Расчет средних скоростей движения лесовозного автотранспорта Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТРАНСПОРТ ЛЕСА

5. Mazurkin, P.M. Statisticheskoye modelirovaniye. Evristiko-matematicheskiypodkhod [Statistical modeling . Heuristic

- mathematical approach : scientific publication]: nauchnoye izdaniye. Yoshkar-Ola: MarGTU, 2001. 100 p.

6. Mazurkin, P.M. Zakonomernosti ustoychivogo razvitiya [Laws of sustainable development : scientific publication]: nauchnoye izdaniye. Yoshkar-Ola: MarGTU, 2002. 302 p.

7. Mitrofanov, A.A. Lesosplav. Novyye tekhnologii, nauchnoye i tekhnicheskoye obespe-cheniye [Rafting . New technologies, scientific and technical support: Monograph]: monografiya. Arkhangelsk: AGTU, 2007. 492 p.

8. Mitrofanov A.A., Sokolov M.O. Novyye tekhnologii vodnogo transporta lesa na smenu molevomu lesosplavu [New technology water transport timber to replace Moleva Rafting]. Moscow State Forest University Bulletin - Lesnoj Vestnik. 2000. № 3(12). pp. 47-81.

9. Gaysin, I.G., Voytko P.F. Sovershenstvovaniye vygruzki ploskikh splotochnykh yedinits s vody na reydakh priplava [Improving unloading flat splotochnyh units with water raids priplava]. Moscow State Forest University Bulletin

- Lesnoj Vestnik. 2013. № 1. pp. 28-32.

РАСЧЕТ СРЕДНИХ СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ ЛЕСОВОЗНОГО АВТОТРАНСПОРТА

В.Я. ЛАРИОНОВ, проф. каф. транспорта лесаМгУЛ, канд. техн. наук,

А.А. КАМУСИН, зав. кафедрой транспорта леса МГУЛ, д-р техн. наук,

Д.М. ЛЕВУШКИН, доц. каф. транспорта леса МГУЛ, канд. техн. наук

[email protected], [email protected] ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» 141005, Московская обл., г. Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ

В статье рассмотрены различные методы определения скоростей движения лесовозных автопоездов.

Ключевые слова: лесовозный автопоезд, средняя скорость движения, методы расчета.

Одним из основных показателей работы лесовозных автопоездов является производительность. Существенным фактором, влияющим на повышение производительности автопоезда и улучшение использования подвижного состава, является средняя техническая скорость движения. Поэтому разработка методов определения и оптимизации скоростей движения имеет большое прикладное значение.

В настоящее время разработаны и находят практическое применение различные методы определения скоростей движения. Они отличаются различными предпосылками, трудоемкостью и точностью определения скоростей и времени движения.

К первой группе можно отнести методы, основанные на аналитическом или графическом интегрировании уравнения движения автопоезда [1].

Решая уравнение движения для различных режимов - ускоренного, равномерного и замедленного, - находят скорости и время движения по элементам продольного

профиля дороги. При этом учитывать влияние горизонтальных и вертикальных кривых на режим движения сложно.

Выполнение более точных рачетов вызвало необходимость при решении уравнения движения учитывать многие факторы, влияющие на режим движения. Решение подобного уравнения рассматривается в работе [2]. Предложенный метод позволяет определить скорость движения в любой точке продольного профиля дороги как на прямолинейных его участках, так и на вертикальных и горизонтальных кривых. На основании этого метода разработан ряд ЭВМ-программ для расчета скоростей движения на дорогах общего пользования.

В работе [3] авторы учли специфику движения лесовозных автопоездов. Разработанные ими ЭВМ-программы определения скоростей и времени используются в практических расчетах.

Ко второй группе можно отнести приближенные графо-аналитические методы. Среди них наибольшее распространение

138

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014

ТРАНСПОРТ ЛЕСА

имеет метод равновесных скоростей [1], основанный на следующих допущениях:

- на каждом элементе продольного профиля дороги автопоезд движется с равномерной скоростью;

- при переходе с одного элемента продольного профиля на другой скорость изменяется мгновенно, достигая величины, соответствующей уклону.

По замыслу допущений ясно, что при расчете скоростей указанным методом предполагается в любой момент времени равенство силы тяги и суммарного сопротивления, преодолеваемого движущимся с равномерной скоростью автопоездом.

К третьей группе можно отнести вероятностные методы определения скоростей, получившие развитие в последние годы. Вероятностные методы основаны, как правило, на обработке статистических данных и установлении характера и закономерностей распределения скоростей с последующей экспериментальной проверкой.

Первые две группы методов применяются для определения скоростей движения одиночных автомобилей. Методы третьей группы применимы, в основном, для определения скоростей автомобилей в потоке на дорогах общего пользования с большей интенсивностью движения по сравнению с лесовозными дорогами.

Как отмечалось выше, для решения практических задач представляет интерес определение средней технической скорости движения. Решение многих задач проектирования и эксплуатации лесовозных автомобильных дорог, организации транспортного процесса, эксплуатации автопарка основывается на знании эксплуатационных характеристик дорог. Одной из важнейших эксплуатационных характеристик является средняя скорость движения автопоездов. Средняя скорость движения может служить основой для решения следующих задач:

1) технико-экономического сравнения вариантов проектируемых дорог или оценки эффективности работы автопарка - определения производительности автопоездов, се-

бестоимости перевозок древесины, затрат времени и труда на превозки;

2) планирования работы автопарка - составление графиков движения на маршрутах, определение объемов перевозок, увязка технологических операций на лесных складах и т.п.;

3) обоснования эксплуатационных характеристик проектируемых дорог;

4) обоснования мероприятий по реконструкции дорог - смягчения продольных уклонов, увеличения радиусов горизонтальных кривых, улучшения качества покрытия, реконструкция однополосной дороги в двухполосную и т.п.;

5) разработки норм технологического проектирования.

В зависимости от решаемой задачи могут определяться средние технические скорости для одиночных автопоездов, для группы однотипных автопоездов или для автопарка в целом. Поскольку большинство лесозаготовительных предприятий работают на базе однотипных, а многие - на базе одномарочных машин, то определение средних скоростей движения для автопарка в целом приобретает большое значение.

Разработка метода определения и оптимизации средних скоростей движения автомобилей должна основываться на более полном изучении влияния различных факторов на процесс движения автомобиля. Можно выделить две группы факторов: факторы, определяющие дорожные условия и обуславливающие в основном сопротивление движению, и факторы, влияющие на процесс движения и определяемые взаимодействием сисиемы водитель-автомобиль-дорога.

К первой группе факторов относятся тип и покрытие дороги и его состояние. Большую роль играет рельеф местности, определяющий продольные уклоны дороги. Значение сопротивлений движению в зависимости от видов и состояния покрытий известны и приведены во многих работах [2, 3]. Сопротивление движению не может быть охарактеризовано однозначно и изменяется в довольно широких пределах. При

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014

139

ТРАНСПОРТ ЛЕСА

этом диапазон изменения сопротивления велик. Например, коэффициент сопротивления движению для гравийного покрытия составляет 0,03-0,06, то есть диапазон изменения равен 2,0. Сопротивление движению представляет собой сумму сопротивлений и зависит от состояния покрытия (сухое, мокрое), микропрофиля, от деформации дорожной одежды и шин и т.д. Их значения переменны во времени и по длине маршрута. Сопротвление движению зависит от скорости, с увеличением которой сопротивление возрастает.

Существенное влияние на скорость оказывают продольные уклоны. На дорогах общего пользования при проектировании задается одно значение руководящего уклона для обоих направлений движения. На лесовозных же дорогах в силу односторонности грузопотока в грузовом направлении подъемы проектируются значительно более пологими, чем в порожнем направлении. Скорость на подъеме определяется использованием динамических свойств, зависящих от технического состояния автомобиля, рейсовой нагрузки, психофизических свойств водителя и т.п. Скорость на спуске ограничивается условиями безопасности движения. Таким образом, скорость на участках подъем-спуск может оказаться меньше, чем на горизонтальных участках дороги.

Тип и покрытие дороги и продольные уклоны являются основными составляющими суммарного сопротивления движению, которое определяет в основном среднюю техническую скорость автомобиля. Эти факторы в достаточной мере хорошо изучены.

Вторая группа факторов обусловлена особенностями восприятия водителем дорожной обстановки, шириной проезжей части, интенсивностью движения, навыками управления и техническим состоянием автомобиля, погодными условиями и т.д. Благоприятное сочетание этих факторов приводит к увеличению средней скорости автомобилей и наоборот. Вторая группа факторов также не является постоянной во времени и по длине маршрута. Часть этих

факторов изучена достаточно хорошо, другая часть, особенно связанная с психофизическими свойствами водителя, изучена недостаточно и применительно к лесовозным дорогам требует дополнительного исследования.

Из краткого приведенного выше анализа ясно, что скорость автобиля на каждом участке дороги представляет собой функцию случайных факторов и меняется от элемента к элементу продольного профиля случайным образом. Под воздействием случайных факторов и их комбинаций скорость движения принимает на каждом участке какое-то определенное значение, отличное от значения на других участках. Это значение скорости лежит в интервалах, определенных свойствами системы водитель-дорога-авто-мобиль, и как-то распределяется в этом интервале. Следовательно, значение скорости можно описать каким-то законом распределения. И как всякая случайная величина скорость будет характеризоваться средним значением. Это среднее значение представляет собой среднюю скорость автомобиля, учитывающую влияние различных случайных факторов. Трудность описания скорости как случайной величины заключается в том, что взаимодействие и взаимообусловленность многообразия факторов мало изучено.

Для упрощения решения задачи приняты следующие допущения:

1) участок маршрута, на котором выполняется условие

D+1 < V <D (1)

преодолевается только на i-й передаче, где D и D. - динамический фактор на i+ 1-й и i -й передаче соответственно; у - суммарное сопротивление движению;

2) скорость на i-й передаче меняется в пределах

V, < V < V (2)

при выполнении условия (1), где V._1 и V - максимальные скорости на i—1-й и i -й передачах;

3) переключение с i-й передачи на более высокую или низкую обуславливается суммарным сопротивлением у;

140

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014

ТРАНСПОРТ ЛЕСА

4) переключение на более высокую передачу осуществляется в точке маршрута, где имеет место равенство D.+1 = у. При этом на следующем участке D.+1 > у. Переключение на более низкую передачу осуществляется при D = у, если в последующем у > D;

5) время переключения передач не учитывается.

Величины сопротивлений движению определяют на основании данных о маршрутах. Суммарное сопротивление движению равно

У = /± ^ (3)

где f - коэффициент сопротивления движению,

in - продольный уклон.

В случае, если задача решается для группы маршрутов, то нужно найти законы распределения у. Это отдельный вопрос и он требует дополнительного исследования.

Обозначим закон распределения величины у через

/у) = Ду). (4)

На основании зависимости (4) можно определить участки длиной L., преодолеваемые на i-й передаче. Обозначим через k относительный путь движения автомобиля на i-й передаче

k = L /L, тогда L = kL, где L - длина маршрута.

Длина участка L. будет зависеть от вероятности попадания величины суммарного сопротивления у в интервалы, ограниченные возможностями i-й передачи (2), и определяется по формуле

L l p(Di+l < у X

где p(D.+1 < у <D.) - вероятность попадания величины у в интервал от D+ до D. .

Отсюда видно, что величина k. численно равна вероятности p(D.+1 < у <D.). Следовательно, на основании (4) можно определить относительную длину отдельных участков пути k . по формуле

К= }/(v)^. (5)

А+1

Однако значение длины участка L. еще не позволяет определить скорость: на этом участке величина скорости может иметь лю-

бое значение согласно условию (2) в пределах от v._1 до V.. При этом каждое отдельное значение скорости представляется случайной величиной. Как и всякая случайная величина, подчиненная любому закону распределения, скорость может быть охарактеризована средним значением по формуле математического ожидания для непрерывной случайной величины. В этом случае средняя скорость автомобиля на i -й передаче определится по формуле

уа = \mw.

V,-i

С некоторым приближением можно записать

vCi = l/2(v + vj = 1/2(1 + v jv)vi = 5. V (6)

где 5. = 1/2(1 + vjv).

Такая форма записи более удобна, так как значения максимальных скоростей на соседних передачах известны.

Рассмотрим движение автомобиля по маршруту длиной L. Каждый участок длиной

L. преодолевается на i-й передаче со средней скоростью vci за время t .. Тогда лимитирующие условия запишутся в виде

П П

^.=*=min и YM=L,

i=1 i=l

где t - время движения по всему маршруту.

С другой стороны, для всего маршрута

L = tya-t,. (7)

/=1

Средняя скорость автомобиля

^ = 7 Z^ = max. (8)

t *=1 t

Или, принимая во внимание (6),

VcP=1tдi^Уi^Vi=1ШX, (9)

i=l

где у. = tit.

Максимальная скорость v на i-й передаче определяется по известной формуле

v = n NJ f Q, (10)

где N - максимальная можность двигателя; f - удельная сила тяги на i-й передаче;

П - КПД двигателя и трансмиссии;

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014

141

ТРАНСПОРТ ЛЕСА

Q - полная масса автопоезда.

Запишем удельную мощность двига-

телч

N = NJ Q. (11)

Тогда с учетом (10) и (11) Vcp запишется в виде

тах.

(12)

г =ivY 6,'УгТ1=:

ср Z—I г

«=1 Л

В последней формуле осталось выразить у через известные величины. Для этого воспользуемся соотношением t . = k L/5 V,

i i i i

п п U

У/.=г=£У-^.

tf‘ W,y,

(13)

Тогда

Y<=

к.

» k

8-^ У '

г I Z^s

Подставив значение у. в формулу (12), получим окончательную зависимость для определения средней скорости автомобиля

(14)

Время движения минимизируется по формулам (13). Полученная зависимость (14) учитывает воздействие на режим движения факторов первой группы и до некоторой степени - второй группы.

Рассмотренная методика определения средних скоростей движения может использоваться для решения задач, изложенных выше.

Библиографический список

1. Салминен, Э.О. Транспорт леса. Т.1. Сухопутный транспорт: учебник для студ. высш.учеб.заведе-ний / Г.Ф. Грехов, Н.А. Тюрин и др.; под ред. Э.О. Салминена. - М.: Академия, 2009. - 368 с.

2. Бельский А.Е. Расчеты скоростей движения и автомобильных дорогах / А.Е. Бельский. - М.: Транспорт, 1966. - 120 с.

3. Шегельман, И.Р Моделирование движения лесовозных автопоездов на ПЭВМ / И.Р. Шегельман, В.И. Срыпник, А.В. Пладов, А.Н. Кочанов, В.А. Кузнецов. — Петрозаводск: ПетрГУ, 2003. - 234 с.

CALCULATION OF AVERAGE SPEEDS OF VEHICLES

for transportation of timber

Larionov V (MSFU), Kamusin A. (MSFU), Levushkin D. (MSFU)

kamusin@mgul. ac.ru, larionov@mgul. ac. ru

Moscow State Forest University (MSFU), 1st Institutskaya st., 1, 141005, Mytischi, Moscow region, Russia

The article describes the various methods discussed certain speed logging trucks.

Key words: logging trucks, average speed, calculation methods.

References

1. Salminen E.O., Grekhov G.F., Tyurin N.A. i dr. Transport lesa. T. 1. Sukhoputnyy transport: uchebnik dlya stud. vyssh. ucheb.zavedeniy [Transport timber. V.1. Land transport: a textbook for university students], red. E.O. Salminena. Moscow. Akademiya, 2009. 368 p.

2. Belskiy A.E. Raschety skorostey dvizheniya i avtomobilnykh dorogakh [Calculations speeds and roads]. Moscow. Transport, 1966. 120 p.

3. Shegelman I.R., Srypnik V.I., Pladov A.V., Kochanov A.N., Kuznetsov V.A. Modelirovaniye dvizheniya lesovoznykh avtopoyezdov na PEVM [Simulation of the motion of logging trucks on the PC]. PetrGU. Petrozavodsk, 2003. 234 p.

142

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014