Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 17
1.1. Транспортные средства и специальные шасси для мониторинга обстановки на береговых территориях и прилегающих акваториях 17
1.2 Вездеходные машины для работы в береговой зоне 26
1.3. Анализ условий эксплуатации и движения транспортно-технологических машин и подвижных комплексов мониторинга в береговых зонах 34
1.4. Классификация береговых зон как полотна пути для специальных шасси 49
1.5. Выводы по главе 51
1.6. Основные задачи исследования 53
Глава 2. Исследование и анализ статистического распределения характеристик дорожно-грунтовых оснований в береговой зоне и на прилегающих территориях 55
2.1. Место проведения экспериментальных исследований 56
2.2. Экспериментально-теоретические исследования физико-механических характеристик опорных поверхностей в береговой зоне . 58
2.3. Экспериментально-теоретические исследования геометрических характеристик в береговой зоне 63
2.4. Статистическая обработка результатов эксперимента, разработка аналитических зависимостей 69
2.4.1. Статистическая модель физико-механических характеристик береговых зон . 69
2.4.2. Модель геометрических характеристик береговых зон и прилегающих территорий 74
2.5. Выводы по главе 86
Глава 3. Исследование и анализ статистического распределения характеристик снега в береговой зоне и на прилегающих территориях как полотна пути для транспортно-технологических машин и подвижных комплексов мониторинга 89
3.1. Обзор исследований по снегу как полотну пути для транспортных средств 89
3.2. Особенности формирования снежного покрова территории России . 98
3.3. Выбор экспериментальных данных для составления статистических моделей снежного покрова как полотна пути для транспортно-технологических машин 106
3.4. Модель изменения высоты и плотности снега на территории России 110
3.5. Формирование снежного покрова в зависимости от ландшафта местности 127
3.6. Взаимосвязи плотности и продолжительности залегания снежного покрова на жесткость, связность и угол внутреннего трения 139
3.7. Концептуальная схема формализации области контакта движителя со снегом 144
3.8 Выводы по главе 146
Глава 4. Статистическая модель расчета геометрических, массовых, мощностных и скоростных характеристик транспортно-технологических машин 148
4.1. Статистическая модель расчета геометрических, массовых, мощностных и скоростных характеристик многоосных колесных транспортно-технологических машин . 149
4.2. Статистическая модель расчета геометрических, массовых, мощностных и скоростных характеристик гусеничных транспортно-технологических машин . 162
4.3. Статистическая модель расчета геометрических, массовых, мощностных и скоростных характеристик транспортно-технологических машин на роторно-винтовых движителях 171
4.4. Расчет параметров вездеходных транспортных средств и мобильных робототехнических комплексов с применением статистической модели выбора геометрических параметров, массово-инерционных, мощностных и скоростных характеристик транспортно-технологических машин 184
4.4.1. Обоснование выбора основных параметров многофункционального вездеходного транспортного средства 184
4.4.2. Обоснование выбора основных параметров мобильно робототехнического комплекса со сменными движителями 188
4.5. Выводы по главе 192
Глава 5. Экспериментально-теоретические исследования движения подвижных комплексов мониторинга в условиях береговых зон 193
5.1. Методика задания параметров дорожно-грунтовых оснований характерных для береговых зон и прилегающих территорий 193
5.2. Математическая модель взаимодействия движителя с опорными поверхностями береговой зоны 196
5.3. Имитационное моделирование работы системы управления и распределения потоков мощности по движителям 220
5.4. Имитационное моделирование динамики подвижных комплексов мониторинга в условиях случайного задания условий движения в береговых зонах 249
5.5. Математическая модель оценки подвижности и эффективности специальных шасси по снежному полотну пути . 257
5.5.1. Математическая модель движения транспортно-технологической машины по снежной целине 257
5.5.2. Методика расчета вероятностной оценки подвижности специальных шасси по снежному полотну пути с учетом изменчивости характеристик в течение зимнего периода 261
5.6. Метод проектирования шасси подвижных комплексов мониторинга работающих в условиях береговых зон и обеспечивающих социально-экономическую и экологическую безопасность, а также хозяйственную деятельность на береговых территориях и прилегающих акваториях 268
5.7. Теоретические исследования движения специальных шасси в береговой зоне 271
5.8. Выводы по главе 281
Общие выводы 286
Список литературы 293
- Анализ условий эксплуатации и движения транспортно-технологических машин и подвижных комплексов мониторинга в береговых зонах
- Обзор исследований по снегу как полотну пути для транспортных средств
- Статистическая модель расчета геометрических, массовых, мощностных и скоростных характеристик гусеничных транспортно-технологических машин
- Имитационное моделирование работы системы управления и распределения потоков мощности по движителям
Введение к работе
Актуальность работы
Порядка 40% населения Земли проживает на узкой прибрежной полосе вдоль океанов и морей. Прибрежные зоны Российской Федерации занимают около 2/3 ее границ и порядка 10% от береговых зон поверхности суши Земли. Кроме того, большая часть населения проживает вдоль береговых зон внутренних водных объектов, в частности, озер, прудов, рек, ручьёв, искусственных водохранилищ. Для множества наблюдений береговая зона – это пограничная область суши и водной среды, состоящая из собственно берега, определяемого уровнем колебания воды при отливах и приливах, береговой линии и берегового склона. Ширина береговой зоны может быть от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Основные факторы, определяющие характер береговой зоны – геологические, климатические, инженерная деятельность человека и др. Береговая зона характеризуется временным непостоянством и меняет свое положение в зависимости от времени года, штормовых условий, фазы прилива, давления атмосферы и многих других причин.
Береговые зоны и прибрежные территории – это место проживания большого числа людей и их культурной деятельности. Как следствие, развиваются сопутствующие отрасли промышленности, сельское, лесное, рыбное хозяйства. Происходит добыча природных ископаемых, нефти, газа, руд. На этих территориях последнее время развивается альтернативная энергетика. Всегда береговые зоны являлись объектом туризма и отдыха, а также районами для научно-исследовательской деятельности. Поэтому обеспечение безопасности жизнедеятельности, государственной и экологической (техногенной и природной) безопасности на этих территориях является важной и актуальной задачей.
Для обеспечения безопасности необходимо проводить мониторинг прибрежных территорий и прилегающих акваторий в широких пространственно-временных рамках. Мониторинг может быть реализован либо посредством большого числа стационарных постов, либо с использованием подвижных комплексов. Наиболее целесообразным в настоящее время является создание подвижных наземных комплексов мониторинга береговых зон. Использование специальных шасси и роботов при таких измерениях представляется весьма перспективным. Такие системы подходят для долгосрочного развертывания, так как они дают возможность непрерывного получения данных, охватывая несколько сотен метров от береговой линии. При этом возникает ряд проблем, связанных с необходимостью обеспечения подвижности в труднодоступных береговых зонах при движении по водонасыщенному грунтовому и заснеженному опорному основаниях и требующих от шасси подвижных комплексов возможности адаптации собственной структуры к обширному диапазону условий эксплуатации. Особые условия эксплуатации требуют разработки научно обоснованных технических решений по созданию подвижных комплексов мониторинга береговых зон.
При этом можно выделить следующие направления исследования:
– особые условия эксплуатации, не характерные для обычных наземных комплексов, обусловливают разработку методик и проведение исследований с целью получения характеристик дорожно-грунтовых поверхностей в береговой зоне с учетом сезонности;
– специфика устанавливаемого оборудования (его тип и массово-габаритные параметры) на подвижный комплекс мониторинга обусловливает разработку методов формирования облика и определения параметров шасси;
– необходимость длительной автономной работы подвижных комплексов мониторинга обусловливает разработку рациональных конструкций шасси, учитывающих специфику работы в береговой зоне, а также энергоэффективного управления движением.
Поэтому разработка научно обоснованных технических решений по созданию комплексов мониторинга, работающих в условиях береговых зон, с целью повышения безопасности актуальна для экономики нашей страны.
Цель исследований
Целью работы является обеспечение социально-экономической и экологической безопасности, а также хозяйственной деятельности на береговых территориях и прилегающих акваториях путем обоснования научно-технических решений и созданием метода разработки подвижных наземных комплексов мониторинга береговых зон.
Задачи исследования
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Проведен анализ существующих технических решений комплексов
мониторинга береговых зон, а также методов создания высокоподвижных
транспортно-технологических систем.
2. Разработана классификация типовых трасс движения в береговых зонах.
3. Разработана методика получения данных физико-механических и
геометрических характеристик опорных поверхностей в береговых зонах с
учетом пространственно-временных факторов и особенностей местности.
Проведены экспериментальные исследования по определению основных
характеристик. Получены новые математические зависимости, характеризующие
стохастическое распределение физико-механических и геометрических
характеристик доминантных дорожно-грунтовых оснований в береговых зонах.
4. Разработана методика получения геометрических, массовых,
мощностных и скоростных характеристик шасси под полезную нагрузку
установленных средств мониторинга.
5. Разработаны методики определения рациональной и энергоэффективной
конструкции шасси комплексов мониторинга, позволяющие проектировать
шасси подвижных комплексов мониторинга береговых зон с точки зрения:
– вероятности отсутствия потери подвижности;
– энергоэффективного управления движением (распределения мощности по движителям);
– длительности автономной работы (минимального расхода топлива, наибольшего пробега).
6. Разработан метод проектирования шасси подвижных комплексов
мониторинга береговых зон для обеспечения социально-экономической и
экологической безопасности, а также хозяйственной деятельности на береговых
территориях и прилегающих акваториях.
7. Проведена сравнительная оценка теоретических и экспериментальных
данных.
8. Проведена апробация результатов проведенных исследований.
Объект исследований
Специальные шасси и транспортные средства высокой проходимости, предназначенные для использования в береговых зонах с целью проведения мониторинга.
Общая методология исследований
При проведении теоретических исследований использованы: методы теории вероятности и математической статистики, аналитической механики; численные методы решения систем дифференциальных уравнений; методы математического моделирования. При проведении моделирования применены методы теоретической механики, террамеханики, динамики неголономных систем, визуально-ориентированного блочного имитационного моделирования сложных динамических систем. Исследования условий движения проводились с применением специального оборудования. Экспериментальные исследования по оценке подвижности в береговых зонах проводились на специальных шасси высокой проходимости.
Научная новизна
Впервые приведена классификация и математическое описание опорных поверхностей в береговых зонах, отличающаяся тем, что они рассматриваются как полотно пути для транспортно-технологических машин и комплексов мониторинга.
Разработаны методики получения физико-механических и геометрических
характеристик на данной территории, отличающиеся специальным алгоритмом
измерений и получения исходных данных об опорных основаниях с учетом
пространственно-временных факторов и особенностей местности. Получены
новые аналитические зависимости, характеризующие стохастическое
распределение и учитывающие особенности опорных поверхностей береговых зон, для проведения мониторинга.
Разработаны новые аналитические зависимости, позволяющие определять геометрические, массовые, мощностные и скоростные характеристики транспортно-технологических машин с целевым использованием в береговых зонах.
Разработаны методики оценки параметров конструкции шасси подвижных комплексов мониторинга с разными типами движителей с использованием
математического моделирования и критериев эффективности, отличающиеся тем, что определяется вероятности отсутствия потери подвижности; оценивается энергоэффективность управления движением (распределения мощности по движителям); рассчитывается длительности автономной работы (минимального расхода топлива, наибольшего пробега) с учетом новых статистических моделей опорных оснований береговой зоны.
Отмеченные пункты научной новизны отражают суть предлагаемого метода разработки научно обоснованных технических решений по созданию подвижных комплексов мониторинга береговых зон.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Из теоретических разработок:
новая статистическая модель изменения физико-механических и геометрических характеристик основных дорожно-грунтовых оснований в береговой зоне, полученная на основе обработки новых экспериментальных данных;
новая статистическая модель изменения физико-механических и геометрических характеристик снежного покрова как полотна пути для транспортно-технологических машин, отличающаяся учетом пространственно-временных факторов и особенностей местности;
– новые аналитические зависимости для определения геометрических, массовых, мощностных и скоростных характеристик специальных шасси транспортно-технологических машин с целевым использованием в береговых зонах.
2. Из научно-методических разработок:
- методики оценки подвижности при стохастическом задании условий
движения и соответствующих параметрах взаимодействия движителей шасси
подвижных комплексов мониторинга береговых зон, позволяющие производить
выбор рациональных параметров специальных транспортно-технологических
средств на стадии их разработки, а также выбор рационального движителя для
заданных условий эксплуатации;
– метод разработки научно обоснованных технических решений по созданию подвижных комплексов мониторинга береговых зон.
3. Из научно-технических разработок: новые технические решения для
шасси подвижных комплексов мониторинга прибрежной зоны, отличающиеся
тем, что имеется единое шасси, позволяющее производить мониторинг, в том
числе анализ динамики береговых линий, измерение волнового климата, оценку
распространения загрязняющих веществ, мониторинг ледовой обстановки, а
также комплект сменных движителей, обеспечивающих наилучшую
подвижность в условиях береговых зон, и созданные по результатам
исследований новые технологические решения и практические рекомендации,
направленные на решение проблемы обеспечения подвижности при движении по
береговым зонам.
Достоверность результатов
Проведенный комплекс экспериментальных исследований на специальных шасси и вездеходных транспортно-технологических машинах подтвердил основные теоретические положения, методики и методы представленные в работе.
Практическая ценность
Состоит в реализации теоретических разработок, методик расчетов, практических рекомендаций при совершенствовании существующих и создании новых шасси подвижных комплексов мониторинга, работающих в условиях береговых зон и обеспечивающих социально-экономическую и экологическую безопасность, а также хозяйственную деятельность на береговых территориях и прилегающих акваториях.
Отдельные разделы диссертационного исследования вошли в следующие научно-практические работы:
1. В рамках научно-исследовательских работ «Исследования и разработки
по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса
России на 2014-2020 годы» по темам:
1.1. Автономный мобильный робототехнический комплекс мониторинга
прибрежной зоны и прогнозирование морских природных катастроф.
1.2. Разработка многофункционального вездеходного транспортного
средства, оборудованного интеллектуальными системами привода колесных
движителей, обладающего повышенным уровнем энергоэффективности и
улучшенной топливной экономичностью.
2. В рамках грантов Президента Российской Федерации для
государственной поддержки молодых российских ученых по темам:
2.1. «Разработка метода повышения эффективности использования
транспортно-технологических машин в зимний период на основании
экспериментально-теоретических исследований».
2.2. «Экспериментально-теоретическое исследование и разработка
статистических моделей грунтовых поверхностей береговых зон для
прогнозирования путей повышения эффективности функционирования
мобильных робототехнических комплексов мониторинга прибрежных районов».
3. В рамках грантов проектов Российского фонда фундаментальных
исследований (РФФИ):
3.1. Организация и проведение полевых работ по определению
характеристик микропрофиля трасс движения транспортно-технологических
машин.
3.2. Разработка научно-технических основ создания шасси модульных
амфибийных транспортных средств для проведения исследований в прибрежной
зоне.
4. В рамках Государственного задания 2017-2019 гг. по теме «Разработка
алгоритмов управления, аппаратных средств и программного обеспечения для
группы телеметрически связанных автономных мобильных робототехнических
комплексов наземного и надводного базирования».
5. Результаты работы вошли в научно-учебные коллективные монографии: Полотно пути транспортно-технологических машин (справочные материалы к теории «машина-местность») (2014 г.); Статистическая модель снега как полотна пути для транспортных средств. Научные основы (2015 г.); Расчет проходимости колесных машин при криволинейном движении по снегу. Научные основы (2012 г.); Проходимость многоосных колесных машин по снегу. Научные основы (2012 г.); Каменные дороги. Научные основы. Перспективы исследования (2012 г.); Эффективность движения колесных машин по снегу. Научные основы (2013 г.).
Реализация работы
Данные, полученные в ходе исследования, внедрены в Федеральном
государственном бюджетном учреждении науки «Специальном конструкторском
бюро средств автоматизации морских исследований» ДВО РАН (СКБ САМИ) и
в ООО «Завод Вездеходных Машин» (ООО «ЗВМ») в составе автономного
мобильного робототехнического комплекса для мониторинга прибрежной зоны и
прогнозирования морских природных катастроф, а также в ООО «Завод
транспортных машин» (ООО «ТрансМаш»), в составе многофункционального
вездеходного транспортного средства. Используются в учебном процессе на
кафедрах «Автомобили и тракторы» и «Строительные и дорожные машины»
Нижегородского государственного технического университета им.
Р.Е.Алексеева.
Апробация работы
Отдельные результаты и основные положения представлены на: 18th
International Conference of the International Society for Terrain-Vehicle Systems,
ISTVS 2014, (Seoul, South Korea, 2014 г.); 13th European Conference of the
International Society for Terrain-Vehicle Systems, (Rome, Italy, 2015 г.); 8th
Americas Regional Conference of the International Society for Terrain-Vehicle
Systems, (Detroit, US, 2016 г.); 19th International & 14th European-African Regional
Conference of the ISTVS, (Budapest, Hungary, 2017 г.); The Twelfth International
Conference on the Mediterranear Coastal Environment (MEDCOAST 2015), (Varna,
Bulgaria, 2015 г.); The 13th International MEDCOAST Congress on Coastal and
Marine Sciences, Engineering, Management & Conservation (Malta, 2017 г.); The
31st International Symposium on Okhotsk Sea & Sea Ice, (Mombetsu, Hokkaido,
Japan, 2016 г.); 79-й Международной научно-технической конференции
«Безопасность транспортных средств в эксплуатации», (Н.Новгород, 2012 г.); 87-
й международной научно-технической конференции «Эксплуатационная
безопасность автотранспортных средств», (Н.Новгород, 2013 г.); 94
международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров «Беспилотные транспортные средства: проблемы и перспективы», (Н.Новгород, 2016 г.); на III международной научно-технической конференции «Проблемы транспортных и технологических комплексов» посвященной 40-летию кафедры строительные и дорожные машины НГТУ им. Р.Е. Алексеева, (Н.Новгород, 2012 г.); международной научно-практической конференции
«Инновации на транспорте и в машиностроении», (Санкт-Петербург, 2016 г.); международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», (Н.Новгород, 2012-2017 гг.); 10 юбилейной Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса», (Екатеринбург, 2012 г.); международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-26, (Н.Новгород, 2013 г.); «Научно-технической конференций и выставки инновационных проектов, выполненных вузами и научными организациями Приволжского федерального округа», (Н.Новгород, 2014 г.); международной конференции «Чистая вода» опыт реализации инновационных проектов в рамках федеральных целевых программ Минобрнауки России, (Москва, 2014 г.); European Geosciences Union General Assembly, (Vienna, Austria, 2015-2017 гг.); международной научно-технической конференции «Промышленная экология», (Минск, Беларусь, 2015 г.); первом Евразийском горно-геологическом форуме - Международно-практической конференции «Актуальные проблемы геологии, геохимии и геофизики», (Минск, Беларусь, 2016 г.); Нижегородской сессии молодых ученых. Технические науки (2016-2017 гг.); Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии», (Н.Новгород, 2016-2017 гг.); International Conference «Data Intensive System Analysis for Geohazard Studies», (Сочи, 2016 г.); The Seventh International Tsunami Symposium (ISPRA-2016), (Ispra, Italy, 2016 г.); XII International Symposium «Intelligent System 2016» INTELS'2016, (Moscow, 2016 г.); на III Международном симпозиуме «Физика, химия и механика снега», (Южно-Сахалинск, 2017).
Технические и конструкторские разработки были представлены и
удостоены медалей: на Международном бизнес-саммите (Н. Новгород, 2013-
2015 г.); Национальной выставке «Вузпромэкспо» (Москва, 2013-2016 гг.);
Международном военно-техническом форуме «АРМИЯ-2015»,(Кубинка,
Московская область, 2015 г.); Международной выставке изобретений в Женеве (International Exhibition Of Inventions of Geneva) (Женева, Швейцария, 2015-2016 гг.); Сеульской международной ярмарке изобретений SIIF (Seoul International Invention Fair) (Сеул, Республика Корея, 2015-2016 гг.); Международной выставке инноваций и новых технологий ITEX (International Invention, Innovation & Technology Exhibition) (Куала-Лумпур, Малайзия, 2015-2016 гг.); Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» (Москва, 2016 гг.); Международной выставке интеллектуальной собственности, изобретений, инноваций и технологий IPITEX (Bangkok International Intellectual Property, Invention) (Бангкок, Таиланд, 2017 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 60 научных работ, в том числе 7 монографий, 13 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 7 в изданиях, входящих в международные базы цитирования Scopus и Web of Science. По результатам работы получено 5 патентов на полезную модель и 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ. Общий объемом публикаций составляет 43,52 п.л.
Объем и структура работы
Анализ условий эксплуатации и движения транспортно-технологических машин и подвижных комплексов мониторинга в береговых зонах
Береговые зоны поверхности суши Земли, как граница континентов и океана имеет протяженность 450 тыс. км [43], из неё свыше 43 тыс. км составляет длина берегов морей России. Кроме этого береговая зона имеет место быть у всех внутренних водных объектов, в частности, озер, прудов, рек, ручьёв, искусственных водохранилищ. Эта граница характеризуется временным непостоянством и меняет свое положение в зависимости от времени года, штормовых условий, фазы прилива, давления атмосферы и многих других причин.
Согласно [44] основное воздействие на береговую зону оказывают морские волны. Здесь расходуется гигантская энергия валов, зарождающихся на открытых океанских или морских просторах, что приводит к разрушению берегов и перемещению больших масс рыхлых наносов, образующих пляжи, косы и т. д. Игнорирование законов развития береговой зоны обычно приводит к негативным последствиям. В первую очередь катастрофически размываются берега, что наносит большой материальный ущерб населению всех прибрежных государств. Чтобы защитить природную среду береговой зоны, необходимо изучать изменения, происходящие в ней, поскольку морские берега и весь естественный комплекс этой наиболее густонаселенной полосы на Земле подвергаются все более усиливающемуся воздействию со стороны человека при интенсивном хозяйственном ее освоении. В интенсивную хозяйственную деятельность человека в береговой зоне входят и транспортные операции связанные с перемещением специальных транспортно-технологических машин по грунтовому и/или заснеженному основанию образующему пляжи в береговых зонах.
В береговой зоне взаимодействуют гидросфера, литосфера, атмосфера и биосфера. В береговой зоне происходят самые интенсивные и сложные перемещения вод и твердого вещества, а также осуществляются фазовые переходы (замерзание воды - растапливание льда, растворение - выпадение веществ из растворов и т. п.) [43].
Таким образом, береговая зона - это узкая полоса вдоль границы суши и моря, наиболее изменчивая область морей, океанов и внутренних водных объёктов, где активно взаимодействуют три оболочки Земли: твердая, жидкая и газообразная [44].
С точки зрения движения ПКМ и для множества наблюдений береговая зона – это пограничная область суши и водной среды, состоящая из собственно берега определяемого уровнем колебания воды при отливах и приливах, береговой линии и берегового склона. Ширина береговой зоны может быть от нескольких десятков метров до нескольких сот метров. Основные факторы, определяющие характер береговой зоны — геологические, климатические, инженерная деятельность человека и др. Береговая зона сложена песками, галечниками (аккумулятивные фазы), грубым обломочным и щебневым материалом (абразионная фаза) и отложениями, приносимыми реками и ветрами из глубины континентов на морское побережье.
Береговая зона (Рисунок 1.16) состоит из двух частей - надводной (берег) и подводной (береговой склон), разделенных береговой линией, под которой понимается среднее многолетнее положение уреза воды, или линии пересечения берегового склона с поверхностью моря при отсутствии волнения.
Геологический облик береговой зоны обусловлен сложным развитием процессов взаимодействия воды, ветра и литосферы в пространстве и времени. В своем развитии берега проходят ряд этапов, в течение которых изменяются их очертания и строение. В формировании береговой зоны основную роль играют ветровые морские волны. В зависимости от характера действия волн различают следующие типы берегов (Рисунок 1.17): абразионные, аккумулятивные, абразионно-аккумулятивные, сложные и др. Рельеф волнового происхождения бывает двух типов: абразионный (соскабливание) -там, где волны разрушают коренные породы и удаляют обломочный материал, и аккумулятивный - там, где происходит накопление рыхлых наносов [45].
Берега являются: абразионный подводный склон (бенч), береговой уступ (клиф), волноприбойная ниша и подводная примкнувшая намывная аккумулятивная терраса. Аккумулятивный берег - наступающий берег водоема, сложенный наносами, приносимыми волнами и прибоем.
Для достижения поставленной цели исследования и в соответствии с проведенным анализом структуры береговых зон, как потенциальных поверхностей движения ПКМ доминантной областью движения являются пляжи или прибрежная терраса. Движение по прибрежным террасам в большинстве случаев ничем не отличается от движения машин по обычным грунтово-почвенным поверхностям. Интерес представляют пляжи береговых зон, как поверхности движения ПКМ из-за того, что их физико-механические свойства могут меняться с высокой частотой в течение суток, из-за нестабильности климатических условий и действий приливов и отливов в береговой зоне. Пляжем - называется скопление наносов в зоне прибойного потока [47]. Обычно пляж сложен более крупными наносами, чем подводной береговой склон. Вблизи зоны разбиения волны накапливается самый крупный обломочный материал, так как максимальные скорости потока достигаются в начале его движения. Структура пляжа береговой зоны представлена на Рисунке 1.18
Таким образом, для движения специальной транспортно-технологической машины обеспечивающий мониторинг волной динамики пригодны две зоны прибрежного региона: прибрежная терраса (Рисунок 1.17) и тыловая область зоны пляжа (Рисунок 1.18). В случае, когда необходимо производить химико-биологические замеры, то основной зоной движения ТТМ и МРК остаются только фронтальная и тыловая область пляжа береговой зоны. В случае движения машины во фронтальной области пляжа в ряде случаев движитель будет соприкасаться с водой, и взаимодействовать с переувлажненными минеральными грунтами. При этом возможно стаскивание машины в подводную область пляжа за линию уреза береговой зоны (Рисунок 1.16). В таком случае ПКМ должен обладать запасом плавучести, остойчивости и сложными типами движителей: гусеничным и роторно-винтовым (РВД).
Как отмечается в работе [43] береговая зона располагает уникальными запасами различных минеральных материалов, и прежде всего песка и гравия.
В Таблице 1.1 представлены основные типы экзогенных и глинистых фракций осадочных пород и их влияние на подвижность машин.
Таким образом, из проведенного анализа материалов слагающих опорное основание для движения шасси ПКМ в береговой зоне можно ограничится рассмотрением песчано-гравийных материалов относящихся к экзогенным осадочным породам. Здесь предполагается, что наиболее крупная фракции это грубо обломочное глыбы и валуны с набольшим размеров до 200 мм. Глыбы, валуны, грубообломочные породы более 200 мм, а также глин и их производные грунты (супеси, суглинки, илы) в данной работе рассматриваться не будут. Типичная опорная поверхность береговой зоны представлена на Рисунках 1.19, 1.20.
Для достижения поставленной цели исследования необходимо использование конкретных значений предела прочности на одноосное сжатие для конкретных песчано-гравийных материалов существующих в береговой зоне. Это может быть достигнуто двумя способами:
- теоретическим, как сопоставление классификации по гранулометрическому составу представленному и данными по несущей способности грунтов [49];
- экспериментальным, как получение соответствующих данных при проведении полевых испытаний.
Так как использование ПКМ предполагается, как круглогодичное, то в регионах с холодным климатом песчано-гравийные и каменные основания в зимой период покрываются льдом и снегом (Рисунок 1.21), что вызывает соответствующие осложнения в подвижности машин.
Зимние ледово-грунтовые основания береговой зоны также как летние весьма разнообразны. Однако они могут быть сведены к трем основным типам [50-51]:
1) если глубина снежного покрова превышает 2/3 вертикального размера движителя, то полотно пути может рассматриваться, как снег и движение ТТК и МРК может моделироваться, как передвижение по снежному покрову с подстилающим слоем;
2) если глубина снежного покрова меньше 2/3 вертикального размера движителя, то полотно пути может рассматриваться, как минерально-ледовый (снежный) микст, в виду того, что происходит продавливание снежного массива движителем машины до подстилающего основания с образованием микста;
3) при наличии в береговой зоне открытой воды и ледовых обломков, то полотно пути ТТМ и МРК, характеризуется, как шуга (смесь льда и воды).
Обзор исследований по снегу как полотну пути для транспортных средств
Решение вопросов подвижности в условиях заснеженной местности с научной и технической точек зрения, главным образом, лежит в области исследования взаимодействия движителя с поверхностью движения. Поэтому важным является знание о распределении снежного покрова. Работы, посвященные исследованию снежного покрова, в том числе как полотна пути для транспортных средств ведутся с конца 19 века. Одними из первых по исследованию свойств снега являются работы А.И. Воейкова [120], П.П. Кузьмина [121] и Г.Д. Рихтера [122]. В них рассмотрены особенности формирования снега, а также районирование территории стран бывшего СССР по характеру снежного покрова. В основу районирования положены два показателя: максимальная высота снежного покрова и продолжительность многоснежного периода. За максимальную высоту принята наибольшая среднедекадная высота снежного покрова, взятая из выборки многолетних средних величин по каждой из метеостанций. Также в этой работе приводятся различные классификации снега, причем превалирует качественное описание видов снега, в основном, по внешним признакам (структуре) и плотности.
Исследованием снежного покрова с точки зрения возможности передвижения по нему транспортных средств занимались ученые и исследователи «Нижегородской школы транспортного снеговедения»: Веселовский М.В., Рукавишников С.В. [117], Николаев А.Ф., Куляшов А.П. [117], Барахтанов Л.В. [28, 117], Беляков В.В. [51], Шапкин В.А. [124], Аникин А.А. [28] и их ученики [125].
Необходимо отметить, что во многой литературе имеется некоторая несогласованность в определениях. Так в одной части работ говорится о «высоте», а в другой о «глубине» снега. Данная неточность имеется и в некоторых иностранных работах. С точки зрения авторов, более уместно говорить о высоте снежного покрова, а в случае его деформации о глубине образуемой колеи.
Так как снежный покров распространен по поверхности не равномерно, но рассмотрим, как влияет местность на его высоту и плотность, как основные характеристики определяющие проходимость и подвижность транспортных средств. Остальные характеристики необходимые для оценки движения могут быть определены из этих двух параметров [52].
Рассмотрим некоторые из работ по исследованию снежного покрова. Исследованию водного эквивалента (SWE), плотности и высоты снега в швейцарских Альпах посвящена одна из многих работ [126] из Швейцарского федерального института леса, снега и ландшафтных исследований WSL. Дана статистика распределения этих параметров по совокупности измеренных точек (в разных местах местности).
В работе произведен анализ этих трех параметров и их взаимосвязь между собой. А именно выразить плотность и SWE через известную плотность.
Моделирование параметров снежного покрова в работе [127] основано на анализе микроволнового излучения на частотах 10 ГГц , 18 ГГц и 36 ГГц. В результате чего могут быть получены характеристики снежного покрова на основании микроволнового дистанционного зондирования. Работа проведена на примере характеристик снега в Синьцзяне, Китай.
В статье [128] рассматривается пространственная и временная изменчивость сезонной плотности снега. Исследование опирается на значительное набора данных плотности снега и климатических наблюдений из США, Австралии и странах бывшего Советского Союза и использует методы регрессии.
Многие работы посвящены исследованию снежного покрова, а также изменению его основных характеристик (высоты, плотности и водного эквивалента), например [129, 130]. В работах приводятся модели снежного покрова, позволяющие прогнозировать изменение его характеристик по конечному числу известных данных. Приводятся разные математические модели, отличающиеся разной достоверностью.
Как и многие другие модели из [129] основаны на многолетних наблюдениях. В работе [131] проведены, также значительные выборки и дана большая статистика. В результате чего предложены оригинальные модели.
Работа [132] относится более к метеорологии и гляциологии, и посвящена моделированию характеристик снежного покрова по имеющимся дискретным значениям. Зная водный эквивалент снега, который легко доступен со спутников дистанционного зондирования, можно получить другие переменные характеристики снежного покрова (то есть, высоту и температуру).
Исследованию распределения параметров снежного покрова посвящена работа [133]. Исследуется распределение высоты и плотности по мерным участкам. Также исследуется структура снега.
Также исследованию распределения характеристик снежного покрова посвящена работа [134]. В ней проанализировано местность вокруг озера (Lake Superior) в зимний период с 1979 по 2003 годы.
В исследовании [135] разработан метод распределения снега (определяются высота, плотность и водный эквивалент) в зависимости от ландшафта местности. Учитываются такие параметры как угол наклона направления склона (азимут), тип леса (открытая местность, редкий лес, лиственный, смешанный и хвойный леса). Предложены оригинальные модели типа «сплюснутого конуса» распределения высоты и плотности снега.
Отметим, что в работе говорится о влиянии солнечной активности, альбедо поверхности, теплопередачи, испарении и конденсации воды в снеге и прочих факторах. Все это в той или иной степени влияет на снегообразование. В результате приводятся уравнения, полученные по результатам снегомерных съемок, которые описываются аналитическими аппроксимационными зависимостями с двумя эмпирическими коэффициентами
Аналогичным исследованиям посвящена работа [136]. Также строятся «сплюснутые конуса», учитывающие ландшафт местности. Однако основная направленность на прогнозирование подвижности, а именно, определение средней скорости движения на пересеченной местности. Отметим, что исследование проведено для наземных транспортных средств, которые используются армией США и в перспективе прогнозируются для поддержки проведения специальных операций на заснеженной местности.
Основная идея основана на том, чтобы по имеющимся данным о склонах местности, азимутах, и высотах, а также характеру растительности (открытая местность, редкие деревья, лиственные, смешанные и хвойные леса) представить распределение высоты и плотности снежного покрова.
В продолжение данной тематики рассмотрим работу [137]. На основании проведенных исследований по моделированию снежного покрова проведена имитация движения в заданных условиях так необходимых армии США для обучения персонала и модификации транспортных средств под снежные условия движения. В дополнение ко снегу учтены типы почвы и их распределение. Исследование проводилось для трех машин: CIV (CRREL Instrumented автомобиля), HMMWV (High Mobility Multipurpose Wheeled Vehicle) , и Stryker.
Ведущее место в области транспортного снеговедения и исследований характеристик снежного покрова в России занимает Отраслевая научно-исследовательская лаборатория вездеходных машин (ОНИЛВМ) [125]. Актуальное название лаборатории ОНИЛВМ – НИЛ Транспортных машин и транспортно-технологических комплексов (НИЛ ТМ ТТК). В работах основателя лаборатории ОНИЛВМ С.В. Рукавишникова и его учеников [117] снег исключительно рассматривается как полотно пути для транспортно-технологических машин. В основу классификации положена способность снега к различным видам деформации движителями. Определяющий вклад в описание данных характеристик снега внесли исследователи Нижегородского государственного технического университета Малыгин В.А. [138] и Панов В.И. [138]
Зарубежная научная школа объединяет исследователей из Лаборатории исследования полярных районов (CRREL) США [140-142]. Необходимо отметить историческое сходство характера проведения исследований лаборатории CRREL и ОНИЛВМ. Однако у отечественных разработок акцент сделан на фундаментальность математических моделей и проектирование конечной продукции. Зарубежный подход отличает использование более простых математических зависимостей при оперативной оценке свойств снега и чрезмерная склонность к созданию сложных виртуальных моделей при оценке проезжаемости конкретных территорий местности.
Статистическая модель расчета геометрических, массовых, мощностных и скоростных характеристик гусеничных транспортно-технологических машин
Идея создания гусеничного движителя возникла в XIX веке. К началу ХХ века концепция применения гусеничного движителя на машинах была полностью определена. В первой половине ХХ века, то есть к началу Второй Мировой Войны была всецело разработана надежная конструкция гусеничного движителя. Определено несовершенство полугусеничных машин и предложена концепция модульно-гусеничного движителя, как альтернатива колесному. В послевоенный период (50 70-е годы ХХ века) модульно-гусеничная концепция движителя машин была преобразована в сочлененные машины и только к 80 90-м годам ХХ века – начале XXI века модульно-гусеничные движители стали вновь рассматриваться как самостоятельные опорно-тяговые элементы транспортно-технологических машин. К концу ХХ века новую техническую идеологию получила и концепция полугусеничных движителей как система комбинированного лыжно-гусеничного опорно-тягового механизма для снегоходов.
Таким образом, на сегодняшний день в теоретическом и практическом планах гусеничные машины полностью сформированы как подмножество транспортно-технологических средств [176-187] обладающих устойчивой подвижностью и способных эффективно выполнять поставленные оперативно-функциональные задачи в различных условиях эксплуатации.
Сегодня гусеничным движителем (ГД) примерно оснащено 25 30% всех ТТМ. Во многих случаях он остается единственным типом опорно-тягового механизма для машин, работающих в тяжелых технических условиях и на бездорожье с преобладанием сложных рельефов обилием профильных препятствий и доминированием слабонесущих материалов опорного основания.
Большое количество модернизируемой и вновь проектируемой гусеничной техники [176-187] требует правильного избрания её основных конструкционных и компоновочных схем, что можно осуществить благодаря статистическим моделям выбора геометрических параметров, массовых, мощностных и скоростных характеристик.
Проведенный анализ конструкций машин оснащенных гусеничными движителями и информационных данных [176-187] позволил обобщить их конструкционные (массогабаритные) параметры и эксплуатационные (мощностные и скоростные)характеристики.
Движитель гусеничных машин (Рисунок 4.9) состоит из: гусеничных цепей 4 или лент, ведущих 3 и направляющих 1 колес, опорных 5 и поддерживающих 2 катков.
Вес транспортно-технологической машины оснащенной гусеничным движителем передается через подвеску на опорные катки и гусеницы, а через них - на опорную поверхность. Под действием вращающего момента М ведущие колеса перематывают гусеничные цепи, которые расстилаются по опорной поверхности и являются как бы рельсовым путем, по которому на опорных катках перемещается несущая система машины. По мере перекатывания опорных катков задние звенья (траки) гусеничной цепи переходят на верхнюю ветвь гусеницы, а затем снова вступают в контакт с поверхностью опорного основания под передней частью машины.
На основании анализа и обработки параметров основных характеристик существующих ТТМ оснащенных ГД были получены зависимости, представленные на Рисунках 4.10 – 4.13, по которым можно сделать выводы о влиянии грузоподъемности на мощность двигателя, массогабаритные размеры и скорость движения ТТМ на ГД. Статистические данные отдельно рассматривались для гусеничных вездеходных и специальных машин. Классические гусеничные трактора в данную статистическую модель не включены.
Также были получены зависимости [165] и сделаны выводы о влиянии грузоподъемности на мощность двигателя и скорость движения сочлененных гусеничных машин (СГМ). Не смотря на разнообразие конструкций СГМ, их технических решений и компоновок возможны классификационные обобщения. Основываясь на проведенных исследованиях, была предложена классификация машин данного типа. Было выделено 3 группы: 1- СГМ с ПСУ между секциями, 2 – СГМ с одной рамой, в основном для перевозки длинномерных грузов, 3 – СГМ специального назначения (выполняют широкий спектр технологических и специальных операций).
На основании анализа и обработки параметров основных характеристик существующих ТТМ и подходов из работ [165-168] были получены основные соотношения базовых мощностных, массогабаритных характеристик, а также давления на грунт в зависимости от полной массы СГМ. Эти зависимости представлены на Рисунках 4.14 – 4.17.
Используя представленные данные и зависимости можно выбрать начальные параметры СГМ. Дальнейшее уточнение выбранных параметров и характеристик возможно произвести только после тягово-скоростного расчета, компоновочных и инженерно-проектных работ проведенных для конкретного объекта проектирования обеспечивающего нужный уровень подвижности [212].
Таким образом, используя представленные данные и зависимости можно выбрать начальные параметры шасси ПКМ оснащенных ГД. Дальнейшее уточнение выбранных параметров и характеристик возможно произвести только после тягово-скоростного расчета, компоновочных и инженерно-проектных работ проведенных для конкретного объекта проектирования.
Также в ходе исследований были получены статистические модели для определения скоростных показателей гусеничных машин, которые представлены на Рисунках 4.18 и 4.19.
Итогом выполненного анализа предполагается то, что после расчета исходных параметров, можно будет провести математическое моделирование движения ПКМ оснащенных ГД в условиях береговых зон с учетом разработанных моделей местности и полотна пути представленных в работах [52, 75, 116, 117, 173-75], а также данных полученных в главах 2 и 3 данной работы.
Имитационное моделирование работы системы управления и распределения потоков мощности по движителям
Наиболее эффективным способом регулирования потоков мощности является применение индивидуального регулирования каждого движителя в составе машины [201-203], то будем рассматривать только этот случай. На сегодняшний день для ТТМ в условиях экономических реалий является применение гидрообъемной передачи из существующих трансмиссий с возможностью индивидуального регулирования. Рассмотрим более подробно математическую модель, требования к ней, а также приведем пример на конкретном ТС при разработке которого автор принимал непосредственное участие.
Разработанная математическая модель должна удовлетворять следующим требованиям:
- учитывать взаимное влияние основных модулей (силовая установка, трансмиссия, движитель) друг на друга;
- учитывать несущую способность и параметры сдвига грунта;
- учитывать возможность разработки, применения и изменения законов управления индивидуальным приводом движителей;
Таким образом, использование данной модели движения позволяет производить поиск алгоритмов регулирования параметров ГОТ (системы привода колесных движителей) для достижения требуемых показателей проходимости (подвижности) и энергоэффективности в условиях любого бездорожья с учетом необходимых факторов, влияющих на параметры работы ТС. Обеспечение максимальной силы тяги и минимального сопротивления качению колеса обеспечивается контролем буксования.
Основным уравнением, характеризующим работу эластичного колеса в ведущем режиме качения, является уравнение мощностного баланса. Расчетная схема общей математической модели взаимодействия колесного движителя с деформируемым основанием представлена на Рисунке 5.9.
В соответствии с формулой (5.20) момент нагрузки на колесе определяется моментом сопротивления качению колеса и моментом, который создает тангенциальная составляющая силы взаимодействия колеса с опорным основанием. Tload может быть рассчитан следующим образом: Tload = RzГк (f0+(P) (5.21) где: f0 - коэффициент сопротивления качению колеса в ведомом режиме, v коэффициент продольной силы или коэффициент сцепления эластичного колеса с опорной поверхностью дороги, определяется в соответствии с принятой q?(s) - диаграммой в данных условиях качения, по величине относительного продольного скольжения S в контакте шины с дорогой; гк радиус качения эластичного колеса без учета внешнего скольжения.
Из Рисунка 5.12 видно, что движение возможно только с определенным ограниченным значением тяги. С ростом буксования тяга перестает увеличиваться, и вся энергия двигателя тратится на преодоление увеличивающейся силы сопротивления движению.
Логично также предположить, что длительное буксование в реальных условиях может привести к невозможности выполнять ТС заданные функции в связи с экскавационным эффектом.
На основании данной модели была разработана имитационная модель функционирования системы управления приводом колесных движителей МВТС в программе MATLAB/Simulink.
Simulink-схема разработанной модели представляет собой совокупность подсистем, описывающих посредством соответствующих зависимостей процессы, протекающие в тех или иных частях (узлах) транспортного средства. Структура модели отражает структуру машины. Такое построение модели МВТС облегчает ее отладку и позволяет при необходимости надстраивать ее, вводя новые зависимости, тем самым повышая точность расчетов до необходимого уровня.
Программа включает в себя следующие основные блоки:
блок «Водитель» (Driver), в котором формируются сигналы управляющих действий водителя;
блок «Насосная станция» (Pumps), в котором вычисляются текущие значения параметров работы насосов бортов шасси МВТС в соответствии с управляющим воздействия водителя на рычаги управления регуляторами подачи;
в блоках «Гидромоторы борта» (Motor side 1, 2) содержатся функции расчета перераспределения объема рабочей жидкости по моторам колес: алгоритмы управления гидрообъемным приводом колесных движителей МВТС;
блок «Местность» (terrain), в котором задаются условия движения шасси МВТС;
блоки «Колеса» (WheelsSide) содержат расчетный аппарат для оценки изменения буксования на каждом колесе и силовых факторов, действующих на колеса (тяговая реакция грунта, реализуемая движителем; сопротивление движению и т.д.);
блок «Машина» (Vehicle), в котором рассчитываются параметры перемещения центра масс шасси МВТС;
блок «Вывод результатов» (Results).
Общая последовательность выполнения расчётов следующая.
Перед проведением вычислительных экспериментов следует открыть интерфейс программы (Model.fig) и ввести интересующие настройки (Рисунок 5.13).
Перед запуском программы необходимо выбрать алгоритм управления, случай движения МВТС и время моделирования. Каждая цифра типового случая движения МВТС означает:
1. Разгон до заданных скоростей при прямолинейном движении с постоянными условиями сцепления ср и сопротивления
2. Движение по дороге с постоянными условиями характеристиками опорной поверхности с последующим съездом на дорогу с ухудшенными условиями движения.
3. Движение по дороге с постоянными характеристиками опорной поверхности с последующим съездом на дорогу с улучшенными условиями движения.
4. Проезд участка пути с ухудшенными условиям движения.
5. Движение на местности с разными условиями по бортам машины.
6. Движение машины по полотну пути со случайным распределением характеристик сцепления и сопротивления (поверхности со случайным распределением характеристик сцепления и сопротивления типа грунтовой дороги, снег со льдом и «микст»).