Подвижность специальных транспортных средств по дорогам типа «Stone-road» Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.113

1 12 В.В. Беляков , У.Ш. Вахидов , Д.А. Галкин ,

3 3 1

А.С. Зайцев , Е.М. Кудряшов , В.С. Макаров

ПОДВИЖНОСТЬ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПО ДОРОГАМ ТИПА «STONE-ROAD»

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1, ООО «Военно-промышленная компания», г. Москва ,

3

ООО «Военно-инженерный центр»

Приводится классификация дорог типа «stone-road», а также их статистические характеристики. Показано отличие их параметров от ранее изученных поверхностей движения. Подвижность по дорогам данного типа определяется либо по плавности хода, либо задеванием днищем машины о камни. Даны зависимости для получения характеристик плавности хода машины. Приведены графики зависимости корректированных среднеквадратичных ускорений от скорости движения автомобиля ГАЗ-2330 «Тигр» и нормируемые показатели по времени работы, а также моменты удара днищем машины о камни. Показана целесообразность применения фрактальных моделей опорного основания для определения подвижности специальных транспортных средств по дорогам типа «stone-road».

Ключевые слова: дорога типа «stone-road», подвижность колесных машин, плавность хода, фрактальная модель дороги.

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. При этом проходимость - это эксплуатационное свойство, определяющее возможность движения автомобиля в ухудшенных дорожных условиях, по бездорожью, а также при преодолении различных препятствий. Она относится к критическим условиям подвижности машины по мобильности. Мобильность - эксплуатационная надежность транспортного средства (ТС). Живучесть - это отказная надежность ТС.

Специфика движения транспортных средств в условиях Северного Кавказа заключается в том, что основной объём транспортных операций осуществляется по поймам рек, обладающих определёнными геометрическими и физико-механическими свойствами, а именно:

• опорная поверхность представляет собой каменистую поверхность, деформацией которой, во время движения транспортных средств можно пренебречь;

• геометрические параметры поверхности движения определяются размерами каменистых включений, имеющих округлую форму;

• величина каменистых включений определяется углом наклона поверхности движения к горизонтальной поверхности, чем более ровная поверхность, тем меньше размеры валунов.

Дороги данного типа можно классифицировать следующим образом [1].

© Беляков В.В., Вахидов У.Ш., Галкин Д.А., Зайцев А.С., Кудряшов Е.М., Макаров В.С., 2012.

КЛАССИФИКАЦИЯ «STONE-ROAD»

по происхождению

естественная

искусственная

по характеру опорного основания

накатанное

каменистое

по размеру камней

мелкие камни сопоставимые, сопоставимые

с размерами движителя с размерами ТС

Анализ данных специфических поверхностей движения показал, что условия движения транспортных средств на них значительно отличаются от основных параметров, описанных в работах российских и зарубежных учёных. Таким образом, для выработки рекоменда-

ций по применению тех или иных конструктивных решений необходимо оценить влияние параметров неровности исследуемых трасс движения на проходимость и комфортность движения по дорогам типа «stone-road», а именно микропрофиль.

Значительной вклад в классификацию микропрофиля бездорожья территории Советского Союза внесли ученые Нижегородской научной школы Барахтанов Л.В. и Ершов В.И. В работах [2, 3] приводятся данные о вероятностных характеристиках и зависимости для описания следующих трасс движения: ровные луга, малопересеченные луга, среднепересе-ченные луга, сильнопересеченные луга, валы, кочки.

В работах [4-6] приводятся данные о характеристиках микропрофиля дорог типа «stone-road». Для дорог типа «stone-road» графики корреляционной функции будут выглядеть следующим образом.

Rq(l)

120 100 80 60 40 20 0 20 40

\\\_ 2

1 4

0 01 5 2 0 l, м 2

3

Рис. 1. Графики корреляционной функции поверхности поймы реки в зависимости от угла наклона опорного основания:

1 - угол наклона 0,05 рад; 2 - 0,10 рад; 3 - 0,15 рад; 4 - 0,20 рад

Рв(0

1

оз

0,7 0=6 0,5 0,4 03 03 ОД

О

-од -03 -03

1 \\

г,\\ л

—^

f 2 1 2

2 1

3"

Рис. 2. Нормируемые корреляционные функции:

1 - в пойме реки при угле наклона 0,05 рад; 2 - в пойме реки при угле наклона 0,15 рад;

3 - среднепересеченные луга; 4 - валы

Сравним полученные функции с данными, приведенными в работах [1, 2]. Как видно из рис. 2, полученные функциональные зависимости имеют значительное отличие.

Таким образом, зная эксплуатационные параметры машины и частотную характеристику неровностей поверхности движения, решая стандартную систему дифференциальных уравнений, получим зависимость изменения вибронагруженности транспортного средства в зависимости от скорости движения и параметров подвески. Зная характер колебаний центра тяжести автомобиля и его угловые перемещения, по законам геометрии легко можно определить динамическое изменение дорожного просвета автомобиля, а следовательно, и оценить его проходимость с учётом колебательных движений автомобиля (задевание днищем машины о камни).

Для оценки плавности хода была использована следующая система дифференциальных уравнений:

г + (кп, + кш, X + (сп, + сш, к- - кпг (¿0 + 1г Фо ) - ст (*0 + 1гФо ) = кш, Чг + Сшг Чг

п п п

z 0 + Z0 £ km + Z0 £ cni + ФО £ knil, + Ф0 £ Crnl, + kc (z0 + lc< К (z0 + lcФ0 ) = kcZc + CcZc + i=1 i=1 i=1 i=1

+ £ (kni Zi + cni Zi );

i =1

n n

Jy ф0 + ф0 £ kjf + Ф0 £ cnfi + Z0 £ Kih + Z0 £ cmh + kc (z0 + X + Cc (z0 + ^0 X = i =1 i =1 i =1 i =1

n

= (kcZc + CcZc X + £ ikrn Zi + cmZi У; mcz c + kcZc + CcZc = kc (z0 + /СФс )+ Cc (z0 + /СФс ) i=1

В приведенных зависимостях z0 (t), zc (t), z (t) - обобщенные координаты, характеризующие вертикальные перемещения массы подрессоренной части, приходящейся на центр масс подрессоренной части машины, сиденья, массы неподрессоренной части i -й оси; ф0 (t) - обобщенные координаты, характеризующие угловые перемещения массы подрессоренной части относительно ее центра масс; q (t) - кинематическое возмущение на колеса i -й оси; тпм, тс, m, m - массы подрессоренной части, приходящиеся на подрессоренной части машины, сиденья с человеком, подрессоренной части i -й оси и ведущего моста; J - момент инерции массы подрессоренной части относительно поперечной оси y, проходящей через ее центр масс; kni, kmi, кшм, kc - приведенные к центру пятна контакта шины с опорной поверхностью (колеей) коэффициенты демпфирования подвесок и шин i -й оси, шин ведущего моста и сиденья; cni, cmi, cc - приведенные к центру контакта шины с опорной поверхностью (колеей) коэффициенты жесткости подвесок и шин i -й оси, сиденья; Z. - расстояние от центра масс подрессоренной части до i -й оси; /, - расстояние от центра масс подрессоренной части до оси качания сиденья; i - номер оси; n - число осей.

Для решения системы уравнений был использован пакет программ для компьютерного моделирования MatLab/Simulink, в котором можно по средством интуитивно понятного графически-блокового интерфейса легко решаются системы дифференциальных уравнений.

По известным корреляционным функциям можно построить микропрофиль, руководствуясь правилом «трех среднеквадратичных отклонений».

Как видно из графиков, дороги типа «stone-road» характеризуются большей частотой процесса, наряду с большими значениями амплитуд.В результате преобразований получим значения ускорений для различных скоростей движения. По полученным значениям можно определить среднеквадратичные ускорения, действующие на водителя. В соответствии с ГОСТ 12.1.012-90 «Вибрационная безопасность. Общие требования» можно определить до-

пустимые значения виброускорений и соответственно скоростей движения по «stone-road» с различными характеристиками.

Рис. 3. Смоделированный микропрофиль дорог типа «stone-road» для угла наклона:

1 - 0,05 рад; 2 -0,10 рад; 3 - 0,15 рад; 4 - 0,20 рад

СГЁ , м/с

/ Л V

Л — . 4 7/

/ / \

II/

ш 2 \

\ 7\

в'

1 2 3 4 5 Б 7 8 9 У, М/С 10

Рис. 4. Зависимость корректированных среднеквадратичных ускорений от скорости движения автомобиля ГАЗ-2330 по «stone-road» с различными углами наклона к горизонту и нормируемые показатели по времени работы:

1 - 0,05 рад; 2 - 0,10 рад; 3 - 0,15 рад; 4 - 0,20 рад; 5 - 8 ч - нормируемые показатели времени работы, 6 - 4 ч, 7 - 2 ч, 8 - 1 ч, 9 - 0,5 ч; • - моменты касания днищем машины о камни

Для машин с малыми радиусами продольной проходимости необходимо оценить возможность движения по зависанию (ударам) на днище, причем следует проанализировать все расстояния по днищу машины между колесами.

Рассмотрим зависимости по определению плавности хода и учетом задевания днища о камни при разных скоростях на примере автомобиля ГАЗ-2330 «Тигр».

В соответствии рис. 4 можно получить значения времени работы водителей и скорости движения машин с учетом касания днища машины.

Таблица

Допустимые скорости движения машины (м/с) по дорогам типа «stone-road» с учетом касания днища

Время работы, ч. Угол наклона дороги типа «stone-road» к горизонту:

0,05 0,10 0,15 0,20

без учета днища с учетом днища без учета днища с учетом днища без учета днища с учетом днища без учета днища с учетом днища

8 1,7 1,7 1,4 1,4 1,5 1,5 1,3 1,3

4 2 2 1,7 1,7 1,75 1,75 1,45 1,45

2 2,25 2,25 2,1 2,1 2,05 2,05 1,7 1,5

1 2,5 4-5,85 2,5 4-5,85 2,4 2,4 2,3 2,3 2,05 1,5

0,5 7,3 7,3 7,2 7,2 2,65 3,75-7,4 2,65 3,75-4,7 2,3 1,5

Для автомобиля ГАЗ-2330 «Тигр» допустимые скорости движения составляют для «stone-road» с углом к горизонту 0,05рад 1,7-7,3 м/с; с углом к горизонту 0,10 рад 1,4-7,2 м/с; с углом к горизонту 0,15рад 1,5-4,7 м/с; с углом к горизонту 0,20 рад 1,3-1,5 м/с. Меньшее значение для времени работы водителя 8 ч, большие - для 0,5 ч. Для углов наклона поверхности 0,15 и 0,2 рад ограничение скорости движения происходит в результате задевания днищем машины о камни. Таким образом, для последних типов дорог целесообразно применение машин с аналогичными характеристиками и большим дорожным просветом не менее 0,5 м для полного использования возможных скоростей движения.

Рассмотренная расчетная модель оценки плавности хода основывается на том, что профиль дороги представляет совокупностью гармоник разной частоты и амплитуды. Так, движение машины будет выглядеть следующим образом (рис. 5).

Однако не всегда для дорог типа «stone-road» данная математическая модель будет адекватна. Поэтому возможно применение модели на основе фрактального исчисления. Преимущество данных моделей заключается в их наглядности и похожести на исходный профиль дороги. На рис. 6 показано движение машины по реальной «stone-road» и двухмерная модель данного опорного основания смоделированного при помощи фракталов.

Рис. 5. Движение машины по неровностям синусоидального типа

Рис. 6. Движение машины по «stone-road»:

а - реальная дорога; б - смоделированная при помощи фрактального исчисления

На рис. 5 и рис. 6 показано одно и тоже опорное основание. Если, используя классический подход обработать данные о высотах неровностей на рис. 6, б, то после всех преобразований получится рис. 5.

Представленная модель рассчитана и построена в двухмерной постановке. Рассмотрим основные этапы обработки экспериментальных данных и преобразований, необходимых для создания таких моделей:

• для исследуемой области будет характерно некоторое количество больших камней, затем группа поменьше размером и еще меньше;

• необходимо замерить размеры камней каждой группы и составить статистику;

• для группы больших камней необходима статистика по взаимному расположению относительно друг друга, для групп камней поменьше - относительное удаление от камней большего размера. Для них также необходимо собрать статистику распределения.

Зависимости для связи параметров размеров и расположения «stone-road» в разных местах могут быть различны, однако, зависимость в общем виде будет справедлива для всех.

Зависимость для определения размеров камней (необходимо задавать один характерный размер камня, остальные определяются в соответствии с ним):

A = kAA fA (n),

где A - размер камня; A - математическое ожидание размера камней самых больших размеров; k° - коэффициент, учитывающий распределение размеров в группе; fA (n) - функциональная зависимость, связывающая средние значения камней в группах с разными размерами; n - порядковый номер группы (при n = 0 очевидно, что f (n) = 1).

Общий вид зависимости по взаимному расположению носит аналогичный вид:

L, = kLA fL (n).

Число камней отстоящих от базового (для группы самых больших, очевидно, оно равно двум):

M = kMM fM (n)

где M - число камней; M - математическое ожидание числа камней, отстоящих от наибольших; klMi - коэффициент, учитывающий распределение значений в группе; fM (n) -

функциональная зависимость, связывающая средние значения камней в группах с разными размерами; n - порядковый номер группы (при n = 1 очевидно, что f (n) = 1).

Таким образом, задав необходимое число итераций, можно смоделировать достаточно подробно дорогу типа «stone-road». Отметим что, для моделирования задачи в трехмерной постановке необходимо учитывать параметр взаимного угла расположения. Вид зависимости аналогичен приведенным выше.

В результате моделирования движения в среде MatLab/Simulink были получены следующие значения ускорений на рабочее место водителя.

Рис. 7. Пример действия ускорений на рабочее место водителя в зависимости от времени при движении по «stone-road»:

1 -при модели дороги в виде синусоид; 2 - при фрактальной модели дороги

Как видно из рис. 7, различия в значениях виброускорений для классической модели и фрактальной очевидны. Поэтому развитие данного направления является актуальным.

Библиографический список

1. Макаров, В.С. Математическое моделирование трасс движения транспортных средств на примере дорог типа «stone-road» / В.С. Макаров, К.О. Гончаров, В.В. Беляков // Изв. АИН РФ им. акад. А.М. Прохорова. Юбилейный том, посвященный 20-летию Академии инженерных наук РФ; под ред. Ю.В Гуляева. - М. - Н. Новгород: НГТУ, 2011. С. 129-134.

2. Ершов, В.И. Вероятностные характеристики микропрофиля пересеченной местности / В.И. Ершов, Л.В. Барахтанов // Изв. вуз. Машиностроение. 1971. № 4. С. 117-119.

3. Барахтанов, Л.В. Классификация микропрофиля бездорожья территории Советского Союза. Л.В.Барахтанов, В.И. Ершов // Изв. вуз. Машиностроение, 1975. № 5. С. 13-15.

4. Вахидов, У.Ш. Транспортно-технологические проблемы Северного Кавказа / У.Ш. Вахидов, В.В. Беляков, Ю.И. Молев. - Н. Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009. - 387 с.

5. Вахидов, У.Ш. Определение характеристик микропрофиля в поймах рек Северного Кавказа / У.Ш. Вахидов, В.С. Макаров, В.С. Беляков // Интеллектуальные системы в производстве. 2011. №1. С. 82-87.

6. Вахидов, У.Ш. Моделирование трасс движения транспортных средств, характерных для территории Северного Кавказа / У.Ш. Вахидов, В.С. Беляков, В.С. Макаров // Изв. вузов. Машиностроение. 2011. №7. С. 24-26.

Дата поступления в редакцию 06.02.2012

V.V. Belyakov1, U.Sh. Vahidov1, D.A. Galkin2, A.S. Zaytsev3, E.M. Kudryashov3, V.S. Makarov1

MOBILITY SPECIAL VEHICLES ON ROADS TYPE «STONE-ROAD»

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.Y. Alexeev 1, Military-Industrial Company", Moscow 2, Center of Military Engineering

This article describes the classification of road type «stone-road», as well as their statistical characteristics, unlike their parameters shown on the previously studied surfaces of the movement. It is said that the mobility on the roads of this type is determined either by ride or car head grazing on the rocks. The ride vehicle are given according to characterize. A plot of corrected rms accelerations on the speed of the car GAZ-2330 "Tiger" and regulated by the time work as well as moments of hitting bottom of car with stones are shows. The expediency of the use of fractal models of the reference is based for determining the mobility of special vehicles on the roads of the type «stone-road»

Key words: road type «stone-road», the mobility of wheeled vehicles, smoothness of a course, the fractal model of the road.