Гаврилов Э.В., Гридчин А.М., Ряпухин В.Н. Системное проектирование автомобильных дорог (часть I)

Подождите немного. Документ загружается.

проектировании отдельного маршрута (отдельной автомобильной дороги).

Не менее важной проблемой системного проектирования является

установление всех возможных последствий строительства сети автомобильных

дорог. Наиболее опасным результатом может стать угроза экосфере. Эта

опасность заставляет обратить внимание на то, что сеть автомобильных дорог

должна рассматриваться в связи с экосферой, а критерии оптимальности

начертания сети должны включать признаки взаимодействия дороги с экосферой.

В соответствии с принятой в настоящее время методикой сравнения

вариантов за критерий оптимальности начертания дорожной сети принимают

минимум приведенных строительных и эксплуатационных затрат. В последние

годы делаются попытки перехода к критериям минимума загрязнения

окружающей среды (Я.В. Хомяк) или максимальной продолжительности

совместного существования автомобильной дороги и экосистем (Э.В. Гаврилов,

И.Э. Линник). В настоящее время еще нельзя с полной определенностью

высказаться о преимуществах какого-либо из них из-за недостаточной

разработанности методом проектирования по экологическим критериям. Но

выявление и определение возможных критериев имеет более важное значение,

чем возможность их выполнения, поскольку адекватный комплекс критериев

позволяет определить недостатки проектирования и служить существенным

фактором прогресса.

Проектирование начертания дорожной сети в существующей методологии

ведут, не учитывая влияния рельефа и ситуации местности. В результате

формируется сеть воздушных линий, которая дает ориентировку для выбора

направления отдельных дорог. Согласно методу Я.В. Хомяка проектирование

сети ведут в несколько этапов:

1) Выбор основной схемы связей между корреспондирующими грузо-

образующими пунктами, которая удовлетворяет требованию наименьшей

суммарной протяженности. Это обеспечивает минимальные затраты на

строительство.

2) Уточнение первоначально намеченной сети путем введения

дополнительных звеньев для удовлетворения критерия минимума приведенных

дорожнотранспортных затрат на перевозки.

3) Окончательная корректировка намеченной сети путем уточнения мест

примыканий и разветвлений дорог.

Решение задачи начинают с построения кратчайшей связывающей сети

дорог, т.е. такой сети воздушных линий, которые соединяют все

грузообразующие и грузопоглащающие точки при наименьшей приведенной

длине сети. Для отбора звеньев в кратчайшую связывающую сеть используется

показатель l/ Q , который представляет собой длину участка дороги,

приходящуюся на 1т перевозимого груза. Этот показатель назван приведенным

расстоянием. В принципе имеется возможность приближенного учета при

проектировании особенностей рельефа введением в значение величины

расстояния l поправочного коэффициента на удлинение трассы.

Расчет оптимального начертания сети ведется на основе данных о грузовых

перевозках между корреспондирующими пунктами.

На карте местности наносятся корреспондирующие точки и связи между

ними по воздушным линиям. Затем выбирается точка, к которой тяготеют

наиболее интенсивные грузопотоки. Для этой точки по каждой связи вычисляют

приведенные расстояния. Связь, имеющая минимальное приведенное расстояние,

образует первое звено отыскиваемой кратчайшей связывающей сети. В

дальнейших расчетах точки, объединенные первым звеном, больше не

рассматриваются и учитываются только грузы, поступающие из них в другие

точки.

Затем рассчитываются приведенные расстояния для второй точки звена.

Определяется новая связь, имеющая минимальное приведенное расстояние. Эта

связь включается в сеть дорог. Расчеты повторяются для всех последующих

точек.

По полученной схеме начертания сети рассчитывается приведенная

стоимость перевозок, учитывающая транспортные и строительные расходы. На

основе логических соображений в сеть вводятся дополнительные звенья,

уменьшающие приведенную стоимость. В результате получается сеть дорог, на

которой ее участки сопрягаются в грузообразующих точках.

Далее полученная сеть уточняется путем нахождения оптимальных мест

примыкания и разветвлений дорог. В роли критериев оптимальности

используются приведенная стоимость строительства, минимум работы или затрат

времени на перевозки.

При этом решаются следующие задачи:

1) Нахождение точки примыкания подъездного пути к дороге более высокой

категории, (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Расчетная схема для определения оптимального угла

примыкания дороги.

Угол примыкания дороги определяется по условию минимума затрат

времени на перевозки по формуле

cos

()

,α=

−

vN N

п Bc

м Bc

где v

, v

– скорости движения по магистральной дороге (участок ВС) и

примыкающей дороге (участок АО) соответственно;

– интенсивность движения из точки А в точку В;

– интенсивность движения из точки А в точку С.

2) Нахождение точки соединения дорог, связывающих три пункта, (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Расчетная схема для нахождения точки соединения дорог,

связывающих три пункта.

Для нахождения этой точки внутри треугольника MNC поступают

следующим образом.

Из каждого грузообразующего пункта отыскивается направление

подъездного пути к дороге, соединяющей два остальных пункта по методике

отыскания оптимального угла примыкания дороги. Пересекаясь, подъездные пути

образуют так называемый "треугольник погрешностей", в котором при

трассирования с учетом местных условий выбирают положение точки соединения

дорог.

3) Определение места разветвления дороги, (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 – Расчетная схема для определения точки разветвления

дороги.

Эту задачу можно рассматривать как определение такого положения

магистрального участка АО, при котором направления ответвлений в точке В и

С удовлетворяют требованиям к углам примыкания установленным выше.

Положение места разветвления дорог на плане определяют, отложив из какой-

либо точки прямой линии под углами

αα

и таким образом, чтобы они прошли

через точки А, В и С.

4) Нахождение направления магистрального подъездного пути,

обслуживающего несколько грузообразующих пунктов, (рисунок 7).

Рисунок 2.7 – Расчетная схема нахождения магистрального подъездного пути.

Положение магистрального подъездного пути находят графическим

способом построения силового многоугольника. Интенсивность движения между

каждой грузообразующей точкой (С, Д, И, К) и центром в точке А

рассматривается как вектор, направленный по прямой, соединяющей эти точки.

Замыкающая силового многоугольника является равнодейст-вующей,

показывающей направление основной магистрали. Примыкания отдельных

подъездных путей к магистральному решаются описанным выше способом.

Запроектированная сеть автомобильных дорог по воздушным линиям, в

соответствии с методом последовательного улучшения решений, требует

дальнейшей корректировки с учетом рельефа местности, различных природных

препятствий, требований ландшафтного проектирования, снегозаносимости,

защиты окружающей среды и т.д.

Корректировка ведется по каждой конкретной связи, по каждой дороге.

Начинают корректировки с учета контрольных точек и препятствий.

К контрольным точкам относятся согласованные места пересечений с

железными и автомобильными дорогами, места пересечения больших водотоков,

горные седловины, а также используемые участки существующих дорог.

Различают контурные и высотные препятствия. К первым относятся

излучины рек, населенные пункты, озера и болота, места с неблагоприятными

почвенными и геологическими условиями, заповедники, сельскохозяйственные

угодья и т.п. Ко вторым относятся – горные хребты, отдельные возвышенности,

глубокие и широкие котловины.

Особое внимание при корректировке проложения трассы уделяется

требованиям защиты окружающей среды. Постройка дороги вносит большие

изменения в экологическом равновесии природы и хозяйственную жизнь района

ее проложения. К ним относятся изменения водно-теплового режима, загрязнение

водоемов, почв и воздуха, активизация оползневых процессов, развитие

заболачивания местности или осушение болот, перераспределение зон обитания

животных, птиц и насекомых, шумовое загрязнение среды и т.д. С другой

стороны, продуманная стройка дороги может существенно улучшить местность

осушением болот, созданием водохранилищ, закреплением песков, повышением

устойчивости склонов, предохранением почв от эрозии, ликвидацией отходов

местной промышленности путем использования их в качестве строительного

материала и др. Поэтому при корректировке проложения трассы дороги не

следует исходить из крайних позиций – либо защитить природу от воздействия

дороги, либо защитить дорогу от природы.

Строительство дороги есть деятельность человека по преобразованию

природы, направленную на ее ассимиляцию (усвоение). За счет этого расширяется

область обитания человека, а следовательно, и способность его к выживанию.

Поэтому исходя из инстинкта самосохранения, человечество не может прекратить

полностью деятельность по преобразованию природы. Дороги или другие

технические сооружения будут без сомнения строиться и дальше. Исключить

антропогенное воздействие на природу полностью нельзя. Избежать воздействие

можно лишь в том случае, если человек научится приспосабливаться к любым

природным условиям, изменяя самого себя (средствами генной инженерии).

Это далекая перспектива. В настоящее время нужно исходить из разумного

компромисса. Преобразование природы должно быть разумным. Поэтому, с

нашей точки зрения, строящаяся дорога должна включаться в экосистемы как

составная часть, не прерывая кругооборот веществ, энергии и информации в этих

системах. Основным критерием при корректировке направления трассы должен

быть признак биосовместимости дороги.

2.3 Обеспечение заданной эффективности функционирования

автомобиля

2.3.1 Основы тяговых расчетов автомобилей

Механическая энергия, вырабатываемая движением автомобиля, передается

через трансмиссию на ведущие колеса, вызывая появление пары сил, одна из

которых тяговое усилие (сила тяги Р

) расходуется на преодоление сил

сопротивления движения. В общем случае ускоренного движения на подъем на

автомобиль будут действовать следующие силы:

– сопротивление качению (трение качения) (Р

)

– сопротивление движению на подъем (Р

)

– аэродинамическое сопротивление воздушной среды (Р

)

– инерционные силы самого автомобиля и вращающихся масс, возникающие

при изменении скорости (Р

Силы сопротивления качению и воздушной среды всегда действуют на

движущийся автомобиль, в то время как сила сопротивления движению на подъем

и силы инерции в зависимости от характера продольного профиля и режима

движения могут либо вообще отсутствовать (i = 0‰, V= const) либо могут иметь

отрицательный знак и способствовать движению (движение на спуске,

торможение автомобиля).

Условие равенства внешних и внутренних сил может быть представлено в

виде уравнения движения автомобиля:

PPPPP

pfiwj

=±+±.

Сила тяги (Р

) обусловлена наличием на ободе ведущих колес крутящего момента

(М

Двигатель автомобиля развивает эффективную мощность N

(Вт), ко-торая

создает на коленчатом валу крутящий момент M

=⋅, ( Нм)

где N

– мощность двигателя (Вт),

– число оборотов коленчатого вала в минуту.

Крутящий момент через главную передачу и дифференциал подается на

полуоси автомобиля, создавая на ведущих колесах крутящий момент

MMii

к e к o

=η

где М

– крутящий момент на коленчатом валу,

– передаточное число коробки передач,

– передаточное число главной передачи,

– к.п.д. трансмиссии (для грузовых автомобилей и автобусов

η = 0,8

0,85; для легковых автомобилей η = 0,85

0,90).

Крутящий момент колеса (М

) вызывает появление пары сил. Одна из них

окружная сила (Р

) – сила тяги автомобиля и равная ей, но направ-ленная в

обратную сторону сила реакции дороги

Рисунок 2.8

Силу тяги (Р

) через крутящий момент можно определить из выражения

, (в Н)

где r

– деформированный радиус колеса (радиус качения ведущих колес с

учетом обжатия шины в зоне контакта с покрытием)

=⋅λ

λ – коэффициент деформации шины, на твердой поверхности составляет

0,945 ÷ 0,95 для шин высокого давления

0,93 ÷ 0,935 для шин низкого давления (до 2,5МПа)

Тяговое усилие через крутящий момент на коленчатом валу двигателя

Mii

e к o

=⋅η, (в Н)

может быть преобразовано к виду

Nii

e к o

e к

=⋅716 2,,η (в Н).

Сопротивление качению (Р

) вызывается затратой мощности на деформацию

дороги и шины, на преодоление трения между шиной и дорогой, потерей

мощности при ударах колес на неровностях дороги и на трение в подшипниках

ведомых колес.

Сопротивление качению

PGf

fii

∑

где G

– нагрузка на дорогу от отдельных колес (Н),

– соответствующие коэффициенты сопротивления качению.

Коэффициент сопротивления качению зависит от механических свойств

колеса, свойств и состояния покрытия и скорости движения.

Коэффициент f тем меньше, чем больше жесткость дороги и шины, и

наоборот, чем больше реакция в жесткости шины и поверхности дороги. Поэтому

на жестких покрытиях давление в шинах должно быть больше, а на

легкодеформируемых – меньше.

По данным профессора А.К. Бируля

f S V

=+ ⋅001 10

,,λ

где V – скорость движения,

– показатель ровности покрытия,

– коэффициент ходовой части автомобиля (для легковых автомобилей

= 4,0 ; для грузовых –

= 5,5.)

Коэффициент сопротивления качению f для различных типов покрытий при

скоростях до 50 км/ч можно считать постоянным. Величина его была установлена

экспериментально (табл. 2.4).

Таблица 2.4 Экспериментальные значения коэффициента f

Покрытие Коэффициент

сопротивления качению f

Цементобетонное и асфальтобетонное

из щебня или гравия, обработанное

органическими вяжущими

0.01 – 0.02

0.02 – 0.025

Щебеночные 0.03 – 0.05

Булыжная (колотая) мостовая 0.04 – 0.05

Грунтовые ровное сухое 0.04 – 0.05

Грунтовые неровные с увлажнением 0.07 – 0.15

Сыпучие пески 0.15 – 0.3

При скоростях, близких к расчетным, для дорог с твердой, ровной

поверхностью можно принимать, что коэффициент сопротивления качению

подчиняется зависимости

ff V

=+ −

(,( ))1 0 01 50

либо

f f V

=+⋅

−

(, ),14510

где f

– коэффициент сопротивления качению при скоростях до 50 км/ч.

Сопротивление движению на подъеме с уклоном i создается в результате

необходимости дополнительных затрат энергии на перемещение автомобиля по

наклонной поверхности на некоторую высоту Н. Для перемещения автомобиля

весом G на участке дороги длиной L на высоту Н нужна работа по

преодолению силы тяжести

А = G

⋅

На единицу пути сопротивление движению на подъем будет равно

i отсюда P

≈=⋅Gi.

Сопротивление воздушной среды Р

слагается из давления встречной массы

воздуха, разряжения воздуха за автомобилем, трения воздуха о кузов и

завихрения воздуха под кузовом и автомобилем. Аэродинамическое

сопротивление воздушной среды тем больше, чем больше лобовая площадь

автомобиля и скорость движения.

Суммарная сила сопротивлению воздуха движению автомобиля (в Н)

выражается формулой аэродинамики

KFV

где К – коэффициент сопротивления воздуха равный произведению

плотности воздуха ρ на коэффициент обтекаемости автомобиля С (К=Сρ),

F – лобовая площадь автомобиля приближению равна 0,8 ВН для легковых

автомобилей и 0,9 ВН для грузовых автомобилей ,

В – ширина,

Н – высота автомобиля,

V – скорость движения автомобиля относительно воздушной среды.

Значения коэффициента сопротивления воздуха К устанавливаются на

основе лабораторных и дорожных испытаний (табл. 2.5).

Таблица 2.5 Экспериментальные значения коэффициента К

Автомобиль K (н с

/м

)F (м

)

Грузовой 0.6 – 0.7 3 – 7

Автобус с кузовом вагонного типа 0.15 – 0.30 4.5 – 7.0

Легковой 0.15 – 0.30 1.4 – 2.6

Спортивный, гоночный 0.1 – 0.15 1.0 – 1.5

Сила сопротивления инерции Р

возникает при изменении его скорости

движения автомобиля и слагается из сил инерции поступательного движения и

инерционных моментов вращающихся частей автомобиля. Влияние инерции

вращающихся частей автомобиля учитывается введением поправочного

коэффициента

вк

,,=+⋅104

где n – коэффициент равный для легковых автомобилей 0,03 − 0,05 для

грузовых автомобилей 0,05 – 0,07

– передаточное число коробки передач.

При массе автомобиля m =

и скорости V сила сопротивления инерции

определяется из выражения