Районы Крайнего Севера в Российской Федерации и приравненные к ним местности занимают 11 млн кв. км или почти 2/3 территории страны. Эти районы играют исключительно важную роль в национальной экономике и обороноспособности, обеспечении геополитических и стратегических интересов России. Здесь сосредоточены основные запасы природных ресурсов, добыча и переработка которых является важнейшей составной частью экономики и основой экспортного потенциала государства. Большинство видов профильной продукции Севера безальтернативно с позиции их возможного производства в других районах страны и приобретения по импорту.
Болота, сильное обводнение грунтов затрудняют строительство автомагистралей с твердым покрытием. По этим причинам почти весь (значительный) объем перевозок выполняется в зимнее время по неподготовленной местности или по временным (односезонным) автомобильным дорогам – автозимникам.
Возрастающая потребность в увеличении интенсивности транспортного потока (в ряде регионов – до 200 тыс. тонн-нетто в год) ведет к поискам путей снижения эксплуатационных затрат (уменьшении энергозатрат) на передвижение по автозимникам, характеризующимся частыми снежными заносами (по заснеженной местности).
В научно-технической литературе, посвященной анализу передвижения транспортно-технологических машин по снегу, есть один существенный недостаток. Рассматривая возможность движения по снегу, исследователи ограничиваются максимальными преодолеваемыми глубинами снежного покрова. При этом делается вывод, что некая конкретная машина едет по снегу определенной плотности и определенной глубины. Но никто не говорит о том, а нужны ли такие показатели проходимости.
В действительности необходимо опираться на статистические данные гидрометеорологических станций. В результате обработки этих данных могут быть получены следующие необходимые параметры [13, 15]:
1. Значения глубины залегания снежного покрова в зависимости от продолжительности установившегося снежного покрова.
2. Значения плотностей снежного покрова в зависимости от продолжительности залегания установившегося снежного покрова.
3. Продолжительность залегания установившегося снежного покрова.
4. Сроки начала установившегося снежного покрова.
Зная статистические характеристики снега: плотность и глубину залегания в течение года, а также продолжительность и сроки начала сезона в разных районах рассматриваемой территории, по известным зависимостям [12, 14] можно получить параметры, необходимые для оценки подвижности, проходимости и эффективности функционирования колесных машин [4–12].
Под эффективностью следует понимать обобщающий показатель, характеризующий отношение результатов деятельности к затратам на их получение. Принимая во внимание, что создание энергоэффективной техники соответствует приоритету развития науки и техники Российской Федерации (Федеральный закон от 28.09.2010 г. № 244), проводимое исследование является актуальным.
Рациональным критерием оценки эффективности колесных машин (КМ) при движении по снегу является показатель, определяемый как отношение транспортной производительности к соответствующей входной мощности системы:
где mГ – масса перевозимого груза; V – скорость транспортного средства; Pe – потребная мощность двигателя машины.
Показатель эффективности характеризует, насколько меньше потребная мощность двигателя у более эффективной машины из двух машин с одинаковой производительностью. Таким образом, на стадии проектирования конструктор в зависимости от условий эксплуатации должен выбрать такую конфигурацию конструкции машины (рис. 1), которая обеспечит заданную производительность при минимальном потреблении энергии.
Рис. 1. Блок-схема выбора эффективной конструкции машины [9]
Наибольшее значение для колесных машин на показатель эффективности имеют параметры движителя. На рис. 2 представлены результаты теоретических исследований эффективности колесных машин одинаковой грузоподъемности на базе автомобиля ГАЗ-66 с различными пневмоколесными движителями. Рассматривались ГАЗ-66, ЗВМ-3966 [1–3] и гипотетический образец КМ на арочных шинах я-186 (1300×750) при различной высоте снежного покрова. Анализ результатов расчетов показывает, что автомобиль ГАЗ-66 на шинах КИ-115А превосходит по показателю эффективности сравниваемые машины при движении по снегу глубиной до 40–45 см. Вездеходное транспортное средство ЗВМ-3966 «СИВЕР» [1–3] обладает значительным преимуществом перед КМ на шинах я-186 вплоть до глубины снега 60–65 см.
Рис. 2. Сравнение эффективности автомобилей ГАЗ–66, ЗВМ-3966 и гипотетический образец КМ на шинах я-186 на различной высоте снежного покрова (крайнее фото на рисунке – АПП «Крепыш» на арочных колесах я-170)
Рассмотрим физический смысл показателя эффективности на примере (рис. 3 и 4).
Рис. 3. Гистограмма эффективности колесных машин при движении по снегу различной глубины
Рис. 4. Гистограмма потребной мощности колесных машин при движении по снегу различной глубины
На глубине снега 0,25 м транспортная эффективность ГАЗ-66 выше, чем у ЗВМ-3966 на 1,3 (рис. 3). При этом потребная для движения в данных условиях мощность автомобиля ГАЗ-66 (со скоростью V = 8 м/c) составляет 29,62 кВт, что на 9,62 кВт меньше, чем у сравниваемой КМ (рис. 4). На глубине 0,5 м значения показателей эффективности следующие (при V = 8 м/c): ηэфф (ГАЗ-66) = 1,3; ηэфф (ЗВМ-3966) = 2. Величины потребной мощности при H = 0,5 м составляют 120,74 кВт для ГАЗ-66 и 78,48 кВт для ЗВМ-3966. Разница в потребных мощностях составляет 42,26 кВт, что при удельном расходе топлива ge = 286,00 г/кВт·ч будет равно путевому перерасходу топлива в 51,2 л/100 км.
Более подробно влияние параметров движителей на эффективность рассмотрено в работах [5, 8–10]. Также при анализе эффективности транспортных средств сначала необходимо исследовать зависимости между мощностью и полной массой машины, массой перевозимого груза и полной массой машины.
На основании анализа существующих транспортных машин для северных автоперевозок можно заключить, что данные о соотношении мощности двигателя и полной массы машины (рис. 5, а), а также данные о соотношении массы перевозимого груза и полной массы машины (рис. 5, б) могут быть аппроксимированы линейными зависимостями.
а 
б 
Рис. 5. Результаты анализа существующих транспортных машин для северных автоперевозок: а – зависимость мощности двигателя от полной массы машин; б – зависимость между полной массой машины и массой перевозимого груза
На основании анализа был сформирован ряд гипотетических образцов автомобилей со следующими основными параметрами:
1) полная масса ma = 2,5 т, максимальная мощность двигателя Pe = 65 кВт;
2) полная масса ma = 6,5 т, максимальная мощность двигателя Pe = 90 кВт;
3) полная масса ma = 11 т, максимальная мощность двигателя Pe = 150 кВт;
4) полная масса ma = 16 т, максимальная мощность двигателя Pe = 210 кВт.
В соответствии с этим можно проводить поиск рациональных (с точки зрения эффективности) параметров движителей по категориям полных масс колесных машин, а не по их классам грузоподъемности, а в качестве характеристик энергетических установок брать усредненные для каждой категории мощности двигателей машин и на основании этих данных получать скоростные характеристики.
На рис. 6 представлены примеры поверхностей, характеризующих изменение эффективности в зависимости от диаметра колеса при разных коэффициентах ширины шины. Данный подход позволяет охватить весь диапазон возможных конструкционных параметров пневмоколесных движителей.
Выводы
Разработана методика выбора конструкционных параметров движителей на основе расчетной оценки эффективности движения колесных машин по снегу. В качестве критерия оценки эффективности колесных машин при движении по снегу выбран показатель, определяемый как отношение транспортной производительности к соответствующей потребной мощности двигателя.
Проведены расчетные исследования по оценке влияния параметров пневмоколесных движителей на показатели эффективности машин при движении по снегу, по результатам которых выданы рекомендации по выбору целесообразных геометрических параметров с точки зрения повышения эффективности исследуемых классов машин, сведенные в табл. 1. Установлено, что для каждого из исследуемых классов КМ существует высота снежного покрова H, после которой увеличение размеров шины ведет к повышению эффективности ηэфф, т.е. при данной высоте снега большей эффективностью обладает колесная машина с более высокими показателями проходимости. Причем наблюдается некоторая закономерность смещения этой высоты снега в сторону увеличения при уменьшении плотности снега и при увеличении массы машины.
а 
б
Рис. 6. Поверхности, характеризующие изменение эффективности ηэфф КМ (ma = 16 т) в зависимости от диаметра колеса D при движении по снегу-1: а – высотой H = 0,60 м; б – высотой H = 0,4 м
Рекомендации по выбору параметров движителей с точки зрения эффективности
|
Масса машины, т |
Высота снега, м |
Наружный диаметр, м |
Коэффициент ширины B/D |
Показатель эффективности, ηэфф |
|
2,5 |
0,20–0,25 |
0,85…1,1 |
0,25…0,35 |
2,5…2,8 |
|
0,45–0,50 |
≥ 1,2 |
≥ 0,35 |
1,2…1,4 |
|
|
6,5 |
0,20–0,25 |
≤ 1,2 |
≤ 0,35 |
6,2…6,4 |
|
0,45–0,50 |
1,1…1,6 |
0,30…0,40 |
2,2…2,5 |
|
|
0,65–0,70 |
≥ 1,4 |
≥ 0,38 |
1,2…1,4 |
|
|
11 |
0,20–0,25 |
≤ 1,1 |
≤ 0,25 |
7,2…7,4 |
|
≤ 0,40 |
1,1…1,25 |
0,25…0,40 |
3,0…3,2 |
|
|
0,50–0,55 |
≥ 1,15 |
0,28…0,38 |
2,0…2,2 |
|
|
0,65–0,70 |
≥ 1,30 |
≥ 0,35 |
1,4…1,6 |
|
|
16 |
≤ 0,40 |
1…1,25 |
0,25…0,35 |
5,3…5,6 |
|
0,50–0,55 |
1…1,40 |
0,25…0,40 |
3,6…3,8 |
|
|
0,65–0,70 |
≥ 1,30 |
≥ 0,30 |
2,0…2,2 |
Исследования проведены при поддержке грантов Президента РФ № 14.124.13.1869-МК «Разработка метода повышения эффективности использования транспортно-технологических машин в зимний период на основании экспериментально-теоретических исследований».
Рецензенты:
Молев И.Ю., д.т.н., профессор кафедры «Строительные и дорожные машины», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород,
Шапкин В.А., д.т.н., профессор кафедры «Строительные и дорожные машины», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.
Работа поступила в редакцию 23.09.2013.