Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состав парка автомобилей 10
1.1. Улично-дорожная сеть и перспективы развития парка автомобилей в Российской Федерации 10
1.2. Понятие расчетного автомобиля в зарубежных нормах проектирования автомобильных дорог и сооружений 16
1.3. Расчетные автомобили в нормах проектирования 27
1.4. Анализ норм проектирования парковочного пространства 32
1.5. Цели и задачи исследования 46
ГЛАВА 2. Исследование траектории движения автомобилей по кривым в плане малого радиуса 47
2.1. Маневренность автомобилей при движении по кривым в плане 47
2.2. Теоретическое обоснование динамического габарита автомобилей при движении по кривым в плане 49
2.3. Уширение проезжей части на кривых малого радиуса в плане 56
2.4. Влияние кривых в плане малого радиуса на движение автомобилей 65
2.5. Исследование транспортного потока на автомобильных
дорогах 67
Вывод по главе 2 77
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование траектории движения автомобилей по кривым в плане 78
3.1 Методика исследования траектории движения автомобилей по кривым в плане 78
3.2 Методика проведения исследования с использованием GPS-навигации 85
3.3 Сравнение экспериментальных данных с данными, полученными на программном обеспечении AutoTURN 101
3.4 Сопоставление результатов экспериментальных и теоретических исследований динамического габарита
автомобилей 103
3.5. Моделирование движения расчетных автомобилей на парковочных пространствах 106
Вывод по главе 3 111
ГЛАВА 4. Проектирование элементов автомобильных дорог с учетом размеров расчетных автомобилей 112
4.1 Назначения параметров расчетных автомобилей 112
4.2 Применение шаблонов расчетных автомобилей при проектировании элементов автомобильных дорог 116
4.3 Размеры парковочных мест для расчетных автомобилей 118
Вывод по главе 4 129
Основные результаты и выводы 130
Библиографический список
- Понятие расчетного автомобиля в зарубежных нормах проектирования автомобильных дорог и сооружений
- Теоретическое обоснование динамического габарита автомобилей при движении по кривым в плане
- Сравнение экспериментальных данных с данными, полученными на программном обеспечении AutoTURN
- Применение шаблонов расчетных автомобилей при проектировании элементов автомобильных дорог
Понятие расчетного автомобиля в зарубежных нормах проектирования автомобильных дорог и сооружений
Как следует из рис. 1.3, по состоянию на 2011г. самыми распространенными грузовыми автомобилями являлись отечественные. Из общего числа грузовых автомобилей на первом месте находится КамАЗ (21,9%), на втором месте ГАЗ (24,8%).
Более 80% российского парка отечественных грузовых автомобилей принадлежат тройке лидеров: ГАЗ, КАМАЗ и ЗИЛ (рис. 1.4). В пятерку лидеров входят МАЗ и A3 «Урал». Доли КрАЗа и САЗа не превышают двадцатой части парка.
Самосвалы и бортовые грузовые автомобили с большим отрывом являются лидерами по использованию, занимая почти половину российского парка грузовых автомобилей (рис. 1.5). ч/ КрАЗ САЗ Прочие У11П 3% 2% 1% 6% Рис. 1.4. Структура парка грузовых автомобилей отечественных заводов в России [7] Автоцистерны 5% Спецтехника 7% Автофургоны 14% овые втомобили 22% Автокраны 2% Прочие 14% Самосвалы 23% Структура парка автомобильного транспорта в России по типам кузовов [7] Лидерство в сегменте грузовых автомобилей иностранного производства принадлежит бренду Volvo - 12,0%. Порог в 10% перешагнули MAN, Mercedes-Benz и Scania (см. рис. 1.3).
Российский парк грузовых автомобилей почти на 90% состоит из отечественной техники. Остальные 10% занимают иностранные грузовые автомобили, из них 62,8% - это европейские марки. На втором месте (16,1%) -грузовые автомобили японских брендов, на третьем (9,2%) - корейские. Далее идут грузовые автомобили американских (7,2%) и китайских (4,7%) брендов [7]. Наибольшую долю в парке занимают тяжелые грузовые автомобили массой более 18 т. Почти на 1,5% меньше средних грузовых автомобилей массой от 16 до 18 т. Чуть превышает четверть парка доля грузовых автомобилей массой от 3,5 до 8 т. Рис. 1.6. Структура парка грузовых автомобилей в России по брендам (иномарки) [7] Почти 80% российского парка грузовых автомобилей - старше 10 лет. В количественном выражении это - 2 742 тыс. единиц[7].
Основная часть российского парка грузовых автомобилей (почти 60%) сконцентрирована в центре России (Центральный, Приволжский, Южный и Северо-Кавказский округа). Остальное количество грузовых автомобилей рассредоточено от северо-запада до северо-востока территории Российской Федерации (Северо-Западный, Сибирский, Уральский и Приморский округа).
Российский парк грузовых автомобилей - самый старый по сравнению с другими парками автомобилей, и его обновление необходимо так же, как и обновление легкового автопарка страны. По разным данным в стране из 1 млн грузовых автомобилей более половины имеют возраст более 15 лет, тогда как возраст парка в целом составляет около 25 лет.
В связи с повышением динамических характеристик автомобилей совершенствуются требования к строительству и проектированию автомобильных дорог. При проектировании дорог возникает необходимость введения понятия «расчетный автомобиль». Этот термин определяется по-разному:
«Расчетный автомобиль - термин, используемый для определения геометрических параметров автомобильных дорог (минимальные радиусы кривых на пересечениях в одном уровне, кольцевых пересечениях), влияющих на безопасность, пропускную способность и стоимость строительства пересечения. Это условная транспортная единица, параметры которой используют в расчетах дорожной одежды и ее элементов» [3]. «Расчетный автомобиль — это автомобиль, размеры и эксплуатационные характеристики которого используются для создания проекта автомобильных дорог» [89].
«Расчетный автомобиль - это такой автомобиль, массу, размеры и динамические качества которого используют при проектировании автомобильной дороги. Такие параметры расчетного автомобиля, как размеры и минимальный радиус поворота, должны быть такими же, как и у большинства других автомобилей этого же класса, которые предположительно будут использовать для движения проектируемую дорогу» [4].
«За расчетный автомобиль принимают автомобиль в составе транспортного потока, имеющий наибольшие размеры и габариты, наибольший минимальный радиус поворота из большинства автомобилей этого класса (группы), а при расчетах минимального расстояния видимости - это автомобиль, имеющий минимальную высоту положения глаз водителя над уровнем проезжей части» [39].
«Расчетный автомобиль - такой автомобиль, масса, размеры и динамические характеристики которого приняты при проектировании автомобильных дорог» [75].
Например, при конструировании дорожной одежды расчетный грузовой автомобиль используется как эталон нагрузки. Применительно к проектированию геометрических элементов пересечений расчетными являются легковые или грузовые автомобили, имеющие определенные размеры кузова, величины радиусов поворота управляемых колес и некоторые другие специфические параметры, характеризующие траекторию движения.
Динамические размеры расчётного автомобиля используются для оценки соответствия требованиям удобства и безопасности движения таких основных элементов планировки пересечений, как диаметр центрального островка и внешней кромки кольцевой проезжей части, радиусы съездов, ширина полос движения, длина полос движения, длина переходно-скоростных полос и т.д.
Теоретическое обоснование динамического габарита автомобилей при движении по кривым в плане
В настоящие время такие программные комплексы, как Auto TURN (Transoftsolution, Канада), IndorCAD (Россия), AutoTrack (Savoy Computing Services Ltd, Великобритания), AutoCAD и другие позволяют моделировать движение автомобилей по кривым в плане и определять их динамический габарит. По мнению автора, данный метод является современным и более точным для определения динамического габарита автомобилей. Этот метод будет рассмотрен более детально в следующих главах.
Графический. Этот метод основывается на последовательном перемещении шаблона, моделирующего траекторию движения автомобиля на плоскости из одного положения в другое. Перемещение может быть осуществлено двумя способами: поворотом на определенный угол и прямолинейным движением или, наоборот, прямолинейным движением, а затем поворотом.
На рис. 2.2 точками с индексами Т и П обозначены перемещения середин заднего моста соответственно автомобиля-тягача и полуприцепа. Пренебрегая смещением продольной оси автомобиля седельно-сцепного устройства (обычно равного 5... 15 см), можно считать, что точка 1т обозначает шкворень полуприцепа, а расстояние между точками 1Т и 1п соответствует в масштабе базе полуприцепа.
Перемещение шкворня полуприцепа из положения 1т в 27-соответствует повороту автомобиля-тягача на угол 22,5. Из точки 2Т радиусом, равным базе полуприцепа, проведем дугу П-П. Точками 2п а 2 п обозначены возможные крайние положения середины заднего моста полуприцепа. Точка 2и, определена исходя из начального прямолинейного движения моста полуприцепа и затем поворота вокруг точки 2П при достижении точки середины заднего моста полуприцепа дуги П-П. Точка 2 я определена исходя из начального поворота моста полуприцепа вокруг точки 1" на угол, соответствующий положению прямой In - 2п и затем последовательному перемещению середины оси полуприцепа по этой прямой в точку 2 п Принимаем, что действительное положение середины заднего моста полуприцепа соответствует точке 2п, т. е. находится на дуге /7-/7 посередине между точками 2П и 2 п
Дальнейшие положения середины заднего моста полуприцепа (точки Зп — 9п) находим аналогичным образом. Соединив соответствующие точки плавными кривыми, получаем опорные траектории перемещения автомобиля-тягача (точки/,„- 9Т) и полуприцепа (точки 1п- 9п).
Следует отметить, что траектории движения автомобиля-тягача и полуприцепа значительно расходятся. Расхождение начинается сразу же при входе в поворот и продолжается после выхода из поворота автомобиля-тягача. Мгновенные центры поворота автомобиля-тягача и полуприцепа не совпадают, причем при постоянном положении мгновенного центра поворота автомобиля-тягача (точка От) мгновенный центр поворота полуприцепа беспрерывно меняет свое положение на плоскости (по кривой
Экспериментальный метод. Как было указано, динамический габарит больше всего выражен у грузовых автомобилей и автопоездов с большими расстояниями между осями, у которых задние колеса не следуют точно по такому же пути, как передние. Для определения ширины динамического габарита, необходимого для движения автопоездов по кривым в плане, используют следующую формулу[20]: p = RHr RBr=J - + M- = t (2.1) где Р - ширина динамического габарита, м; RHr - наименьший радиус поворота автопоезда при отсутствии заднего свеса, м; RBr - наименьший внутренний радиус поворота автопоезда без тягача, м; AR - радиальный свес передней точки переднего крыла или база тягача, м; L-L — база тягача, м; 3 — приведённый угол поворота передних колес тягача, град; L2 - база полуприцепа, м; а - угол поворота тягача относительно полуприцепа (обычно равен 35); Ш — габаритная ширина полуприцепа, м; При наличии свеса конструкции автопоезда ширина динамического габарита определяется по формуле[20]: L3a3 + L2)+- f _І2 Ш5 (2.2) г 4sin2a 2 v J где Ьз - длина свеса конструкции, м; Свес кузова при определенной длине позволяет уменьшить базу полуприцепа, следовательно, и радиус поворота автопоезда, что приводит к увеличению размеров динамического габарита.
В США для определения ширины динамического габарита, необходимого для движения автопоездов по кривым в плане, используют форму лу[75]: U = u + R- JRZ-ZL , (2.3) где U - динамический габарит автомобиля, м; и - ширина расчетного автомобиля, м; R - минимальный радиус поворота автомобиля, м; L, - база автомобиля, м. Для определения влияние переднего свеса автомобиля в США используют формулу [75]: Fa = y/R2+A(2L + A) - R, (2.4) где А-передний свес автомобиля, м; L - база автомобиля, м. Для определения площади динамического габарита применяют формулу [20]: П = b(l + tpv + cv2 + а), (2.5) где b - ширина одной полосы движения, м; 1 - длина автомобиля, м; tp- время реакция водителя, сек; с - коэффициент торможения, зависящий от системы тормозов, их состояния и сцепления автомобильных шин с поверхностью проезжей части; а - интервал безопасности между двумя автомобилями; v - скорость движения автомобиля, м/сек.
Движение автопоезда по кривым в плане является менее определенным, чем движение одиночного тягача, вследствие того, что шарнирно соединенные между собой элементы автопоезда могут совершать непредусмотренные и неконтролируемые водителем взаимные перемещения. Анализ их представляет значительные трудности, поэтому при изучении траектории движения автопоездов обычно ограничиваются исследованием их кинематики, допуская, что тягач и прицеп имеют общий постоянный центр поворота, находящийся в точке пересечения всех осей поезда. Вокруг этого центра любые точки поезда перемещаются по круговым траекториям при отсутствии бокового скольжения колес автопоезда [28].
Сравнение экспериментальных данных с данными, полученными на программном обеспечении AutoTURN
При исследовании траектории движения и динамических габаритов автомобиля могут быть использованы различные методы полевых испытаний. В Хорватии [81,82] методика эксперимента предусматривает установку на автопоезде двух форсунок, которые под давлением выпрыскивают краску и в результате обработки отдельных точек получают траекторию движения.
Подобное исследование проводили отечественные специалисты [8]. Для записи траектории при криволинейном движении использовали красящую жидкость, которую под давлением специальные форсунки брызгали на поверхность покрытия. Форсунки были установлены в середине переднего моста автомобиля и заднего моста прицепа.
По мнению автора, эти методы имеют ряд недостатков, среди которых следует отметить невысокую точность измерений при отсутствии фиксации скорости движения автомобиля и траекторий точек его кузова.
Также для изучения траектории движения автомобилей по кривым различных радиусов был применен метод видеосъемки [75].
На сегодняшний день для определения динамического габарита автомобилей появилась возможность использовать современные методы исследования средствами GPS-навигации.
Для определения основных характеристик движения транспортных потоков многие авторы применяли методы исследования, которые дают возможность охватить массового водителя в реальных дорожных условиях, с использованием видеосъемки. Метод натурных наблюдений движения транспортного потока на дорогах при помощи киносъемки использовался многими авторами (М.С. Замахаев [30,31], А.П. Васильев [16], Ю.М. Ситников [56], М.Б. Афанасьев[9] и др.). В современных условиях видеосъемка становится одним из основных методов исследования транспортных процессов. Применение видеосъемки имеет следующие преимущества: - уменьшение материальных расходов; - возможность непосредственных просмотров, контроля качества, проверки и редактирования отснятого материала на месте съемки; - не требует высокой квалификации; - уменьшение затрат времени на обработку и расшифровку. Чем уже проезжая часть и выше интенсивность движения по кривым малых радиусов, тем в большой мере водители вынуждены придерживаться геометрической формы закругления. Поэтому вопрос по оптимальной форме кривых малых радиусов, где условия движения наиболее затруднены, имеет существенное значение[11].
В целях анализа траектории движения автомобилей по кривым в плане нами был исследован режим движения автомобилей на участках с малыми радиусами в Московском области. Для изучения траектории движения автомобилей на кривых участках была применена видеосъемка с помощью видеокамеры NIKON COOLPIX с точностью измерения до 1/100 секунды (рис.3.1). Участок (место расположения объекта: Московская область, Ленинградское ш. координаты участка:55.964562, 37.329055) был выбран потому, что он является не характерным для этих типов пересечения, а также на данном участке наблюдалось высокая интенсивность движения грузовых автомобилей. Рис.3.1. Схема положения видеокамеры на участке примыкания левоповоротного съезда с минимальным радиусом: 1 - левоповоротный съезд; 2 - прямолинейный участок Цель исследования заключалась в определении расстояния выезда автомобилей на встречную полосу при движении по кривой малого радиуса. Наблюдения проводили непрерывно в течение семи часов с охватом всех типов автомобилей в транспортном потоке за период наблюдений. Полученные данные были обработаны с помощью методов математической статистики. Первый этап статистического анализа заключался в объединении наиболее близких по значению результатов в разряды. В 3-й графе таблицы 3.1 приведено количество значений, попавших в данный разряд.
Для получения достоверных результатов натурных измерений необходимо определить необходимое число наблюдений. Оптимальное количество наблюдений устанавливалось по следующей зависимости [22]:
В результате расчета было определено, что величина выборки равна [1=42, следовательно, для получения принятой достоверности результатов необходимо проводить 42 измерения. Результаты исследования траектории движения автомобилей по кривым в плане Обработка видеоизображения на участке кривой с радиусом 21 м показала, что 76 % легковых автомобилей, 13% грузовых автомобилей базой до 3,0 м движутся в пределах полосы, не пересекают дорожную разметку и вписываются в проезжую часть. Но автопоезда (5% в составе потока) и автобусы (1%) при движении на участке заезжают на встречную полосу.
Траектория движения грузовых автомобилей по кривой в плане на левоповоротных съездах пересечения в разных уровнях ТаблицаЗ.1 Результаты обработки исследований траектории движения автопоездов
Как следует из рис. 3.4, модальное расстояние величины выезда составляет 0,5 м от дорожной разметки. При исследовании установлено, что автопоезда, двигавшиеся без выезда на встречную полосу, смещались к правой кромке проезжей части.
Применение шаблонов расчетных автомобилей при проектировании элементов автомобильных дорог
Траектории движения при повороте автомобиля, определяющие размеры проезжей части На данный момент используют лекала поворотов и разворотов автотранспорта для определения минимального радиуса автомобильных дорог [37], составленные на основе результатов исследований, проведенных Промтрансниипроектом в 1972 - 1973 гг. по теме 16-72 «Исследование режимов поворота автотранспортных средств с установлением габаритов проездов и площадок для разворота». В данном нормативном документе отсутствуют модели автомобилей, которые наиболее часто встречаются и составляют удельный процент автомобилей на российских автомобильных дорогах.
После того как были определены размеры расчетных автомобилей с помощью программы AutoTURN, были смоделированы расчетные автомобили и с помощью функции «generate template» созданы шаблоны. Пример шаблона для рекомендуемых расчетных автомобилей представлен на рис. 4.2.
Шаблон для проектирования кривых в плане при минимальных радиусах расчетного автомобиля - автопоезд (А16) Аналогично по указанной выше методике были построены шаблоны для всех расчетных автомобилей, типы которых приведены в табл.4.1 и 4.2. В результате качественного изменения автомобильного парка существенно вырос процент автопоездов в составе транспортного потока, общая длина которых 20 м, поэтому необходим новый подход к проектированию пересечений и примыканий автомобильных дорог и городских улиц.
По мнению автора, моделирование траекторий движения автомобилей должно стать обязательной процедурой проверки проектных решений пересечений и примыканий, автомобильных дорог в одном уровне, пересечений в разных уровнях, а также площадок отдыха, разворотных площадок, в зонах АЗС на автомобильных дорогах.
Парковочное пространство для автомобилей включает парковочные места для автомобилей и зону маневрирования, предназначенную для подъезда к парковочным местам, выезда и постановки автомобилей. Размеры парковочного места должны обеспечивать беспрепятственный въезд, открывание дверей автомобиля, выгрузку или погрузку багажа, а затем беспрепятственный выезд, не задевая другие автомобили. Разбивка парковочного пространства для обеспечения малого числа парковочных мест приведена на рис. 4.3, а размеры парковочных мест - в табл.4.5.
Для определения размеров парковочных мест были смоделированы расчетные автомобили с помощью программы AutoTURN. Данная программа имитирует движение автомобиля и анализирует пройденный им путь.
Методика определения размеров парковочных мест была рассмотрена в главе 3. Для каждой группы расчетных автомобилей были определены размеры парковочных мест под углом 90 , 60 и 45 .
Для определения размеров продольных парковочных мест была создана модель расчетного автомобиля. Расчетный автомобиль моделировал траекторию движения автомобиля приближенную к реальным условиям, в которых паркуются водители. Автомобиль должен заезжать в парковочное место так, чтобы не задеть стоящий рядом автомобиль (рис. 4.4). Затем подобные расчеты были выполнены автором для всех типов расчетных автомобилей. Размеры парковочных мест при продольном размещении автомобилей представлены в табл. 4.6.
Для автомобильных дорог, там, где в составе транспортного потока преобладают грузовые автомобили и автопоезда, рекомендуется планировать парковочные места с поперечным расположением, чтобы грузовым автомобилям не нужно было выполнять маневр разворота или движение с минимальными радиусами. Проектирование диагональных парковок может изменяться в зависимости от угла, под которым устанавливают автомобили.
Для определения размеров диагональных парковочных мест для грузовых автомобилей автором была создана модель расчетного автомобиля и смоделирована траектория движения расчетного автомобиля, а также определен динамический габарит. С учетом этого, были определены основные размеры парковки (рис.4.5). С применением вышеуказанной методики были определены размеры диагональной парковки под углом от 30 до 45. Планировка парковочного пространства предусматривает следующие действия: вариантное размещение парковочных мест в пределах парковки, моделирование с использованием динамических габаритов расчетных грузовых автомобилей въездов на парковочное место и выездов с него. Необходимым элементом организации движения на парковке и проектирования парковочного пространства является организация беспрепятственного проезда автомобилей мимо парковочных мест с шириной проезда равной 4,5 м. Минимальный радиус для въезда на парковку должен быть не менее 26м, а при выезде - не менее 30 м. Размеры парковочных мест при разных углах парковки представлены в табл. 4.7.
