Научное обоснование комплексной оценки динамического взаимодействия лесовозного автопоезда с гравийной дорогой

В последнее десятилетие лесная промышленность России претерпела структурную перестройку. Бывшие государственные лесозаготовительные предприятия преобразованы в акционерные общества (АО). В период перестройки наблюдался спад производства в заготовке древесины по ряду причин как экономического, так и технического характера. Были нарушены связи лесозаготовительных предприятий с потребителями, произошел существенный износ лесотранспортных машин и технологического оборудования, сократились затраты на строительство и содержание дорог и т. д.

В настоящее время наблюдается увеличение объемов заготовки древесины и ее потребности, особенно на внутреннем рынке страны. Возобновили работу крупнейшие лесоперерабатывающие предприятия, целлюлозно-бумажные комбинаты, гидролизные заводы.

За период 1999 — 2000 гг. объем вывозки древесины по лесопромышленному комплексу Архангельской области возрос на 7,1%, предприятиям ОАО «Архбум» -на 35,6%, предприятиям ОАО «Котласский ЦБК» группы «ИЛИМПАЛЛ» -на 25%.

Одним из наиболее энергоемких звеньев технологического процесса лесозаготовительного производства является вывозка заготовленной древесины от лесосеки до нижнего склада и далее — до потребителя.

Среди всех видов сухопутного транспорта ведущее место занимает автомобильный, доля которого в вывозке древесины достигла 88,7%.

Лесозаготовительные предприятия Архангельской области в основном работают на базе лесовозных автомобильных дорог круглогодового действия и зимних дорог.

Общая протяженность автомобильных дорог с различными видами покрытий (гравийные, колейные из железобетонных плит, лежневые, грунтовые), включая магистрали и лесовозные ветки, составляет около 3000 км. Одними из основных при этом являются дороги с гравийным покрытием, протяженность которых составляет 1100 км.

Новым направлением в технологическом процессе лесозаготовительного производства является двухступенчатая схема вывозки древесины, которая предусматривает использование различных типов автопоездов. На первой ступени древесина от лесосеки до перегрузочного пункта перевозится более легкими автопоездами, на второй, т. е. от перегрузочного пункта до нижнего склада — тяжелыми. Такая схема экономически целесообразна при среднем расстоянии вывозки 60 км и более. В частности, по схеме двухступенчатой вывозки в Архангельской области эффективно могут работать 15 лесовозных дорог.

Таким образом, работа автомобильного транспорта, развитость транспортной сети и состояние лесовозных дорог, как неотъемлемая часть технологического процесса лесозаготовок, во многом определяют ритмичную работу предприятий отрасли и оказывают существенное влияние на развитие экономики области.

Актуальность темы

В технологическом процессе лесозаготовительного производства важным звеном является вывозка древесины от лесосеки до потребителя. Ведущее место среди других видов транспорта на вывозке древесины занимает автомобильный.

Лесовозные дороги, входящие в транспортную сеть лесопромышленного комплекса, имеют различный вид покрытия. Значительную долю дорожной сети составляют гравийные дороги, по которым вывозится 20.25% заготавливаемой древесины. Частично, если это оправдано экономически, вывозка древесины осуществляется лесовозными автопоездами по дорогам с асфальтобетонным покрытием районного, областного и федерального значения.

В настоящее время промышленностью освоено производство современных лесовозных автопоездов легкого, среднего и тяжелого типов. Легкие — представлены автопоездами на базе односкатного автомобиля Урал-43 204, средние — на базе автомобиля MA3−5434, тяжелые — на базе односкатных автомобилей КрАЗ-255Л, КрАЗ-260ЛС и двухскатного автомобиля KpA3−6437. Кроме перечисленных могут использоваться и другие автомобили: КамАЭ-3228, МАЗ-64 225.

В условиях Архангельской области на вывозке древесины преимущественно применяются лесовозные поезда среднего типа МАЗ-509 + ГКБ-9383 и MA3−5434 + ГКБ-9362. Автопоезда тяжелого типа из-за повышенного динамического воздействия на лесовозные дороги применения не нашли.

Таким образом, основой звена технологического процесса, связанного с вывозкой древесины, являются лесовозные гравийные дороги и лесовозные автопоезда среднего типа МАЗ-509 + ГКБ-9383 и MA3−5434 + ГКБ-9362.

В условиях вывозки древесины значительное место отводится техническому состоянию транспорта, системе его обслуживания и ремонта. В то же время, недостаточное внимание уделяется текущему ремонту и содержанию дорог, что приводит к появлению и развитию неровностей на их поверхности. Последние выступают в качестве возмущающей функции в динамической системе «лесовозный автопоезд — дорога». Вследствие колебаний подрессоренных и неподрессоренных масс автопоезда, возрастают динамические нагрузки на основные агрегаты автомобиля и прицепа, сокращается ресурс их работы. Колебания частей автопоезда предопределяют изменения величины реакции дороги от действия колес, что оказывает существенное влияние на износ покрытия, а также на безопасность движения. С этой точки зрения высокие технико-эксплуатационные возможности подвижного состава не могут быть реализованы в полной мере из-за плохого состояния дороги.

Динамика движения автомобиля по дорогам общего пользования с учетом его взаимодействия с покрытием в настоящее время исследована достаточно подробно. В то же время вопросы динамического воздействия автопоездов на лесовозные гравийные дороги изучены недостаточно.

Преобладание таких дорог и однотипность лесовозных автопоездов создает необходимость проведения углубленных исследований их динамического взаимодействия. Это может внести определенные поправки и дополнения к оценке степени нагруженности как дорог, так и подвижного состава, улучшению их эксплуатационных показателей.

Исследования в области динамики движения лесовозных автопоездов и их взаимодействия с дорогой являются актуальными и, в целом, ведут к общему развитию одного из звеньев технологического процесса лесозаготовительного производства — вывозки древесины.

Цель работы — повышение эксплуатационных показателей системы «лесовозный автопоезд — гравийная дорога» на основе исследований их динамического взаимодействия.

Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается применением математического моделирования изучаемых процессов на компьютере, теории колебаний и специальных методов проведения экспериментальных исследований (тензометрирования, регистрации параметров осциллографами, самописцами) с последующей обработкой результатов с использованием методов теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна.

— Разработана расчетная схема, эквивалентная лесовозному автомобилю, позволяющая проводить аналитические исследования динамического воздействия на дорогу с учетом жесткости рамы автомобиля и рессор на кручение, а также упругой податливости дороги (присоединенной массы дороги).

— Предложен новый метод расчета двухслойной дорожной одежды при воздействии на нее подвижной внешней нагрузки, позволяющий определить количественное значение присоединенной массы дороги, с гравийным покрытием.

— Разработана впервые расчетная схема, составлено дифференциальное уравнение, описывающее вертикальные колебания пачки хлыстов как балки с постоянной жесткостью, лежащей на двух упругих опорах, с бесконечным числом степеней свободы. Это позволяет точнее оценить параметры колебательного процесса при исследовании динамического воздействия лесовозного автопоезда на дорогу.

— По комплексным экспериментальным исследованиям установлены факторы, влияющие на формирование характера нагруженности трансмиссии автомобиля и технологического оборудования лесовозного автопоезда при установившемся режиме движения по гравийной дороге. В качестве оценки впервые приняты экспериментальные данные и получены на их основе аппроксимирующие выражения.

Практическая ценность работы. Результаты исследований представлены в виде методик, рекомендаций, аналитических и графических зависимостей. Они могут быть использованы при оценке ровности лесовозных гравийных дорог, расчете дорожных одежд переходного типа, а также при проектировании перспективных лесовозных автопоездов с более высокими технико-эксплуатационными показателями.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и получили одобрения на научно-технических конференциях АЛТИ — АГТУ (1975 — 2002 гг.), на научно-технической конференции кафедр сухопутного транспорта леса высших учебных заведений и лесотранспортных лабораторий научно-исследовательских и проектных институтов: МГУЛ (МЛТИ,.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Результаты выполнения теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать основные выводы.

1. Основной причиной динамического взаимодействия автопоезда с дорогой являются неровности проезжей части. Для измерения неровностей покрытия гравийных лесовозных дорог был применен, наряду с геодезическим инструментом, портативный профилограф как более совершенный измерительный прибор. Он позволяет проводить обследования ровности покрытий дорог в значительных объемах.

По результатам измерений неровностей определены статистические характеристики микропрофилей гравийных лесовозных дорог. Микропрофиль дороги использовали в качестве возмущающей функции при аналитических исследованиях динамики движения автопоезда. Анализ спектральных плотностей показал, что кроме длинных неровностей 32.46м, микропрофиль содержит систематические неровности длиной 2,85.3,17 м. Поэтому волнистая поверхность покрытия гравийных лесовозных дорог имеет, в основном, низкочастотный характер возмущения. Можно высказать предположение, что систематические неровности трехметровой длины образуются в результате воздействия на покрытие однотипных автомобилей (МАЗ-509, MA3−5434), работающих в составе автопоезда.

2. Разработана расчетная схема и математическая модель эквивалентная лесовозному автомобилю. В отличие от ранее применяемых расчетных схем и моделей, эта схема учитывает жесткость рамы и рессор на кручение, а также упругую податливость дорожной одежды (присоединенную массу дороги). Модель представляет собой систему дифференциальных уравнений и программу, реализация которой позволяет исследовать частные случаи и получить необходимые данные о характере колебаний автомобиля и изучить вертикальное динамическое воздействие автомобиля на дорогу при варьировании параметров.

3. Для определения количественного значения присоединенной массы дороги предложен метод расчета слоистых дорожных одежд с учетом динамических сил. При динамической нагрузке на дорогу 20 кН со временем ее нагружения 0,02.0,01 с, что соответствует скорости движения 30.60 км/ч, присоединенная масса дороги составляет 210. .300 кг.

Введение

в расчетную схему автомобиля присоединенной массы дороги дает лучшую сходимость теоретических и экспериментальных данных по величине и по характеру протекания колебательного процесса. С учетом упругой податливости дорожной одежды коэффициент динамичности снижается на 15. 17%.

4. При проведении экспериментальных исследований по динамическому воздействию лесовозного автопоезда на дорогу определены статистические характеристики показателей, которые являются контрольными для сравнительной оценки. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований показал их удовлетворительную сходимость и достоверность, а разработанная математическая модель адекватно отображает процессы, происходящие при взаимодействии колес автопоезда с дорогой.

5. Для лесовозного автопоезда расчетная схема должна учитывать наличие пачки хлыстов, которая существенно влияет на колебательный процесс. Разработанная расчетная схема и составленные дифференциальные уравнения колебаний автопоезда описывают вертикальные колебания пачки хлыстов как балки с постоянной жесткостью, лежащей на упругих опорах. Задача решена с использованием обратного преобразования Лапласа численным методом А. Папулиса. Программа численного обращения позволяет проводить теоретические исследования с учетом параметров лесовозного автопоезда, скорости движения, жесткости пачки хлыстов, формы и размеров дорожной неровности.

6. По результатам аналитических исследований установлено, что при увеличении жесткости пачки хлыстов силовое воздействие автопоезда на дорогу возрастает интенсивно до определенного значения. При достижении жесткости, приближающейся к жесткости монолитной балки, динамическая нагрузка практически остается постоянной. При уменьшении расстояния между кониками до 7,2 м (среднее по автопоездам лесозаготовительного предприятия), влияние гибкости перевозимого груза на уровень динамической нагруженное&tradeдороги снижается. Представление пачки хлыстов как системы с бесконечным числом степеней свободы позволяет повысить точность расчетов. Предложенный способ аналитических исследований следует рассматривать как исходный вариант, а расчетная схема является новым направлением в теоретических расчетах вертикальной динамики лесовозного автопоезда и в настоящее время получила развитие в работах других исследователей.

7. Комплексные экспериментальные исследования горизонтальной динамики лесовозного автопоезда при установившемся режиме движения по гравийной дороге подтвердили цикличный характер нагруженности трансмиссии и технологического оборудования. Спектральные плотности воздействия микропрофиля, крутящего момента полуосей и деформации коника имеют общую зону выраженных пиков на частоте 1,5.3,3 с-1. Основным фактором формирования характера нагруженности трансмиссии являются дорожные неровности длиной 2.3 м. Вертикальные динамические нагрузки на данный процесс влияют незначительно. Амплитуда продольных колебаний автопоезда возрастает до скорости 30.35 км/ч, а затем — снижается.

8. Материалы исследований позволяют сделать следующие рекомендации:

— Использование полевой лаборатории и методики обследования ровности покрытия дорог с помощью портативного профилографа позволяет выполнить работы по обследованию поверхности проезжей части лесовозных дорог в значительных объемах. Это приведет к накоплению материалов, которые могут быть систематизированы, и на этой основе разработаны нормативы по содержанию гравийных лесовозных дорог. Применение данной методики позволит своевременно и объективно определить объемы работ по содержанию покрытия дорог и улучшить их эксплуатационные качества.

— Полевая лаборатория на базе более совершенных приборов может быть использована не только в научно-исследовательских целях, но и в учебном процессе.

— При оценке динамического воздействия автомобильного лесовозного транспорта на дорогу с нежесткой дорожной одеждой, необходимо в расчетной эквивалентной схеме учитывать упругую податливость дороги (присоединенную массу), что позволит повысить точность расчетов и более качественно определить процесс вертикальных колебаний динамической системы.

— Для уменьшения динамического воздействия прицепного состава на дорогу и уровня нагруженности подвески прицепа-роспуска при вывозке пачек из коротко-мерных хлыстов (при расстоянии между кониками менее 8 м), что имело место при исследованиях, следует применять прицепы-роспуски с подрессоренной подвеской.

— Материалы теоретических и экспериментальных исследований нагруженности трансмиссии автомобиля и технологического оборудования, можно использо.