Оценка эффективности функционирования системы водитель-автомобиль-дорога-среда по энергетическим показателям

Сегодня очевидна взаимосвязь между эффективностью системы ВАДС и многими отраслями и сферами человеческой деятельности. В горных и высокогорных условиях Республики Таджикистан автомобильный транспорт занимает доминирующую позицию в единой транспортной системе, на долю которого приходится свыше 95 % грузо- и пассажироперевозок. В данных условиях трудно преувеличить значимость эффективности функционирования системы ВАДС как основного фактора формирования развития народного хозяйства страны.

Освоение горных и предгорных территорий, использование огромных природноэкономических ресурсов, приобретение транспортной и экономической независимости в Республике Таджикистан во многом зависит от выбора приоритетов экономических стратегий роста. Этим приоритетным направлением, с учетом специфичности географического расположения страны, должен стать автомобильный транспорт. Достижение сбалансированного развития наци- ональной экономики возможно при более высоких темпах роста автотранспортного производства [1–4].

Горные условия функционирования системы ВАДС отличаются суровостью, обусловленной жарким и сухим климатом в летние месяцы, а также низкой, а местами очень низкой температурой воздуха и обилием осадков зимой. Особой суровостью отличаются климатические условия функционирования системы ВАДС в горных карьерах строительства гидротехнических сооружений (ГТС).

В системе ВАДС при прочих равных условиях автомобильная дорога является доминирующим элементом (фактором), формирующим эффективность ее функционирования. Это вдвойне значимо для условий эксплуатации большегрузных автомобилей в горных карьерных дорогах.

Подходы и методы исследования

В качестве новизны статьи можно отметить следующие моменты:

• ˗    дано определение эффективности функционирования системы ВАДС с энергетической точки зрения;

• ˗    разработаны математические модели для оценки энергетической эффективности функционирования системы ВАДС для горных условий строительства ГТС в относительных единицах, а также по линейному расходу топлива;

• ˗    уточнены значения коэффициентов, входящих в математические модели для оценки энергетической эффективности функционирования системы ВАДС для горных условий строительства ГТС.

С точки зрения энергетической теории эффективность функционирования системы ВАДС – это показатель, тесно связанный с процессом преобразования механической работы, выработанной на валу двигателя и передаваемой через трансмиссию к колесам управляемого водителем автомобиля, между его шиной и поверхностью дороги, осуществляемой в данной среде эксплуатации.

Следовательно, чем больше выработанная на валу двигателя механическая работа преобразуется в тяговую мощность автомобиля, тем выше энергетическая эффективность функционирования системы ВАДС.

Следует отметить, что система ВАДС ранее применялась по отношению к безопасности дорожного движения. Сегодня не менее важным и актуальным является использование системы ВАДС для решения вопросов эффективности транспортного процесса.

До сих пор при оценке эффективности функционирования системы ВАДС по энергетическому показателю применялись методы, основанные на оценке эффективности отдельных элементов системы. Само собой разумеется, что при оценке эффективности функционирования системы ВАДС или другого показателя, относящегося к системе, верным направлением является комплексная оценка или же применение системного подхода в решении подобных задач. Для оценки эффективности системы ВАДС целесообразно придерживаться следующей последовательности (крупный план исследований):

• –    изучение особенностей функционирования отдельных элементов системы ВАДС и оценка их эффективности в горных условиях;

• –    изучение особенностей функционирования системы ВАДС в целом и комплексный анализ ее эффективности в горных условиях;

• –    оценка эффективности функционирования системы ВАДС с учетом эффективностей отдельных ее элементов;

• –    обоснование нагрузочных и скоростных режимов работы автомобиля, обеспечивающих эффективность функционирования системы ВАДС с учетом особенностей условий эксплуатации;

• –    применение энергетического подхода при оценке эффективности функционирования системы ВАДС.

В зависимости от поставленной задачи эффективность функционирования системы ВАДС можно оценить по ряду признаков, среди которых наиболее существенными являются следующие:

• –    по энергетическому признаку – энергетическая эффективность функционирования системы ВАДС;

• –    по признаку надежности элементов системы – эффективность надежности функционирования системы ВАДС;

• –    по экологическому признаку – экологическая эффективность функционирования системы ВАДС;

• –    по экономическому признаку – экономическая эффективность функционирования системы ВАДС;

• – по признаку безопасности – эффективность безопасного функционирования системы ВАДС;

  – по эргономическому признаку – эргономическая эффективность функционирования системы ВАДС и др.

Для решения вопросов эффективности транспортного процесса более универсальным и обобщенным методом можно считать оценку эффективности функционирования системы ВАДС по энергетическому признаку.

Энергетическая эффективность функционирования системы ВАДС слагается из энергетической эффективности преобразования тепловой энергии в механическую работу в ДВС, энергетической эффективности преобразования энергии и передачи ее по трансмиссии, энергетической эффективности преобразования энергии между колесом автомобиля и поверхностью дороги, а также энергетической эффективностью, связанной с деятельностью водителя и прочих преобразований энергий, связанных с функционированием системы ВАДС (рис. 1).

Рис. 1. Схема оценки энергетической эффективности функционирования системы ВАДС

При этом важным этапом преобразования энергии или работы между элементами системы ВАДС выступает автомобильная дорога, которая характеризуется категорией, типом дорожной одежды, коэффициентами сцепления и сопротивления качению, неровностью и шероховатостью поверхности дороги, геометрией дороги и погодными условиями [5–8].

Подходы и методы исследования

Эффективность функционирования системы ВАДС Э ВАДС по энергетическому показателю можно выразить как сумму

ЭВАДС = Qo - (ЭЭМ + ЭЭТ + ЭЭД + ЭЭВ + ЭЭП)’ Дж / с (1) где Qо – общее количество тепловой энергии, введенной в двигатель с топливом (суммарная энергия, преобразуемая и передаваемая в системе ВАДС, или суммарная энергетическая эффективность сгорания топлива), Дж/с; ЭЭМ – потери тепловой энергии сгорания топлива в ДВС (снижение уровня суммарной энергетической эффективности при преобразовании тепловой энергии сгорания топлива в механическую работу в ДВС), Дж/с; ЭЭТ – потери энергетической эффективности системы ВАДС при передаче от вала двигателя к колесам через трансмиссии автомобиля, Дж/с; ЭЭД – потери энергетической эффективности системы ВАДС в контакте автомобильной шины с поверхностью дороги, Дж/с; ЭЭВ – потери энергетической эффективности в си- стеме ВАДС, связанной с деятельностью (мастерством) водителя, Дж/с; ЭЭП – потери энергетической эффективности, связанной с прочими преобразованиями энергии на автотранспорте, Дж/с.

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом определяется из уравнения внешнего теплового баланса двигателя

Q o = Q e + Q r + Qb + Qh .с + Q ocm. = Н и " G m /3,6, кДж I C ,                           (2)

где Q е – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя, кДж/с; Q г – теплота, потерянная с отработавшими газами, кДж/с; Q в – теплота, передаваемая охлаждающей среде, кДж/с; Q н.с . – теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива, кДж/с; Q ост. – неучтенные потери теплоты; кДж/с; Н и – низшая теплота сгорания, МДж/кг, [9]; G т – часовой расход топлива, кг/ч.

Значение абсолютных значений составляющих теплового баланса позволяет осуществить количественную оценку распределения теплоты в двигателе. Если же необходимо сравнить распределение теплоты в различных двигателях или оценить степень теплоиспользования конкретного двигателя, то составляющие теплового баланса удобнее представлять в относительных величинах, например, в процентах по отношению ко всей теплоте, подведенной с топливом qo = qe + qr + qe + qH. c + qocm. = юо%.                                                  (3)

С учетом уравнения (3) выражение (1) можно переписывать в виде

Э ВАДС = q o - ( Э эм + Э эт + Э эд + Э эв + Э эп ),  %.                                     (4)

Эффективность функционирования системы ВАДС постепенно снижается, начиная с вала двигателя, до контакта автомобильного колеса с поверхностью дороги и далее в процессе управления автомобиля водителем, а также под действием прочих факторов, учитывать каждого из которых в отдельности не представляется целесообразным из-за их малой значимости. Следовательно, энергетическую оценку эффективности функционирования системы ВАДС практичнее вести поэтапно согласно схеме, представленной на рис. 1.

Первый этап снижения или потери энергетической эффективности системы ВАДС связан с преобразованием тепловой энергии сгорания топлива в механическую работу в ДВС. Уровень снижения энергетической эффективности системы ВАДС на данном этапе определяется из выражения

Э эм = q o "^пе , % ,                                                                              ⁽⁵⁾

где η е – эффективный КПД ДВС, для современных дизелей без турбо наддува принимается равным η е = 0,35... 0,40, с турбо наддувом η е = 0,45... 0,50 [9, 10].

Следующий этап снижения или потери энергетической эффективности системы ВАДС связан с передачей энергии от коленчатого вала двигателя к колесам автомобиля, т. е. с потерей энергии на трансмиссии. Уровень энергетической эффективности в системе ВАДС на данном этапе, с учетом ее потери при преобразовании в ДВС и передаче от двигателя к колесам, т. е. совместные потери в ДВС и трансмиссии автомобиля определяется из выражения

Э эт = q o ' ^птр = q o ' ^пе ' ^птр ,   % ,                                                          ⁽⁶⁾

где η тр – КПД трансмиссии.

Движение автомобиля сопровождается преобразованием значительного количества энергии в контакте автомобильной шины с поверхностью дороги, существенно снижая уровень энергетической эффективности в системе ВАДС на очередном этапе. Уровень энергетической эффективности в системе ВАДС на данном этапе, т. е. после преобразования энергии в контакте автомобильной шины с поверхностью дороги определяется из выражения

Э эд = Э эт ' kdop = q o "^пе ' ^птр ' kdop ,   % ^{.                                                   (7)}

Коэффициент энергетической эффективности дороги предлагается определить по выражению kdop =1 - kd                                                                            (8)

где k d – динамический коэффициент, учитывающий сложность условий эксплуатации, значение которого зависит от состояния дорожного полотна, геометрии дороги, интенсивности движения, соотношения установившегося и неустановившегося режимов движения и т. д. (для условий строительства ГТС в горных условиях можно принимать k d = 0,12... 0,13) [11–14].

С учетом выражения (8) формулу (7) можно переписывать в виде

Э эд = Э эт ' ^кдор = q o ' ^пе ' ^птр ' ^{(1 —} k d )’  %•                                               (9)

Другим этапом снижения энергетической эффективности системы ВАДС является этап преобразования энергии, связанный с деятельностью водителя, вернее взаимодействием автомобиля, дороги и водителя [15–20]. Уровень энергетической эффективности в системе ВАДС на данном этапе можно представить в виде

Э эв = Э эт " ^кв ,  %,                                                                       (10)

где k в – коэффициент энергетической эффективности водителя.

С учетом выражения (9) формулу (10) можно переписывать в виде

Э эв = q o ' ⁿ e ' ^п тр ' ⁽¹ - ^k d ) ' ^к в ,   %•                                                           ⁽¹¹⁾

По результатам многолетних исследований, проведенных авторами, установлено, что значение коэффициента энергетической эффективности водителя варьируется в довольно широких пределах, т. е. k в = 0,82... 0,96. Для горных условий строительства ГТС значение коэффициента энергетической эффективности водителя можно принимать равным k в = 0,86... 0,94. Достаточно высокое значение коэффициента энергетической эффективности водителя связано с тем, что водители большегрузных автомобилей-самосвалов на строительстве ГТС являются в основном более или менее обученными, опытными, с достаточно высоким уровнем профессионализма.

Завершающий этап снижения энергетической эффективности связан с прочими преобразованиями энергии, связанными с функционированием системы ВАДС. На данном этапе преобразования и передачи энергии, уровень энергетической эффективности равняется полной энергетической эффективности функционирования системы ВАДС и выражается произведением

Эвадс = Э эв • кпр ,  %,                                                              (12)

где k пр – коэффициент эффективности прочих преобразований энергии, связанных с функционированием системы ВАДС. По результатам многолетних исследований, авторами установлено, что для горных условий строительства ГТС значение коэффициента энергетической эффективности прочих преобразований энергии, связанных с функционированием системы ВАДС варьируется в пределах k пр = 0,87... 0,94.

С учетом выражения (11), окончательно получим математическую модель для оценки энергетической эффективности функционирования системы ВАДС

Э эв = q o ' ⁿe ' ^птр '⁽¹ - ^kd ) ' ^кв ' ^кпр ,   %•                                                          ⁽¹³⁾

На практике для комплексной оценки энергетической эффективности системы ВАДС в горных условиях строительства ГТС по линейному расходу топлива целесообразно пользоваться выражением

Э ВАДСQ = Qh /[(1 - k d ) • к в • к пр ], л /100 км ,                                           (14)

где Q н – нормативный линейный расход топлива, л/100 км.

Результаты исследования

Комплексные энергетические оценки эффективности функционирования системы ВАДС в горных условиях строительства ГТС, определенные по формуле (13) для различных моделей самосвалов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Комплексные энергетические оценки эффективности функционирования системы ВАДС в горных условиях строительства ГТС

Автомобиль	q o , %	k d	η e	η тр	k в	k п	Э ВАДС , %
БелАЗ-7540В	100	0,13–0,12	0,40– 0,45	0,80– 0,85	0,88– 0,92	0,88– 0,90	21,6– 27,8
SHACMAN-SX3256DR384			0,40– 0,45	0,80– 0,92	0,86– 0,90	0,87– 0,92	20,8– 30,1
HOWO-336			0,40– 0,45	0,80– 0,92	0,86– 0,94	0,87– 0,93	20,8– 31,8
Dongfeng DFL 3251A			0,40– 0,45	0,80– 0,92	0,86– 0,94	0,87– 0,93	20,8– 31,8

Окончание табл. 1

Автомобиль	q o , %	k d	η e	η тр	k в	k п	Э ВАДС , %
КамАЗ-5511			0,40– 0,45	0,80– 0,92	0,90– 0,94	0,90– 0,94	23,5– 32,1
МАЗ-5549			0,40– 0,45	0,80– 0,92	0,90– 0,94	0,90– 0,94	23,5– 32,1

Сравнительные оценочные показатели комплексной энергетической эффективности системы ВАДС в горных условиях строительства ГТС по линейному расходу топлива, определенные по формуле (14), представлены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнительная оценка комплексной энергетической эффективности системы ВАДС в горных условиях строительства ГТС по линейному расходу топлива

Автомобиль	k d	k в	k п	Линейный расход топлива, л/(100 км)			δQ, %
				нормативный Q лн	расчетный Q ВАДСр,	опытный Q ВАДСо ,
БелАЗ-7540В	o' СЧ о"	0,88– 0,92	0,88– 0,90	132,5	189,0	185,8	1,7
SHACMAN-SX3256DR384		0,86– 0,90	0,87– 0,92	81,0	117,5	120,4	2,5
HOWO-336		0,86– 0,94	0,87– 0,93	60,0	84,2	82,3	2,3
Dongfeng DFL 3251A		0,86– 0,94	0,87– 0,93	52,0	73,4	71,3	2,9
КамАЗ-5511		0,90– 0,94	0,90– 0,94	30,0	40,3	39,3	2,5
МАЗ-5549		0,90– 0,94	0,90– 0,94	27,0	36,2	35,2	2,8

По результатам данных, приведенных в табл. 1 и 2 представлены оценочные показатели комплексной энергетической эффективности системы ВАДС в горных условиях строительства ГТС для различных моделей самосвалов (рис. 2 и 3).

Рис. 2. Комплексная энергетическая эффективности функционирования системы ВАДС в горных условиях для различных моделей самосвалов

Рис. 3. Энергетическая эффективность функционирования системы ВАДС в горных условиях по расходу топлива для различных моделей самосвалов

Следует отметить, что проведенные до сих пор исследования, связанные с изучением эффективности системы ВАДС, были связаны либо оценкой ее надежности, либо оценкой эффективности функционирования отдельных ее элементов. К тому же подавляющее большинство исследований было направлено на оценку показателей эффективности ДВС или автомобиля. Достаточно много исследований в области оценки показателей автомобильной дороги или же состояния дорожного полотна и ее влияния на эффективность отдельных элементов системы ВАДС, на эффективность грузо- и пассажироперевозок, а также на безопасность дорожного движения. Встречаются исследования взаимодействия отдельных элементов системы ВАДС. На сегодня не существует методики комплексной оценки эффективности функционирования системы ВАДС.

Выводы

• 1.    Систему ВАДС наряду с оценкой эффективности организации дорожного движения можно использовать и для решения вопросов эффективности транспортного процесса.

• 2.    Предложенная энергетическая модель оценки эффективности функционирования системы ВАДС хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований и может быть внедрена в производство при расчетах эффективности транспортного процесса. Относительные расхождения δ между теоретическими и опытными значениями энергетической эффективности системы ВАДС в горных условиях строительства ГТС по линейному расходу топлива варьирует в пределах 1,7–2,9 %.

• 3.    В горных условиях строительства ГТС эффективность функционирования системы ВАДС (с различными грузовыми автомобилями) составляют примерно 21–32 %, что свидетельствует о существовании достаточных резервов повышения ее эффективности в данных условиях.