Разработка критериев устойчивости автопоезда при назначении элементов плана автомобильных дорог Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Лесоинженерное дело

DOI: 10.12737/14164 УДК 656*4

РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ УСТОЙЧИВОСТИ АВТОПОЕЗДА ПРИ НАЗНАЧЕНИИ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛАНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

доктор технических наук, профессор С. И. Сушков1 доктор технических наук, профессор О. Н. Бурмистрова2 1 - ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация 2 - ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет»,

г. Ухта, Российская Федерация

На основании данных обследования автомобильных дорог, построенные кривые в плане существенно снижают скорости движения транспортного потока. Г оризонтальные кривые должны обеспечивать постепенное снижение скоростей движения автопоездов при переходе с одного прямого участка на другой. Наличие данных кривых приводит к снижению транспортно-эксплуатационных показателей дороги. Это объясняется следующим: при движении автопоезда по кривой возникает центробежная сила, снижающая сцепление колес автопоездов с дорогой; данная поперечная сила снижает устойчивость автопоезда и значительно на безопасность дорожного движения (боковое скольжение и опрокидывание); недостаточные условия видимости на данных участках дороги; повышаются требования к квалификации водителя, при переходе автопоезда с прямой на кривую, не меняя полос движения; при входе автопоезда на данный участок у водителя возникает ощущение опасности; при встречных маршрутах - на проезжей части необходимо запроектировать уширение по сравнении с прямым участком. Для повышения безопасности движения автопоезда дорога на закруглениях должна иметь следующее: радиусы кривых определяют по расчетной скорости движения; проектируются переходные кривые с устройством виража; обеспечивают расчетную видимость и уширение проезжей части. При проектировании горизонтальных кривых, скорость устанавливается по критерию устойчивости автопоезда. Для определения достоверности методик расчета и эффективности мероприятий, устраиваемых на данных участках проведены полевые наблюдения за режимами движения транспортных средств на кривых. В результате данных исследований в полевых условиях установлено, что при применении данного подхода к проектированию переходных кривых с устройством виражей расчетные скорости движения на данных участках приблизились к нормативным для данных категорий дорог.

Ключевые слова: вираж, кривые малого радиуса, автопоезд, видимость движения, сцепление колес, уширение проезжей части.

Лесотехнический журнал 3/2015

161

Лесоинженерное дело

DEVELOPMENT OF SUSTAINABILITY CRITERIA IN THE APPOINTMENT OF ROAD TRAINS ELEMENTS OF THE PLAN HIGHWAY

DSc in Engineering, Professor S. I. Sushkov1 DSc in Engineering, Professor O. N. Burmistrova2 1 - Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation 2 - Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Ukhta State Technical University», Ukhta, Russian Federation

Abstract

Based on the survey data of roads, construction of the curve in terms of significantly reducing vehicle speed potoka.Gorizontalnye curves should ensure a gradual reduction in speed trains during the transition from one area to another directly. The presence of these curves leads to lower transport and operating characteristics of the road. This is explained as follows: When moving train on a curve arises centrifugal force, reducing traction trucks on the road; This shear force resistance decreases significantly and train on road safety (side sliding and overturning); nedostatochnye visibility on these sections of the road; Improves qualification requirements for the driver, the transition train straight to curve without changing lanes; At the entrance to train at the site of the driver a feeling of danger; When colliding routes -on the roadway must be designed broadening compared to direct site. To improve traffic safety on the road train rounded must have the following: Curve radii determined by the estimated speed of movement; proektiruyutsya transition curves bend with the device; Provide the estimated visibility and widening of the carriageway. In the design of horizontal curves, the speed is set by the criterion of sustainability train. To determine the reliability of calculation methods and the effectiveness of interventions, arranged in these areas conducted field observations of the modes of movement of vehicles on curves. As a result of of data research in the field conditions established that at application of of this approach to designing of of transient curves with the device Superelevation the calculated speed of movement of on the given sites approached to normative for the data of categories of roads.

Keywords: banking, small radius curves, trailer, the appearance of movement, traction, widening of the carriageway.

Введение

Согласно теории движения, устойчивость на горизонтальных кривых соблюдается, если в режиме движения у ведущей оси присутствует достаточная сила сцепления с дорожной одеждой [2, 3, 6]. Расчет данных параметров, описывающих движение лесовозных автопоездов по участку

магистрали общего пользования c учетом этих факторов, представляет собой многокритериальную задачу [5].

Движение на кривой определяется с позиции устойчивости против заноса при разности загруженности ведущих колес автопоездов. Оценка данных параметров, характеризующих устойчивость от заноса,

162

Лесотехнический журнал 3/2015

Лесоинженерное дело

показала, что в режиме торможения автопоездов требования к назначению элементов кривых должны быть намного выше, чем при установившемся движении. Это особенно важно для автомобильных поездов, в режиме торможения у которых возникают сжатия в сцепке, снижающие их устойчивость. Тогда как при прямолинейном движении прицепные звенья тягоча находятся в стандартных положениях [7,

8]. Эти положения входят в расчет параметров процессов модели управления системой «дорожные условия - транспортные потоки» [4].

Методика исследований.

Нами приводится расчет, представляющий вариант решения для наиболее массового типов автопоездов [10]. Нормальные реакции автодороги на осях автопоезда при торможении рассчитываются по зависимостям из уравнений статики. Схема сил показана на рис. Поэтому в сцепном устройстве автопоезда присутствует сила сжатия Q.

Система уравнений равновесия для автопоезда следующая:

Z1LT - PjThT - GT • bT - Qh = 0;

Z2LT + PjThT - GT • aT + Qh = 0; >. PjT = P + P2 - Q.

Автомобиля с прицепом:

(1)

Z3Ln - Pn - Gn ■ bn + Qh = 0;

Z4Ln + Pjnhn - Gn ■ an - Qh = 0; \. (2)

Pn = P + P4 + Q.

Путем преобразования уравнений (1) и (2) получим следующие соотношения определения нормальных реакций на ведущих мостах автопоезда:

Z = G ■уТЪ-р + L- [ P • /Зт\ - Q (hT - h)];

/ t / t

a 1

Z2 = G •Yt-t- - — [P • Ph - Q (hT - h)];

TT

Z3 = G •Y„bLL + L- [ P • Pnhn + Q (hn - h)];

Ln Ln a 1

Z4 = G•Yn-fn- — [P• Pnhn + Q(hn -h)].

Ln Ln

>

(3)

где Yt - коэффициент отношения массы прицепа к массе тягача;

Yn - коэффициент распределения веса на прицеп;

Рт, РП - переменные отношения тормозной силы в тягаче и прицепе.

Zi, Z2, Z3, Z4- нормальные реакции в автопоезде (Н);

G - масса брутто автолесовоза (кг);

Gt , Gn - масса брутто тягача и прицепа соответственно (кг);

Pi, P2, P3, P4 тормозные нагрузки на мостах автопоезда (Н);

P P

jT , п - моменты инерции автопоезда (Н);

Q - усилие в сцепке автопоезда(Н);

LT, Ln - расстояние между мостами

(м);

-т, -п - расстояние от переднего моста до центра тяжести автопоезда (м);

вт, вп - расстояние от заднего моста до центра тяжести автопоезда (м);

hT, hn - просвет от центра тяжести автопоезда (м);

h - расстояние сцепки до поверхности дороги (м).

Результаты исследований и выводы.

Данные выражения позволяют произвести расчет скорости движения лесовозных автопоездов при минимальном

Лесотехнический журнал 3/2015

163

Лесоинженерное дело

расходе топлива, определение нормальных реакций в мостах автопоезда [1].

В режиме движения при набегании прицепа на автомобиль (в сцепном устройстве возникает сила сжатия Q, принимающая следующий вид:

тт

mr

• =-P -P2 + Q;

• Xп =-Рз -P4 -Q.

(4)

Преобразуя систему уравнений, получим дифференциальное уравнение перемещения звеньев автолесовоза:

(

X + C

и

У mT

1 1

— + — m

\

X, =( At - An ) t{; (5)

n J

X, + ю X, — ( At - An) t,, где ю - частота колебаний звеньев,

с I-L +_1

с. \ 1 1

G У Ут Уп

S • Ут + Уп G Ут •Уп

с

(6)

(7)

Ут •Уп •G

Для случая, когда в устройстве возникают растягивающие усилия, выражение примет вид:

+

ю

m

m

т

n

m

• X — -Р - Р2 - Q;

\mn • Xn —-Р3 - Р4 + Q.

(8)

Тогда уравнение относительного положения звеньев будет следующим:

X + C

У mT

11

— + — m

X —-(At - An ) tv (9)

n J

Тогда

X + ю2X1 — -(AT -An)• tj. (10)

Данные уравнения второго порядка отличаются положительными или отрицательными знаками частей [4]. На основании вышеизложенного, системы уравнений можно записать следующим образом:

X — A fn-\ t1 - — sinffl^t11. (11)

ю У ю J

Усилие в сцепке:

Q — C^-^L/ tl -18тю^t, 1. (12)

ю У ю J

Скорость торможения можно вычислить, используя значение тормозной силы Р:

AT

Л1 +Ъ mT

Лт_

mT

Рт — р .. 1. Рт_

to ■ mT G t0 Ут'

(13)

164

Лесотехнический журнал 3/2015

Лесоинженерное дело

A =

Ъ + Ъ _ Ли

— Ът_ — ри — Pg. 1 .Put (14)

g 1 ри

mT

mT

to ■ mu G to Yu

A _ A - Pg ■ — fP ^ A Au P ^ .

G to V Yt

— Pg ■ 1 ■ PTYП _ PnYT

Yu

G t

Yt ■Yu

(15)

— Pg 1 PT PTYT YT ^ PTYT —

G to Yt •Yu

— Pg. 1. PT _ Yt G to Yt 'Yu'

Подставим выражения (7) и (15) в (12), имеем следующее усилие в сцепке автолесовоза в режиме торможения:

Q1 — р(Yu _pu)1ft1 _^sin®.t1 |• (16)

Усилие в стадии торможения можно описать следующим:

t

Ож,— P (Pt-Yt ) f-

(17)

Тогда уравнение (16) после преобразования:

(

Qi — Q

ж,

1 --

1

Л

V

о ■ t

■ sin о ■ t

(18)

Выражение (18) позволяет сделать вывод, что значение усилия в сцепке с пружиной, и жесткой сцепке, снижается до положительного sin о ■ t1, [11].

Выражение (16) показывает направление и величину усилия в сцепке - положительный знак характеризует сжатие, отрицательный - растяжение в сцепке.

Знаки в (16), устанавливаются от (pt _ Yt ) и (Yu _ Pu ), так как величина

I t,--sin о ■ t, I является положительной,

V о )

а ° ■ t1 > sin ° ■ t1, то есть угла выше его синуса.

Следовательно, в режиме торможения на автомобильных дорогах отсутствует усилие при рт — Yt , иYп — pu .Усилие сжатия в сцепке может быть при условии рт > Yt ; Yu > pu; а растяжения при условии рт < yt ; и Y u < pu.

Определение оптимальных скоростей движения лесовозных автопоездов из условия минимизации расхода топлива и скорость торможения зависит от следующих факторов:

- перераспределение усилий между мостами;

- шарнирное соединение звеньев автолесовоза, обеспечивающее повышение устойчивости многозвенной транспортной системы в режиме торможения [9, 10].

При наличии блокировки в колесах автопоезда, в сцепном устройстве возникает определенное продольное усилие, а по-переч- ное усилие, возникающее при криволинейном движении автопоезда (вираж) достаточно сильно влияет на устойчивость автопоезда и выбор скоростного режима движения. Все указанные усилия оказывают влияние на характер и величину заноса прицепа, даже при незначительной величине поперечной силы в сцепном устройстве автопоезда.

Библиографический список

1. Бурмистрова, О. Н. Определение оптимальных скоростей движения лесовозных автопоездов из условия минимизации расхода топлива [Текст] / О. Н. Бурмистрова, С. А. Ко-

Лесотехнический журнал 3/2015

165

Лесоинженерное дело

роль // Вестник Московского государственного университета леса Лесной вестник. - 2013. -№ 1 (93). - С. 25-28.

2. Говорущенко, Н. Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте [Текст] / Н. Я. Говорущенко. - М. : Транспорт, 1990. - 135 с.

3. Курьянов, В. К. Автомобильные дороги [Текст] : учеб. пособие / В. К. Курьянов, Д. Н. Афоничев. - Воронеж, 2007. - 284 с.

4. Сушков, А. С. Методические основы параметров процессов модели управления системой «дорожные условия - транспортные потоки» [Текст] / А. С. Сушков // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - № 10 (84). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/10/pdf/05.pdf

5. Определение параметров, характеризующих движение лесовозных автопоездов по участку магистрали общего пользования [Текст] / В. Н. Макеев, С. И. Сушков, А. И. Фур-менко, М. С. Солопанов // Лесотехнический журнал. - 2013. - № 3 (11). - С. 70-75.

6. Hare, Warren A mixed-integer linear programming model to optimize the vertical alignment considering blocks and side-slopes in road construction [Text] / Hare, Warren; Lucet, Yves; Rahman, Faisal // European journal of operational research, Vol. 241. - Issue 3. - pp. 631641. Published:MAR 16 2015.

7. Santos, Joao A life cycle assessment model for pavement management: methodology and computational framework [Text] / Santos, Joao; Ferreira, Adelino; Flintsch, Gerardo // International journal of pavement engineering, Vol. 16. - Issue 3. - pp. 268-286. Published: MAR 16 2015.

8. Liyanage, Champika Measuring Success of PPP Transport Projects: A Cross-Case Analysis of Toll Roads [Text] / Liyanage, Champika; Villalba-Romero, Felix // Transport reviews, Vol. 35. -Issue 2. Special Issue: SI Pages: 140-161 Published: MAR 4 2015.

9. Setinc, Marko Optimization of a highway project planning using a modified genetic algorithm [Text] / Setinc, Marko; Gradisar, Mirko; Tomat, Luka // Optimization, Vol. 64. - Issue 3. -pp. 687-707. Published: MAR 4 2015.

10. Burdett, R. Block models for improved earthwork allocation planning in linear infrastructure construction [Text] / R. Burdett, E. Kozan, R. Kenley // Engineering optimization, Vol. 47. -Issue 3. - pp. 347-369. Published: MAR 4 2015.

11. Janssen, Thomas Design and construction in existing contexts: Replacement of the first High Bridge Levensau [Text] / Janssen, Thomas // Stahlbau, Vol. 84. - Issue 3. - pp. 182194. Published: MAR 2015.

References

1. Burmistrova O.N., Korol S.A. Opredelenie optimal'nyh skorostej dvizhenija lesovoznyh av-topoezdov iz uslovija minimizacii rashoda topliva [Determination of optimal speeds logging trucks from the condition of minimizing fuel consumption]. Lesnoj vestnik [Forest Gazette], 2013, no. 1 (93), pp. 25-28. (In Russian).

166

Лесотехнический журнал 3/2015

Лесоинженерное дело

2. Govorushchenko N.Y. Jekonomija topliva i snizhenie toksichnosti na avtomobil'nom transpose [Fuel economy and reduced toxicity in road transport]. Moscow, 1990, 135 p. (In Russian).

3. Kuryanov V.K., Afonichev D.N. Avtomobil'nye dorogi [Highways]. Voronezh, 2007, 284

p. (In Russian).

4. Sushkov A.S. Metodicheskie osnovy parametrov processov modeli upravlenija sis-temoj «dorozhnye uslovija - transportnye potoki» [Methodical bases of process parameters control model system "road conditions - traffic flows"]. Politematiche-skij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Multidisciplinary network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University], 2012, no. 10 (84), Available at: http://ej.kubagro.ru/2012/10/pdf/05.pdf (In Russian).

5. Makeev V.N., Sushkov S.I., Furmenko A.I., Solopanov M.S. Opredelenie parametrov, harak-terizujushhih dvizhenie lesovoznyh avtopoezdov po uchastku magistrali obshhego pol'zovanija [Determination of the parameters characterizing the movement of timber trains on the section of the highway public], Lesotekhnicheskii zhurnal, 2013, no. 3 (11), pp. 70-75. doi: 10.12737/1772. (In Russian).

6. Hare Warren, Lucet Yves, Rahman Faisal A mixed-integer linear programming model to optimize the vertical alignment considering blocks and side-slopes in road construction. European journal of operational research, Vol. 241, Issue 3, pp. 631-641. Published:MAR 16 2015.

7.Santos, Joao, Ferreira Adelino, Flintsch Gerardo A life cycle assessment model for pavement management: methodology and computational framework. International journal of pavement engineering, Vol. 16, Issue 3, pp. 268-286. Published: MAR 16 2015.

8. Liyanage Champika, Villalba-Romero Felix Measuring Success of PPP Transport Projects: A Cross-Case Analysis of Toll Roads. Transport reviews, Vol. 35, Issue 2. Special Issue: SI Pages: 140-161 Published: MAR 4 2015.

9. Setinc Marko, Gradisar Mirko, Tomat Luka Optimization of a highway project planning using a modified genetic algorithm. Optimization, Vol. 64, Issue 3, pp. 687-707. Published: MAR 4 2015.

10. Burdett R., Kozan E., Kenley R. Block models for improved earthwork allocation planning in linear infrastructure construction. Engineering optimization, Vol. 47, Issue 3, pp. 347369. Published: MAR 4 2015.

11. Janssen Thomas Design and construction in existing contexts: Replacement of the first High Bridge Levensau. Stahlbau, Vol. 84, Issue 3, pp. 182-194. Published: MAR 2015.

Сведения об авторах

Сушков Сергей Иванович - заведующий кафедрой промышленного транспорта, строительства и геодезии, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова», доктор технических наук, профессор, г. Воронеж, Российская Федерация, e-mail: [email protected].

Бурмистрова Ольга Николаевна - заведующая кафедрой технологии и машины лесозаготовок, ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», доктор технических наук, профессор, г. Ухта, Российская Федерация, e-mail: [email protected].

Лесотехнический журнал 3/2015

167

Лесоинженерное дело

Information about authors

Sushkov Sergey Ivanovich - Head of the Department of Industrial Transport, Civil Engineering and Geodesy, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Professor, Voronezh, Russian Federation, e-mail: [email protected].

Burmistrov Olga Nikolaevna - Head of technology and machines harvesting and engineering geodesy, Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Ukhta State Technical University», DSc in Engineering, Professor, Ukhta, Russian Federation, e-mail: [email protected].

168

Лесотехнический журнал 3/2015