CC BY
28
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Рисунок. Графики зависимости dyK = fy): а - при n = 1-3; б - при n = 4-6; в - при n = 7-12
Анализ рисунка показывает, что функция dyK = _Ду) убывает с возрастанием ликвидного запаса древесины, при запасах древесины 150 м3/га и более размещение уса возможно как по середине лесосеки, так и по краю в зависимости от ее ширины, а при ма-
лых запасах (100 м3/га и менее) ус необходимо размещать по краю лесосеки.
Выводы
1. Конкретный вариант размещения уса на лесосеке обосновывается сравнением суммарных затрат на устройство трелевочных волоков, погрузочных пунктов и трелевку лесоматериалов к погрузочным пунктам по рассматриваемым вариантам.
2. Получена аналитическая зависимость, определяющая условие размещения уса по середине или по краю лесосеки, которая может быть использована при обосновании схем размещения внутриплощадочных дорог в осваиваемых лесных массивах с минимизацией затрат на выполнение лесосечных работ.
3. Установлено, что при запасах древесины 150 м3/га и более размещение уса возможно как по середине лесосеки, так и по краю в зависимости от ее ширины, а при малых запасах (100 м3/га и менее) ус необходимо размещать по краю лесосеки.
Библиографический список
1. Сухопутный транспорт леса / Под ред. В.И. Алябьева. - М.: Лесная пром-сть, 1990. - 416 с.
2. Ильин, Б.А. Основы размещения лесовозных дорог в сырьевых базах лесозаготовительных предприятий / Б.А. Ильин. - Л.: ЛТА, 1987. - 63 с.
3. Кочегаров, В.Г. Технология и машины лесосечных работ / В.Г. Кочегаров, Ю.А. Бит, В.Н. Меньшиков. - М.: Лесная пром-сть, 1990. - 392 с.
4. Афоничев, Д.Н. Оптимизация размещения внутриплощадочных дорог в сырьевых базах лесозаготовительных предприятий / Д.Н. Афоничев // Природопользование: ресурсы, техническое обеспечение: межвуз. сб. научн. тр. - Воронеж: ВГЛ-ТА, 2007. - Вып. 3. - С. 36-42.
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИИ ПРИ ВАРИАНТНОМ
проектировании лесовозных автомобильных дорог и организации движения на них
Е.В. КОНДРАШОВА, доц. каф. транспорта леса и инженерной геодезии ВГЛТА, канд. техн. наук
konlenasoul@mail.ru
Лесопромышленный комплекс является одним из наиболее сложных и крупных среди других производственно-хозяйственных и социально-экономических комплексов.
Именно в нем период социально-политического переустройства России в наиболее острой форме выявил проблемы, обусловленные несовершенством основ организации и
94
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
управления лесотранспортным процессом, а также проблемы, связанные со стабилизацией экономических отношений.
Имеющие место проблемы не могут быть исключены за счет роста темпов движения. Мировой опыт показывает необходимость применения новых методов организации и планирования лесотранспортных процессов, а также внедрения перспективных технологий управления и технических средств.
Подсчитано, что в настоящее время ежегодная сумма потерь, связанных с низким техническим состоянием, доходит до 1,5 трлн руб. Если не принимать меры по изменению ситуации, к 2010 году эта цифра, по прогнозам Минтранса, дойдет до 1,675 трлн руб., к 2015 году - превысит 2 трлн руб., а к 2025 году может зашкалить за 3 трлн руб. Поэтому задача оптимизации проектных решений при вариантном проектировании лесовозных автомобильных дорог ставится остро как никогда ранее. Об этом свидетельствует увеличивающиеся ассигнования государственного бюджета на проблемы дорожной отрасли. Сегодня соответствует нормативным требованиям только 37 % федеральных и 24 % территориальных автомобильных дорог. Низкое качество автомобильных дорог лесопромышленного комплекса снижает эффективность развития российской экономики и, как следствие, уменьшает конкурентоспособность российской продукции по отношению к зарубежной.
Результаты моделирования на ЭВМ движения автомобилей в потоке при его различных режимах служат основой техникоэкономического сравнения вариантов проектных решений плана и продольного профиля с оценкой показателей автомобильных потоков на участках стационарного и переходных режимов движения. Методика прогнозной оценки уровня загрязнения дорожного полотна и приземного слоя атмосферы с учетом действия активного сопротивления среды позволит обоснованно принимать управленческие решения для приведения в соответствие реальных показателей к нормативным требованиям по экологической безопасности лесовозных автомобильных дорог, совершенствовать нормативную базу формиро-
вания транспортно-экологических качеств лесовозных автомобильных дорог.
Двухполосная дорога может быть разбита на ряд участков с отличительными дорожными условиями. Движение потока на них описывается дифференциальными уравнениями, соответствующими следующим режимам движения потока.
1. Участки с возможными обгонами - достаточно далеко отстоящие от участков с невозможными обгонами. На таких участках при неизменных характеристиках дороги средняя скорость потока постоянна. В любой точке участка вероятности различных ситуаций в потоке остаются неизменными. Режим движения на таких участках можно назвать стационарным.
2. Участки с переходным режимом движения с обгонами. Такие участки расположены сразу после участков /-го типа, и движение по ним происходит с уменьшением скорости потока из-за невозможности обгонов. Вероятности различных ситуаций в потоке в любой точке участка зависят от местоположения этой точки на участке.
3. Участки с возможными обгонами, расположенные сразу же за участками 2-го типа. Скорость потока на таких участках возрастает вследствие появившейся возможности обгона. При достаточной длине участка средняя скорость потока достигает средней скорости, соответствующей стационарному режиму. Вероятности различных ситуаций в потоке изменяются по всей длине участка и с удалением от конца участка с невозможными обгонами приближаются к вероятностям стационарного режима. Поэтому режим движения потока на таких участках можно назвать переходным с обгонами.
Разработанные принципы моделирования движения автомобилей в потоке могут быть применены при моделировании движения потоков по многополосным дорогам.
Режимы движения в значительной степени зависят от геометрических характеристик трассы дороги и характеристик придорожного пространства. Они определяют начальные условия системы дифференциальных уравнений и совместно с характеристиками дороги, составом потока и его интен-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009
95
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
сивностью определяют скорости движения типовых автомобилей потока.
Решение системы уравнений, описывающих вероятностные характеристики движения отдельного автомобиля в потоке, требует оценки условий выполнения обгонов. Поэтому следующей задачей является исследование распределения интервалов между автомобилями. Распределение интервалов определяется не только интенсивностью потока, но и его составом, эксплуатационными качествами покрытия, геометрией трассы дороги, режимом движения потока, характеристиками встречного движения.
На двухполосных дорогах именно неравномерность интервалов между автомобилями дает возможность водителям сокращать время движения за счет использования при обгонах интервалов больших среднего значения.
Возможность обгонов, а следовательно, и возможность движения с высокой скоростью зависит от количества интервалов, достаточных для этих маневров, от плотности вероятности интервалов, которой описывается их распределение в потоке.
В.В. Сильянов [1] показывает, что при высоких плотностях модель транспортного потока будет неэффективна, если пренебречь динамическими габаритами автомобилей.
Результаты наблюдений динамических габаритов при различных условиях заставляют вносить в аналитические зависимости эмпирические коэффициенты, учитывающие особенности восприятия водителем дорожных условий. Наиболее существенное влияние на величину динамического габарита оказывают скорость и состояние дорожного покрытия.
Существенная зависимость распределения интервалов от дорожных условий (геометрических параметров трассы, качества покрытия, интенсивности и состава потоков) слабо учитывается известными моделями распределений. Это заставляет отказаться от простых моделей и от эмпирических формул и детально проанализировать структуру интервалов как случайных величин с применением известных методов теории вероятности. Это позволяет более полно моделировать до-
рожное движение в системе автоматизированного проектирования лесовозных автомобильных дорог.
При решении этой задачи обращено внимание на необходимость максимальной оценки влияния на функцию распределения интервалов дорожных условий (продольного уклона, шероховатости покрытия, видимости и пр.) и характеристик потока (интенсивности, состава потока, его скорости, возможности обгонов и пр.).
Вероятности обгонов, так же как и другие характеристики встречных потоков, целесообразно вычислять на ЭВМ методом итераций, задавая в качестве начального приближения некоторые простые эмпирические зависимости, а затем использовать более точные формулы. Для начального приближения использованы наблюдения времени и обгона и распределения интервалов между автомобилями при различных интенсивностях.
В общем процессе моделирования движения потока автомобилей расчет возможности обгона выполняют в два этапа.
Цели моделирования движения автомобильного потока - получить зависимости, необходимые при проектировании лесовозных автомобильных дорог или при организации движения на них.
Модель движения автомобилей на двухполосных дорогах довольно легко реализуется на ЭВМ. Это позволяет, во-первых, моделировать движение автомобилей в различных дорожных условиях, во-вторых, проверять модель на адекватность.
Характеристики движения автомобилей в потоке рассчитаны на ЭВМ по следующему алгоритму:
1. Вычисляют характеристики свободного движения.
2. Задаются интенсивностью и средней скоростью встречного потока, например, по статическим данным. Определяют плотность и вычисляют фиктивную плотность встречного потока.
3. Задаются малым значением фиктивной плотности прямого потока (например, 0.001, что соответствует свободному расстоянию между автомобилями =1000 м).
4. Вычисляют вероятность.
96
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
5. Численными методами интегрирования находят среднюю скорость потока.
6. Определяют плотность потока и интенсивность, соответствующую этой плотности.
7. Назначают новое значение (например, удвоенное значение) и расчет повторяют, начиная с пункта 4.
Моделирование движения отдельных автомобилей в потоке при различных дорожных условиях необходимо при решении задач проектирования и организации движения.
Дорожные условия двухполосных дорог определяют режимы движения автомобильных потоков. Решения дифференциальных уравнений, описывающих движение автомобильных потоков при различных режимах, зависят от дорожных условий.
На участках с благоприятными для обгонов условиями устанавливается стационарный режим. На участках с ограниченными обгонами поток движется в переходном режиме без обгонов с уменьшением скорости и возрастанием плотности потока. После окончания участков с ограниченными обгонами устанавливается переходный режим с обгонами. При этом режиме характеристики потока восстанавливаются к стационарному уровню. Выявлены основные дорожные факторы, определяющие тот или иной режим.
Улучшить показатели движения потока можно, уменьшая зону восстановления к стационарному режиму. Это достигается совмещением на одном участке переходных без обгонов режимов встречных потоков.
Возможность выполнения обгонов, существенно влияющих на скорость, определяется распределением интервалов между автомобилями. Предложенная теоретическая функция распределения интервалов в числе параметров имеет интенсивность и скорость, состав потока, коэффициент сцепления, величину уклона, вероятность свободного движения. Направленно воздействуя на эти параметры при проектировании дорог и организации движения, можно повышать возможность выполнения обгонов и тем самым улучшать показатели движения потока.
С целью моделирования движения автомобилей и расчета показателей их дви-
жения в постоянно меняющихся дорожных условиях обобщены результаты современных исследований эксплуатационных свойств автомобилей.
Режимы движения, выбираемые водителем, описывают следующими дифференциальными уравнениями [2]. При движении на подъем
d=g [B(v) -i - f --1 (k-Fv2 ±+
, & Ьк 2 Ga 2
+к F (v ± vc cos a)2 ±nF (v ± vc cos a)2)], (1) где D(v) - динамический фактор, зависящий от скорости;
v - скорость движения автомобиля относительно дороги, м/с;
t - время, с;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
5к - коэффициент учета вращающихся масс при k-ой передаче;
i - продольный уклон;
f - коэффициент сопротивления качению;
G - сила веса автомобиля, кгс;
к - коэффициент обтекаемости при лобовом сопротивлении;
к - коэффициент обтекаемости с учетом сопротивления среды;
П - коэффициент обтекания колес в площади миделевого сечения;
F - площадь лобового сопротивления автомобиля, м2;
F - площадь миделевого сечения автомобиля в плоскости, перпендикулярной к направлению движения среды, м2;
F' - площадь колес в миделевом сечении, м2.
Сопротивление воздуха движению автомобиля обычно рассматривается при неподвижной воздушной среде; в этом случае относительная скорость автомобиля равна его поступательной скорости.
Определим ширину автопоезда W = wcosa, w2 = ^sina, w3 = L2sina, w4 = L3sina, где w - ширина автопоезда, м;
L L3 - длина транспортных средств, составляющих автопоезд, м;
L2 - длина сцепного устройства, м. Тогда ширина миделевого сечения будет равна
Mc = Wj + w2 + w3 + w4 =
= wcosa + (Lj + L2 + L3) sina.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009
97
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Обобщая все вышесказанное, имеем систему уравнений для расчета площади ми-делевого сечения с учетом активного сопротивления среды, действующего под углом к направлению движения автомобиля
H[wcosа+(L1 + L2 + L3)sinа], а<акрит
F'=\Н[wcosа+(Lj + L2 + L3)sinа], а>акрит. ,
t—а = w / Ln
где а - угол между векторами активного воздействия среды и поступательного движения автомобиля; акрит. - угол, при котором происходит опрокидывание автомобиля.
При движении накатом (после разгона и отключения двигателя от ведущих колес)
— = — [i - f —— (kFv2 ± k'F '(v ± vc cos а)2 ±
dt 5 Ga 2 QQ9
±nF "(v ± vc cos а)2) - 2+°,Q9v ], (2) c 1QQQ
где 5н - коэффициент учета вращающихся масс при отсоединенном двигателе.
В формуле (2) четвертое слагаемое учитывает сопротивление трения трансмиссии, приведенное к ведущим колесам [2].
При движении на спусках в уравнение движения вводится тормозная сила двигателя или тормозная сила колесных тормозов, или их сочетание.
При торможении двигателем уравнение имеет вид
— =—[-i - f —— (kFv2 ± k'F '(v ± vc cos а)2 ±
dt 5, G
k a
±nF "(v ± vc cos а)2) -
ikioVA _ (.
aiik
Q,1Q5r,,
2+Q,Q9v 1QQQ
- v - b )],
(3)
Gark^T —k
где VA - рабочий объем двигателя, л;
ap bj - коэффициенты (ax = Q,QQ8, b = Q,15 для карбюраторных двигателей; аг = Q,QQ1, bj = Q,2 для дизелей); ik, i - передаточные числа k-й и главной передач;
rk - радиус качения колеса, м;
ПТ - КПД трансмиссии.
В формуле (3) последнее слагаемое учитывает тормозную силу двигателя по эмпирической зависимости [3]. При совместном торможении (торможение двигателем и
колесными тормозами) уравнение движения имеет вид
—=— [-i - f —— (kFv2 ± k F '(v ± vc cos а)2 ±
dt 5k Ga
±nF " (v ± vc cos а)2) -
VoVA Gark4 T
a\lk
0,105^
2+Q,Q9v
1QQQ
\
v-bx
(4)
где YT - коэффициент использования тормозов.
Дорожные сопротивления, входящие в уравнения (1-4), представлены величиной уклона i и коэффициентом сопротивления качению f. При проектировании и особенно при реконструкции дорог необходимо учитывать, что коэффициент f в составе дорожных сопротивлений может иногда существенно превышать сопротивление подъема i. На величину f большое влияние оказывает боковой увод при действии на автомобиль поперечной силы. Особенно велико это воздействие на кривых малых радиусов.
Снижение ровности покрытия в процессе эксплуатации ведет к существенному увеличению сопротивления качению. Это требует введения в уравнения (1-4) зависимости, учитывающей влияние эксплуатационного состояния покрытия на величину сопротивления движению.
Снижению энергоемкости перевозок и улучшению экологических характеристик проектируемых дорог способствует методика расчета в проектах дорог расхода топлива и эмиссии токсичных веществ.
На участке длиной S и при скорости автомобиля v (м/с) расход топлива при используемой мощности N двигателя
G = gNS / 36QQpv(A i, f, kF, k'F', nF" ). (6) Расход топлива при движении автомобиля с двигателем, работающим на холостом ходу
G = (7) где t - время остановки, с;
k = 2,84Q-9 - для карбюраторных двигателей;
k = 1,5-1Q-9 - для дизелей.
На участках торможения и движения накатом водитель ограничивает подачу топлива, и поэтому расход топлива можно найти по формуле (8).
98
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2QQ9
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
G = G./pS / 12^107pv(/, f kF, kF, nF" , yT), (8) где G - расход топлива на 1 цикл для двигателя объемом 1 л;
Vh - рабочий объем двигателя, л;
nx - частота вращения вала двигателя, мин-1, принимаемая равной частоте холостого хода;
р - удельный вес топлива, кг/л;
S - путь движения, м.
Расход топлива автомобилями разных типов и характеристики режима движения автомобиля служат исходной информацией для расчета показателей токсичности отработавших газов автомобильных двигателей. При сравнении вариантов автомобильных дорог количество токсичных веществ может стать одной из характеристик, определяющих оптимальное решение.
Точно определить количество вредных выбросов двигателями практически невозможно. Величина выбросов вредных веществ зависит от многих факторов: конструктивных параметров элементов двигателя, величины коэффициента избытка воздуха, угла опережения зажигания, режима работы двигателя, частоты вращения вала двигателя, степени сжатия и формы камеры сгорания, особенностей процесса подготовки и сгорания смеси, технического состояния и др.
В основу экспериментов по определению концентрации вредных веществ положены наблюдения за источниками выбросов. В ходе эксперимента определялись концентрации вредных веществ в конусе отработавших газов за двигателем на безопасном для наблюдателя расстоянии (начиная с 10 м от двигателя на фиксированной высоте, равной уровню дыхания человека). Замеры концентраций загрязняющих веществ проводились с помощью многоканального газоизмерительного прибора «Multiwam-П», фирма «Drдger» (Германия). Замерялись концентрации пяти ингредиентов: СО2, СО, СН4, H2S и О2.
Вредные вещества, выделяемые автотранспортными средствами, создают участок с концентрацией, превышающей значения ПДК, достигающее 6-8 м, таким образом, создается почти сплошная зона покрытия продуктами сгорания автомобильного топлива.
Моделирование автомобильного потока при различных режимах позволяет оценить транспортно-эксплуатационные качества участков дорог с такими режимами и целенаправленно проектировать, улучшая показатели движения.
Рассчитанные с учетом принципа единого подхода к моделированию движения автомобилей такие показатели, как скорость движения, расход топлива, токсичность и т.п., существенно повышают степень оптимизации проектных решений при вариантном проектировании дорог и организации движения на них.
Снижению энергоемкости перевозок и улучшению экологических характеристик проектируемых дорог способствует методика расчета в проектах дорог расхода топлива и эмиссии токсичных веществ и методика расчета выбросов вредных газообразных веществ в атмосферу при эксплуатации автотранспорта, разработанные на основе обобщения современных исследований эксплуатационных свойств автомобилей.
Методика прогнозной оценки уровня загрязнения дорожного полотна [4] и приземного слоя атмосферы [4] позволяют более обоснованно принимать управленческие решения для приведения в соответствие реальных показателей нормативным требованиям по экологической безопасности автомобильных дорог.
Библиографический список
1. Сильянов, В.В. Транспортно-эксплуатационные качества автомобильных дорог: учеб. / В.В. Сильянов. - М.: Транспорт, 1984. - 287 с.
2. Илларионов, В.А. Эксплуатационные свойства автомобилей / В.А. Илларионов. - М.: Машиностроение, 1966. - 280 с.
3. Литвинов, А.С. Теория эксплуатационных свойств автотранспортных средств / А.С. Литвинов. - М.: МАДИ, 1978. - Ч. 1. - 122 с.
4. Курьянов, В.К. Экологические проблемы строительства и эксплуатации лесовозных автомобильных дорог. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Экологические проблемы строительства и эксплуатации лесовозных автомобильных дорог» для студентов специальности 260100 - Лесоинженерное дело / В.К. Курьянов, М.Н. Губанов. - Воронеж, 2000. - 36 с.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009
99
