовании одного и того же трека при моделировании (стадия проектирования) и натурного эксперимента с образцом машины можно минимизировать стоимость исследований и решить актуальные вопросы по оценке:
- сравнимости экспериментальных данных;
- сходимости теоретических (расчетных) и экспериментальных результатов;
- адекватности расчетной схемы динамической системы машины реальному объекту и достаточности ее детализации;
- применимости выбранной теории при математическом моделировании вибро-нагруженности объекта.
Начальным этапом таких исследований является разработка методики регистрации и первичной статистической обработки экспериментальных данных типичных про-
филей пути фонов, на которых эксплуатируются ЛМ. Методика должна основываться на исключении субъективных действий исследователя при получении этих данных и современных программных продуктах для ЭВМ. Причем, необходимо учесть и проанализировать информативность накопленных данных как для лесных, так и для сельскохозяйственных машин, объем исследований для которых существенно больше. Разработанные рекомендации должны также соотноситься с характеристиками уже введенных эталонных треков в стандарт [4].
Эти искусственные треки (Британский стандарт 4220) были созданы в английском институте NIAE в начале 60-х годов прошлого века и в дальнейшем приняты в качестве фонов для испытаний тракторов и самоходных машин в СТ ИСО 5008. Два трека с ровными и неровными колеями (так называются), как подразумевается, имитируют проселочную дорогу и вспаханное поле. В [7] утверждается, что для построения профилей этих треков использованы образцы поверхностей, спектры которых огибают спектры дорог и агрофонов, обследованных в Англии и в одном из районов Германии. Также там говорится (голословно), что количество измерений было ограничено, вследствие чего их параметры недостоверны. В то же время в этой работе предложены треки, которые в дальнейшем были внедрены в СССР и странах СЭВ [5]. Принцип синтеза характеристик был другой: сначала проводилась оценка и усреднение параметров реальных фонов и затем - получение ординат эталонных профилей (грунтовая дорога и агрофон) через обратное преобразование Фурье исходного спектра. Во вновь разработанный стандарт [4] они, однако, не вошли, поэтому анализ этих параметров в настоящее время может носить лишь факультативный характер и в данной статье не проводится.
Таким образом, сформулированный выше начальный этап нашей работы разбивается на следующие подэтапы:
1. Оценка корректности применявшихся ранее методов регистрации, статистической обработки и анализа параметров профилей пути.
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2014
35
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
2. Разработка взамен их методики, которая позволит использовать современные компьютерные программы и исключить субъективный подход к исследованию кинематических возбуждений от лесных профилей.
1. Сразу оговорим, что нами будут рассматриваться только непосредственные методы регистрации случайных функций профиля пути, где сразу фиксируются его ординаты. Эти методы основаны на топографическом методе (нивелир-рейка) и являются наиболее точным, дешевым и достаточно доступным средством, причем, что важно для лесных условий, обеспечивают хорошую мобильность и минимальную занятость (2 человека без специальной подготовки работы с электронной аппаратурой). Отрицательная сторона - низкая производительность по сравнению с косвенными методами, которые использовались в автомобилестроении. Профилографы (разработанные МАДИ, «Дженерал моторс» и др.) записывают колебания применяемой в них динамической системы (например маятника или гироскопа) при движении на сцепке по профилю, которые аналоговыми методами преобразовываются в воздействие от дороги. Здесь налицо пониженная точность, сложность применения в лесных условиях и практическая уникальность этих приборов, что оставляет их за рамками нашей работы.
Безусловно, на первый взгляд весьма перспективным выглядит применение современных лазерных профилографов и 3D-скане-ров. Однако при внимательном рассмотрении их использования для решения поставленной задачи можно отметить следующее:
- производительность и точность по измерению ординат профилей пути по двум колеям, которые в условиях леса не являются прямыми в горизонтальной проекции, будут сравнимы и даже хуже, чем показатели традиционного способа (например, у лазерного профилографа Riegl LPM-321 (Австрия) заявленная точность измерения расстояний 25 мм, а разрешение по ординатам 15 мм);
- стоимость указанной аппаратуры даже без дополнительных опций (компьютер, программное обеспечение, калиброванная цифровая камера высокого разрешения и др.)
доходит до 2,5 млн руб. (наземный сканер Riegl VZ 400).
Поэтому ясно, что апробация и применение таких приборов, которые, несомненно, в принципе являются перспективными, в настоящее время быть осуществлены только при достаточном финансировании исследований.
Анализ источников, в которых изучались свойства профилей пути [6-8], показал, что практически все авторы, используя метод нивелирования, пытались далее получить из собственно профиля, который чаще всего называли «макропрофилем», некоторую другую функцию - «микропрофиль». Один в другой превращался путем, как правило, «ручной фильтрации» профилограмм [7, 8] с «выпрямлением» их якобы нестационарных участков. База выпрямления выбиралась или чисто визуально, либо по формуле (использовалась в [7]) l * 2v//0, (1)
где - v скорость трактора, м/с;
f0 - собственные частоты колебаний колесных тракторов на шинах, f0 = 2,5-
3,5 Гц.
Т.е. эта база для тракторов при их максимальных эксплуатационных скоростях v =
3-5 м/с в соответствии с (1) должна составлять минимум 1,7-4 м. У длин реализаций «макропрофилей» и шаге квантования замеров ординат также был значительный разброс: от 3040 м до 400 м и 0,05-1 м соответственно. По полученным таким образом «исправленным» массивам далее проводился расчет корреляционной функции и спектральной плотности реализации с последующей аппроксимацией (как правило, по корреляционной функции) с получением среднеквадратического значения (СКЗ) ординат и коэффициентов а и в (также вручную), по которым и велся весь дальнейший анализ [7, 8].
На рис. 1 и 2 приведены профилограммы взятых для примера правых колей эталонных треков, которые приняты в новым стандарте [4], и их характеристики. Для иллюстрации показаны варианты возможного «выпрямления» профилей за счет введения выбранных нами в соответствии с (1) баз длиной 3,2 и 8 м. Ясно, что после вычитания
36
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Рис. 1. Пример выделения «макропрофиля» из реализаций правых колей профилей ИСО 5008:— — профилограммы по стандарту;---------возможная по формуле (1) база «выпрямления»
Рис. 2. Нормированные корреляционные функции правых колей искусственных треков неровной (1) и ровной (2) поверхностей ИСО 5008:----------------расчетные кривые;-------аппроксимацион-
ные кривые по p(/)=e~a|/|cosp/
соответствующих ординат получатся совсем другие профилограммы с другими СКЗ ординат и корреляционными функциями.
Из рис. 2 хорошо видно, что такая процедура получения «микропрофиля», выполненная в [7] без указания в тексте конкретных величин базы, привела к существенному уменьшению времени, корреляционной связи и появлению у функций более выраженных гармонических составляющих в = п/(2/1). При этом a = р/л ln(p(/2)/p(0)). Следовательно, у спектральных плотностей реализаций «мик-
ропрофилей» должен (при a/p<V3 для указанной на рисунке формулы аппроксимации) появиться максимум на частотах ю = 2 л/ ~ р. Именно желанием иметь такие максимумы на графиках функций спектральных плотностей, которые получены еще до введения в анализ скорости движения машины (традиционно: av = av; Pv = Pv), и объясняется, по нашему мнению, повсеместное использование такого двухэтапного подхода.
Однако на обеих стадиях такого анализа присутствуют неискоренимые ошибки:
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
37
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
некорректность применения формулы (1) (из-за выбора скорости, собственной частоты колебаний, значения коэффициента в знаменателе) и весьма неопределенная методика аппроксимации характеристик (по корреляционной функции - неоднозначность определения периода колебаний и декремента затухания, по спектральной плотности - по максимуму или с приближением кривых на более высоких частотах). Поэтому для проведения работы по синтезу испытательного кода для ЛМ параметры а и в «микропрофилей», имеющиеся в литературе, например в [7, 8], неприменимы.
2. Предлагается методика регистрации, статистической обработки и последующего анализа реализаций профилей пути, исключающая приведенные выше недостатки. Во-первых, в ней исключаются двухэтап-ность анализа характеристик воздействий от профиля пути и связанные с этим ошибки. В методике рассматриваются только те массивы ординат, которые были получены методом нивелирования или его каким-либо аналогом без изменения базы отсчета, т.е. профили пути. При этом удаляются из применения термины «макропрофиль» и «микропрофиль» как совершенно ненужные и запутывающие описание свойств местности.
Критерием обоснованности принятых положений разработанного метода получения исходных характеристик лесных профилей является сравнительный анализ с соответствующими параметрами эталонных треков международного стандарта [4] (таблица). В ней максимальные эксплуатационные скорости движения по основным лесным фонам колесного трактора класса 1,4 взяты из [8]. Режим движения для МГТ назначен исходя из опыта авторов по эксплуатации транспортного агрегата мотоблока. Предполагается, что при поступлении новых данных любая скорость по п. 3-7 табл. 1 может корректироваться, а параметры, приведенные в ней, уточняться.
Для определения исходных характеристик фонов использовалась теорема В.А. Котельникова о дискретном представлении случайных процессов [9]. В нашем слу-
чае для воздействий от профиля пути с учетом скорости машины она выглядит как
N = 2BL/v, (2)
где число значений, необходимых для описания случайных функций; B, 1/м, Гц - ширина полосы частот, присутствующих в реализации; L, м - длина профиля: L/v = T, с - время движения машины по этой реализации.
Нормированные среднеквадратические ошибки (СКО) оценок СКЗ ординат профилей и воздействий от них рассчитывались по формуле [9]
г'~24т' (3)
где 8г - указанная ошибка в диапазоне частот г В.
В табл. 1 также приведены для сведения значения 82 для октавного диапазона частот (ОДЧ) со среднегеометрической частотой (СГЧ) 2Гц, т.е. 1,4-2,8 Гц, нормы вибрации в котором являются наиболее труднодостижимыми для тракторов.
Из формул (2) и (3) видна взаимосвязь всех параметров, представленных в табл. 1. Задаваясь, например, скоростью и нормированной СКО оценки СКЗ ординат процесса, можно вычислить и все остальные исходные параметры. Однако для таких величин, как шаг квантования профиля А/ и количество точек N, существуют вполне определенные ограничения: А/ выбирались не только из условия приближения верхнего значения ширины полосы В к пределу первых четырех ОДЧ (0,7-11,2 Гц), как у стандартных треков [4] (табл.1 п.1,
2), но и с учетом длин пятен контактов шин; N рассчитывалось с учетом минимизации трудозатрат, и величина 29 = 512 обуславливалась их дальнейшим использованием при расчете спектров по общепринятым программам с применением БПФ методом Кули-Тьюки [9].
Необходимо отметить, что по опыту нивелирования авторами реальных профилей пути, на выбранных участках в пределах шага квантования по табл. 1 практически не бывает каких-либо ям или резких возвышений. Поэтому при проведении спектрального анализа реализаций профилей и воздействий от них (таблица) можно воспользоваться процедурой введения между соседними точками
38
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Таблица
Исходные параметры для исследования профилей пути
Фон Скорость машины Длина участка Шаг квантования Кол-во точек Ширина полосы Норм. СКО оценки СКЗ ординат Норм. СКО оценки СКЗ ординат
г L, T М, At N В £г ^2
км/ч м/с м, c м, с - 1/м, Гц % %
Неровная поверхность 0,28 1 35,04 0,08 438 6,2 3,4 7,1
4 1,11 31,6 0,07 6,9
5 1,39 25,2 0,06 8,7
7 1,94 18,1 0,04 12,1
Ровная поверхность 0,28 1 100 0,16 625 3,1 2,8 4,2
10 2,78 36 0,06 8,7
12 3,33 30 0,05 10,4
14 3,89 25,7 0,04 12,1
Лесная дорога 0,28 1 76,8 0,15 512 3,3 3,1 6,2
10 2,78 27,6 0,05 9,2
Магистральный волок 0,28 1 102,4 0,2 512 2,5 3,1 6,2
14 3,89 26,3 0,05 9,7
Пасечный волок 0,28 1 76,8 0,15 512 3,3 3,1 6,2
8 2,22 34,6 0,07 7,4
Движение под кронами (МГТ) 0,28 1 51,2 0,1 512 5 3,1 6,2
6 1,67 30,7 0,06 8,3
Ландшафтное строительство (МГТ) 0,28 1 51,2 0,1 512 5 3,1 6,2
8 2,22 23,1 0,05 11,1
Примечание: 1, 2 - принятые в стандарте [4]; 3-7 - типовые для лесного [8] и лесопаркового хозяйств
дополнительных точек. Это легко достигается использованием в программе расчета стандартных алгоритмов по интерполяции (например кубическими сплайнами) и позволяет получать улучшенные оценки спектров. Кроме того, такое искусственное (но правомерное) уменьшение шага квантования гарантированно обеспечит увеличение ширины полосы частот B до 11,2 Гц (первых четырех ОДЧ) для всех возможных профилей и воздействий, что важно для обеспечения общего корректного методического подхода при анализе вибрационных характеристик. На этом же этапе исследования необходимо введение цифровой фильтрации верхних (0,5 Гц) и нижних частот (11,2 Гц), например двухполосного фильтра Баттерворта [2].
Таким образом, показано, что выбранные и рассчитанные исходные параметры профилей и воздействий от лесных фонов и эталонных треков международных стандартов, полученные по единой методике, похожи между собой. Поэтому это даст основание после их статистической обработки осущес-
твить корректный сравнительный анализ выбранных характеристик этих реализаций и аргументированно выбрать параметры испытательного кода для машин, используемых в лесном и лесопарковом хозяйствах.
Библиографический список
1. ГОСТ 12.1.012-2004 ССБТ. Межгосударственный стандарт. Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие требования.
- М.: Стандартинформ. - 2008. - 22 с.
2. ГОСТ 31191.1-2004 (ИСО 2631-1:1997). Межгосударственный стандарт. Вибрация и удар. Измерение общей вибрации и оценка ее воздействия на человека. Ч. 1. Общие требования. - М.: Стандартинформ. - 2008. - 37 с.
3. ГОСТ 31193-2004 (ЕН 1032:2003). Межгосударственный стандарт. Вибрация. Определение параметров вибрационной характеристики самоходных машин. Общие требования. - М.: Стандартинформ.
- 2008. - 27 с.
4. ГОСТ 31323-2006 (ИСО 5008:2002). Межгосударственный стандарт. Вибрация. Определение параметров вибрационной характеристики самоходных машин. Тракторы сельскохозяйственные колесные и машины для полевых работ. - М.: Стандартинформ. - 2008. - 85 с.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
39
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
5. ГОСТ 12.2.102-89 ССБТ. Межгосударственный стандарт. Машины и оборудование лесозаготовительные и лесосплавные, тракторы лесопромышленные. Требования безопасности, методы контроля требований безопасности и оценки безопасности труда. Методы оценки безопасности.
- М., 1989. - 70 с.
6. Рукомойников, К.П. Имитационное моделирование взаимосогласованной работы комплектов адаптивно-модульных лесных машин / К.П. Рукомойников // Вестник МГУЛ - Лесной вестник.
- № 2. - 2013. - С. 154-159
7. Арутюнян, В.С. Обоснование параметров и разработка конструкции типового трека для испытания колесных сельскохозяйственных тракторов по оценке вибрации: дисс. ... канд. техн. наук / В.С. Арутюнян. - Ереван, 1983. - 212 с.
8. Волошин, Ю.Л. Исследование плавности хода лесохозяйственного трактора класса 1,4 в производственных условиях / Ю.Л. Волошин, Ю.А. Добрынин // Тракторы и сельхозмашины. - 1977. - № 1. - C. 15-18.
9. Бендат Дж. Прикладной анализ случайных данных: пер. с англ. / Дж. Бендат, А. Пирсол - М.: Мир, 1989. - 540 с.
ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ РАСЧЕТА НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ
В.Я. ЛАРИОНОВ, проф. каф. транспорта леса МГУЛ, канд. техн. наук,
Д.М. ЛЕВУШКИН, ст. преп. каф. транспорта леса МГУЛ, канд. техн. наук
Безопасность движения лесовозных автопоездов и других транспортных средств, условия работы водителей, стоимость содержания и ремонта лесных дорог в значительной мере зависят от того, насколько правильно разработана и рассчитана конструкция дорожной одежды.
Вопросами проектирования дорожных одежд посвящены работы многих поколений ученых и инженеров.
Дорожная одежда представляет собой конструкцию, включающую несколько слоев из различных материалов, основанием которой является грунт земляного полотна.
Прежде всего необходимо было разработать физическую модель среды, которая адекватно бы отражала в определенных пределах деформирование грунтового основания под площадкой нагружения.
Представление о деформируемости грунтового массива как сплошного однородного полупространства было развито уже давно и в настоящее время продолжает совершенствоваться.
Одно из ранних упоминаний взаимодействия колеса и грунтовой поверхности относится к 1798 г. Н.И. Фусс при исследовании процесса движения колеса конной повозки по грунтовой поверхности и образования колеи исходил лишь из возможности
transportlesa@mail.ru, levushkin@mgul.ac.ru местного, локального развития деформаций, затрагивающих только те области грунтового полупространства (основания), которые находятся непосредственно под нагруженной площадкой. При этом деформация основания носит не только локальный характер, но она оказывается необратимой, то есть после снятия нагрузки на грунтовом основании останется видимый след - отпечаток от колеса.
В развитие этой модели Э. Винклер сделал допущение на возможность полного упругого восстановления деформаций основания при сохранении их локального характера. Винклер полагал, что грунтовое основание может быть представлено упругим полупространством. Модель Винклера используется при расчете балок на упругом основании, аэродромных покрытий и т.п.
Дальнейшее развитие модель Фусса-Винклера получила в работах М.М. Фило-ненко-Бородич (1940 г.), который дополнительно ввел мембрану, перекрывающую с поверхности упругие элементы и тем самым обеспечивающую включение в деформирование не только зоны под площадкой нагружения, но и прилегающие к ней области полупространства. В зависимости от соотношения жесткостей мембраны и основания поверхность полупространства принимает ту или иную плавно изогнутую форму. По-
40
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
