CC BY
123
© В.А. Ковалев1, А.И. Фадеев2, Е.С. Воеводин3, Е.В. Фомин4, В.П. Горячев5
Сибирский федеральный университет, 660074, Россия, г. Красноярск, ул. Киренского, 26.
Предлагается метод оценки скорости транспортного средства в момент движения на участке дороги с водным покрытием. Наличие воды оказывает гидродинамическое воздействие на колесо, вызывает уменьшение зоны контакта и, как следствие, скольжение колеса по водной поверхности. Появление скольжения приводит к потере управления автомобилем и может послужить причиной дорожно-транспортного происшествия. Ил. 4. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: скорость движения; глиссирование; аквапланирование; гидравлическая подъемная сила.
DETERMINING POSSIBLE AQUAPLANING SPEED
V.A. Kovalev, A.I. Fadeev, E.S. Voevodin, E.V. Fomin, V.P. Goryachev
Siberian Federal University,
26 Kirensky St., Krasnoyarsk, 660074, Russia.
The article proposes a method to estimate the speed of the vehicle when it moves along the section of the road with an aqueous coating. The presence of water has a hydrodynamic impact on the wheel, reduces the contact zone and, as a result, causes wheel aquaplaning on water surface. The last leads to the loss of control of the vehicle and may cause an accident.
4 figures. 5 sources.
Key words: driving speed; slipping; aquaplaning; hydraulic uplift force.
Транспорт
УДК 656.11
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ВОЗМОЖНОГО АКВАПЛАНИРОВАНИЯ
Введение
При исследовании дорожно-транспортной ситуации одним из основных факторов, обуславливающих возможность анализа механизма дорожно-транспортного происшествия и его отдельных элементов, является определение скорости движения транспортного средства на момент происшествия. По величине скорости определяют техническую возможность водителя предотвратить происшествие, восстанавливают взаимное расположение элементов, объектов и участников события на момент возникновения опасности для движения.
Существующая методика определения скорости транспортного средства основывается на расчете по следам торможения, а при их отсутствии - на оценке со слов очевидцев. Однако оценка скорости транспортного средства свидетелями весьма приблизительна. Более адекватным является применение подходов, основанных на анализе физических явлений, происходящих при контакте колеса с дорожным покрытием.
Постановка задачи
В качестве примера рассмотрим дорожно-транспортную ситуацию, при которой автомобиль, двигаясь со скоростью 50 км/ч, наезжает на лужу глу-
биной 2 мм, шириной 1,7 м и длиной 3,2 м и начинает скользить по воде (со слов водителя), в результате чего водитель теряет управление, уходит вправо и въезжает в дерево. Требуется определить, при какой скорости автомобиль при наезде на лужу начинает скользить.
Метод решения
На влажных покрытиях в результате воздействия высоких температур, развивающихся в зоне контакта шины, происходит испарение влаги. В этом случае сцепление шины с дорогой остается таким же, как и на сухом покрытии. При достижении 100%-го увлажнения влага не успевает испариться за время контакта шины с дорогой, и в этом случае она играет роль смазки.
На практике наличие толщины пленки воды не менее 0,2 мм приводит к резкому снижению адгезионной составляющей силы трения. Например, если на сухих дорожных покрытиях адгезия составляет 7095% силы сцепления, то на мокрых покрытиях ее доля снижается в несколько раз.
Влияние воды на взаимодействие шины с дорогой не ограничивается снижением сцепления. В этом случае вода, расположенная на проезжей части, в зависимости от режима движения автомобиля может оказывать динамическое давление на шину, вызывая при
1Ковалев Валерий Александрович, кандидат технических наук, профессор кафедры транспорта, тел.: 89059968385.
Kovalev Valery, Candidate of technical sciences, Professor of the Transport Department, tel.: 89059968385.
2Фадеев Александр Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры транспорта, тел.: 89135335784.
Fadeev Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Transport Department, tel.: 89135335784.
3Воеводин Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры транспорта, тел.: 89131918095.
Voevodin Evgeny, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Transport Department, tel.: 89131918095.
4Фомин Евгений Валериевич, старший преподаватель кафедры транспорта, тел.: 89048905337.
Fomin Evgeny, Senior Lecturer of the Transport Department, tel.: 89048905337.
5Горячев Вадим Петрович, старший преподаватель кафедры транспорта, тел.: 89130312211.
Goryachev Vadim, Senior Lecturer of the Transport Department, tel.: 89130312211.
lamnl
Транспорт
этом уменьшение зоны контакта и, как следствие, скольжение колеса по водному слою - аквапланиро-вание (глиссирование). Появление аквапланирования приводит к потере управления автомобилем.
В общем случае аквапланирование - это такое состояние, при котором пленка воды разделяет шину и поверхность дороги. Оно происходит, когда давление клина воды, не вытесненной из зоны контакта шины с дорогой, поднимает шину над поверхностью дороги. Подъемное действие воды определяется ее гидростатическим и гидродинамическим воздействием на колесо. Гидростатическая подъемная сила воды для условий качения автомобильного колеса очень мала, и ей можно пренебречь. Гидродинамическая подъемная сила при достаточно большой скорости движения может воспринимать вертикальную нагрузку, передаваемую от колеса на дорожное покрытие [2].
При движении автомобиля по мокрой дороге перед шинами передних колес образуется волна, которая поднимается вверх, отбрасывается в стороны надвигающимся колесом и разбрызгивается от большой скорости.
За колесом в слое воды образуется колея, которая постепенно заполняется водой, затекающей с боковых сторон. Так как глубина воды на дороге обычно невелика, то при высоких скоростях движения за время между проходом передних и задних колес (0,1-0,15 с при скорости движения транспортного средства Vа, равной 75-80 км/ч) в колее не успевает восстановиться первоначальный уровень воды. По этой причине перед задними колесами вода практически отсутствует, что не оказывает существенного влияния на движение автомобиля.
Причину увеличения глубины воды перед колесом движущегося автомобиля можно понять, если, согласно закону обратимости, колесо представить неподвижным, а воду - текущей со скоростью поступательного движения автомобиля. В этом случае возникает набегание свободного потока на препятствие. В результате скоростного напора потока происходит местное увеличение глубины воды перед колесом
(рис. 1,а) и появляется гидродинамическое давление.
После удара о преграду поток воды разделяется на две части, отклоняющиеся от первоначального направления течения под углом а (рис. 1,6). Вследствие этого шина испытывает давление в поперечном направлении. Сила F (см. рис. 1) является силой гидродинамического давления на беговую дорожку шины. Спроектируем на направление действия силы F изменение количества движения за время М [4]:
т ■ V0 - т ■V1- cosa = FAt,
(1)
где т - масса жидкости, прошедшей через сечение ОО за время Дf (см. рис. 1); V0 и V1 - скорость течения воды (см. рис. 1,6).
Пренебрегая потерями энергии потока воды в сечении ОО и на выходе за пределы профиля шины из-за их малой величины, примем V0 = V1 = Vа. Преобразуем выражение (1) при Дf = 1, получим
Р = т-У0( 1 - с об а); (2)
Р = Qp асх. '( 1 - соБа), (3)
где р - плотность воды; Орасх. - расход потока воды в сечении ОО, или
F = p-Va2 ■ SCM ■ ( 1 - cosa),
(4)
где - площадь смоченной поверхности шины.
В современных легковых автомобилях с целью уменьшения износа протектора и обеспечения его равномерности шины изготавливают с небольшой кривизной беговой дорожки. Поэтому в расчетах можно принять угол a = 90о, а cosa = 0. Тогда уравнение (4) примет следующий вид:
F= Р-Ч?■ Sc,
(5)
а)
б)
Рис. 1. Схема набега воды на колесо
Рис. 2. Схема контакта шины с водным покрытием: - гидродинамическая подъемная сила; Gк - нагрузка, передаваемая на дорожное покрытие от колеса; в - угол атаки; Уа - скорость движения транспортного средства; 1 - слой водного покрытия; и - длина сжимаемого водного слоя; 2 - смоченная поверхность шины;
3 - шина; 4 - дорожное покрытие; 5 - колесо
С ростом скорости движения гидродинамическая подъемная сила достигает такой величины, что становится равной нагрузке, передаваемой на дорогу от колеса автомобиля, а затем и превосходит ее. Колесо приподнимается над дорогой и скользит по водному слою. Возникает аквапланирование (глиссирование), при котором сила, поддерживающая колесо над дорогой, обусловлена динамической реакцией воды [1].
На практике для аквапланирования (глиссирования) необходима плоская ровная поверхность. Такая форма поверхности необходима для восприятия больших вертикальных сил при малой смоченной поверхности. Именно такую поверхность и имеет беговая дорожка автомобильных шин, особенно при изношенном протекторе.
Автомобилем, находящимся в состоянии аквапланирования (глиссирования), невозможно управлять и производить торможение, так как колеса скользят по поверхности воды и усилия ни поворота, ни торможения не могут передаваться на поверхность дороги. При этом коэффициент сцепления в зависимости от скорости движения и высоты протектора может изменяться от 0,25 до 0.
Рассчитаем предельное значение скорости, при которой начинается процесс аквапланирования. Для этого составим схему контакта шины с водным покрытием (рис. 2).
Гидравлическую подъемную силу Ру рассчитаем из соотношения
? =
»-V м
н-К
БШр'
(7)
где Н - высота смоченной поверхности шины (см. рис. 2) (длина дуги, условно принятая за высоту плоского прямоугольника), мм, (рис. 3),
Н = h • А • п/2;
(8)
А - степень увеличения глубины воды перед колесом, А ~ 1,5 - 1,6; Л - высота водного слоя воды (см. рис. 1, 2), Л = 2 мм; Ьш - ширина беговой дорожки шины (см. рис. 1, 2), Ьш = 175 мм. Такое допущение позволяет в большей степени учесть площадь смоченной поверхности шины.
Ру = Р • собД
(6)
Рис. 3. Геометрические параметры водяного покрытия: 1 - шина; 2 - водяное покрытие; 3 - верхний слой смоченной поверхности шины
где Р - равнодействующая гидравлического воздействия на площадь смоченной поверхности шины со стороны водного клина, кг; в - угол контакта шины с плоскостью водного клина (угол атаки), в ~ 45о.
Площадь смоченной поверхности шины рассчитаем по формуле
Тогда
? =
^гм
Н-Х-п/2-Ьт
(9)
Равнодействующую силу Р рассчитаем по форму-
ле
Р = Б» • • р • 10-6,
(10)
0,16
0,14
« 0,12 з:
| 0,1 ш
Ш 0,08
е; га
& 0,06 ш
| 0,04
0,02
40
60
80
100
Скорость, км/ч
Рис. 4. Зависимость интервала времени между и началом контакта всей беговой дорожки
где р - плотность воды, при Г = 18оС р = 0,998596 ■ 103 кг/м ; Vа - скорость глиссирования (линейная скорость колеса), м/с.
ь^ФЛп г 10-6
5т/? 3 К
Гидравлическая подъемная сила
= й-я^/г-^ 2 6. р
У я^ а к г
(11)
(12)
где скорость Vа = Vгп.
При ~ э1пв и Fy = скорость глиссирования будет иметь следующий вид:
УГП =
10 6-с„
/1-Я-Ь,,,
(13)
Из выражения (13) видно, что скорость глиссирования зависит от площади контакта беговой дорожки шины с водой на момент наезда автомобиля на лужу. При этом площадь контакта с водой на момент наезда на лужу определяется площадью выступов рисунка протектора шины. Для легковых автомобилей площадь выступов рисунка протектора составляет 85% от всей площади беговой дорожки шины.
Вода из волны, образующейся перед колесом, попадает в зону непосредственного контакта шины лишь в результате заполнения дренажных канавок протектора. При этом канавки работают как резервуары, так как протеканию воды по ним препятствуют значительные местные сопротивления, возникающие в местах излома канавки, уменьшения поперечного сечения из-за деформации ребер протектора и наличия в канавках перемычек из резины. Проникновению воды под ребра протектора препятствует давление в местах
началом контакта с водой выступов протектора шины от скорости при высоте рисунка 1,6 мм
непосредственного контакта, превосходящее давление воды на шину в пределах смоченной поверхности.
При исследовании дорожно-транспортного происшествия важным фактором является определение скорости автомобиля в начальный момент контакта шин с лужей. Для скоростей до 60 км/ч влияние наличия канавок и прорезей протектора существенно. Например, для высоты протектора 1,6 мм интервал времени между началом контакта с водой выступов протектора и началом контакта всей беговой дорожки шины составляет от 0,06 до 0,14 с в зависимости от скорости автомобиля (рис. 4).
Наличие канавок и прорезей протектора способствует разрыву водяной пленки, что снижает эффект аквапланирования и требует большей скорости на момент контакта шины с водой. Для учета этого явления введем в выражение (13) коэффициент п, значения которого в зависимости от допустимой степени изношенности шины составляют 0,8-1,0. Тогда
V =
106-ск
Л-А-Ьщур-ч
(14)
Рост скорости автомобиля приводит к увеличению глубины воды перед зоной контакта, в результате чего вся большая поверхность шины омывается водой. При этом площадь смоченной поверхности возрастает за счет сокращения зоны непосредственного контакта, к началу которой постепенно смещается и точка приложения реакции опорной поверхности. Так продолжается до тех пор, пока зона непосредственного контакта не уменьшится до нуля. В этот момент происходит полный отрыв колеса от дороги. Скорость, при которой колесо начинает скользить по водной поверхности, является скоростью начала аквапланирования (глиссирования).
0
I ИЩИ I
Транспорт
На основании выражения (14) определим скорость возможного аквапланирования (глиссирования) для данной дорожно-транспортной ситуации. Тогда
V =
'гп
N
106 ■ 262,5
3 14
2 ■ 1,6 ■ 175 ■ Ар ■ 0,998596 • 103 ■ 0,80
= 18,8.
Таким образом, при наличии лужи толщиной воды в 2 мм и высоте протектора шин 1,6 мм (п = 0,80) скорость, при которой возможно аквапланирование (скольжение) после наезда на лужу, составляет около 67,5 км/ч (18,8 м/с). Для того чтобы на такой скорости обеспечить гидродинамическую силу подъема (см. рис. 2), необходимо сжать слой воды длиной, равной расстоянию, проходимому автомобилем за одну секунду, т.е. 18,8 м.
При длине лужи 3,2 м и скорости движения 50 км/ч (13,9 м/с) начало скольжения по воде должно произойти через интервал времени примерно равный 0,13 с после наезда на лужу (см. рис. 3). За это время автомобиль пройдет путь, равный 1,83 м, т.е. при оставшейся длине лужи в 1,37 м обеспечить надлежащую динамическую реакцию воды практически невозможно.
Кроме того, за колесом в слое воды образуется колея, которая постепенно заполняется водой, затекающей с боковых сторон. Так как глубина воды на покрытии невелика, ширина лужи - 1,7 м, а ее длина -3,2 м, то при скорости движения в 50 км/ч (13,9 м/с), за время, примерно равное 0,23 с между проходом передних и задних колес в колее не успеет восстановиться первоначальный уровень воды. По этой при-
чине перед задними колесами подъем уровня воды будет отсутствовать или будет настолько мал, что не окажет существенного влияния на движение транспортного средства.
Известно, что «дождевые» шины, имеющие глубокие канавки для отвода воды, менее подвержены ак-вапланированию по сравнению с обычными шинами. Степень влияния глубины и формы канавок требует дальнейшего исследования.
Анализ полученных результатов
Рассмотренный метод экспертного исследования дорожно-транспортной ситуации позволяет более адекватно определить обстоятельства происшествия, выявить и систематизировать факторы, способствующие его возникновению и развитию и установить технические возможности его предотвращения.
Практическое приложение результатов
Рассмотренный метод экспертного исследования позволяет получить научно обоснованное восстановление обстоятельств дорожно-транспортного происшествия и выявить данные, которые могут быть доказательными для установления истины по делу о дорожно-транспортном происшествии.
Выводы
Рассмотренный метод решение вопроса определения скорости движения транспортного средства при экспертном исследовании дорожно-транспортной ситуации позволяет суду, судьям, органам дознания и следователям разобраться в механизме дорожно-транспортного происшествия и дать правильную оценку действиям всех его участников.
Статья поступила 07.02.21014 г.
Библиографический список
1. Евтюков С.А., Васильев Я.В. Экспертиза дорожно-транспортных происшествий: справочник. СПб.: Изд-во ДНК, 2006. 536 с.
2. Иларионов В.А. Экспертиза дорожно-транспортных происшествий: учебник для вузов. М.: Транспорт, 1989. 255 с.
3. Кристи Н.М., Тишин В.С. Транспортно-трасологическая экспертиза по делам о дорожно-транспортных происшествиях. Диагностическое исследование: методич. пособие для
экспертов, следователей и судей. Ч. 2. М.: ВНИИСЭ, 1988. 121 с.
4. Немчинов М.В. Сцепные качества дорожных покрытий и безопасность движения автомобиля. М.: Транспорт, 1985. 231 с.
5. Судебно-автотехническая экспертиза: методич. пособие для экспертов-автотехников, следователей и судей / под ред. В.А. Иларионова. Ч. 2. М.: Изд-во ВНИИСЭ, 1980. 491 с.
УДК 629.423
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПЕЙ ЗАЩИТЫ ОТ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА НА IGBT-ТРАНЗИСТОРАХ
© А.О. Линьков1
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Разработана новая выпрямительная установка возбуждения электровоза, выполненная на основе ЮБТ-транзисторов, и способ ее управления. Из-за высокой скорости переключений транзистора в цепи, где присутствуют индуктивности рассеяния, возникают опасные коммутационные перенапряжения. Для снижения опасных выбросов исследуются различные снабберные РО-цепи. Разработаны новые способы снижения коммутационных перенапряжений за счет отвода энергии от защищаемого транзистора на дополнительный элемент. Ил. 10. Библиогр. 5 назв.
1Линьков Алексей Олегович, аспирант, тел.: 89247095299, e-mail: LinkovAlex@mail.ru Linkov Aleksei, Postgraduate, tel.: 89247095299, e-mail: LinkovAlex@mail.ru
