автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Стадийное повышение эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог

о

С2 СО см

ГО

'7- 00 На пра&ах рукописи

ПАПОНОВ НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

СТАДИЙНОЕ ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННО- ЭКОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

05.21.01 - Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-1997

Работа выполнена ва кафедре транспорта леса ■ инженерной геодезии Воронежской государственной лесотехнической акндемнн /ВГЛТА/

Научай! руководитель: Действнтельный член Российской Ажадеив

естественных наук н жшшщно-коммунаяьной Академии РФ, доктор технически. наук,

* профессор Курьянов В. К.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, чл.-корр. ахадемиг транспорта ■ ЖКА РФ профессор Бондарев I

кандидат технических наук, чл.-корр. Роосн] экологическое академии, доц. Подольские В.<

Ведущая организация Управления лесами по Воронежской области

Зашита днссертациж состоится м 1? " октября 1997г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 064.06.01 в Воронежской государственной лесотехнической академии (394613, г. Вороник, ул. Тимирязева 8, зал заседаний - нуд 118).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан" 3 "сентября 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Курьянов В .К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вопросы стадийного повышения зксплуатаци-онно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог (ЗЭУ ЛАД) являются актуальными в течение многих лет- Это вызвано тем, что дорожное строительство весьма капиталоемко и возведение объектов на дальнюю перспективу требует значительных единовременных затрат. При стадийном же строительстве капитальные вложения расс-редотачиваются во времени в соответствий с увеличением нагрузки на дорогу.

Оптимизация сроков повышения ЭЗУ ЛАД, в порядке стадийного строительства или реконструкции, позволит более эффективно распределить в процессе планирования капитальных вложений, а значит, и снизит транспортные расходы и повысить безопасность движения.

Задача оптимизации сроков повышения ЗЭУ ЛАД может решаться для двух случаев:

при проектировании новой дороги, если объем перевозок в начале эксплуатации незначительный, а затем в определенный период должен существенно увеличиться. При решении этой задачи определяются начальные параметры ЛАД, сроки перехода из предыдущего эксплуатационно-экологического состояния (ЗЭС) в последующие и параметры этого последующего состояния;

в случае, если ЛАД существует и требуется проведение ее реконструкции, необходим расчет оптимальных сроков реконструкции с учетом предыстории развития ЛАД и ее ЭЭС в год реконструкции. Кроме того, необходимо определение параметров ЭЭС, в которое должна быть приведена ЛАД в результате реконструкции.

В настоящее время параметры ЛАД назначаются согласно ВСН 01-82 в зависимости от категории дороги. Однако более определенными являются реконструкции по назначению параметров геометрии ЛАД, относящиеся к положению дороги в плане и в профиле. Их обоснование производится с учетом достаточно отдаленной, не менее 20-летней перспективы, с учетом обеспечения экологической безопасности ЛАД.

Зтим обусловлена необходимость'разработки методики и рекомендаций по стадийному повышению 335' ЛАД.

Цель работы. Целью работы является разработка научных основ и рекомендаций стадийного повышения ЭЭУ ЛАД на стадии проектных решений в процессе реконструкции, ремонтов и технического содержания на основе анализа, логического и экономико-математического моделирования функционирования ЛАД и лесовозного автомобильного транспорта, с учетом протекания в них динамических процессов.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования являлись лесовозные автомобильные дороги и автопоезда, с полной информацией, адекватно отражавшей ЭЭС и режимы дорожного движения и условия эксплуатации.

В основу исследований положены методы современного научного проникновения, включая методы экономико-математического моделирования и системно-структурного анализа.

Новизна исследований и научных результатов заключается в разработке и развитии теории функционирования автомобильных дорог, включающей математические модели и методики формирования показателей стадийного повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог, позволяющие на стадии проектирования строительства и эксплуатации оптимизировать процесс последовательности и сроков проведения мероприятий на основе критерия суммарных приведенных затрат.

Значимость для теории и практики. Совокупность разработанных моделей и методики стадийного повышения 331' ЛАД по стохастическим критериям эффективности процесса функционирования ЛАД, результата исследований на ЭВМ, а также ряд полученных теоретических и экспериментальных данных по стадийному повышению ЗЗУ ЛАД можно считать развитием теории формирования процесса функционирования ЛАД, что значительно углубляет теорию проектирования, строительства I эксплуатации ЛАД.

На защиту выносятся следующие основные научные положения: Концепция комплексной оценки стадийного повышения ЗЗУ ЛАД, рассматривающая эксплуатационно-экологические характеристики (ЗЗХ), < учетом скорости движения, зависимости ее от обобщенных характеристик трассы ЛАД (ширины проезжей части и ее ЗЭС, интенсивност! движения, модуля упругости, погодно-климатического воздействия :

ь

экологической безопасности);

Методика и имитационное моделирование динамических процессов в узлах автопоездов для стратегии выбора и оптимизации ЭЭХ ЛАД и автопоездов;

Экономико-математическая модель обоснования стадийного повышения ЭЭУ ЛАД.

Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена:

проведением системного анализа проблемы и применением математических, теоретических и экспериментальных методов исследований; экспериментальной и практической проверкой отдельных положении.

Апробация работы. Основные научные положения и практические рекомендации доложены и одобрены на отчетных научно-технических конференциях (1995г., 1996 и 1997гг.), а также включены в научно-исследовательские отчеты кафедры транспорта леса и инженерной геодезии ВГЛТА.

Реализация работа. Основные результаты внедрены в учебный процесс ЕГЛТА при подготовке инженеров по специальности 250100 -"Лесоиженерное дело", а рекомендации по стадийному повышению ЗЗУ ЛАД переданы в Центр дорожно-мостового проектирования.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 4 статьях, в том числе одна монография.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложения. Содержание диссертации изложено на 177 страницах машинописного текста, 26 таблиц и 24 рисунка.

Список использованных источников включает 126 наименований, в том числе 6 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована его цель и основные положения работы, выносимые на защиту.

1. Состояние проблемы стадийного повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог. В разделе обобщены опыт и методы обоснования стадийного строительства автомобильных дорог. Показано, что наибольший аффект в результате стадийного строительства достигается тогда, когда такие основные

элементы ЛАД, как земляное полотно, искусственные сооружения, строятся с учетом требований экологической безопасности на далекую перспективу (не менее 15 - 20 лет). Дорожную одежду (самую дорогую часть дорожной конструкции) строят на ближайшую перспективу, соответствующую интенсивности движения.

Исследованиям в направлении разработки научных основ стадийного строительства автомобильных дорог посвящены ряд научных работ. К ним относятся научные труды докторов технических наук В.И.Алябьева, Б.Г.Гастеза, Б.Г.Козина, В.К.Курьянова, В.П.Немцова, й.И.Леоновича, Ю.Д.Силунова и других, которые внесли существенный вклад в развитие лесного хозяйства и лесозаготовок.

Исследования в других отраслях производства с целью повышения транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог представлены в научных трудах В.Ф.Бабкова, Д.П.Великанова, А.С.Гибшмана, Я;А.Калужского, В.В.Сильяноаа, Я.В.Хомяка, Е.А.Чу-дакова и других исследователей, которые нашли широкое применение в дорожном строительстве и используются в качестве обобщения опыта и методов стадийного строительства автомобильных дорог.

Особенностью указанных работ является использование логической структурной схемы обоснования и накопления исходных данных по оценке транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог, позволяющих оптимизировать сроки стадийного усиления автомобильных дорог.

Дальнейшее совершенствование проблемы обоснования стадийного повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог предполагается на основе исследования с учетом изменения интенсивности и состава движения, показателя прочности дорожных одежд, ровности покрытия, влияние скорости и режима движения и обеспечения экологической безопасности.

В соответствии с целью работы, значимостью и состоянием проблемы были поставлены следующие задачи: формирование и оценка системы показателей стадийного повышения ЗЭУ ЛАД; оценка прочности дорожных одежд динамическим нагружением; разработка логической и экономико-математической модели по обоснованию стадийного повышения ЗЗУ ЛАД; разработка номенклатуры исходных данных по оценке стоимостных показателей и ЗЗУ ЛАД; разработка алгоритма стратегии повышения ЭЭУ ЛАД.

Решение этих задач проводилось в соответствии с планом Цент-

рально-Черноаемного отделения наук о лесе Российской Академии естественных наук и планом научно-исследовательских работ в ВГЛТА по направлению "Разработка ресурсосберегающих и экологически перспективных технологий эксплуатации лесовозных автомобильных дорог."

2. Формирование и оценка системы показателей стадийного по-вшоения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог. Составлена математическая модель колебания автотранспортного средства с учетом упругих свойств грунта дороги. Получены зависимости напряженного состояния дороги от нагрузки на колесо, давления воздуха в шинах и скорости движения автомобиля. Использование разработанной методики исследования позволяет объективно оценить воздействие лесовозного автопоезда на ЛАД при минимальном количестве экспериментов, а следовательно минимальных затратах средств и времени.

Структурный анализ лесовозного автопоезда, как сложной динамической системы, позволил разработать методику и стратегию выбора и оптимизации рейсовой нагрузки, мощность двигателя, передаточных чисел трансмиссии и других параметров автопоезда.

В качестве основных критериев, которые используются при формировании целевых функций, приняты основные показатели скоростных свойств автопоезда и удельной его производительности.

Для оценки степени влияния жесткости опорной поверхности на параметры свободных колебаний системы разработана программа, выполнен расчет коэффициентов затухания собственных частот колебаний, применительно к задней подвеске автомобиля ЗИЛ-157К о номинальной загрузкой. Результаты расчета представлены (рис. 1) в виде зависимостей, выраженных отношениями параметров свободных колебаний неупругой опорной поверхности к аналогичным параметрам на жесткой поверхности от соотношения жесткостей грунта (Сг) и автомобильной шины (Он).

Установлено, что упругие свойства грунта оказывают существенное влияние на величину затухания колебаний подрессоренных масс и собственную частоту колебаний подрессоренных масс. При отношении Сг/Сщ значения коэффициентов затухания, соответственно, отличаются на 11 и 6 X.

О

-I-410 и

14 16 18 2© Vе

2 4 6

8

рис.1 Зависимость параметров свободных колебаний автомобиля от жесткости опорной поверхности.

Реализация разработанной методики и имитационное моделирование динамических процессов в углах автопоезда позволяет на ЭШ автоматизировать ряд проектных процедур и при решении некоторых эксплуатационных вопросов используемых автопоездов.

Для снижения напряженного состояния грунтовой дороги и сохранения ее работоспособности целесообразно снижать давление воздуха в шинах до 0.25-0.15 Ша и ограничивать скорость движения автомобиля до 15 км/ч.

3. Эксплуатационно-экологическая оценка прочности дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог динамическим вагрулшнкэм. На основе анализа особенностей дорожных одежд нежесткого типа, влияющих на результаты оценки их прочности, установлена целесообразная область применения перспективных методов оценки прочности эксплуатируемых ЛАД.

Обосновано количество испытаний на ЛАД или отдельном участке, обеспечивающих необходимую точность определения средней величины модуля упругости дорожной одежды.

Разработана методика определения расчетной величины модуля упругости по результатам испытаний в разные периоды с различной степень» ослабления дорожной одежды. Последнее дает возможность,

при использовании стадийного принципа не только оптимизировать сроки дорожных одежд, но и улучшать геометрические элементы ЛАД призванных способствовать повышению ее ЗЗУ.

Получена зависимость для определения необходимого числа испытаний

ПО - Пи + пм -1, (3.1)

исходящая из теоретической формулы

2 2 2 2 бЕ ^ (ЕфСЕ) 1п

пи= ---, (3.2)

2 2 Де Де

где 6е - среднее математическое отклонение случайной величины измеренного модуля упругости Е при достаточно большом количестве испытаний Пи# - доверительная вероятность того, что среднее значение измеряемой величины при числе испытании не будет отклоняться от среднего значения этой величины при количестве испытаний пи более, чем на Де; Де - максимальное отклонение среднего значения измеряемой величины при количестве испытаний пи ;Еф-фактический модуль упругости одежды на участке; Се - коэффициент вариации модуля упругости, объединенная выборка, включающая в себя пм малых накладывающих выборок, охватывает по модулей.

Данная зависимость учитывает конкретные условия, в которых находится дорожная одежда на данном участке, и позволяет обоснованно снизить необходимое количество испытаний по сравнению с ранее применявшейся методикой.

4. Экономшо-иатеыатичесная модель обоснования стадийного повышения аксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог. Разработана структурная модель оптимизации стадийного повышения ЗЭУ ЛАД от пропускной способности Р (рис.2), как функции от плана трассы, продольного уклона, природно-климатических факторов и по провозной способности Ц, как функции от типа покрытия дорожной одежды, ее прочности и обеспечения экологической безопасности.

и

Г.

<рю

Г

гти*

Кг

Tj.ftj.Bi.

Д2 йг

ра.а>.

«г

Т1 ."«.в« № 0| Ц.С,. V. V

К1 ||-

> •»г

Р1.0». V

Д1 о« V,

С

Рис. 1 Структурная модели оптммизафи стадийного повышения эксплуатециодао-акоготн&скогоуровня лесовозной автомобильной дороги.

Наиболее общим критерием для оптимизации процесса последовательности и сроков проведения мероприятий по стадийному повышению ЗЭУ ЛАД являются суммарные приведенные затраты, формула (4.1).

ЭТ1 + 3д1 К2 Ьэ ЗТ1 + Эд2 С - К1 + Е -+-+ 2 - +•••+.

11-1 (1+Е)и (И-Е)*2 N1 (1+Е)Т

Кп I Этп + Эдп + -+ ^ - ->. щп (4.1)

а+Е)*" (1+Е)т

где Ка - капитальные затраты на строительство ЛАД, соответствующие первому ЭЭС; Кг-..Кп - капитальные затраты, связанные с переходом из первого ЭЭС во второе, в третье и так далее до п-го

ЗЭС; и,12Лз,..Ьп-год перехода из предыдущего ЭЭС в последующее; 9т1.Эд1,Эт2,Эд2»-•.Этп.Эдп-транспортные и дорожные затраты, соответствующие определенному ЭЭС; Е-коэффициент приведенных затрат (принимается Е=0,08-0,12).

Транспортно-эксплуатационные расходы Эт (тыс.руб.) зависят от интенсивности движения N0 и закономерности изменения во времени <р(1), себестоимости перевозок Б, длины I. участка ЛАД и определяются по формуле

Эт = 0,365 N0 + чКиЬБ (4.2)

Дорожно-эксплуатационно-экологические расходы Эд (тыс.руб.) включают ежегодные расходы по проведению текущего ремонта и содержанию дороги, а также расходы на проведение средних ремонтов и обеспечению экологической безопасности, приведенные к одному году. Определяются на основе осредненного значения себестоимости расходов, отнесенных к 1 брутто-тонне с учетом интенсивности движения и структуры парка, и вычисляется по формуле

Эд = 0,365 БдЬВыМо^! (4.3)

где Вы; Но?(Ь)-суммарное количество брутто-тонн, прошедших по ЛАД за рассматриваемый год; Вц - средний вес автомобиля в потоке, брутто-тонн; длина участка Ь,км; Бд - себестоимость затрат на средний ремонт, содержание и устранение негативного воздействия ЛАД на окружающую среду.

Применение стадийного принципа в решении задачи повышения ЗЗУ ЛАД увеличивает эффективность использования капитальных вложений и позволяет управлять процессом развития дороги во времени.

Исходными данными для определения оптимальных сроков стадийного повышения ЗЗУ ЛАД является информация о их ЭЗС и характере изменения интенсивности движения. Поэтому точность конечных результатов зависит от достоверности исходного материала, что указывает на необходимость тщательного их анализа.

5. Обоснование стратегии повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог. Предложен метод стадийного повышения ЗЗУ ЛАД, который основан на принципах динамического программирования и реализуется с использованием сетки "состояние-время".

Метод базируется на условии

Ен Ки. я

(Эт>| " От) о

(5.1)

где Ен - нормативный коэффициент эффективности, К^,,) - капитальные затраты на переход из 1 в 3-состояние; (Эх)1, (Эт)д -эксплуатационно-экологические затраты в год t для состояний 5. и з Разработан способ определения оптимального срока перехода из одного ЗЭС в другое

тР) = Ен к а. я / ДЭо,

(5.2)

в?

где ДЭо - ежегодная экономия по текущим эксплуатационно-экологическим расходам отнесенных к исходному году.

Разработана блок-схема алгоритма стратегии развития ЛАД (рис.3). Алгоритм реализован в программе, составленной для ЭВМ.

Общие выводы и рекомендации

1. Разработанные в диссертации принципы направленного поиска вариантов повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог обеспечивают оптимальность одновременного гармонического сочетания эксплуатационно-экологических характеристик лесовозных автомобильных дорог по критерию минимума приведенных затрат; затраты на вывозку древесины и комплекс эксплуатационно-экологических характеристик определяются по результатам моделирования процесса функционирования лесовозной автомобильной дороги. На этой основе составлены рекомендации по стадийному повышению ЭЭУ ЛАД для 3 и 7 районов лесозаготовок.

2. Применение стадийного принципа в решении задачи повышения ЭЭУ ЛАД увеличивает эффективность использования капитальных вложений и позволяет управлять процессом развития дорог во времени.

3. Учет в модели скорости движения лесотранспортного потока,

еэдгатеть денные •регкошшиуажыах лосгааишх вгрдотрах дорога атреишгртиои потоп

выбрал варианты ЗЗС дорога с номерам

епрадшть шаташзе »«ряи К ц * вря 1 ) )тгх

выбор суинз

6Р(!,Т) печать параметре» шшшши стратегии

I а I* 1

Определить: I , д а I > , "Р" К^СК»

(жт.брошэод^ \

т

Рис.3. Укрупненная блок-скеиа алгоритма оптимизаций развития ЛАД.

зависимости скорости от обобщенных характеристик трассы ЛАД (ширина проезжей части и ее эксплуатационно-экологического состояния, интенсивность движения, модуль упругости, погодно-климатические воздействия и т.д.), а также зависимости эксплуатационно-экологических состояний ЛАД от воздействия автопоезда, делает ее более совершенной.

4. Исходными данными для определения оптимальных сроков повышения ЗЭУ ЛАД является информация об эксплуатационно-экологическом ее состоянии, характере изменения интенсивности движения, об учете обеспечения экологической безопасности. Поэтому точность конечных результатов во многом зависит от достоверности исходного материала, что указывает на необходимость тщательного их анализа.

5. В большинстве случаев возникает проблема многовариантности эксплуатационно-экологических состояний, преодоление которой возможно при последовательном анализе вариантов. В этом случае просматриваются все возможные, но не все сочетания их исследуются до конца. Производится последовательный отсев вариантов по мере того, как устанавливается, что они не смогут быть оптимальными. Такой метод основан на принципах динамического программирования и может быть реализован графическим методом с использованием сетки "состояние-время".

6. На основе исследований разработаны рекомендации по стадийному повышению ЗЭУ ЛАД при ограниченном количестве эксплуатационно-экологических состояний и с использованием сетки "состояние-время" при значительном их количестве.

Разработан алгоритм и программа для ЭВМ. При составлении программы для расчетов на ЭВМ были использованы зависимости, позволяющие более детальна вычислять значения скорости и себестоимости вывозки древесины за счет Солее полных исходных данных.

7. Использование данных разработок позволит поддерживать оптимальное эксплуатационно-экологическое состояние ЛАД в процессе ее работы со своевременным повышением ЗЭУ, что по предварительным расчетам обеспечит экономический аффект до 6-8 млн.руб. на один километр ЛАД (в ценах 1996 г.)

Задачей дальнейшего совершенствования методики стадийного повышения ЭЭУ ЛАД является апробация ее на конкретных дорогах 2 и 3 районах лесозаготовок с составлением планов производства ре-

монтных, мероприятий в процессе эксплуатации ЛАД.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Курьянов В.К., Чубов Н.И., Гоптарев С.М., Папонов H.H. Эксплуатационно-экологические проблемы ресурсо-сберегающих технологий лесотранспортного процесса. - Реферат рукописи опубликован в библиографическом указателе; М., ВИНИТИ, "Депонированные научные работы", 1996. N3308, б с.

2. Курьянов В.К., Чубов Н.И., Рябова О.В..Гоптарев D.M., Папонов H.H. Транспортно-зксплуатационная оценка прочности дорожшх одежд лесовозных автомобильных дорог. Реферат рукописи опубликован в библиографическом указателе; М., ВИНИТИ, "Депонированные научные работы", 1998, N3826-B96, 32 с.

3. Курьянов В.К., Чубов Н.И., Рябова О.В., Гоптарев С.М., Папонов H.H. Стадийное повышение эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог (монографии). - Реферат опубликован в библиографическом указателе ; М., ВИНИТИ, "Депонированные научные работы", 1996, N3816-B96, 58 с.

4. Папонов H.H. Методика оценки эксплуатационно-экологического уровня лесовозного транспорта в системе "водитель - автомобиль - природная среда" (ВАДС) - Реферат рукописи опубликован в библиографическом указателе :М., ВИНИТИ. "Депонированные научные работы", 1997, N2, 18 с.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 064.06.01 иди прислать ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 394613, Воронеж, ул. Тимирязева, 8, Воронежская государственная лесотехническая академия, ученому секретарю.

Палонов Николай Николаевич

СТАДИЙНОЕ ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

подписано к печати тираж 100 экз. заказ N 73 объем 1 усл. п.л.

УОП ВГЛТА 394613, Воронеж, ул. Тимирязева, 8