На правах рукописи

ВАХИДОВ УМАР ШАХИДОВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАШИН

ВЫСОКОЙ ПРОХОДИМОСТИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ

ТРАНСПОРТНЫХ ПРОБЛЕМ ГОРНЫХ

РАЙОНОВ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА

05.05.03 – Колёсные и гусеничные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Нижний Новгород 2012

Работа выполнена на кафедре «Строительные и дорожные машины»

Автомобильного института Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.Н. Наумов доктор технических наук, профессор М.С. Льянов доктор технических наук, профессор Р.П. Кушвид

Ведущая организация: : ФГУП «НАМИ»

Защита диссертации состоится «27» декабря 2012г. в 14:00 в ауд. 1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.04 в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е.Алексеева по адресу: 603600, Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, д.24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева Автореферат разослан _ 2012 года Отзыв на автореферат с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес учёного секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.165. доктор технических наук, профессор Л.Н. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Развитие мировой транспортной инфраструктуры в ХХI веке включает в себя создание транспортных путей в трудно доступных регионах мира, в том числе в горных и высокогорных районах. Это связано с тем, что горные районы мира это периферийные (маргинальные) области, находящиеся на обочине процесса социально-экономического развития, зависящие от доминирующих урбанизированных центров и не имеющие равных возможностей - в силу специфики природной среды.

Горные территории обладают ценнейшими ресурсами, от которых зависит благополучие и развитие прилегающих и более отдаленных равнинных районов. Прежде всего, это водные ресурсы, а также минеральные, биологические, рекреационные.

Особое значение у культурного потенциала горных районов со своими ноу-хау в области сельского хозяйства, социальной психологии и жизни горных общин, исторически адаптированных к сложным, экстремальным природным условиям. Горные хребты, как речные долины и другие природные объекты, служат границами между государствами, что являет собой проблему трансграничного сотрудничества. Важным компонентом рассмотрения в данном случае является население пограничных районов на современном этапе, часто представители одной этнической группы, разделенные политической границей. В таких условиях границы признают мембранными, через них разделенные общины сотрудничают. В конце ХХ - начале XXI веков изобилует «барьерный» тип приграничных отношений, примером которых служат Кавказ, Памир (Бадахшан), Балканы и т.д. В конце ХХ века более 50% войн и вооруженных конфликтов, отмеченных во всем мире, произошли в горах, включая несколько основных на Индо-Пакистанской границе, Кавказе, в Таджикистане, Балканах и на Голанских высотах, что определено многонациональностью, поликультурой населения горных регионов, как следствия эволюции; пограничным положением регионов; благоприятной средой для военных маневров. Ограниченность жизненного пространства проявляется в особенностях организации хозяйства и расселения.

Одним из наиболее простых и быстрых путей решения указанных проблем является вовлечение народов, проживающих на горных территориях, в культурноэкономические процессы всей страны и мира. Одним из путей запуска данного процесса является создание устойчивой, безопасной и экономически выгодной транспортной системы, обеспечивающей перемещение людей и грузов со скоростью и стоимостью сопоставимыми с такими же показателями равнинных территорий.

В настоящее время суммарный объём перевозимых грузов в Российской Федерации (без учёта трубопроводного транспорта) составляет 2500 млрд тоннокилометров в год (по 17 тысяч тонно-километров на каждого жителя страны), всего за год перевозится около 7000 млн тонн грузов (по 50 тонн на каждого жителя страны), среднее расстояние перевозки – 330 км. Пассажирооборот в Российской Федерации составляет 450 млрд. пасс.-километров (3200 км на каждого жителя страны, средняя длина поездки – 22 км). Эти данные резко контрастируют с показателями республик Северного Кавказа. Так, на одного жителя Дагестана приходится тонно-километров грузов, что более чем в 100 раз ниже, чем в среднем по стране, а пассажирооборот – 100 км на одного пассажира в год, что более чем в 30 раз ниже, чем в среднем по стране. Таким образом, низкая мобильность жителей высокогорных районов отрицательно сказывается на экономической деятельности региона, что в свою очередь влияет и на социально-экономическую обстановку. Поэтому решение транспортных проблем горных и высокогорных районов Северного Кавказа путем обоснования параметров машин высокой проходимости является актуальным для экономики нашей страны.

Цель исследований Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование параметров машин высокой проходимости для решения транспортных проблем горных районов Северного Кавказа.

Объект исследований Транспортные средства высокой проходимости, предназначенные для использования в горных районах Северного Кавказа Общая методология исследований При проведении теоретических исследований использованы методы теории вероятности и математической статистики, спектрального и корреляционного анализа, аналитической механики, численные методы решения систем уравнений; разнообразные методы математического моделирования и оптимизации параметров.

Экспериментальные исследования по оценке подвижности машин в сложных горных условиях проводились как на серийно выпускаемых, так и на специально подготовленных транспортных средствах.

Научная новизна Предложены новые критерии оценки проходимости высокогорной местности в виде единого коэффициента, путём сравнения с которым оценивалась возможность работы конкретной машины в заданных условиях эксплуатации.

Выявлены основные трассы движения машин по горам Северного Кавказа в зависимости от типа осуществляемых перевозок. Разработаны основные требования к машинам, в зависимости от типа местности, на которой им приходится работать.

Получены зависимости изменения коэффициента проходимости машины от её конструктивных параметров с учетом особенностей движения в горных районах Северного Кавказа и возможности выполнения маневра «восьмерка на склоне».

Создана методика обоснования рациональных параметров машины с учётом её применения для передвижения в горных районах Северного Кавказа, а именно параметров движителя, размеров транспортного средства, выбора двигателя.

Впервые приведена классификация дорого типа «stone-road» и получены их статистические характеристики.

Данные, полученные в ходе исследования, используются в Руководящем документе по расчету норм потребности в транспортных средствах повышенной проходимости для общехозяйственных и аварийно-спасательных работ в условиях Северного Кавказа.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Из теоретических разработок:

– методика оценки подвижности транспортного средства, отличающейся учётом возможности преодоления среднечастотных неровностей за счёт инерции машины и с учётом возможности опрокидывания транспортного средства;

- модель изменения тягового усилия движителя, связанного с проскальзыванием элементов движителя по опорной поверхности, обусловленной отклонением её поверхности от горизонтальной плоскости.

- модель движения транспортного средства по заснеженному склону, учитывающая боковое скольжение колес и формирование сопротивления от снега при этом.

- методика расчета подвижности машины по плавности хода и по задеванию каменей о днище при движении по дорогам типа «stone-road».

2. Из научно-методических разработок - метод расчета коэффициента проходимости исследуемой местности и соответствующих параметров взаимодействия движителей транспортных средств, движущихся по трассе с тем или иным уклоном, позволяющий производить выбор рациональных параметров транспортнотехнологических средств на стадии их разработки.

3. Из научно-технических разработок – экспериментально и теоретически обоснованные пути повышения подвижности машин в условиях Северного Кавказа и созданные по результатам исследований новые технологические решения и практические рекомендации, направленные на решение данной проблемы.

Достоверность результатов Проведенный комплекс экспериментальных исследований на серийных и модифицированных машинах, принимающих непосредственное участие в движении по горам Северного Кавказа, подтвердил основные теоретические положения, методы и средства повышения уровня подвижности транспортных средств в различных условиях эксплуатации.

Практическая ценность Состоит в реализации теоретических разработок, методик расчетов, практических рекомендаций при совершенствовании существующих и создании новых транспортных средств, предназначенных для решения транспортных проблем горных районов Северного Кавказа.

Реализация работы Отдельные разделы диссертационного исследования вошли в следующие работы:

Создание экспериментального образца специального транспортного средства северного исполнения на шинах сверхнизкого давления для работы на слабонесущих опорных поверхностях/ Федеральная целевая программа «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., ГОУ ВПО НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2011.-129 с.

На основании исследования составлен руководящий документ по расчету норм потребности в транспортных средствах повышенной проходимости для общехозяйственных и аварийно-спасательных работ в условиях Северного Кавказа.

Результаты работы вошли в научно-учебные коллективные монографии: «Транспортно- технологические проблемы Северного Кавказа», изданную в 2009 году; «Введение в теорию подвижности» и «Каменные дороги», изданные в 2012 году.

Результаты работы используются в учебном процессе на кафедрах «Автомобильный транспорт» и «Строительные и дорожные машины» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева, «Техническая механика» Дзержинского политехнического института и кафедры «Автомобильный транспорт» Волжского государственного инженерно-педагогического университета, кафедры «Автомобильное хозяйство» Грозненского государственного нефтяного технического университета, кафедрах «Строительные и дорожные машины» и «Эксплуатация и ремонт строительной и дорожной техники» Военно-технического университета при Федеральном агентстве специального строительства Российской Федерации.

Апробация работы Отдельные результаты и основные положения докладывались на международной научно-практической конференции «Проблемы развития автомобильнодорожного комплекса России» (СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 1997 г.); на международной научно-практической конференции «Развитие транспортно-технологических систем в современных условиях» (НГТУ, Нижний Новгород, 1997 г.); на международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России» (Нижний Новгород, 1998 г.); на международных научнотехнических конференциях «ИНТЕРСТРОЙМЕХ» (ВГАСА, Воронеж, 1998 г.);

«Прогресс транспортных средств и систем» (ВГТУ, Волгоград, 1999 г.); на всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы дорожнотранспортного комплекса России» (КубГТУ, Краснодар, 1999 г.); на международной научно-технической конференции «АВТО-НН-2000» (НГТУ, Н. Новгород, 2000г.), на международной научно-технической конференции «АВТО-НН-2002» (НГТУ, Н.Новгород, 2002г.); на международной научно-технической конференции «АВТОНН-2003» (НГТУ, Н.Новгород, 2003г.); на научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья», (ВГВТ, Н.Новгород: 2003г); на всероссийской научно-технической конференции «ТТМ НН 04», (НГТУ, Н.Новгород, 2004 г.); на международной научнотехнической конференции «Проектирование, испытания и эксплуатация транспортных машин и транспортно-технологических комплексов» (НГТУ, Н.Новгород, 2005г.); на международной научно-технической конференции «Проектирование, испытания и эксплуатация транспортных машин и транспортно-технологических комплексов» (МАМИ, Москва, 2009 г.), на международной научно-технической конференции «Безопасность транспортных средств в эксплуатации» (НГТУ, Н.Новгород, 2010 г.), на IX Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (УрФУ, Екатеринбург, 2011 г.); на международной научно-практической конференции «Проектироание специальных машин для освоения горных территорий» (Владикавказ, 2011 г.); на конференции «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники» (Италия (Рим), 2012 г.);

на конференции «Инновационные технологии» (Тайланд, 2012 г.); на конференции «Проблемы международной интеграции национальных образовательных стандартов» (Франция (Париж), 2012 г.); на международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию кафедры «Строительные и дорожные машины» «ТТМ и К НН 12» проблемы транспортных и технологических комплексов (НГТУ, Н.Новгород, 2012 г.).

Публикации По теме диссертации опубликованы 3 монографии, 1 руководящий документ, 27 научных работ, в том числе 13 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 230 наименований, пяти приложений. Общий объем работы 330 страниц, из них основной текст работы изложен на 270 страницах, список литературы на страницах.

Квалификационная формула Диссертация является самостоятельной завершенной научной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены положения, их можно квалифицировать как совокупность научно обоснованных технических решений, заключающихся в обосновании основных принципов выбора машин высокой проходимости, предназначенных для решения транспортных проблем горных районов Северного Кавказа, вносящих значительный вклад в решение народнохозяйственных и социальных задач, а также в повышение обороноспособности страны.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована её цель, раскрыты методы исследования, отмечены научная новизна и основные положения, выносимые на защиту, представлены объекты исследования, указана практическая ценность получаемых результатов.

В первой главе был произведен обзор работ по конструкции, а также процессам взаимодействия как движителя, так и машин в целом с опорным основанием.

Этими исследованиями и разработками в разное время занимались как российские, так и зарубежные ученые.

Я.С. Агейкин, П.В. Аксенов, А.С. Антонов, Д.А. Антонов, В.Ф. Бабков, Б.Г.Безбородова, Б.Н. Белоусов, А.К. Бируля, Н.Ф. Бочаров, Ю.А. Брянский, Н.А.Бухарин, Р.В. Вирабов, И.И. Водяник, Н.С. Вольская, В.П. Горячкин, А.И.Гришкевич, В.В. Гуськов, В.Н. Добромиров, Н.А. Забавников, Г.В. Зимелев, В.В. Кацыгин, М.В. Келдыш, Л.А. Кемурджиан, В.И. Кнороз, К.С. Колесников, Г.О.Котиев, Н.Ф. Кошарный, И.В. Крагельский, М.К. Кристи, И.П. Ксеневич, Г.М.Кутьков, Р.П. Куршвид, В.В. Ларин, М.Н. Летошнев, А.С. Литвинов, М.И. Ляско, В.И. Медведков, В.Н. Наумов, В.А. Петрушов, Ю.В. Пирковский, В.Ф. Платонов, А.Ф. Полетаев, А.А. Полунгян, С.С. Саакян, В.М. Семенов, В.А. Скотников, Г.А. Смирнов, А.П. Софиян, А.П. Степанов, М.Н. Троицкая, Н.А. Ульянов, Я.Е. Фаробин, Б.С. Фалькевич, А.А. Хачатуров, М.П. Чистов, Е.А. Чудаков, С.А. Шуклин, С.Б. Шухман, Н.Н. Яценко и многие другие.

Среди зарубежных ученых наиболее известны: М.Г. Беккер, Дж. Вонг, Г.Крик, Г.Б. Пасейка, А.Риис, А.Солтынский, Р.Янг.

Значительный вклад в области разработки конструкции и исследований процессов передвижения транспортных средств высокой проходимости внесли ученые и исследователи «Нижегородской научной школы»: А.А. Аникин, Л.В. Барахтанов, В.В. Беляков, М.В. Веселовский, И.О. Донато, В.Н. Кравец, А.П. Куляшов, В.А. Малыгин, Ю.И. Молев, Н.Ф. Николаев, В.И. Панов, С.В. Рукавишников, З.И. Талантова, В.А. Шапкин и их ученики.

Разработкой машин и исследованием движения в горных условиях занимались:

П.А. Амельченко, К.В. Александрян, И.М. Гаджимурадов, А.А. Гаспарян, Г.Д. Гогелидзе, В.В. Гуськов, P.P. Двали, С.С. Калаев, К.Г. Карахаян, Г.К. Карцивадзе, И.П.Ксеневич, М.С. Льянов, Г.И. Мамити, В.В. Махалдиани, P.M. Махароблидзе, Ю.А. Поспелов, Т.В. Хухуни, Г.И. Шашимелашвили и др.

Рассматривая различные конструкции транспортно-технологических машин, можно сделать вывод, что какой-то универсальной конструкции, способной выполнять все многообразие транспортно-технологических операций и даже просто транспортных, не существует. Так, преимущества одной конструкции в конкретных дорожных условиях будут являться недостатком в отличных условиях движения. В работе рассмотрены отдельные системы машины, приведены их плюсы и минусы.

Все многообразие рассмотренных конструкций применимо для равнинных условий эксплуатации, пусть даже при плохих условиях движения и бездорожья. Для горных районов предъявляются специальные требования к транспортно-технологическим машинам.

Для районов с развитым земледелием получили развитие конструкции тракторов, работающих на склоне. Здесь выделяется три основных направления конструкций – это доработка существующих машин, применение машин с низким дорожным просветом и специальные машины с возможностью регулировки относительного положения колес одной оси.

Однако существующие конструкции данного типа имеют недостатки, препятствующие их распространению. Такие машины могут приспосабливаться только к поперечному склону; у большинства из них колеса не могут перемещаться относительно корпуса независимо друг от друга; они не могут менять дорожный просвет и базу в широких пределах в процессе движения; их конструкция довольно сложна и громоздка. Поэтому интерес для исследования представляют не только специальные машины для горных условий, но и конструкции, имеющие оригинальные технические решения, отвечающие специфическим горным условиям эксплуатации и позволяющие обеспечить их подвижность. В данной работе под подвижностью будем понимать способность машины выполнять транспортно-технологическую задачу по условию возможности движения, обеспечения необходимого уровня проходимости, курсовой устойчивости и плавности хода.

Далее проанализированы общие положения теории движения транспортных средств по бездорожью, установлены основные свойства поверхностей движения вездеходных транспортных средств, предназначенных для движения в условиях Северного Кавказа, показаны особенности работоспособности движителей вездеходных транспортно-технологических машин при движении в условиях Северного Кавказа.

Проанализированы основные модели взаимодействия движителя различных типов с основными типами опорных оснований, встречающимися на Северном Кавказе. Показаны особенности формирования сопротивлений и сцепления для машины в целом при движении на разных типах движителей; производится оценка проходимости при различных режимах движения.

Полученные данные свидетельствуют о том, что при движении по снежному покрову минимальным сопротивлением движения обладает гусеничный движитель.

Он имеет достаточный запас силы тяги, что делает что его наиболее рациональным.

При движении по твёрдой поверхности по данному показателю наиболее рациональным является колёсный движитель, а для перемещения в заболоченных плавнях русел равнинных рек – роторно-винтовой.

Применение комбинированных типов движителя является экономически нецелесообразным в связи с усложнением конструкции, повышением материалоёмкости, ухудшением управляемости, без значительного повышения проходимости.

Вместе с тем следует отметить, что невозможность эксплуатации гусеничного движителя в поймах горных рек в летний период, обусловленная низкой надёжностью данного движителя при работе на поверхности, покрытой валунами различных размеров и присутствием значительного количества абразивных и связывающих материалов, а также наличие технической возможности обеспечить проходимость машины на снегу при помощи колёсного движителя, позволяет в качестве движителя транспортных машин рекомендовать именно последний тип движителя.

Анализ условий и особенностей эксплуатации позволил сделать выводы, что на проходимость машин в горных условиях также помимо движителя влияют параметры двигателя, так как происходит значительная потеря мощности; и параметры системы курсовой ориентации (рулевого управления), так как при движении по косогору происходит значительный рост сопротивления из-за сползания машины, и как следствие рост экскавационно-бульдозерного сопротивления.

Поэтому сделан вывод о необходимости разработки как комплексного метода оценки проходимости машин, учитывающий все эти особенности, так и более детальные методики, учитывающие конструкцию машины.

Произведенный анализ позволил сделать вывод, что разработка научных основ теории движении автомобилей по горам и выбор их рациональных конструктивных параметров является актуальным исследованием.

Были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Проанализировать влияние развития транспортной инфраструктуры на степень экономического развития региона, выявить рациональные области применения вездеходной техники и транспортных средств общего назначения (с учётом развития коммуникаций в виде автомобильных дорог).

2. Показать пути для развития подвижности населения и удешевления перемещения грузов, рационального использования специальной вездеходной техники.

3. Получить данные по районированию территории Северного Кавказа, позволяющие на этапе проектирования сформулировать основные требования к вездеходным машинам, учитывающие не только их зону использования, но и степень приспособленности к изменяющимся погодным условиям.

4. Выявить зависимость, позволяющую формализовать основные параметры движителей вездеходных транспортных средств для оценки возможности их применения в конкретных условиях эксплуатации.

5. Разработать методику оценки подвижности транспортных средств в горных районах.

6. Определить наиболее вероятные трассы движения вездеходных машин в условиях Северного Кавказа, выявить зависимости между основными параметрами макро- и микропрофиля опорной поверхности, в том числе дорог типа «stone-road».

7. Выработать рекомендации к параметрам конструкции транспортных средств, предназначенных для выполнения транспортно-технологических операций на Северном Кавказе:

7.1. Обосновать выбор типа движителя с учетом свойств поверхностей движения Северного Кавказа.

7.2. Обосновать выбор системы курсовой ориентации по условию обеспечения наибольшей подвижности по заснеженному склону.

7.3. Обосновать выбор средств повышения проходимости по условию обеспечения наибольшей подвижности по заснеженному склону.

7.4. Обосновать выбор геометрических размеров транспортных средств в горных условиях с позиции повышения проходимости.

7.5. Обосновать выбор мощности двигателя.

7.6. Проанализировать систему подрессоривания существующих транспортных средств по условиям плавности хода и задевания камней о днище при движении по дорогам типа «stone-road» и дать рекомендации по повышению их подвижности.

8. Разработать руководящий документ, регламентирующий количественные и качественные показатели парков транспортно-технологических машин, позволяющих выполнять различные, в том числе и аварийно-спасательные операции.

Во второй главе дан анализ дорожно-транспортных и природноклиматических условий работы транспорта в Российской Федерации.

Выявлены основные тенденции развития дорожно-транспортной обстановки и ее влияние на социально-экономическое состояние страны в целом и её отдельных регионов. Произведён анализ транспортных систем республик Северного Кавказа.

Установлено, что основными отличиями от остальной территории Российской Федерации являются – низкая платёжная способность населения (затраты на транспортные расходы ниже, чем в среднем по стране в 3 – 5 раз, при незначительном отличии тарифов на перевозки), больший процент населения, живущий в сельской местности, что обусловливает большую дальность одной поездки (15-25 км против 7км в среднем по стране), большая зависимость населения от общественного транспорта вследствие малой насыщенности населения личным автомобильным транспортом и большая зависимость перевозок от погодных условий, в результате которых происходит задержка в перемещении от 1 до 5 % товаров и грузов.

Анализ исследований, проведённый в данной главе, позволил отметить диспаритет населения Северного Кавказа по отношению к остальному населению нашей страны. Установлено, что для выравнивания качества транспортных услуг транспортный парк Северного Кавказа должен быть насыщен 300 тысячами легковых автомобилей, 50 тысячами автомобилей повышенной проходимости личного пользования и 200 автомобилями повышенной проходимости для проведения строительных и аварийно-восстановительных работ.

При этом развитие коммуникаций в виде автомобильных дорог на высотах, превышающих 2000 метров, не может быть признано экономически целесообразным. Для развития мобильности населения и удешевления перемещения грузов рационально использовать специальную вездеходную технику, а вместо автомобильных дорог использовать специально подготовленные трассы движения.

Анализ условий эксплуатации позволил сделать вывод, что в горных условиях имеется острая необходимость применения вездеходной техники, адаптированной к работе в условиях глубокого и мокрого снега, разреженного воздуха, шквальных ветров, скальных осыпей, переувлажнённого грунта речных пойм, высокой солнечной радиации и много другого. Причём все перечисленные факторы могут действовать в период одного выезда машины.

Более подробно показана особенность формирования трасс движения машин в горных районах Северного Кавказа. Характерной особенностью горных и предгорных районов является широкое распространение грунтов, содержащих каменные материалы различных фракций. Снежные лавины, селевые потоки, камнепады, сползающие ледники в состоянии откалывать от монолитной скальной породы довольно крупные куски, достигающие до нескольких метров в поперечнике, которые можно преодолеть, только обогнув их. Скатывающиеся каменные глыбы сами частично разрушаются и дробят собой куски меньшего размера, что приводит к появлению фракций меньшего размера. Стекающая по склону вода смывает фракции малого размера (до 40 мм), и, подмывая, постепенно «спускает» более крупные. Образующаяся в результате перемешивания смесь обладает высокими абразивными свойствами и содержит каменные куски, представляющие профильные препятствия для движения (рис. 1). Даже небольшие горные реки в период таяния снега и во время ливневых дождей обладают огромной силой и несут с собой довольно крупные каменные фракции, одновременно почти полностью вымывая глинистые, пылеватые и песчаные. Поверхность вдоль берегов таких рек представляет собой каменные россыпи из материалов разного размера – «stone-road» (рис. 2).

Рис.1. Дорога с камнями, представляю- Рис.2. Типичный вид поймы горной реки – В третьей главе разработан формальный аппарат оценки проходимости горных территорий транспортными средствами, включающий два раздела. Это разработка коэффициента проходимости горных территорий F (S ) с точки зрения их природных свойств, и коэффициент проходимости транспортных средств F (S )T в горных условиях, учитывающий особенности конструкции машин. Критерием сохранения подвижности машины в рассматриваемой местности может служить выполнение условия: F ( S ) F ( S ) T.

Один из подходов к оценке проходимости тех или иных участков местности основан на анализе морфометрических характеристик рельефа и опирается на оценивание по следующим критериям: средняя высота площадки над уровнем моря ( f ), средний угол склона (), микрорельеф ( j ).

Коэффициент проходимости территории представлен в следующем виде:

где z(x,y)- высота рельефа в точке; (x,y), n - количество точек.

Для расчета среднего угла наклона и микрорельефа (j) необходима аппроксимация рельефа к плоскости. Аппроксимация производится методом наименьших квадратов. Исходные данные задаются в виде матрицы высот, поэтому плоскость для удобства дальнейших расчётов задаётся уравнением z=ax+by+d. Тогда среднеквадратичное отклонение действительного рельефа в рассматриваемой точке может Угол наклона аппроксимированной площадки к плоскости z(x,y)=0 может быть Для определения параметров, входящих в (1), значения (2), (3), (4) должны быть нормированными. Необходимо сопоставление характеристик табличным значениям, полученным на основании больших статистических исследований. Так как данных для таких исследований пока недостаточно, применён следующий эмпирический подход.

Средняя высота площадки над уровнем моря нормализуется по формуле:

где fmax – значение максимально возможной высоты на рассматриваемой территории.

Средний угол наклона площадки нормализуется по формуле:

где max – значение максимально возможного угла наклона поверхности на рассматриваемой территории.

Нормализацию дисперсии высот рельефа относительно аппроксимрующей плоскости можно осуществлять по формуле: j 1 j S j max 1, где jmax – значение максимально возможное среднеквадратичное отклонение на рассматриваемой территории.

При этом величины коэффициентов пропорциональности будут зависеть от величин высоты, наклона и рельефа следующим образом:

где А – переводной коэффициент, равный 6*10 м, а - коэффициент сцепления движителя с опорным основанием.

С учётом изложенного уравнение для определения коэффициента проходимости горных территорий примет вид:

Выражение зависимости коэффициента сцепления и микрорельефа от времени показывает, что проходимость рассматриваемой территории может изменяться в зависимости от действия погодных условий.

Полученные результаты позволили выделить основные районы Северного Кавказа по степени проходимости. В графическом виде результаты проведённого анализа показаны на рис. 3.

Расчет коэффициента проходимости машины предложено определять по эмпирический зависимости, учитывающей возможность опрокидывания транспортного средства при повороте на максимальной скорости, условия разворота машины на склоне, преодоления единичных препятствий и учета перераспределения нагрузки при движении на косогоре, преодоления подъема. Поэтому, для определения коэффициента проходимости машины предлагается принять геометрические и кинематические параметры вездеходного транспортного средства, позволяющие ему выполнить замкнутую фигуру в виде восьмёрки на склоне с заданной крутизной, коэффициентами сцепления и сопротивления движению (см. рис. 4).

Рис. 3. Результаты районирования территории Северного Кавказа по проходимости транспортных средств:

– показатель проходимости данной территории в любое время года составляет 1,5 - 2 (так как на данной территории снежный покров залегает практически круглогодично);

– 1,0–1,2 при движении по заснеженной территории и 0,7 – 0,9 при движении в летний период;

– 0,75 – 0,85 в зимний период и 0,55 – 0,75 в летний период;

– 1,0 – 1,5 в зимний период и 0,7 – 0,9 в летний период;

– 1,2 – 1,5 как в летний, так и в зимний период, так как проходимость в данных условиях ограничивают показатели микрорельефа, а не наличие снежного покрова;

– 0,6 – 0,7 при движении в зимний период и 0,55 – 0,65 в летний;

– 0,55 – 0,6 при движении в зимний период и 0,5 – 0,55 в летний;

– 0,3 – 0,4 при движении по заснеженной территории и 0,25– 0,35 при движении в летний период В общем виде зависимость формализованного коэффициента проходимости машины может быть записана в виде:

где f сумм - суммарный коэффициент сопротивления, включающий сопротивление движения, преодоления единичных уступов с учетом перераспределения нагрузки, где f1 – дополнительное сопротивления, возникающее при трогании машины с места; f2 – дополнительное сопротивления, возникающее при повороте транспортного средства; Н – высота центра тяжести транспортного средства; Н1 – высота препятствия; L0 - координата расположения центра масс по длине движителя; L1 – длина опорной поверхности движителя, контактирующей с поверхностью движения в момент преодоления препятствия; L – длина движителя.

Коэффициент, учитывающий возможность преодоления дополнительного угла подъема в зависимости от запаса мощности двигателя, имеет вид:

Рис. 6. Зависимость между высотой преодо- Рис. 7. Схема к определению взаимосвязи леваемого препятствия и необходимым запа- между минимальным радиусом поворота Коэффициент, учитывающий возможность преодоления подъема галсами (рис. 7) и зависящий от скорости вхождения в поворот, радиуса поворота, угла крутизны склона и максимального угла подъёма транспортного средства;

d () k g 1, где v 2 R, k - коэффициент, зависящий от максимального угла подъёма транспортного средства, который может быть получен из выражения:

1 2 arcsin но при наличии пакетов математических программ легко вычисляется. Следует отметить, что величина для рассматриваемого транспортного средства не может быть больше g (0,5 B H sin ) cos 4 H, а суммарная величина F S T не может быть больше параметра sin arctg 0,5 BH 1.

Таким образом, появилась возможность оценить проходимость транспортного средства с учётом не только запаса силы тяги, но и с учётом запаса мощности и радиуса поворота. Полученный формализованный коэффициент проходимости позволяет оценить возможность эксплуатации машин повышенной проходимости, путём его сравнения с формализованным коэффициентом проходимости местности.

Проведенный анализ позволил сделать выводы о целесообразности примирения машин в конкретных областях горных районов, что может быть использовано для первоначального «грубого» выбора машины.

Анализ конструкций существующей внедорожной техники показывает, что в большинстве своём она применима для движения по бездорожью в горах на высотах до 1000 м над уровнем моря, а с конструктивными изменениями – до 2000 м над уровнем моря. Для решения транспортно-технологических задач во всём диапазоне горных условий Северного Кавказа необходимо проектировать специальную вездеходную технику со специфическими конструктивными особенностями.

В четвёртой главе разработана методика выбора параметров транспортных средств, предназначенных для работы в горной местности. Условия передвижения транспортного средства при выполнении транспортных задач в условиях Северного Кавказа очень специфичны. Они трактуются тем, что в связи с большими затратами к каждому объекту хозяйственной деятельности человека в горах дорогу не построишь, поэтому передвижение может осуществляться только по бездорожью с соответствующими требованиями к транспорту по проходимости, маневренности и соблюдению экологических норм и правил. Транспортное средство должно быть в состоянии преодолевать единичные препятствия в виде камней, пней, поваленных деревьев, неровностей поверхности, а также иметь возможность передвигаться по лесу, по мари, по заболоченным участкам, покрытым кочками, преодолевать при необходимости водные преграды, иметь хорошую управляемость и маневренность. В то же время движители вездехода не должны разрушать почву, вызывать эрозию местности.

Таким образом, весовые и объемные характеристики предмета труда, условия эксплуатации транспортных машин при организации производства, связанного с использованием техники в горной местности, особенности его организации ставят задачу создания высоко-проходимого, маневренного, экологически безопасного, экономичного транспортного средства сравнительно небольшой грузоподъемности, способного осуществлять доставку небольших партий грузов по бездорожью. Таких машин, к сожалению, отечественная промышленность в настоящее время не выпускает.

Анализ технических параметров транспортных средств повышенной проходимости показал, что в настоящее время специализированной горной вездеходной техники не проектируется и не планируется выпускать. Попытки приспособить существующую технику для эксплуатации в столь специфических условиях не дают должного результата. Отсутствие научно-обоснованных методик, позволяющих определять, какие параметры вездеходных транспортных средств являются рациональными, а какие нет, сдерживает развитие этого класса машин. Качественные изменения в условиях работы машин данного класса, их тяговых и энергетических характеристик, связанных с работой в горных условиях, требуют принципиально нового подхода к их конструкции.

Так, в области равнинного вездеходостроения одним из наиболее перспективных направлений повышения проходимости является увеличение дорожного просвета автомобиля. В результате широкое распространение получили транспортные средства на колёсах большого диаметра. Все автомобили, сконструированные для равнинного движения, имеют слишком большую высоту центра тяжести, в результате чего проходимость по горам падает из-за невозможности работы на склонах.

В то же время техника, изготовленная на базе военной, у которой высота профиля должна быть как можно ниже, в целях обеспечения живучести, показывает удовлетворительный уровень проходимости в горных условиях. Таким образом, определение рациональной высоты профиля машины является одной из научнопрактических задач, решение которой позволит определить рациональные параметры машины при движении в горных условиях. Кроме того, анализ местности, по которой должно осуществляться движение, показывает необходимость учёта преодоления таких специфических препятствий, как одиночные камни, поваленные деревья, рытвины, а также способность сопротивляться воздействию потока воды мелких камней и грязи, характерных для движения в поймах горных рек.

Далее в работе рассматриваются математические модели движения транспортных средств. Приводятся данные о том, что конкретно для горных условий эксплуатации адекватных моделей, по которым можно оценить проходимость машин, нет. Далее рассмотрена математическая модель транспортно-технологической машины на заснеженном склоне при выполнении маневра «движение по восьмерке».

Расчет сопротивления определяется по следующим модифицированным зависимостям.

Сопротивление движения включает в себя несколько составляющих:

где Pfc – сила сопротивления, обусловленная деформацией снежного полотна пути колесами машины; Pfбэб – приведенная сила сопротивления от экскавационнобульдозерных эффектов с внешней стороны колес; Pfэб – сила сопротивления от экскавационно-бульдозерных эффектов; Pf фг – сила сопротивления движению от фрезерования настовой корки и внутримассивных ледяных прослоек; P f - сила сопротивления движению от преодолеваемого подъема; Pf д н - сила сопротивления движению от посадки машины на днище; P f w - сила сопротивления воздуха; Pf к р - сила сопротивления движению от крюковой нагрузки.

Сила сопротивления, обусловленная деформацией снежного полотна пути колесом машины, определяется по зависимости:

Силу сопротивления от экскавационно-бульдозерных эффектов с внешней стороны колеса с учетом фрезерования снега боковыми грунтозацепами шины можно рассчитать по формуле Pfбэб Pf'бб Pfбэ. Бульдозерная составляющая с учетом фрезерования снега боковыми грунтозацепами рассчитывается по зависимостям:

Угол бокового скольжения с учетом фрезерования снега боковой поверхностью колеса: 'бб бб фб arctg 2l sin бб bфб 2l cos бб 1 (15) Увеличение ширины колеи равно:

bфб 0,5 kбгр bбгр lбгр hбгр n 1 Sб 2hг R Сила сопротивления от экскавационных эффектов с внешней стороны колеса получает вид:

где Kнб - коэффициент насыщенности бокового протектора определяется по зависимости: K нб lбгр hбгр, - радиусы, ограничивающие боковые грунтозацепы.

Приведенная сила экскавационного сопротивления с внешней стороны колеса будет определяться по зависимости: Pfбэ 0,5 Fбэ rн rвн R1, (18) Все остальные элементы уравнения (11) определяются по известным зависимостям. В зависимостях же (12)-(18), предложенных В.С. Макаровым, при определении угла бокового скольжения при движении по заснеженному косогору имеется ряд особенностей. Сила сопротивления и углы бокового скольжения (углы увода колес с учетом скольжения вследствие наличия поперечных сил, действующих на колеса машины) рассчитывается с учетом инерционных составляющих, а также составляющих, вызванных кинематикой движения отдельных колес в движителе машины (например при силовом способе поворота, а не поворотом управляемых колес). Отметим, что при круговом движении по склону (или по восьмерке), максимальное влияние этой силы на сопротивление движению будет наблюдаться в нижней точке траектории движения (в верхней точке это влияние будет меньше, так как одновременно будет происходить рост экскавационно-бульдозерного сопротивления за счет силы сопротивления подъему, которая будет отчасти компенсироваться явлениями, возникающими при повороте многоосной машины с не всеми управляемыми колесами).

Направление силы за счет дополнительной составляющей от неуправляемых колес В этот момент наблюдается наибольшее сопротивление Таким образом, угол бокового скольжения (угол увода колеса) при движении по склону будет определяться по зависимости:

где - угол косогора. В данной зависимости учтены не только скорость и радиус поворота, но и влияние силы сопротивления подъему.

Для машин с бортовым способом поворота зависимость (19) примет следующий вид:

где Li - проекция расстояния от центра поворота до оси колес на продольную ось машины.

также ГПИ-3901 (бортовый способ поворота). Рассмотрено как влияет угол наклона косогора на сопротивление движения машины и дополнительный угол Рис 9. Движение машины на склоне Также рассмотрено влияние изменения массы машины на проходимость. Анализ графиков показывает, что с точки зрения обеспечения наибольшей проходимости, более рациональна схема поворота машины с управляемой осью, бортовый способ поворота более энергозатратен и при движении по горам не целесообразен в силу того, что проходимость машины (снижение сопротивлению повороту) не может быть увеличена путем выбора правильного режима движения. Так для машин с управляемыми колесами можно снизить составляющую от экскавационнобульдозерной составляющей с боковой стороны колес путем снижения скорости и как следствие уменьшение угла бокового скольжения. Для машин с бортовым способом поворота угол бокового скольжения колес будет напрямую зависеть от радиуса поворота. Величина сопротивления от экскавационно-бульдозерной составляющей возникающей при повороте (при условии выбора режимов движения соответствующих минимальному сопротивлению) для машин с колесной формулой 4х4 его можно не учитывать (типа ВАЗ-2121, УАЗ, ГАЗ-66); для машин с колесной формулой 6х6, управляемой передней осью и задними колесами в виде тележки составляет 4% (типа КамАЗ-4310); для машин с бортовым способом поворота составляет 13% (типа ГПИ-3901).

Рис: 10. Зависимости сопротивлений и силы тяги (а) и угла увода колес машины (б) от угла склона при движении машины УАЗ с минимальным радиусом:

1, 2 – сила сопротивления при глубине снега равным 1/3 диаметра колеса и скорости движения 3 и 10 км/ч соответственно;3, 4 - сила сопротивления при глубине снега равным 1/2 диаметра колеса и скорости движения 3 и 10 км/ч соответственно; 5, 6 - сила тяги при глубине снега 1/3 и 1/2 диаметра колеса соответственно. Экспериментальные данные при движении машины со скоростями 3 км/ч (квадратики) и 10 км/ч (кружки) Рис. 11. Влияние массы машины на силы сопротивления и сцепления (а) и угол увода колес (б) при глубине снега 1/2 диаметра колеса:

1 – стандартная масса машины; 2 – уменьшенная на 10%; 3 – увеличенная на 10%.

Анализ зависимостей позволил сделать следующие выводы о подвижности машин на косогоре:

для машин массой 1-2,5 т предельными углами будут углы порядка 27 O при глубине снега равной половине диаметра колеса, причем будет происходить потеря проходимости вследствие того, что сопротивление превысит силу тяги; предельными углами наклона порядка 25O при глубине снега равной трети диаметра колеса, причем будет происходить потеря устойчивости вследствие того, что будет наблюдаться сползание машины вниз (при небольшом приращении угла уклона наблюдается большой прирост угла увода колес);

для машин массой 5,5-15 т предельными углами будут углы порядка 18 23O при глубине снега равной половине диаметра колеса, причем будет происходить потеря проходимости вследствие того, что сопротивление превысит силу тяги; предельными углами наклона порядка 20 27 O при глубине снега равной трети диаметра колеса, причем будет происходить потеря устойчивости вследствие того, что будет наблюдаться сползание машины вниз (при небольшом приращении угла уклона наблюдается большой прирост угла увода колес). Меньшие значения характерны для более тяжелых машин;

увеличение (снижение) веса машины на 10% приводит к уменьшению (увеличению) возможного преодолеваемого угла косогора по проходимости и устойчивости движения на 5-8%;

для машин с управляемой осью при изменении скорости машины от 3 до км/ч при выполнении маневра «восьмерка на косогоре» предельный угол преодолеваемого косогора снизится на 20-30%;

для машин с бортовым способом поворота с колесной формулой 8х8 в силу хорошего сцепления будут достигаться аналогичные показатели проходимости порядка 27 30O и радиусов поворота, равных радиусам поворота машин с управляемыми осями, несмотря на наличие постоянного экскавационно-бульдозерного сопротивления. Данные значения справедливы для снега глубиной 1/3 диаметра колеса, однако, при увеличении глубины до 1/2 диаметра колеса машина теряет проходимость даже на горизонтальном участке, это также связано с постоянным действием экскавационно-бульдозерного сопротивления с боковой стороны колес.

Рассмотрено влияние средств повышения проходимости на изменение тяговосцепных свойств колесных машин. На рис. 12 показаны теоретические зависимости изменения показателя проходимости от глубины снежного покрова для колесного движителя, оснащенного различными средствами повышения проходимости, полученные В.В. Беляковым. В качестве критерия для оценки проходимости используют показатель запаса силы тяги, предложенный Л.В. Барахтановым, который определяется выражением: P P Pf, где P - запас силы тяги по сцеплению; P - сила тяги машины по сцеплению; Pf - сопротивление движения машины.

Однако в результате анализа условий эксплуатации в горной местности были получены следующие выводы. В качестве наиболее приемлемого средства повышения проходимости колесных машин при движении по горам можно рекомендовать использовать шины с регулируемым давлением. Рост проходимости в данном случае составит до 20%. При этом данные средства уже заложены в конструкцию машин.

Применение двускатных и широкопрофильных шин также приводит к аналогичному росту проходимости, однако при этом усложняется конструкция и снизится управляемость машины в особенности при повороте на склоне. Дискретные уширители также приводят к росту проходимости при прямолинейном движении, но при этом они разрыхляют боковые поверхности колеи, что при движении по косогору приведет к потере устойчивости и дополнительному сползанию машины вниз, что в свою очередь вызовет рост сопротивления. Также установка уширителей требует доработки конструкции. Поэтому данные средства использовать не целесообразно. Использование плицевых цепей противоскольжения не дает должного эффекта. Применение же легких съемных гусениц позволяет повысить проходимость при прямолинейном движении на 32%, однако данное средство можно использовать только на колесных машинах, не имеющих управляемых колес. Однако, как показали исследования, в связи со значительным ростом экскавационно-бульдозернго сопротивления с боковой стороны колес при повороте на склоне суммарная проходимость останется недостаточной и сопоставимой с машинами с управляемыми колесами, притом, что происходит усложнение и удорожание конструкции.

Также, следует отметить, что вследствие наличия в горной местности связнофрикционных материалов, а также камней разного размера применение всех специальных средств повышения проходимости теряет смысл из-за низкой надежности.

Поэтому можно рекомендовать в качестве доступного, недорогого и эффективного средства повышения проходимости колесных машин при движении по косогору шины с регулируемым давлением.

Одним из наиболее простых путей повышения проходимости машины является увеличение её дорожного просвета.

Анализ современных конструкций вездеходных транспортных средств позволил аппроксимировать зависимость между высотой центра масс, дорожным просветом и диаметром колеса следующей математической зависимостью:

где Н1 – величина дорожного просвета; D – диаметр колёс.

Тогда рациональное соотношение между этими параметрами может быть найдено исходя из условия преодоления единичных препятствий, а также условия равенства высоты неровности и дорожного просвета:

Таким образом, можно получить зависимость для определения требуемых параметров в зависимости от величины высокочастотных и среднечастотных высот профиля пути. Однако необходимо также учитывать влияние проходимость с учетом системы подрессоривания машины.

Также должно выполняться условие устойчивости в поперечном направлении.

Поэтому дорожный просвет может быть выражен по следующей зависимости:

Сравнивая уравнения (22) и (23), можно получить приемлемые значения дорожного просвета машины, отвечающие наибольшим образом условиям преодоления единичных препятствий и условию не опрокидывания на косогоре.

Проанализировав полученные данные, можно сделать вывод о том, что в горных условиях наиболее рациональным транспортным средством будет являться машина с базой около 4 м (также машина на должна быть достаточно длинной, для обеспечения маневренности в условиях наличия дискретных препятствий), с дорожным просветом 0,5 – 0,6 м. При этом ширина транспортного средства должна быть как можно большой, для обеспечения устойчивости против опрокидывания (по графикам видно, чем больше ширина, тем больше может быть дорожный просвет). При этом необходимость использования её на дорогах общего пользования регламентирует её максимальную ширину параметром – 2,5 м.

Известно, что эксплуатация двигателей в горных условиях существенно отличается от условий лабораторных испытаний даже при имитации разрежения воздуха. В натурных условиях многочисленные факторы действуют комплексно, так как одновременно изменяются солнечная радиация, температура, давление и плотность воздуха, температура топлива и т.п.

В общем виде предлагается использовать зависимости, предложенные С.М.Кадыровым для горной местности:

где kH – коэффициент, учитывающий изменение давления в месте эксплуатации двигателя, который можно аппроксимировать уравнением: k H k P p, (25) где kР – коэффициент, устанавливающий взаимосвязь между атмосферным давлением и показателем изменения давления в месте эксплуатации двигателя, имеющий размерность k P 0,521 кПа1,21. Разница между экспериментальными и расчётными данными показана на рис. 13.

Рис. 14. Влияние высоты местности Рис. 15. Влияние высоты местности над уровнем монад уровнем моря, на энергетические ря, на минимальную энерговооружённость двигатепоказатели двигателя: ля:

1 – экспериментальные; 2 – расчётные 1 – для скорости движения 40 км/ч; 2 - для скорости Движение автомобиля может осуществляться в случае, если будет выполняться условие:

Решение данного уравнения, показывающего требование к необходимой мощности двигателя транспортных средств, представлено на рис. 14.

Анализируя полученные зависимости потребности мощности двигателя в зависимости от высоты над уровнем моря и необходимой скорости движения транспортно-технологической машины, можно сделать следующие выводы, представленные в табл. 1.

Потребная мощность двигателя в зависимости от высоты над уровнем моря № п/ Тип рельефа местности Высота местности Необходимая удельная мощность двигателя, В пятой главе рассматривается влияние неровности основных поверхностей движения на условия движения специальных транспортных средств.

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

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

Рис. 16. Основные поверхности движения в условиях Северного Кавказа Анализ данных специфических поверхностей движения показал, что условия движения транспортных средств на них значительно отличаются от основных параметров, описанных в работах российских и зарубежных учёных. Таким образом, для выработки рекомендаций по применению тех или иных конструктивных решений необходимо оценить влияние параметров неровности исследуемых трасс движения на проходимость и комфортность движения по дорогам типа «stone-road».

«Stone-road» можно перевести как каменная дорога. Далее приведена разработанная классификация.

Были произведены замеры микропрофиля в поймах рек Чож и Валерик (рис.17, 18). Данные приведены с учетом угла наклона поверхности движения к горизонтальной поверхности.

Рис.17. Место замеров микропрофиля Рис.18. Пойма реки (замер микропрофиля) трасс движения в пойме реки Чож Результаты статистической обработки позволили получить расчётные формулы, описывающие неровную поверхность движения транспортных средств по поймам рек Северного Кавказа. Были получены корреляционные зависимости дорог типа «stone-road». В табл. 2 представлены характерные диапазоны частот возмущающего воздействия и длины неровностей, полученные в результате обработки экспериментального материала в пойме реки Чож (угол наклона 0,07 рад). На рис. 19 показаны графики корреляционной функции, поверхности поймы реки в зависимости от угла наклона опорного основания, построенные по статистическим характеристикам высот и длин неровностей поймы реки Валерик.

КЛАССИФИКАЦИЯ «STONE-ROAD»

- дороги с камнями сопоставимыми с размерами транспортного средства Характерные диапазоны частот возмущающего воздействия и длины неровностей, полученные в результате обработки экспериментального материала в пойме реки Чож (угол наклона 0,07 рад) Инфранизкие частоты (сверхдлинные неровности) 0,16-0,30 21- Высокие частоты (короткие неровности) Рис. 19. Графики корреляционной функции, поверхности поймы реки в зависимости от угла наклона опорного основания:

1 - угол наклона 0,05 рад; 2 - угол наклона 0,10 рад; 3 - угол наклона 0,15 рад; 4 - угол наклона 0,20 рад Далее произведен анализ влияния конструкции подвески автомобилей на возможность передвижения по поймам рек Северного Кавказа. Для оценки плавности хода была использована следующая модель.

Для решения системы уравнений был использован пакет программ для компьютерного моделирования MatLab/Simulink.

Рис. 20. Математическая модель и система уравнений По известным корреляционным функциям можно построить микропрофиль, руководствуясь правилом «трех среднеквадратичных отклонений» (рис. 21).

Как видно из графиков, дороги типа «stone-road» характеризуются большей частотой процесса, наряду с большими значениями амплитуд.

В результате преобразований получим значения ускорений для различных значений скорости. На рис. 22 приведен пример.

Рис. 21. Смоделированный микропрофиль Рис. 22 Пример действия ускорений на рабодорог типа «stone-road»: чее место водителя в зависимости от времени 1 – для угла наклона 0,05 рад, 2 – для угла на- при движении по «stone-road» с углом наклоклона 0,10 рад, 3 – для угла наклона 0,15 рад, 4 на к горизонту 0,05 рад:

По полученным значениям можно определить среднеквадратичные ускорения, действующие на водителя. В соответствии с ГОСТ 12.1.012-90 можно определить допускаемые значения виброускорений и соответственно скоростей движения по «stone-road» с различными характеристиками.

Рис. 23. Зависимость корректированных среднеквадратичных ускорений от скорости движения автомобиля ГАЗ-3308 по «stone-road» с различными углами наклона к горизонту (прямая линия – штатная подвеска, пунктир – подвеска с жесткостью в два раза меньше) и нормируемые показатели по времени работы:

1 – 0,05 рад; 2 – 0,10 рад; 3 – 0,15 рад; 4 – 0,20 рад; нормируемые показатели времени работы: 5 – В соответствии рис. 23 можно получить значения времени работы водителей и соответственно скорости движения машин.

Как видно из полученных данных, скорости движения не велики, поэтому можно рекомендовать для движения по поймам рек машины с меньшей жесткостью подвески. Данные рекомендации позволят повысить средние скорости выполнения транспортно-технологических операций.

движение по плавности хода. Однако для машин с меньшими радиусами продольной проходимости необходимо оценить возможность движения по зависанию (ударам) на Рис. 24. Зависание машины на днище Рассмотрим зависимости по определению плавности хода и с учетом задевания днища о камни при разных скоростях на примере автомобиля ГАЗ-2330 «ТИГР».

Рис. 25. Зависимость корректированных среднеквадратичных ускорений от скорости движения автомобиля ГАЗ-2330 по «stone-road» с различными углами наклона к горизонту и нормируемые показатели по времени работы:

1 – 0,05 рад; 2 – 0,10 рад; 3 – 0,15 рад; 4 – 0,20 рад; нормируемые показатели времени работы: 5 – 8 ч; 6 – 4 ч; 7 – 2 ч; 8 – 1 ч; 9 – 0,5 ч. Точками показаны моменты касания днищем машины о камни В соответствии рис. 24 можно получить значения времени работы водителей и соответственно скорости движения машин с учетом влияния днища машины. Также делается вывод о целесообразности повышения дорожного просвета более 0,5 м. (на исследуемом автомобиле 0,4 м) для обеспечения больших скоростей движения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В работе на основании проведенных исследований осуществлено и научно обосновано решение проблемы, заключающейся в разработке научных основ теоретического и экспериментального обоснования параметров машин высокой проходимости, предназначенных для выполнения технических операций в горных районах на примере территории Северного Кавказа, вносящее значительный вклад в решение народно-хозяйственных и социальных задач развития как региона, так и страны в целом Полученные результаты могут быть использованы при выборе транспортных средств для эксплуатации в конкретных условиях, а также для расчета и выбора рациональных параметров их двигателей и ходовых систем на стадии проектирования.

2. Проанализировано и обосновано, что развитие коммуникаций в виде автомобильных дорог на высотах, превышающих 2000 метров, не может быть признано экономически целесообразным. Для развития мобильности населения и удешевления перемещения грузов рационально применять специальную вездеходную технику, а вместо автомобильных дорог использовать подготовленные естественные трассы движения типа «stone-road».

Установлено, что имеется острая необходимость применения специальной вездеходной техники, адаптированной к работе в условиях глубокого и мокрого снега, разреженного воздуха, шквальных ветров, скальных осыпей, переувлажнённого грунта, сухих и мокрых «stone-road» речных пойм, высокой солнечной радиации и много другого. Причём все перечисленные факторы могут действовать в период одного выезда машины.

3. Анализ опорных оснований, характерных для работы машин в условиях Северного Кавказа, позволил проанализировать возможности работы транспортных средств, оснащённых различными типами движителей.

Установлено, что в зимний период наиболее рациональным типом движителя является гусеничный, в летний период в горах и предгорьях – колёсный, а в заболоченных плавнях русел равнинных рек предпочтительным является использование роторно-винтового движителя. Применение комбинированных типов движителя является экономически нецелесообразным в связи с усложнением конструкции, повышения материалоёмкости, ухудшения управляемости, без значительного повышения проходимости.

Невозможность эксплуатации гусеничного движителя в поймах горных рек в летний период обусловлена низкой надёжностью данного движителя при работе на поверхности, покрытой валунами различных размеров и присутствием значительного количества абразивных и связывающих материалов. Для колесного же движителя эти материалы не оказывают такого агрессивного воздействия. В свою очередь, при наличии средств повышения проходимости, проходимость колесной машины по снегу может быть сопоставлена с гусеничной. Поэтому в качестве универсального типа движителя можно рекомендовать колесный. Также применение гусеничного и роторно-винтового движителя на каменистых руслах рек («stone-road») (на долю которых приходится около 80% трасс движения) является нецелесообразным.

4. Разработан метод оценки проходимости транспортно-технологических машин на основе данных по районированию территории Северного Кавказа. Это позволило на этапе проектирования сформулировать основные требования к транспортным средствам, учитывающие не только их зону использования, но и степень приспособленности к изменяющимся погодным условиям.

Получена зависимость, позволяющая формализовать основные параметры движителей вездеходных транспортных средств для оценки возможности их применения в конкретных условиях эксплуатации.

В представленном методе оценки проходимости и зависимости, в отличие от ранее предложенных моделей, где в качестве критерия рассматривалась возможность трогания транспортного средства на подъёме с минимальным радиусом поворота, предложено оценивать проходимость с точки зрения возможности движения на максимально-возможном склоне по замкнутой траектории в виде восьмёрки, с учётом преодоления местных неровностей.

5. С точки зрения обеспечения наибольшей проходимости по заснеженным горным склонам в качестве рулевого управления наиболее рациональным типом следует признать схему управления с одной управляемой осью машин с колесной формулой 4х4. Так, при правильно выбранном режиме движения проходимость таких машин будет на 13% больше, чем машин с бортовым способом поворота.

Предельный угол косогора, на котором можно выполнить маневр «восьмерка на склоне», составляет: для машин массой 1-2,5 т порядка 25 27 O, при глубинах снега равных 1/3-1/2 диаметра колеса. Причем при меньших глубинах снега будет наблюдаться потеря подвижности по управляемости (сползание машины вниз), а значения углов косогора меньше, для больших глубин снега потеря подвижности по проходимости. Для машин же массой 5,5-15 т предельный угол составляет порядка 18 27 O, причем при глубинах снега равных 1/2 диаметра колеса будут наблюдаться подвижности по проходимости, а значения углов косогора меньше; при глубинах снега равных 1/3 диаметра колеса будет наблюдаться потеря подвижности по управляемости (сползание машины вниз), а значения углов косогора больше. Для машин с бортовым способом поворота предельными углами наклона будут значения порядка 20 27 O при глубине снега равной 1/3 колеса, однако, при повышении глубины снега до 1/2 диаметра колеса машина теряет проходимость.

Увеличение (снижение) веса машины на 10% приводит к уменьшению (увеличению) возможного преодолеваемого угла косогора по проходимости и устойчивости движения на 5-8% Для машин с управляемой осью при изменении скорости машины от 3 до 10км/ч при выполнении маневра «восьмерка на косогоре» предельный угол преодолеваемого косогора снизится на 20-30%.

6. Установлено, что длина транспортного средства, предназначенного для движения в условиях высокогорья, должна находиться в пределах 4 м, ширина – 2 – 2,5м, дорожный просвет- 0,5 – 0,6м. Применение трёхопорной компоновки движителя в горных местностях недопустима, вследствие меньшей устойчивости такой конструкции на косогоре.

7. Анализ возможных условий движения позволил сделать вывод, что для эксплуатации при сочетании самых негативных факторов, таких как «движение по восьмерке на косогоре» в условиях высокогорья с максимальной возможной скоростью 40 км/ч, мощность двигателя должна быть больше величины 60 кВт на тонну веса машины и для 20 км/ч - 30кВт/т 8. Сформулирована и впервые приведена классификация дорог типа «stoneroad», дорог, поверхность которых представляет собой совокупность камней различного размера.

Произведены замеры и получены вероятностные характеристики микропрофиля опорной поверхности типа «stone-road» (в пойме реки), в зависимости от угла наклона опорного основания.

Установлено, что преобладающий диапазон частот для всех рассмотренных трасс движения относится к высокому диапазону (короткие длины неровностей);

рассеяние частот относительно преобладающей для всех частотных диапазонов имеет близкие значения; значение среднеквадратичного отклонения высоты преобладающих неровностей близко для всех частотных диапазонов.

Получены данные, свидетельствующие о том, что уменьшение подрессоренной массы в целом положительно влияет на снижение вибронагруженности рабочего места водителя и пассажиров. Также положительно влияют на снижение вибронагруженности повышение сопротивления амортизаторов и снижение жёсткости рессор. Так, снижение жесткости подвески в два раза снижает вибронагруженность на 30-50% в зависимости от типа «stone-road». Увеличение скорости движения возможно на 45% в зависимости от типа «stone-road» и времени работы.

Установлена зависимость между параметрами высокочастотных неровностей на пути движения транспортных средств, параметров его подвески и вероятностью потери подвижности на данном участке. Полученные данные позволяют проектировать параметры подвески и геометрических размеров машин, обеспечивающие максимальную проходимость в заданных условиях, при соблюдении санитарных норм по предельно-допустимым нормам вибрации, действующим на оператора и пассажиров во время движения. Так, было получено, что для автомобиля с дорожным просветом 0,4 метра на «stone-road» с углами уклона к горизонту более 0,15 рад происходит потеря подвижности по зависанию (ударам) по днищу на скоростях меньших порядка на 35%, чем по условию обеспечения комфортного передвижения по условию вибронагруженности.

9. В результате работы разработан руководящий документ, регламентирующий количественные и качественные показатели парков машин, позволяющих выполнять различные, в том числе и аварийно-спасательные, операции в горных районах Северного Кавказа.

10. Результаты работы вошли в научно-учебные коллективные монографии:

«Транспортно–технологические проблемы Северного Кавказа», изданную в 2009 г.

и «Теория подвижности наземных транспортно-технологических машин», изданную в 2012 г.

11. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедрах «Автомобильный транспорт» и «Строительные и дорожные машины» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева, «Техническая механика» Дзержинского политехнического института и кафедры «Автомобильный транспорт» Волжского государственного инженерно-педагогического университета, кафедры «Автомобильное хозяйство» Грозненского государственного нефтяного технического университета, кафедрах «Строительные и дорожные машины» и «Эксплуатация и ремонт строительной и дорожной техники» Военно-технического университета при Федеральном агентстве специального строительства Российской Федерации.

Основное содержание работы

отражено в публикациях:

Монографии 1. Вахидов, У.Ш. Транспортно-технологические проблемы Северного Кавказа: монография/ У.Ш. Вахидов, В.В. Беляков, Ю.И. Молев. – Нижний Новгород: Нижегород. гос. техн.

ун-т им. Р.Е.Алексеева, 2009. – 350с.

2. Вахидов, У. Теория подвижности наземных транспортно-технологических машин:

монография / И. Гребенюк, У. Вахидов, В. Беляков. – Германия: Издательский дом «Lap Lambert Academic Publishing», 2012. -220 с.

3. Вахидов, У. Каменные дороги: монография/ У. Вахидов, В. Макаров, В. Беляков. – Германия: Издательский дом «Lap Lambert Academic Publishing», 2012. - 96 с.

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах 4. Вахидов, У.Ш. Влияние интенсивности дорожного движения на температурный режим автомобильной дороги / В.В. Беляков, У.Ш. Вахидов, Ю.И. Молев // Вестник МГТУ им.

Баумана. 2007. №3. С. 79-90.

5. Вахидов, У.Ш. Формальный аппарат оценки проходимости транспортных средств // Известия вузов сер. Машиностроение. 2008. №12. С. 55-60.

6. Вахидов, У.Ш. Оценка конструкций механизмов управления транспортными средствами / В.В Беляков, У.Ш. Вахидов, А.П. Куляшов // Наука и образование. Электронное научно-техническое издание. 2010. №11. http://technomag.edu.ru /doc/163609.html 7. Вахидов, У.Ш. Оценка эффективности работы транспортной системы / В.В. Беляков, У.Ш. Вахидов, Ю.И. Молев // Приволжский научный журнал. 2010. №4. С. 214-219.

8. Вахидов, У.Ш. Выбор рациональных параметров движителя машин для ремонта трубопроводов / В.В. Беляков, У.Ш. Вахидов, А.М. Тютьнев // Управление качеством в нефтегазовым комплексом. 2011. №1. С. 31-33.

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

10. Вахидов, У.Ш. Моделирование трасс движения транспортных средств, характерных для территории Северного Кавказа / У.Ш. Вахидов, В.В. Беляков, В.С. Макаров // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2011. №7. С. 24-26.

11. Вахидов, У.Ш. Колёсный движитель машин для технического обслуживания трубопроводов / У.Ш. Вахидов, Д.В. Богачев, А.М. Тютьнев // Управление качеством в нефтегазовым комплексом. 2010. №2. С. 62-64.

12. Вахидов, У.Ш. Математическое описание дорог типа «stone-road» / У.Ш. Вахидов, В.С.

Макаров, В.В. Беляков // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 3; URL:

www.science-education.ru/103- 13. Вахидов, У.Ш. Подвижность колесных машин на заснеженном склоне // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. URL: www.science-education.ru/104- 14. Вахидов, У.Ш. Влияние параметров движителей на показатели эффективности колесных машин при движении по снегу/ Д.В. Зезюлин, У.Ш. Вахидов, В.С.Макаров, В.В. Беляков // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 5. URL: www.scienceeducation.ru/105- 15. Вахидов, У.Ш. Выбор рационального средства повышения проходимости для движения колесных машин по заснеженному косогору // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 5. URL: www.science-education.ru/105- 16. Вахидов, У.Ш. Обоснование типа движителя машин для ремонта и содержания трубопроводов/ У.Ш. Вахидов, Д.В. Богачев, А.М. Тютьнев // Управление качеством в нефтегазовым комплексом. 2011. №4. С. 60-61.

Статьи и тезисы докладов, опубликованные в сборниках научных трудов 17. Вахидов, У.Ш. Исследование теплофизических характеристик снежного покрова в колеях движителей транспортных средств/ У.Ш. Вахидов [и др.] // Сб. науч. трудов к 60летию кафедры «Автомобили и тракторы». НГТУ, Н. Новгород, 1997. - С. 200.

18. Вахидов, У.Ш. Изменение отражательной способности уплотнённого снежного покрова. / У.Ш. Вахидов [и др.] // Сб. науч. трудов к 60-летию кафедры «Автомобили и тракторы». НГТУ, Н. Новгород, 1997. - С. 69.

19. Вахидов, У.Ш. Изменение несущей способности снежного покрова в период действия положительных температур. / У.Ш. Вахидов [и др.] // Сб. науч. трудов к 60-летию кафедры «Автомобили и тракторы». НГТУ, Н. Новгород, 1997. - С. 95.

20. Вахидов, У.Ш. Влияние параметров горной местности на надежность транспортных средств / У.Ш. Вахидов, И.А. Ерасов, В.В. Беляков //Известия академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. «Транспортно-технологические машины и комплексы» под ред. Ю.В.

Гуляева. Москва – Нижний Новгород, НГТУ, 2008. Т.21 С.28-34.

21. Вахидов, У.Ш. Транспортные проблемы республик Северного Кавказа и пути их решения / У.Ш. Вахидов, И.А. Ерасов, В.В. Беляков //Известия академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. «Транспортно-технологические машины и комплексы» под ред. Ю.В.

Гуляева. Москва – Нижний Новгород, НГТУ, 2008. Т.21 С.38-40.

22. Вахидов, У.Ш. Некоторые вопросы математического моделирования криволинейногодвижения транспортных средств / Д.Н. Прошин, У.Ш. Вахидов, В.В. Беляков // Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров: материалы 65-ой Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров. МГТУ «МАМИ». Москва, 2009.С. 145.

23. Вахидов, У.Ш. Транспортные проблемы горных территорий (на примере Северного Кавказа) / У.Ш. Вахидов, В.В. Беляков //Известия академии инженерных наук им. А.М.

Прохорова. «Транспортно-технологические машины и комплексы» под ред. Ю.В. Гуляева.

Москва – Нижний Новгород, НГТУ, 2006. Т.19 С. 174-178.

24. Вахидов, У.Ш. Результаты испытаний коленных машин при криволинейном движении на косогоре/ У.Ш. Вахидов [и др.] // Проблемы транспортно-технологических комплексов:

сб. науч. трудов посвященной 35-летию кафедры «Строительные и дорожные машины».

НГТУ, Н. Новгород, 2008. - С. 152-154.

25. Вахидов, У.Ш. Динамика эффекта экскавации материала деформируемого дорожногрунтового основания эластичными движителями при криволинейном движении ТТМ / У.Ш. Вахидов [и др.] // Проблемы транспортно-технологических комплексов: сб. науч.

трудов посвященной 35-летию кафедры «Строительные и дорожные машины». НГТУ, Н.

Новгород, 2008. - С. 185-187.

26. Вахидов, У.Ш. Оценка конструкций механизмов управления транспортными средствами повышенной проходимости, предназначенных для эксплуатации в горных условиях / У.Ш. Вахидов, В.В. Беляков // Безопасность транспортных средств в эксплуатации: сб. матер. 71-й межд. науч.-техн. конф. / НГТУ им Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2010. С. 86-89.

27. Вахидов, У.Ш. Особенности эксплуатации транспортных средств на территории Северного Кавказа / У.Ш. Вахидов [и др.] // Проблемы и достижения автотранспортного комплекса: сб. матер. IX Всероссийской научно-технической конференции. /Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н.Ельцина(УрФУ). Екатеринбург, 2011.C.215-220.

28. Вахидов, У.Ш. Влияние средств повышения проходимости на движение по заснеженному косогору / У.Ш. Вахидов, В.С. Макаров, И.И. Гребенюк // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2012 г. №2. C. 125-126.

29. Вахидов, У.Ш. Оценка плавности хода машин при движении по дорогам типа «stoneroad» / У.Ш. Вахидов, И.И. Гребенюк // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2012 г. №2. C. 103-105.

30. Вахидов, У.Ш. Определение сопротивления колесных машин при движении по заснеженному склону / У.Ш. Вахидов, И.И. Гребенюк // Международный журнал экспериментального образования 2012. №1. С. 70-72.