Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методов и моделей взаимодействия технологических машин с деформируемым грунтом 14
1.1. Проблемы моделирования взаимодействия технологических машин с грунтом слабой несущей способности 16
1.2. Методология измерения параметров грунта
1.2.1. Сравнение зависимостей «давление - деформация грунта» 20
1.2.2. Взаимосвязь между нагрузкой и осадкой 24
1.2.3. Взаимосвязь между напряжением сдвига и перемещением 26
1.2.4. Влияние скорости взаимодействия на деформацию грунта 28
1.3. Статистические характеристики микропрофилей участков дорог 30
1.3.1. Оценочные показатели и характеристики микропрофиля поверхности дорожного полотна 30
1.3.2. Аппроксимация спектральных плотностей дисперсий микропрофиля участков дорог и функций когерентности 37
1.3.3. Классификация спектров микропрофилей дорог 41
1.3.4. Номенклатура дорожных условий для расчета параметров колебаний 44
1.3.5. Числовые характеристики микропрофилей дорог 46
1.4. Анализ физических моделей взаимодействия с грунтовыми основаниями 53
1.4.1. Принципы разработки моделей взаимодействия одиночного колеса с деформируемым грунтом 53
1.4.2. Модели взаимодействия одиночного жесткого колеса с деформируемым грунтом 57
1.4.3. Проблемы моделирования взаимодействия многоколесных технологических машин 60
1.5. Методы аналитического, имитационного и статистического моделирования процессов управления 63
1.5.1. Использование декомпозиционного подхода при моделировании сложных технических систем 65
1.5.2. Имитационные и гибридные модели 66
1.5.3. Статистические методы оценки эмпирических зависимостей 70
Выводы по главе 1 з
2. Статистические энергетические модели взаимодействия колеса с деформируемым основанием 74
2.1. Разработка методики и моделей оценки характеристик грунта по результатам штамповых экспериментов 74
2.1.1. Модели погружения и сдвига 74
2.1.2. Методика оценки параметров нелинейной регрессии 80
2.1.3. Методика сравнительного анализа моделей взаимодействия на основе дисперсионного анализа 84
2.2. Разработка модели влияния скорости на реакцию деформируемого основания 88
2.2.1. Взаимодействие штампа с деформируемым основанием при ударе 88
2.2.2. Экспериментальные исследования влияния скорости воздействия на осадку 90
2.2.3. Разработка физической модели взаимодействия контактной площадки движителя с грунтом слабой несущей способности 97
2.3. Разработка эквивалентной кинематической схемы погружения контактной площадки 102
2.3.1. Общая структура построения эквивалентной схемы 103
2.3.2. Расчет приращений вертикальной нагрузки 105
2.3.3. Расчет приращений горизонтальной составляющей 105
2.3.4. Алгоритм вычисления эквивалентного погружения 107
2.4. Энергетические модели погружения в условиях произвольной траектории погружения 108
Выводы по главе 2 115
3. Статистические характеристики микропрофилей дорог и их воздействие на колесные транспортные средства 116
3.1. Статистические характеристики микропрофилей дорог 116
3.1.1. Разброс первичных статистических характеристик микропрофилей участков дороги 116
3.1.2. Вторичные статистические характеристики микропрофилей маршрутов 127
3.2. Влияние сезонных изменений на статистические характеристики микропрофилей дорог 157
3.2.1. Влияние сезонных изменений на первичные статистические характеристики микропрофиля 158
3.2.2. Влияние сезонных изменений на вторичные статистические характеристики микропрофиля маршрутов 161
3.3. Моделирование возмущающих воздействий дорожного полотна 164
3.3.1. Спектральная плотность вертикального возмущающего воздействия 165
3.3.2. Моделирование возмущающего воздействия 167
Выводы по главе 3 169
4. Разработка метода расчета параметров взаимодействия колесной машины с деформируемым грунтом 171
4.1. Анализ и разработка физической и статистической моделей взаимодействия одиночного колеса с грунтом слабой несущей способности 171
4.1.1. Напряженное состояние в грунте при локальном воздействии 172
4.1.2. Напряженное состояние грунта под колесом
4.2. Разработка метода анализа взаимодействия одиночного колеса 181
4.3. Влияние параметров грунта и колеса на характеристики процесса взаимодействия
4.3.1. Влияние угла внутреннего трения 189
4.3.2. Влияние экспоненты деформации 191
4.3.3. Влияние модуля сдвига 194
4.3.4. Влияния скорости колеса на тяговые и кинематические характеристики 195
4.3.5. Влияние буксования колеса на тяговые и энергетические характеристики 199
4.4. Методика расчета взаимодействия многоколесных машин с грунтом слабой несущей способности 201
Выводы по главе 4 211
5. Процессное описание и интеграция моделей узлов и агрегатов технологической машины в аналитико имитационную среду 212
5.1. Формализация имитационной модели динамики функционирования технологической машиной 212
5.1.1. Операции над процессами 214
5.1.2. Формальное описание процесса поведения агрегатов технологических машин 216
5.1.3. Алгоритмическая модель процесса 218
5.2. Разработка сцепленных процессов взаимодействия агрегатов технологических машин 225
5.3. Модели и методы расчета колебаний колесных машин
5.3.1. Расчет линейных колебаний при случайных возмущениях 233
5.3.2. Расчет нелинейной модели колесной машины при случайных возмущениях 238
5.3.3. Расчет дисперсии параметров колебания одномассовой модели 245
5.3.4. Расчет дисперсий параметров колебаний двухмассовой модели 249
5.4. Адекватность математических моделей колебаний при расчете параметров динамической загруженности несущих систем 251
5.4.1. Сравнение экспериментальных и расчетных данных вертикальных колебаний 252
5.4.2. Сравнение экспериментальных и расчетных данных поперечных колебаний 256
5.5. Статистические характеристики параметров колебаний 265
5.5.1. Первичные статистические характеристики параметров колебаний...267
5.5.2. Первичные статистические характеристики параметров, определяющих плавность хода технологической машины 268
5.5.3. Первичные статистические характеристики параметров, характеризующих динамическую загруженность несущей системы 279
Выводы по главе 5 291
6. Методы и модели процессов управления технологическими машинами в условиях нестационарности 292
6.1. Характер выходных процессов имитации 293
6.1.1. Разработка аналитической модели автоковариационной функции 293
6.1.2. Дисперсия среднеинтегральной оценки 295
6.1.3. Тренды переходных режимов имитационных процессов 296
6.2. Анализ точности среднеинтегральных характеристик нестационарных процессов 298
6.2.1. Модель гауссовского условно нестационарного процесса 298
6.2.2. Характеристики среднеинтегральной оценки 302
6.2.3. Влияние сброса начального периода моделирования 305
6.2.4. Критерий вероятности принадлежности оценки заданному интервалу 309
6.3. Формализованное описание управляемой имитационной модели 313
6.3.1. Принципы построения управляемой модели 313
6.3.2. Алгоритм управляемого имитационного процесса 314
6.3.3. Рекуррентный анализ сходимости алгоритма управления 317
6.3.4. Анализ поведения алгоритма при постоянной длине шага 321
6.3.5. Анализ поведения алгоритма при переменной длине шага 323
6.4. Исследование сходимости управляемого имитационного процесса 325
6.4.1. Оценка градиента на переходном периоде 325
6.4.2. Эффективность восстановления состояния 328
6.4.3. Выбор длительности интервала управления 330
Выводы по главе 3 334
7. Формирование требований к программной реализации системы баз экспериментальных данных и методике расчета взаимодействия технологических машин 336
7.1. Разработка концепции создания открытой системы поддержки принятия решений 337
7.2. Формирование требований к компонентам статистического анализа характеристик дорожного полотна
7.2.1. База экспериментальных данных характеристик грунта по штамповым экспериментам 344
7.2.2. Описание структуры экспериментов по оценке характеристик дорожного полотна 348
7.2.3. Функционал приложений по расчету характеристик грунта
7.3. Формирование требований к программной реализации методики расчета характеристик взаимодействия технологической машины с грунтом слабой несущей способности 355
7.4. Методика расчета системы вложенных процессов 360
Выводы по главе 7 363
Основные выводы и результаты работы 364
Литература
- Взаимосвязь между напряжением сдвига и перемещением
- Разработка модели влияния скорости на реакцию деформируемого основания
- Влияние сезонных изменений на вторичные статистические характеристики микропрофиля маршрутов
- Влияния скорости колеса на тяговые и кинематические характеристики
Введение к работе
Актуальность проблемы
Проведенный в 2004 - 2005 г г Федеральной службой по надзору в сфере транспорта государственный контроль состояния сети автомобильных дорог России показал, что финансирование дорожной отрасли явно недостаточно В должном объеме не выделяются средства как на строительство новых, так и на ремонт существующих дорог Дорожно-транспортная сеть страны остро нуждается в ремонтно-восстановительных работах, так как имеет значительную колейность, выбоины, трещины Значительная часть территории России покрыта грунтовыми дорогами Даже в центральных районах России в сельской местности транспорту приходится работать в условиях бездорожья Поэтому вопрос выбора типов машин и режимов их функционирования на грунтах со слабой несущей способностью весьма актуален
Особенно большое значение транспорт высокой проходимости приобретает при строительстве трубопроводов, а также во вновь осваиваемых районах при небольших объемах перевозок, не оправдывающих сооружение автомобильных дорог В связи с этим встает ряд технико-экономических вопросов установление сферы эффективного применения машин высокой проходимости с расчетом потребных капиталовложений и расходов на их эксплуатацию, исследование взаимодействия движителя с грунтом слабой несущей способности, исследования в области конструирования машин высокой проходимости для повышения их экономичности и другие
Диссертация посвящена решению научной проблемы, имеющей большое значение для повышения эффективности управления технологическими машинами Свойства грунта существенно сказываются на выборе типов используемых машин и режимов их работы Рациональный выбор режимов работы машин на грунтах со слабой несущей способностью несомненно позволит сократить время использования дорогостоящей техники, повысить ритмичность, сократить затрать' и сроки выполнения работ
Объектом исследования являются режимы функционирования и методы управления технологическими машинами при выполнении работ на грунтах со слабой несущей способностью
Цель и основные задачи исследования
Целью настоящей работы является создание научных, научно-методических и технико-производственных основ комплексного анализа и моделирования режимов функционирования технологических машин на грунтах со слабой несущей способностью и соответствующих методов управления
В соответствии с поставленной в диссертации целью решаются задачи
анализ методов и моделей взаимодействия технологических машин с грунтами со слабой несущей способностью,
разработка методики оценивания параметров грунтов на базе эмпирических характеристических моделей взаимодействия контактной площадки движителя с грунтом,
разработка методов и моделей оценивания микропрофиля дорожного полотна,
построение моделей взаимодействия одиночного колеса с грунтом со слабой несущей способностью и создание обобщенной методики анализа характеристик взаимодействия многоколесных машин с грунтом со слабой несущей способностью,
разработка моделей оценки колебаний и изгибающих моментов при движении технологических машин на грунтах со слабой несущей способностью,
разработка программно-моделирующего комплекса для исследования процессов функционирования технологических машин и разработки методов оптимизации режимов функционирования на грунтах со слабой несущей способностью,
техническое задание на программную реализацию методов расчета с учетом интеграции с математическими пакетами в рамках системы поддержки принятия решений (автоматизации научиых исследований)
Методы исследования
Теоретической основой диссертационной работы являются механика грунтов, методы оптимизации, стохастическая аппроксимация, оптимальное управление, случайные процессы, имитационное моделирование, общая теория систем, исследование операций, регрессионный и дисперсионный анализ, методы многомерного статистического анализа, дифференциальные уравнения и другие
Научная новизна
Научную новизну работы составляют научные, научно-методические и технико-производственные основы комплексного анализа и моделирования режимов функционирования технологических машин на грунтах со слабой несущей способностью и соответствующие методы управления
ha защиту выносятся
методика управления технологическими машинами на грунтах со слабой несущей способностью с учетом нестационарных режимов взаимодействия,
адаптивный алгоритм оптимального управления на основе метода стохастической аппроксимации,
концепция интеграции имитационных и аналитических моделей компонентов системы «движитель-грунт» в единый контур управления,
модель нестационарного микропрофиля дорожного полотна в виде «склейки» стационарных параметризуемых процессов,
эквивалентная энергетическая модель погружения контактной площадки по произвольной траектории,
вероятностная модель учета скорости воздействия контактной площадки на деформацию с учетом стохастических свойств грунта,
новые аналитические зависимости для силовой и кинематической схемы в сдвиговых штамповых экспериментах
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов
Обоснованность и достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом аналитических и экспериментальных зависимостей
Практическая ценность и реализация результатов работы
Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до
практического использования Разработан программно-
моделирующий комплекс, позволяющий в интерактивном режиме использовать оперативные данные о состоянии грунтов для принятия решений по выбору типов технологических машин, а также режимов их функционирования Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения в НИИ 21, ГНЦ ГУП НАМИ, ФГУП КБ «МОТОР», ЗАО НПВК «СВАРКА», а также используются в учебном процессе в МАДИ(ГТУ) и в ЗАО «Автотехцентр СИМ» Результаты внедрения и эксплуатации подтвердили работоспособность и эффективность разработанных методов
Апробация работы
Содержание разделов диссертации докладывалось и получило одобрение
на республиканских и межрегиональных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах (1979-2006 гг),
на расширенном заседании кафедры «Теоретическая механика» Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета)
Взаимосвязь между напряжением сдвига и перемещением
Теории упругого и пластичного равновесия могут представить решения только ограниченного ряда проблем взаимодействия технологических машин с грунтом, так как они основаны на предположении, что грунт ведет себя как совершенно упругий материал. Вследствие ограниченности этих теорий разработан ряд полуэмпирических методов определения характеристик взаимодействия. Вертикальная нагрузка, которую машина передает на грунт, вызывает осадку, дающую возрастание сопротивления движению. Таким образом, наиболее важной зависимостью для оценки эксплуатационных характеристик является нагрузка-деформация. Один из наиболее известных методов измерения характеристик взаимосвязи нагрузка-деформация грунта для определения эксплуатационных показателей технологических машин предложен Беккером [36]. Этот метод основан на серии испытаний пластин на осадку и сдвиг.
Важной составной частью теории движения гусеничных и колесных машин повышенной и высокой проходимости является теоретическое описание взаимодействия движителей с деформируемым грунтовым основанием. За последнее время в таком описании просматривается тенденция составления математических моделей, включающих, с одной стороны, особенности и конструктивные параметры движителей, а с другой -свойства деформируемого основания, которые описываются результатами штамповых испытаний. Сходимость данных указанных штамповых испытаний для каждого вида грунтового основания позволит создать единую теорию движения и проходимости. Анализ работ различных авторов [18,27,35,59] показывает, что результаты прогнозирования поведения движителя и машины во многом определяются достоверностью характеристик грунта, которые существенно зависят от методики проведения штамповых испытаний. В этой связи в настоящей работе делается попытка первоначальной систематизации зависимостей «давление-деформация грунта» и выявления отдельных причин, которые приводят к весьма значительному разбросу экспериментальных данных (до 5-10 раз), если рассматривать их без учета некоторых особенностей эксперимента.
В конечном счете, исследования в этом направлении должны способствовать созданию математических моделей, описывающих взаимодействие движителя машины с грунтом на основе данных штамповых испытаний и получению достоверных поправочных коэффициентов для них. Необходимо упорядочить эксперименты, проводимые со штампами. Иначе математическая модель любого автора, в лучшем случае, окажется пригодной для сравнительных расчетов, и в других условиях не будет давать достоверных количественных результатов.
Систематизация зависимостей «давление-деформация грунта» выполнялась на основе взаимного расположения графиков «давление 21 деформация грунта» для одного типа грунта. Был использован хронологический принцип (см. Таблица 1.1.). При этом учитывались: область применения полученных авторами результатов; методика проведения экспериментов (основные условия проведения экспериментов, тип воздействия на грунтовое основание стендовое оборудование); тип грунтового основания, объем исследуемого грунта.
Таблица 1.1. позволяет сделать заключение о большом разнообразии методик, приемов и оборудования, используемых различными авторами. При этом одни ограничивались экспериментальными графиками, вторые дополняли их эмпирической формулой, третьи только использовали экспериментальные данные других авторов для вывода своих эмпирических зависимостей.
Область применения влияет на методику и стендовое оборудование, необходимое для выполнения работ. Так, для дорожного строительства характерной особенностью является наличие под тонким слоем насыпного грунта уплотненного основания. Для сельского хозяйства характерной особенностью является движение по рыхлым грунтовым основаниям.
К сожалению, авторами редко описывается методика проведения экспериментов, а именно, это позволяет судить о том, насколько она соответствует предлагаемой расчетной схеме деформируемого основания. В целом анализ литературных источников показал, что говорить о преемственности и совершенствовании эмпирических зависимостей с течением времени можно весьма условно.
Большое разнообразие методик и условий проведения экспериментов приводит к весьма большому несовпадению опытных кривых для одного и того же типа грунта. Можно сделать предположение о существенном влиянии на экспериментальные результаты способов нагружения грунта штампом (непрерывное или ступенчатое). По используемому способу выделены две группы кривых, которые явно отличаются друг от друга. Отличие кривых в каждой группе менее существенно и, очевидно, объясняется другими, ранее упомянутыми причинами.
Разработка модели влияния скорости на реакцию деформируемого основания
Это преобразование заключается в исключении из профиля дороги очень длинных и очень коротких неровностей, которые не влияют на колебания автотранспортных средств (АТС) и на нагруженность их узлов и агрегатов. Длинные неровности (спуски - подъемы) необходимо учитывать при рассмотрении вопросов экономии топлива и тяговой динамики автомобиля, долговечности некоторых его систем и т.п. Очень короткие неровности (шероховатости) необходимо учитывать при рассмотрении переходных режимов движения (разгон, торможение), так как эти неровности существенно влияют на коэффициент сцепления колеса с дорогой, который в настоящее время рассматривается как случайная функция [2]. Количественная оценка терминов «длинные» и «короткие» неровности зависит от типа АТС и типа дороги. В целом можно считать, что микропрофиль дороги должен включать в себя неровности длинной от 0,3-0,5м до 100 м. Такой диапазон длин неровностей учитывает практически все существующие типы АТС и реальные режимы их движения [1,3].
Запись микропрофиля дороги может осуществляться различным образом [1, 4, 10, 13, 17, 28]. Наиболее производительным и в то же время достаточно точным является метод, разработанный на кафедре теоретической механики МАДИ(ГТУ). Он основан на использовании косвенного способа записи микропрофиля с помощью динамического преобразователя профиля (ДПП). Большим достоинством этого метода является учет при записи микропрофиля сглаживающей способности колеса. При обкатывании неровности жестким колесом конечного радиуса перемещения оси колеса отличается от ординат неровности.
Микропрофиль участков дорог представляет собой нормальный случайный процесс. Если на дороге имеются периодические составляющие (стыки плит, пахота и т.п.), то следует их выделить из микропрофиля и в спектральную плотность нормальной составляющей не включать, а учитывать отдельно.
Микропрофиль q(l) участка дороги определенного типа длинной до 2 -5 км и имеющего одинаковую степень износа, является стационарным эргодическим нормальным случайным процессом. Это положение было проверено многочисленными исследователями [20-24] Статистические характеристики этого процесса называют первичными характеристиками микропрофиля дороги. Наиболее полной характеристикой микропрофиля является корреляционная функция Rqi(l) или чт0 более удобно для практического использования, спектральная плотность дисперсии (СПД) 271 Kq (X), где Х = угловая дорожная частота (рад/м), /-длина неровности. Аргументом функции К (X) часто берут не угловую дорожную частоту, а X дорожную частоту п = — (цикл/м) [26]. Связь между СПД как функций этих 2п аргументов дается формулой: К (Х) = —Ка (—) = —Ка (п). (1.17) -К (-) = 2тс qi 2п 2тс
Для задания свойств всей дорожной поверхности её можно представить совокупностью большого числа достаточно близко расположенных продольных сечений дороги. Как показали экспериментальные исследования, выполненные многими учеными, микропрофили таких продольных сечений одного и того же участка дороги с однородным покрытием и одинаковой степенью износа являются реализациями одного и того же случайного процесса и их СПД отличаются весью мало. Поэтому можно считать, что функции К (X) для микропрофилей всех сечений одного участка совпадают и можно говорить о СПД микропрофиля данного участка дороги, не указывая, о каком сечении идет речь. Ряд работ отмечают систематическое ухудшение ровности сечений дороги от её оси к обочинам, что вызвано условиями постройки и эксплуатации дорог [23]. При этом СПД претерпевает изменения только в области высоких частот (коротких неровностей). Эти изменения сравнительно малы и ими можно, в первом приближении, пренебречь. Но в принципе этот вопрос требует более тщательного исследования из-за противоречивости получаемых экспериментальных данных.
Для характеристики всей совокупности микропрофилей продольных сечений поверхности дороги кроме функции Кд (X) необходимо задать взаимную корреляционную функцию Rqq(l,B) двух сечений qt(l) и q (I), расстояния между которыми равно В . Более удобно использовать не взаимную корреляционную функцию, а взаимную спектральную плотность К (І,В) этих двух процессов. Часто вместо функции Kqq{l,B) используют функцию когерентности: га,в) каіа.а,в) ы к„,1( в KJX)KQi(X) Klqi(\) (1.18)
Важным свойством дорожной поверхности является то, что как показали экспериментальные исследования [31], с высокой степенью точности можно считать функцию К (Х,В) действительной функцией и принимать, что мнимая составляющая взаимной спектральной плотности равна нулю. Это позволяет формулу (1.18) записать так: Уа,в)=-4 (1.19) Kq,(k) С точки зрения воздействия на конкретное транспортное средство важно знать функциюKq (Х,В) или у(Х,В) для микропрофилей по левой и правой колеям, то есть при конкретном значении В, равном колее АТС. Поэтому в качестве основных характеристик ровности дорожной поверхности берутся СПД полусуммы qcp(l) = 0,5(qn(l) + qJl(l) микропрофилей по левой qjl) и правой qn(l) колеям (средний микропрофиль ) - К (X) и их полуразности (поперечный микропрофиль) qn=0y5(qJl(l)-qn(l))-K (I). Расстояния между колеями берется равным В=1,8 м. Спектральная плотность одного продольного сечения Kqi(X) и функция когерентности рассматриваются как дополнительные оценочные показатели и характеристики микропрофиля поверхности автомобильных дорог. Функции К (X),y(X,B) и функции Kq (Х),К (Х) однозначно связаны друг с другом, поэтому можно считать, что эти оценочные параметры эквивалентны. Связь между ними дается соотношениями: KJ\) = 0,25[KJX) + KJ1)-K /X)-KM/X),\ (1 20) которые при допущении о действительности функций Kq Ck),K (X) и равенстве функции KqJX),Kqn(X) запишутся так:
Влияние сезонных изменений на вторичные статистические характеристики микропрофиля маршрутов
Основным критерием возможности использования технологических машин на грунтах со слабой несущей способностью является проходимость, т.е. способность передвигаться на грунтах различных категорий и состояний с достаточной скоростью и достаточной тяговой способностью. Под проходимостью обычно подразумеваются эксплуатационные свойства [12, 36], характеризующие надежность передвижения машины по опорной поверхности переменного профиля с меняющейся несущей способностью грунта при различных скоростях и нагрузочных режимах движения. В связи с этим рассматривают так называемую профильную проходимость, обусловленную количеством, размерами и видом преодолеваемых препятствий, и опорную проходимость, связанную с особенностями процесса взаимодействия движителя транспортного средства с опорной поверхностью, т. е., как правило, деформируемым грунтом. Таким образом, тягово-сцепные свойства движителя, определяемые характеристиками его взаимодействия с деформируемой опорной поверхностью, сопротивление грунта движению по нему транспортной системы и совокупность энергозатрат, необходимых для надежного функционирования данной машины и выполнения поставленных эксплуатационных задач, являются параметрами, определяющими опорную проходимость вездехода.
Во многих случаях потеря проходимости технологических машин связана с ограниченностью тягово-сцепных свойств его движителя. Отсюда и большинство конструктивных решений при проектировании и создании, например, многоприводных автомобилей направлено, в первую очередь, на улучшение тягово-сцепных свойств, на снижение сопротивления движению. Однако определить влияние различных факторов на тягово-сцепные возможности движителей невозможно без детального рассмотрения процесса их взаимодействия с опорной поверхностью. Как правило, для оценки эффективности каких-либо конструктивных изменений в транспортных средствах высокой проходимости проводятся дорогостоящие сравнительные испытания, связанные с затратой большого труда, времени и средств. Но и эти испытания не могут охватить всех многообразных дорожно-грунтовых условий. Кроме того, с их помощью можно оценить лишь некоторые конструктивные варианты [62,78]. Всестороннюю оценку проходимости проектируемой машины во всем диапазоне предполагаемых условий эксплуатации, а также оптимизацию ее конструктивных параметров можно провести только путем разумного сочетания теоретических методов и результатов научно обоснованных экспериментов.
Для разработки методов оценки опорной проходимости машин необходимо знать механические свойства грунтов, физические процессы, происходящие при взаимодействии с грунтом движителя и построить математические модели этих процессов, позволяющие определить параметры движения в зависимости от механических свойств грунтовых оснований и конструктивных особенностей проектируемых машин.
На ранней стадии развития теории проходимость грунтовых поверхностей оценивалась по глубине колеи и коэффициенту сопротивления качению, получаемых при прокатывании по поверхности эталонного колеса. Причем деформируемость грунта характеризовалась его прессованием в соответствии с уравнением Бернштейна—Летошнева [78]. Однако показатели грунта, входящие в уравнение, как выяснилось при более детальном исследовании процесса взаимодействия, изменяются в зависимости от величины, направления и времени действия нагрузки, от площади и формы прессующей поверхности, т. е. характеризуют не само грунтовое основание, а всю систему прессующее устройство—грунт. Это требовало накопления большого статистического массива данных, получаемых при прокатывании колес на различных грунтах. В результате многочисленных экспериментов было установлено, что грунт под колесом не только проседает, образуя колею, но и сдвигается в горизонтальном направлении, а траектория частиц зависит от буксования колеса. Поэтому при оценке взаимодействия колеса с деформируемой поверхностью потребовалось уточнить траекторию смятия грунта, а в формулу Летошнева вместо глубины колеи ввести длину пути, проходимого частицей грунта (т. е. выражение укороченной или удлиненной циклоиды в зависимости от буксования) [24]. Однако расчет прессования опорной поверхности по траектории частиц лишь косвенно учитывает сдвиг грунта.
Поворот машины сразу усложняет процесс, так как колеса, движущиеся в колее, должны воздействовать на грунт в боковом направлении. Это привело к необходимости учета взаимосвязанных деформаций, обусловленных как прессованием, так и сдвигом грунта. Такая связь устанавливается законом Яноши-Ханамото.
С появлением эластичных типов колес резко усложнились процессы взаимодействия движителя с грунтом, так как оба контактирующих тела обладают сложным характером деформируемости. Однако стремление получить практические результаты привело к тому, что большинство исследователей пошло по пути подбора математических выражений для описания зависимостей, полученных при экспериментальном исследовании взаимодействия с грунтом колес с различными шинами. В результате получены формулы с большим числом эмпирических коэффициентов, зависящих как от вида и состояния грунта, так и от конструкции колеса. Для оценки проходимости колес другого типа требуется вновь определять экспериментально многие коэффициенты, зависящие от движителя и грунта, что приводит к необходимости проведения большего количества экспериментальных работ.
Влияния скорости колеса на тяговые и кинематические характеристики
Для сравнительно однородного маршрута №1 получаем при KqeM(X) = 9,76 10-6(А2 + 2,62) Аг4, = 0,74 м-1 Дтах = 12 м-1, L = 1000 м, D(D qi) = 2,02 мм4. Выборочная дисперсия случайной величины D qi для участков маршрута №1 равна D(D qi) = 36,6 мм , то есть почти в 20 раз больше теоретического значения. Поэтому маршрут №1 следует рассматривать как нестационарный процесс и по этому критерию. Аналогичные выводы получаются и по критерию разности выборочной и теоретической дисперсий случайной величины D qi и для всех рассмотренных маршрутов. Важным является вопрос о том, насколько различных стационарных процессов следует разбить рассматриваемый нестационарный процесс. Для этого нужно знать длину реализации, которую следует считать стационарным процессом, определить, исходя из нее, доверительные интервалы для той или иной характеристики процесса (лучше, естественно для его СПД), а затем разбить весь диапазон на непересекающиеся интервалы, исходя из этого доверительного интервала.
Исследовать стационарность микропрофиля и определить длину реализации стационарного процесса можно также путем оценки средних квадратов линейных преобразований микропрофиля, соответствующих передаточной функции автомобиля [3]. Например, по дисперсиям деформаций рессор или ускорениям масс. Такой экспериментальный анализ применительно к грунтовым дорогам был выполнен в работе [28] Было показано, что разброс в дисперсиях ускорений подрессоренных масс Dz и деформаций рессор DQP при увеличении длины реализации, соответствующей длине участка 300 м, в начале уменьшается (из-за уменьшения погрешности конечной выборки) и достигает минимального значения при его длине 1200-1300 м, а затем начинает увеличиваться (из-за влияния нестационарности процесса). При длинных реализациях, соответствующих длине участка 2000-2500 м, разность в выборочной и теоретической дисперсиях случайной величины Dz и D6p становится существенной и процесс нестационарный. Поэтому для грунтовых профилированных дорог (грейдер) реализация стационарного процесса равна 1200-1300 м. Для асфальта и цементобетонных дорог она, естественно, больше — 2-5 км.
Учитывая полученные данные, длину реализаций стационарного микропрофиля 1 = 2000 м, при уровне значимости равным 0,05 маршрут №1 можно считать нестационарным процессом, «сшитым» из реализаций 5 стационарных процессов (по показателю o"q, crqH), маршрут №2 - из 7, маршрут №3 - из 3 (по показателю Kqe(A, )).
Можно к делению участков маршрута на стационарные процессы подойти с точки зрения из классификации по СПД. Если каждый класс СПД микропрофилей дороги отнести к определенному стационарному процессу, то можно получить количество стационарных процессов из которых состоит микропрофиль всего маршрута. Например, для маршрута № 3 получим не 3, а 2 процесса (классы А и В по второй классификации ИСО). Аналогичное деление можно провести по любому показателю ровности дорожной поверхности, соотнося их значения со значениями, вычисленными на основе классификационных графиков.
Наконец, был предложен упрощенный метод деления участков определенного маршрута на 3 группы участков: с хорошей, средней и плохой для данного маршрута ровностью [33]. Соответственно можно предоставить микропрофиль всего маршрута, «сшитым» из реализации трех стационарных процессов к участкам со средней ровностью относятся участки, для которых показатель ровности (oq, Kqe( ) и т.д.) лежит в диапазоне, вероятность попадания в который равна 0,5 и отсчитываемый от медианы распределения этого показателя. Участки, показатель ровности для которых лежит ниже этого диапазона, относится к ровным, выше - к неровным. Число таких участков составляет по 25% от общего числа участков маршрута. Такой подход оказался оправданным для достаточно однородных маршрутов, составленных из участков дорог близких категорий (например, для маршрутов № 1, № 3 и др.). Подобное деление участков оказалось очень удобным, например, при назначении допустимых скоростей движения АТС на маршрутах.
Итак, микропрофиль маршрутов следует рассматривать, как нестационарный процесс, «сшитый» из реализаций стационарных процессов. Число стационарных процессов зависит от вида маршрута - чем он неоднороднее, тем больше реализаций различных стационарных процессов необходимо брать для образования микропрофиля всего маршрута.
Микропрофиль всего маршрута, кроме гауссовской составляющей, должен включать еще отдельные единичные крупные неровности (препятствия), не вписывающиеся в представление о микропрофиле как о нормальном нестационарном случайном процессе. Но с их учетом микропрофиль маршрута можно представить в следующем виде: N N1 qO qtfUStOM +ZqjOWUjlj+rj) ( где Sj(l, lj, li+i) = 0,5[Sgn(l - lj) - Sgn(l - li+i)] - селектирующая функция [40], N - число однородных участков с регулярным микропрофилем на маршруте, N1 - число неровностей на маршруте, lj - длина і-го однородного участка, lj -длина j-й неровности, 1 при х 0 Sgn(x) = 0 при х = 0 -1 при х 0 Используя селектирующие функции, можно аналогично тому, как включены в микропрофиль маршрута единичные крупные неровности, включить в него периодическую составляющую (стыки плит, пахота, гребенка и т.д.), если она имеется на каком-либо участке маршрута или на всем маршруте.
Вторичные статистические характеристики микропрофилей дорог большой протяженности определяют статистику однородных участков на маршруте (т.е. длину и чередование таких участков на маршруте) и распределения на нем больших единичных неровностей (препятствий).
В первую очередь важно знать распределение на маршруте основной характеристики микропрофилей однородных участков - спектральной плотности дисперсий (СПД) - Kqe(X). Выше было показано, что Kqe(A.) однородных участков дорог (по крайней мере, с одним типом покрытия) имеет устойчивую форму и может быть аппроксимирована одним достаточно общим выражением, включающим несколько коэффициентов: D0 (или Kqe(A,)) - коэффициент, характеризующий общий уровень СПД, коэффициенты А,І5 характеризующие форму Kqe(X) при аппроксимации ее дробно-рациональным выражением, либо коэффициенты п,, характеризующие эту форму при использование аппроксимации для Kqe(X) в виде степенной функции. Это существенно упрощает описание гауссовской составляющей микропрофилей дорог большой протяженности, так как СПД микропрофилей участков описывается ограниченным числом коэффициентов, которые при рассмотрении всего маршрута следует считать случайными величинами. Полная характеристика однородных участков на маршруте тогда может быть задана в виде совместного закона распределения этих случайных величин - /(Do, A,i...Xn), либо /(Kqe(A ), А4...АД либо /(Kqe(A ), пь п2).
Экспериментально показано, что в первом приближении нормированную спектральную плотность микропрофилей однородных участков дорог с одним типом покрытия и приблизительно одинаковой степенью износа можно считать постоянной. В определенной степени именно это обстоятельство привело к рассмотренным выше классификациям участков дорог с твердым покрытием по СПД их микропрофилей. Покажем это на примере СПД микропрофилей участков некоторых маршрутов.
