автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение транспортно-эксплуатационных показателей лесовозных дорог с использованием систем автоматизированного моделирования

На правах рукописи

005043258

АЛФЕРОВ Василий Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАЙ 2012

Архангельск - 2012

005043258

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Павлов Фридрих Алексеевич

Официальные оппоненты: Морозов Владимир Станиславович

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова», профессор кафедры строительной механики и сопротивления материалов

Салминен Эро Ойвович

кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова», заведующий кафедрой сухопутного транспорта леса

Ведущая организация: ОАО «Проектный институт «Севдорпроект»,

г. Архангельск

Защита диссертации состоится 31 мая 2012 г. в 1022 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 в ФГАОУ ПВО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» (163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, ауд. 1220).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова».

Автореферат разослан 28 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, /ТЬ

кандидат технических наук, доцент Земцовский А.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В лесной промышленности на долю автомобильного лесовозного транспорта приходится около 90 % всего объема транспортируемой древесины. Величина транспортной составляющей в себестоимости лесопродукции весьма существенна. Поэтому меры, направленные на уменьшение транспортных затрат путем повышения транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных лесовозных дорог определяют существенную значимость задачи для лесопромышленной отрасли.

Повышение транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных лесовозных дорог требует комплексного решения вопросов взаимодействия в системе «водитель-автопоезд-дорога» с учетом специфики лесопромышленного производства. Особенностью автомобильных лесовозных дорог является наличие значительного количества кривых радиусами менее 300 м, на которых дополнительное сопротивление движению автопоездов проявляется наиболее значительно. Криволинейное движение автопоездов является одним из самых распространенных режимов движения при вывозке и перевозке лесоматериалов.

Анализ такой сложной системы, как «водитель-автопоезд-дорога» традиционными методами исследования весьма трудоемок и не эффективен. В связи с этим в качестве современной альтернативы выдвигаются системы автоматизированного моделирования, основанные на компьютерно-графической ЗО-имитации процессов и объектов, позволяющее иметь дело с более детальными моделями, чем аналитические методы, выполнять более безопасные, менее затратные и быстрые эксперименты, чем при натурном исследовании.

Таким образом, решение задач, связанных с исследованием явлений и процессов, происходящих при движении автопоезда по криволинейному участку пути, является весьма актуальным. Создание математических моделей и адаптация современных средств их решения с применением ПК, как основных для совершенствования тягово-эксплуатационных расчетов, занимают одно из основных мест в теоретических и экспериментальных работах, посвященных изучению движения автопоездов.

Цель работы — Повышение транспортно-эксплуатационных показателей лесовозных дорог с использованием систем автоматизированного моделирования.

Задачи исследований

1. Проанализировать современные технологии в области компьютерного эксперимента для анализа системы «водитель-автопоезд-дорога» применительно к вывозке древесины;

2. Выполнить теоретические исследования движения лесовозных автопоездов на криволинейных участках автодорог;

3. Адаптировать методику имитационного моделирования посредством программного комплекса БцпикИопХ для анализа криволинейного движения лесовозных автопоездов;

4. Апробировать разработанную методику на имитационном эксперименте для оценки дополнительного сопротивления движению лесовозных автопоездов от кривых различного радиуса;

5. Провести экспериментальные исследования дополнительного сопротивления движению лесовозного автопоезда от кривых;

6. Проверить адекватность предлагаемой методики моделирования и результатов имитационного эксперимента данным натурного эксперимента;

7. Оценить с помощью полученных моделей дополнительное сопротивление движению лесовозных автопоездов от кривых в плане.

Научная новизна

1. Уточнен характер зависимости дополнительного сопротивления движению автопоездов на кривых малых радиусов, установлена степень влияния некоторых факторов в виде регрессионных моделей;

2. Применены современные системы автоматизированного моделирования движения лесовозных автопоездов в кривых, основанные на компьютерно-графической ЗГ)-имитации процессов и объектов;

3. Предложены поправки к нормам расхода топлива и износа шин автопоездов в зависимости от дополнительного сопротивления движению.

На защиту выносятся:

- методика имитационного моделирования движения автопоездов для определения транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных лесовозных дорог;

- результаты экспериментальных исследований дополнительного сопротивления движению лесовозного автопоезда от кривых различного радиуса;

- результаты имитационного моделирования движения автопоездов буксирного и седельного типов по криволинейным траекториям автомобильных лесовозных дорог.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных программных комплексов имитационного моделирования, основанных на компьютерно-графической ЗБ-имитации процессов и объектов; применением инструментально-измерительного оборудования при проведении натурных экспериментов, обработкой экспериментальных данных методами математической статистики на директивном уровне надежности 0,95, совпадением результатов расчетов по имитационным моделям с экспериментальными данными.

Практическая значимость работы

1. Уточненная методика имитационного моделирования на основе современных программных комплексов, позволяющая решить задачи по определению эксплуатационных показателей автопоездов при движении по лесовозным дорогам.

2. Разработанные регрессионные модели дополнительного сопротивления движению лесовозных автопоездов буксирного и седельного типов от кривых в плане, позволяющие количественно оценивать необходимое приращение силы тяги, для обеспечения движения по криволинейным участкам лесовозных дорог.

3. Определенные коэффициенты дополнительного сопротивления движению в зависимости от типа применяемого автопоезда, радиуса круговой кривой и типа покрытия лесовозных дорог, уточняющие тяговые расчеты подвижного состава автомобильного лесовозного транспорта.

Реализация результатов исследования

Результаты исследования применены в расчетах ведомственных норм расхода топлива, норм износа шин, в учебном процессе.

Апробация работы

Основные положения диссертации представлены на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова (2007-2.011).

Публикации

Основные результаты работы отражены в 4 публикациях, в том числе одна в издании по перечню ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация объемом 120 страниц включает введение, пять глав, общие выводы и рекомендации, содержит 37 рисунков, 7 таблиц. Библиографический список содержит 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность темы, цель работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ движения автопоездов по криволинейным участкам автомобильных лесовозных дорог; выбран критерий оценки криволинейного движения лесовозных автопоездов; проанализированы современные средства моделирования для анализа сложных динамических систем, в частности системы «водитель-автопоезд-дорога».

Транспортно-эксплуатационные качества автомобильных лесовозных дорог с учетом их компонентов и взаимодействий исследовали В.И. Алябьев, В.А. Горбачевский, Н.П. Вырко, И.И. Леонович, В.И. Патякин, Г.М. Соколов и др. Криволинейное движение лесовозного автопоезда представляет собой сложный процесс, с множеством случайных факторов. Характер движения автопоезда обнаруживается по форме траекторий основных точек кинематических звеньев, входящих в его состав и по размерам и форме полосы его движения (рис. 1). Основы динамики криволинейного движения автомобилей и автопоездов изложены в работах Жуковского Н.Е., Чудакова Е.А., Певзнера Я.М.,

Рис. 1 - Схема поворота автопоездов

Литвинова A.C., Фаробина Я.Е., Фалькевича B.C., Антонова Д.А., Закина Я.Х., Зимелева Г.В., Чайковского И.П. и др.

В качестве основной оценки криволинейного движения лесовозных автопоездов принят коэффициент дополнительного сопротивления движению от кривых малых радиусов. Традиционные методы тяговых расчетов, применяемые на лесовозном транспорте, весьма упрощены, не учитывают многих факторов, влияющих на режимы и скорости движения лесовозных автопоездов. Они не дают возможности корректно определять значения сил сопротивления движению лесовозного автопоезда по криволинейным участкам автомобильных лесовозных дорог и связанные с ними транспортно-эксплуатационные показатели, такие как топливная экономичность, износ шин, выбросы вредных веществ, безопасность, комфортабельность движения и др.

На сегодняшний день наиболее адекватным средством анализа сложных динамических систем является методика имитационного моделирования, основанного на компьютерно-графической ЗО-имитации процессов и объектов. Данная методика адаптирована автором для анализа движения автопоездов по криволинейным участкам автомобильных лесовозных дорог.

На основе анализа состояния вопроса сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе выполнено теоретическое обоснование математической модели дополнительного сопротивления движению лесовозных автопоездов буксирного и седельного типов от кривых в плане.

Основной причиной дополнительного сопротивления движению лесовозных автопоездов при прохождении кривых малого радиуса служит возникающая боковая сила инерции Ру, которая в свою очередь вызывает боковой увод колес 8 и перераспределение реакций Rx, Ry, Rz (рис. 2).

При решении задач, связанных с криволинейным движением автопоездов, обычно пренебрегают верти-

Рис. 2 - Явление бокового увода колеса

кальными и соответственно боковыми перемещениями отдельных его звеньев и принимают движение всех его звеньев плоскопараллельным. В тех случаях, когда нужно найти реакции, действующие на каждом из колес, даже у двухосного автомобиля задача оказывается статически неопределимой.

На рис. 3,4 представлены расчетные схемы равномерного кругового движения лесовозных автопоездов. Схемы автопоездов обоснованы применением на вывозке и перевозке лесоматериалов автопоездов в основном буксирного и седельного типов.

Рис. 3 - Расчетная схема равномерного кругового движения буксирного лесовозного автопоезда

Углы увода мостов автопоездов предлагается определить через коэффициенты сопротивления боковому уводу ку, которые в основном находят экс-

периментально, путем испытания шин на стендах или определением углов увода осей автомобилей в процессе их движения. Д.А. Антонов предложил учитывать влияние на коэффициент ку различных факторов, умножая коэффициент кушах сопротивления уводу колеса при максимальном значении на ряд корректирующих коэффициентов. Методика Д.А. Антонова была использована в данном исследовании.

седельного лесовозного автопоезда

Кинематические параметры автопоездов при движении по круговой траектории имеют следующие выражения:

Составляющие сил инерции, действующие в серединах мостов автопоезда:

m,vi „ тм1 m,vi

p __ 1 m_ p — m p _

yl Rmcos(®-ô,)' yl RmcosS2 ' >3 £mcos¿3

3

(1)

P - p _ 5 n

y4 Rn eos <5, ' ^ fleosá

где mi-m5- массы, приходящиеся на оси автопоезда, кг;

vm fin ~ скорость движения соответственно тягача и прицепа, м/с; Rm, Rno, Rn — радиус поворота соответственно тягача, средней точки автопоезда (дышла), прицепа, м;

ÔJ-S5 — углы увода середин мостов автопоезда, град;

0 - угол поворота управляемых колес автопоезда, град. Боковые реакции середин мостов:

= kyl(tg®-tg(®-81)),Ry2=ky282,Ry3=ky&,

[Ry4 = ky,84,Ry5=ky585.

(2)

где kyi-kys — коэффициенты сопротивления уводу мостов автопоезда, Н/рад;

В результате преобразований были получены аналитические зависимости дополнительного сопротивления движению лесовозных автопоездов от кривых в плане:

прицепной автопоезд

a)R = — (/} cos © - Рх sin(© - 8Х) + R , sin © - Р г sin 8г + Ръ sin 8Ъ + G

+ {Pr.Bc cos р + P^BC sin Р + Р4 + Ру4 sin 8Л ) cos а + (3)

+ (РшВС sin Р + РпуВС C0S Р ~ Ry4 + РуА C0S ¿4 ) sin « - ^,4,5 )•

седельный автопоезд

aR = — cos 0 - Р, sin(© - ) + Д , sin © - Р2 sin <J2 + Р sin ёъ + G

+ + PySsin Ss - PyAsin SA) COS a + (4)

+ (^4 - Ry5 + py4 cos<54 + PyS cos¿5)sina - Pw).

где Pi, P4, P5 - силы сопротивления качению мостов автопоезда, Н.

На рис. 5 представлен график дополнительного сопротивления движению автопоездов от кривых в плане, рассчитанного с использованием полученной модели для группы лесовозных автопоездов.

Как видно из представленного графика, характер кривых дополнительного сопротивления движению несколько отличается от принятой на сегодняшний день в тяговых расчетах зависимости.

Анализ полученных моделей показал, основными факторами, влияющими на величину дополнительного сопротивления движению автопоезда от кривой, являются радиус круговой кривой R, полная масса автопоезда Q, скорость движения v и коэффициент сопротивления качению /к.

В третьей главе представлена адаптируемая методика анализа криволинейного движения лесовозных автопоездов, основанная на компьютерно-графической ЗО-имитации процессов и объектов.

Одним из этапов методики является создание виртуальной модели системы «водитель-автопоезд-дорога» в программном комплексе автоматизированного моделирования SimulationX (ITI GmbH, Дрезден, Германия). При формировании модели можно использовать как элементы из инженерных библиотек используемого программного комплекса, так и импортировать данные из смежных систем автоматизированного проектирования.

Одними из самых сложных элементов, моделирующими процесс движения лесовозных автопоездов по криволинейным траекториям являются модель работы автомобильной шины и модель рулевого управления. В качестве модели работы шины в данном исследовании использовалась полуэмпирическая модель Pacejka. Она позволяет для различных наборов параметров

100

о

-Принятая в практике тяговых

расчетов зависимость ш = gA/R —о—S1SU Е13М С500 +JYKI V42-TO-110

-о— Volvo FM 440+JYKIРЗ1 -ТО-136 --о- КамАЗ-5460+мод. 93071-010 -о- КамАЭ-43118+СЗАП-8357 -•о- КамАЗ-53228+СЗАП8357

0 100 200 300 400 500 R, м

Рис. 5 - Аналитические зависимости дополнительного сопротивления автопоездов от кривых в плане

вычислять продольную силу, поперечную силу и стабилизирующий момент шины. Формула имеет вид:

f(x) = D sin(C arctan(ß(l -E)(X + SH)+E arctan {B(X + SH )))) + Sy, (5) где В — коэффициент жесткости;

С - коэффициент формы;

D — максимальное значение;

Е — коэффициент искривления;

Sh — горизонтальная деформация;

Sy — вертикальная деформация.

Модель рулевого управления, предложенная A.A. Хачатуровым, определяет положение автопоезда относительно заданной траектории координатой Ду:

Ау =

-</7>

0,125

Т

+ 0,375— Т

i п

-v2T2— е'/7>

0,125

г \г t_

Т

-0,375—

Т 1ß

при t > 0

при t < 0

(6)

где Я - радиус поворота, м;

Тр параметр времени, полученный на основе экспериментальных данных,

7>= 0,33-1,7 с. Угол поворота рулевого колеса:

1

ß = -

(7)

где - параметр, при поворачиваемости автомобиля близкой к нейтральной

К^оЦь.

С учетом трудоемкости выполнения поставленной задачи было принято решение провести управляемый многофакторный эксперимент на основе дробного факторного плана 2(3_1), в котором экзогенные переменные варьируют на двух уровнях: максимальном (+1) и минимальном (-1). В качестве экзогенных переменных были приняты факторы, которые были определены во второй главе.

Максимальному уровню варьирования факторов в математической модели дополнительного сопротивления движению седельного автопоезда соответствует тягач Volvo FM 440 с полуприцепом JYKI Р31-ТО-136, минимальному уровню - КамАЗ 5460 с полуприцепом модели 93071-010. В модели буксирного автопоезда верхней границе факторов соответствует тягач SISU Е13М С500 с прицепом JYKI V42-TO-110, нижней - КамАЭ-53228 с прицепом СЗАП-8357.

На рис. 6, 7 представлены примеры виртуальных моделей соответственно буксирного автопоезда SISU Е13М C500+JYKI V42-TO-HO и седельного автопоезда Volvo FM 440+JYKI Р31-ТО-136, реализованные в программном комплексе SimulationX.

Рис 6 - Виртуальная модель лесовозного автопоезда SISU Е13М С500+JYKI V42-TO-110

Рис 7 - Виртуальная модель лесовозного автопоезда Volvo FM 440+JYKI Р31-ТО-136

В результате виртуальных экспериментов были получены уравнения регрессии, которые в нормализованных обозначениях факторов имеют следующий вид:

модель буксирного автопоезда

й)я =133,25 + 13,75л, +105,25хг +14,75*3; (8)

модель седельного автопоезда

= 254,00 + 5,50х, + 204,00х2 + 7,50х4. (9)

Из анализа полученных уравнений регрессии следует, что наиболее значимым фактором, оказывающим влияние на функцию отклика, является фактор х2, которому в натуральных обозначениях соответствует отношение скорости движения автопоезда к радиусу круговой кривой.

В натуральных величинах регрессионные модели дополнительного сопротивления движению лесовозных автопоездов от кривых в плане примут следующий вид:

модель буксирного автопоезда

сок = -64,08 + 0,76£> + 239,20 - + 347,05/„; (10)

Ш.

модель седельного автопоезда

=-37,19 + 0,472 + 463,65 —+ 176,47/к, (11)

К

где () — полная масса автопоезда, т;

V - скорость движения автопоезда, км/ч;

Я - радиус круговой кривой, м;

/к - коэффициент сопротивления качению.

В четвертой главе представлены результаты натурных экспериментальных исследований дополнительного сопротивления движению лесовозного автопоезда от кривых малого радиуса. Эксперименты были выполнены с целью проверки адекватности полученных регрессионных моделей, а также адекватности адаптируемой методики компьютерного имитационного моделирования движения автопоездов.

Коэффициент сопротивления движению определяли широко апробированным способом динамометрирования прицепа. Для реализации этого метода в тягово-сцепное устройство системы «крюк - петля» автопоезда монтировали

электронный динамометр ДОУ-З-ЮОИ (рис. 8), предназначенный для измерения статической и динамической сил растяжения и сжатия.

Рис. 8 - Экспериментальные исследования дополнительного сопротивления движению

Динамометр способен передавать сигналы в индикатор с частотой 10 Гц, что обеспечивает более точное фиксирование нагрузки и соответствует частоте продольных колебаний в тягово-сцеп-ном устройстве автопоезда. Электронный измерительный индикатор имеет возможность соединения с ПК (рис. 9). Посредством специализированного программного обеспечения \Че\у200 передаются данные на ПК и отображаются как в цифровой, так и в графической форме, что существенно облегчает дальнейшую процедуру их обработки.

Сигналы динамометра записывали при буксировании прицепа в прямом и обратном направлениях по горизонтальному участку дороги с радиусами закругления 30, 50, 100, 200, 300, 400 и 500 м, скоростью 15...20 км/ч, не превышающей критическую по условию опрокидывания. Массу прицепа определяли на автомобильных весах УЦК 1-500/1000-10-10,0-2 с точностью ±10 кг. Отношение нагрузки, выраженной в ньютонах, к полной массе прицепа приравнивалось к искомому коэффициенту сопротивления движению.

Рис. 9 - Электронный динамометр ДОУ-З-ЮОИ в соединении с ПК

На рис. 10 изображен график, сочетающий в себе первичную обработку экспериментальных данных сопротивления движению по каждой исследуемой круговой кривой и общую экспериментальную зависимость дополнительного сопротивления от радиуса круговых кривых.

0 100 200 300 400 500 R, М

Рис. 10 - Экспериментальная зависимость дополнительного сопротивления движению автопоезда от кривых в плане

WR,

Н/т 250

Принятая в практике тяговых расчетов зависимость со = gA/R

Аналитическая зависимость

- Данные имитационного

моделирования

Экспериментальные данные

Рис. 11 - Оценка адекватности результатов моделирования

На рис. 11 представлен график, отображающий данные натурных экспериментов, имитационного моделирования, принятой в практике тяговых расчетов зависимости и разработанной аналитической зависимости. Анализ графика показывает хорошее соответствие разработанных в ходе имитационного эксперимента регрессионных моделей дополнительного сопротивления движению лесовозных автопоездов данных натурного эксперимента. Адекватность подтверждают и статистические критерии, в частности критерий Романовского.

В пятой главе показаны практические приложения результатов исследования.

Проведенные экспериментальные исследования на основе имитационного моделирования позволили определить численные значения дополнительного сопротивления движению основных марок лесовозных автопоездов от кривых в плане. Расчет выполнен для диапазона круговых кривых радиусом 15-600 м, что соответствует основным радиусам, принимаемых при проектировании лесовозных автомобильных дорог по СНиП 2.05.07-91 «Промышленный транспорт». Применение коэффициентов дополнительного сопротивления движению автопоездов на стадии проектирования автомобильных лесовозных дорог способствует поиску оптимального решения с точки зрения выбора типа автопоезда, топливной экономичности, проектных параметров плана и других транс-портно-эксплуатационных показателей.

Расчеты расхода топлива, выполненные по модели Н.Я. Говорущенко, с учетом разработанных регрессионных моделей дополнительного сопротивления движению и результатов статистической обработки позволили определить норму дополнительного расхода топлива лесовозными автопоездами при движении по криволинейным участкам автомобильных дорог, которая для буксирного автопоезда составляет 8,0 л/100 км, для седельного - 10,0 л/100 км.

Была выполнена оценка износа автомобильных шин при движении по криволинейным траекториям с помощью эмпирических зависимостей Научно исследовательского института шинной промышленности и Волгоградского политехнического института. Расчеты показали, что износ автомобильных шин, наиболее распространенных марок на лесотранспорте, увеличивается в среднем на 10%. Соответственно пробег шины уменьшается и составляет вместо 90 тыс. км - 81 тыс. км.

Выполнена оценка комфортабельности и безопасности движения по исследуемым круговым кривым. Основной оценкой комфортабельности движения по различным типам закруглений служит скорость нарастания центробежного ускорения I, м/с3, которая в заданном диапазоне варьирования факторов, исследуемых в данной работе, оказалась в пределах нормы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В результате исследований обоснована правомерность применения и апробирована новая, наиболее эффективная методика анализа криволинейного движения лесовозных автопоездов, основанная на компьютерно-графической ЗБ -имитации процессов и объектов. Показаны возможности ее практического применения для оценки транспортно-эксплуатационных показателей лесовозных дорог.

2. Теоретическими исследованиями доказано, что наиболее значимыми факторами, влияющими на дополнительное сопротивление движению лесовозных автопоездов, являются: радиус круговой кривой, тип эксплуатируемого автопоезда, его полная масса, скорость движения и тип покрытия автомобильной дороги, характеризуемый коэффициентом сопротивления качению.

3. Разработаны регрессионные модели расчета дополнительного сопротивления движению лесовозных автопоездов буксирного и седельного типов

4. Экспериментально доказана адекватность имитационных моделей движения лесовозных автопоездов и регрессионных моделей дополнительного сопротивления движению.

5. Экспериментально установлено различие в характере движения по криволинейным участкам автопоездов буксирного и седельного типов. Для седельного автопоезда рекомендуется проверять критическую скорость по условию бокового скольжения, для буксирного автопоезда — по условию бокового опрокидывания.

6. Рекомендованы коэффициенты дополнительного сопротивлению движению лесовозных автопоездов в зависимости от радиуса кривизны траектории, типа автопоезда и типа покрытия, уточняющие тяговые расчеты подвижного состава автомобильного лесовозного транспорта.

7. Уточнены нормы расхода топлива лесовозных автопоездов при движении по криволинейным траекториям: для буксирного автопоезда - 8,0 л/100 км, для седельного - 10,0 л/100 км.

8. Установлено, что износ наиболее распространенных на лесовозном транспорте шин при движении по дорогам с преобладанием кривых малых радиусов увеличивается в среднем на 10 %.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях по перечню ВАК:

1. Экспериментальные исследования дополнительного сопротивления движению лесовозного автопоезда по кривым в плане // Архангельск: Изв.вузов, Лесной журнал, 2011,№ 1.-С. 44-51.

В других изданиях:

2. Алфербв В.А. Имитационное моделирование движения лесовозного автопоезда // Наука - Северному региону: сборник материалов научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных, инженерно-технических работников и аспирантов по итогам работ за 2010 год - Архангельск: изд-во САФУ, 2011.-С. 18-21.

3. Сопротивление качению лесовозных автопоездов от кривых в плане // Наука

- Северному региону: сборник научных трудов - Архангельск: изд-во АГТУ, 2010. -выпуск83.-С. 29-33.

4. Ведомственные нормы расхода топлива и масел для лесовозных автопоездов в ООО «ИлимСеверЛес». Практическое пособие. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2007.

- 20 с. (сост. Павлов Ф.А., Меньшиков A.M., Казаков В.Н., Алферов В.А.).

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.008.01 Земцовскому А.Е.

Подписано в печать 24.04.2012. Формат 60^84/16. Усл.-печ. л .1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 489.

Отпечатано с готового оригинал-макета в Издательско-полиграфическом центре им. В.Н. Булатова ФГАОУ ВПО САФУ

163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56

61 12-5/3616

СЕВЕРНЫЙ (АРКТИЧЕСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В. Ломоносова

На правах рукописи АЛФЕРОВ ВАСИЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ С ИСГ^ ЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОД* 1ИРОВАНИЯ

05.21.01 Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель: к.т.н., профессор Ф.А. Павлов

Архангельск - 2012

Оглавление

Введение...............................................................................................................4

Глава 1 Анализ моделирования движения лесовозных автопоездов............9

1.1 Краткий обзор исследований по моделированию движения автопоездов............................................................................................9

1.2 Особенности движения лесовозных автопоездов на участках кривых в плане..............................................................................23

1.2 Применение имитационного моделирования для анализа криволинейного движения автопоездов...........................................26

1.3 Цель и задачи исследования..............................................................30

Глава 2 Теоретическое обоснование математической модели дополнительного сопротивления движению лесовозного автопоезда от кривых малого радиуса..................................................32

2.1 Разработка математической модели дополнительного сопротивления движению от кривых в плане.....................................32

2.1.1 Буксирный автомобиль-тягач с двухосным прицепом..........33

2.1.2 Седельный автомобиль-тягач с полуприцепом......................40

2.2 Анализ результатов теоретических исследований..........................42

2.3 Выводы.................................................................................................44

Глава 3 Имитационное моделирование движения лесовозного автопоезда на участках кривых в плане...................................................45

3.1 Обоснование используемых математических моделей, описывающих движение автопоезда.......................................................47

3.1.1 Модель работы автомобильной шины.....................................47

3.1.2 Модель рулевого управления...................................................50

3.2 Методика моделирования..................................................................52

3.3 Анализ результатов имитационного моделирования.....................73

3.4 Выводы.................................................................................................75

Глава 4 Экспериментальные исследования движения лесовозного

автопоезда по криволинейным участкам лесовозных дорог.........76

4.1 Программа экспериментальных исследований...............................76

4.2 Методика проведения натурного эксперимента..............................77

4.3 Анализ результатов экспериментальных исследований................81

4.4 Проверка адекватности результатов исследований данным натурного эксперимента.....................................................................85

4.5 Выводы.................................................................................................89

Глава 5 Практические приложения результатов исследований...................91

5.1 Коэффициенты дополнительного сопротивления движению лесовозных автопоездов от кривых в плане....................................91

5.2 Оценка топливной экономичности лесовозных автопоездов........94

5.3 Оценка износа шин автопоездов при движении по криволинейным участкам лесовозных дорог.............................................98

5.4 Оценка комфортабельности и безопасности движения автопоездов по кривым малого радиуса............................................101

Общие выводы и рекомендации....................................................................105

Библиографический список............................................................................107

ВВЕДЕНИЕ

В лесной промышленности автомобильный лесовозный транспорт занимает главное место в общем объеме механизированной вывозки древесины. На сегодняшний день на его долю приходиться около 90 % всего объема транспортируемой древесины, что определяет существенное значение транспортной составляющей в себестоимости лесопродукции. Поэтому, меры, направленные на уменьшение транспортных затрат путем повышения транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных лесовозных дорог определяют существенную значимость задачи для лесопромышленной отрасли.

Повышение транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных лесовозных дорог требует комплексного решения вопросов взаимодействия системы «водитель-автопоезд-дорога». Однако, при комплексном анализе таких сложных систем исследователи сталкиваются с определенными трудностями. Некоторые задачи решить аналитическим путем не представляется возможным, а проведение натурных экспериментов является весьма дорогостоящим и не всегда эффективным. В связи с этим на первый план выдвигается имитационное моделирование процессов взаимодействия системы «водитель-автопоезд-дорога», позволяющее иметь дело с более детальными моделями, чем аналитические методы, выполнять более безопасные, дешевые и быстрые эксперименты, чем при натурном исследовании.

В последние годы, в связи с быстрым ростом компьютеризации, с постоянным обновлением и разработкой нового специализированного программного обеспечения моделирование принимает новый статус ими-

тационное, основанного на компьютерно-графической ЗБ-имитации процессов и объектов. Процесс исследования какой-либо сложной системы сводиться к созданию ее имитационной модели в специализированной программной среде и проведении собственно моделирования с целью получения тех или иных показателей. Большое преимущество современных систем моделирования заключается в трехмерной визуализации процесса моделирования, благодаря чему исследователь может контролировать и управлять этим процессом, они позволяют синтезировать и исследовать различные показатели системы и ее элементов через имитацию их поведения в условиях динамики.

Говоря о моделировании системы «водитель-автопоезд-дорога», прежде всего, необходимо проанализировать специфику транспорта леса. На маршрутах вывозки лесоматериалов одним из самых распространенных режимов движения лесовозного автопоезда является криволинейное. Действительно, технологические факторы лесопромышленного производства ограничивают проектные параметры плана автомобильных лесовозных дорог, в частности радиусы кривой.

По данным Смирнова Г.А. [84] на грунтовых дорогах от 65 до 70 % времени машины движутся по траекториям с радиусами кривизны менее 300 м. и средними скоростями 15...20 км/ч. Фаробин Я.Е. указывает [99], что на грунтовой дороге вероятность движения с большей кривизной траектории повышается, время условно прямолинейного движения составляет 30-35 % общего времени. Учитывая, что эти цифры приведены для дорог общего пользования, для дорог промышленного транспорта они будут увеличены в сторону движения по кривым. Это еще раз подтверждает принадлежность криволинейного движения лесовозных автопоездов к од-

ному из самых распространенных видов движения при транспорте древесины.

При проектировании дорог по существующим нормам недостаточно учитывается ряд факторов, от которых зависят их транспортно-эксплуатационные качества. Требования строительных норм и правил, согласно указаниям которых принимаются минимальные величины радиусов кривых в плане, исходят из расчетной скорости, установленной исходя из весьма условных расчетных схем, недостаточно обоснованных наблюдениями за реальными режимами и траекториями движения автопоездов в фактических дорожных условиях.

Одним из основных оценочных параметров криволинейного движения лесовозного автопоезда является удельная сила тяги, требуемая при повороте, либо коэффициент удельного дополнительного сопротивления движению от кривых по отношению к прямолинейному участку автомобильной дороги. Традиционные методы тяговых расчетов, применяемые на лесовозном транспорте, весьма упрощены, не учитывают многих факторов, влияющих на режимы и скорости движения лесовозных автопоездов. Они не дают возможности корректно определять значения сил сопротивления движению лесовозного автопоезда по криволинейным участкам автомобильных лесовозных дорог и связанные с ними транспортно-эксплуатационные показатели, такие как топливная экономичность, выбросы вредных веществ, износ шин, безопасность, комфортабельность движения и др.

Таким образом, решение задач, связанных с исследованием явлений и процессов, происходящих при движении автопоезда по криволинейному участку пути, является весьма актуальным. Создание математических мо-

делей и адаптация современных средств их решения с применением ПК, как основных для совершенствования тягово-эксплуатационных расчетов, занимают одно из основных мест в теоретических и экспериментальных работах, посвященных изучению движения автопоездов.

Цель работы - Повышение транспортно-эксплуатационных показателей лесовозных дорог с использованием систем автоматизированного моделирования.

Научная новизна исследования

1. Уточнен характер зависимости дополнительного сопротивления движению автопоездов на кривых малых радиусов, установлена степень влияния некоторых факторов в виде регрессионных моделей;

2. Применены современные системы автоматизированного моделирования движения лесовозных автопоездов в кривых, основанные на компьютерно-графической ЗБ-имитации процессов и объектов;

3. Предложены поправки к нормам расхода топлива и износа шин автопоездов в зависимости от дополнительного сопротивления движению.

Практическая значимость работы

1. Уточненная методика имитационного моделирования на основе современных программных комплексов, позволяющая решить задачи по определению эксплуатационных показателей автопоездов при движении по лесовозным дорогам.

2. Разработанные регрессионные модели дополнительного сопротивления движению лесовозных автопоездов буксирного и седельного типов от кривых в плане, позволяющие количественно оценивать необходимое приращение силы тяги, для обеспечения движения по криволинейным участкам лесовозных дорог.

3. Определенные коэффициенты дополнительного сопротивления движению в зависимости от типа применяемого автопоезда, радиуса круговой кривой и типа покрытия лесовозных дорог, уточняющие тяговые расчеты подвижного состава автомобильного лесовозного транспорта.

На защиту выносятся:

- методика имитационного моделирования движения автопоездов для определения транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных лесовозных дорог;

- результаты экспериментальных исследований дополнительного сопротивления движению лесовозного автопоезда от кривых различного радиуса;

- результаты имитационного моделирования движения автопоездов буксирного и седельного типов по криволинейным траекториям автомобильных лесовозных дорог. Объектом исследований являются лесовозные автопоезда буксирного и седельного типов, предметом исследования -процесс движения по криволинейным траекториям автомобильных лесовозных дорог.

ГЛАВА 1

АНАЛИЗ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЛЕСОВОЗНОГО АВТОПОЕЗДА

Моделирование движения остается в числе приоритетных направлений в многочисленных исследованиях, касающихся эксплуатационных свойств автотранспортных средств, их конструкции, режимов движения, устойчивости, управляемости и др.

Методы, применяемые для получения количественных характеристик, необходимых для оценки эффективности автомобилей и их отдельных эксплуатационных свойств, претерпели развитие от разнообразных видов натурных (дорожных и стендовых) испытаний до компьютерного имитационного моделирования на основе компьютерно-графической ЗБ-имитации процессов и объектов.

Следует отметить, что специальная теория движения лесовозных автопоездов отсутствует, поэтому, остановимся на исследованиях, посвященных моделированию движения грузовых автомобилей и автопоездов на дорогах общего пользования.

1.1 Краткий обзор исследований по моделированию движения автопоездов

Проанализировать все исследования по моделированию движения автомобилей практически не представляется возможным, поэтому остановимся на основных трудах отечественных и зарубежных исследователей.

В классических отечественных трудах по теории автомобиля [22,39,61,71,84], а также в зарубежных [11,31,92], в той или иной мере, рассмотрены основные вопросы, связанные с моделированием автотранспортных средств, приведены характерные виды экспериментальных исследований.

Достаточно полный теоретический анализ исследований в области моделирования движения автомобилей представлен в исследовании И.С. Павлова [109].

Работы [11,22,31,61,84,92] содержат большое количество экспериментальных данных и характерных значений различных параметров. Поэтому, они представляют значительный интерес для данного исследования.

Большой интерес представляют также работы инженерно-конструкторского плана [49,74,75,76], в силу содержания в них большого количества экспериментальных данных.

В части исследований [101,102,103] представлены модели автомобиля в целом при траекторном движении. Современные исследователи траекторных движений автомобиля чаще всего пользуются моделями [1,2, 3,12], аналогичными использованным в [101,102,103].

В частности, в работе [14] приведена модель автомобиля с четырьмя степенями свободы (продольное и поперечное перемещения, углы курса и крена). Пример построения приближенной плоской модели движения экипажа в целом представлен в работе [102].

В работе [2,3,12] описываются модели плоского движения трех- и четырехколесных экипажей. В качестве внешних возмущений используются аэродинамические силы и силы тяжести.

В работе [4] приводится модель боковой динамики автомобиля. Для моделирования контактных сил использована анизотропная ВшвИ-модель. Приводится анализ устойчивости и предсказание траектории движения при прямо- и криволинейном движении.

Моделирование на компьютере динамики автомобиля с приводом 4x4 приведено в статье [13]. Используются экспериментальные зависимости боковой и продольной составляющих силы в пятне контакта от угла увода и продольного псевдоскольжения, соответственно. Приведено много примеров использования модели для имитации торможения на повороте, заноса, реакции на продольные и поперечные случайные возмущения и др. Результаты использования модели сравниваются с экспериментальными данными.

В работе [87] представлена математическая модель динамики нестационарного движения лесовозного автопоезда на кривых. Автопоезд-хлыстовоз рассмотрен как сложная механическая система, элементами которой являются тягач, роспуск и пакет хлыстов. Данная модель позволяет с помощью ПК провести динамический анализ лесовозного автопоезда для общего случая его нестационарного движения на кривых.

Исследование [89] показывает сравнительный анализ результатов моделирования грузовых автомобилей и автопоездов в различном программном обеспечении. Приведены результаты различных тестов, показывающие хорошую сходимость моделей, созданных в различных программных продуктах. Аналогичный зарубежный анализ результатов моделирования представлен в отчете [5].

В статье [77] обобщены результаты моделирования действий водителя при выборе основных режимов движения автомобиля в зависимости

от дорожных условий и предложен алгоритм этого моделирования при расчете на ПК. Разработан метод общего решения уравнения движения автомобиля для любого режима при широком диапазоне изменений дорожных условий, а также предложена методика расчета начальных скоростей движения при построении эпюр скорости и методика учета разного рода ограничений при расчетах на ПК.

Статья [27] посвящена анализу устойчивости автопоезда при торможении. Сделан вывод о характере режимов движения автопоезда при торможении. В частности, доказывается, что идеальное решение, с точки зрения разгрузки сцепного устройства и сохранения устойчивости автопоезда, будет при полной синхронности затормаживания и одинаковой интенсивности торможения всех звеньев автопоезда.

Исследования [43] приведены уравнения, описывающие движение звеньев малотоннажного автопоезда по дорогам с различным микропрофилем. Сделан вывод, что отсутствие упругих и демпфирующих элементов в сцепном устройстве автопоездов в определенных условиях может вызвать появление значительных продольных усилий, способных привести к аварии автотранспортного средства.

В работе [73] представлена универсальная плоская математическая модель движения многозвенного автопоезда, который имеет перекос мостов и эксцентриситет центров масс каждого звена. Дифференциальные уравнения движения составлены на основе общих теорем механики: об изменении главного вектора и главного момента количества движения.

В исследованиях [80,81,64] рассматриваются вопросы определения среднетехнической скорости движения лесовозных автопоездов посред-

ством математического и имитационного моделирования режимов движения транспортных потоков.

В статье [107] рассматриваются разработанные математическая м�