Оценка надежности системы водитель - автомобиль - дорога - среда (ВАДС) в горных условиях

Система ВАДС – это большая и сложная система, в которой автомобиль, являясь основополагающим и наиболее уязвимым элементом, выступает доминирующим фактором в формировании надежности системы.

Сложность системы ВАДС заключается в том, что она содержит неоднозначные отношения и закономерности взаимосвязи между ее элементами, система многокритериальная и процессы, протекающие в ней, имеют стохастический характер, сложно моделировать систему ВАДС. Систему ВАДС можно отнести к категории сложной из-за ее многомерности, многообразия природы элементов, связей, разнородности структуры, а также из-за того, что система функционирует в условиях существенной неопределенности воздействия среды. Ее сложность усугубляется случайным характером изменения ее показателей [1–3].

В системе ВАДС почти всем входным и выходным параметрам свойственна стохастичность. Стохастичность надежности системы ВАДС формируется из вероятностного характера надежности каждого из ее компонентов. Особенно четко проявляется вероятностный характер надежности системы ВАДС в условиях эксплуатации большегрузных автомобилей в горных регионах на автомобильных дорогах с гравийным покрытием. Среди элементов системы ВАДС подсистема

«автомобиль» является доминирующим элементом, определяющим сложный стохастический характер системы в целом. Основным оценочным параметром уровня стохастичности выступает колебание тягового сопротивления автомобиля, которое обусловлено такими факторами, как неравномерность крутящего и тормозного моментов, скорость движения автомобиля, сложность рельефа местности, профиль дороги и состояние дорожного покрытия, случайность распределения нормальной нагрузки по осям и колесам автомобиля, а также частота маневров и др.

Материалы и методы

В зависимости от конструкторско-технологических особенностей, эксплуатационных режимов и дорожно-климатических условий динамика процесса взаимодействия автомобиля с дорогой может быть различной. В то же время, в зависимости от количества действующих на автомобиль внешних нагрузок, их весомости, характера действия и динамичности, взаимодействие между автомобилем и дорогой условно можно отнести к простому, среднему и сложному. Что касается характера взаимодействия большегрузного самосвала с карьерной дорогой в условиях высокогорья, то ее однозначно можно отнести к категории сложной, зависящей от большого количества разнообразных факторов и варьирующихся в довольно широких пределах. При этом нужно принимать во внимание тот факт, что в процессе эксплуатации автомобилей в горных условиях появляются новые факторы, существенно отличающиеся от факторов, встречающихся в равнинных условиях [4–6]. К таким факторам можно отнести вероятностный характер внешних воздействий, особенности дорожного покрытия, высоту над уровнем моря, своеобразный профиль дороги, состояние погрузочной площадки и др. Факторы, влияющие на надежность системы ВАДС в горных условиях, можно условно разделить на три группы: конструкторско-технологические, эксплуатационные и дорожно-климатические (рис. 1).

Действия конструкторско-технологических факторов по составу и структуре влияния на надежность карьерных автомобилей усугубляются в сложных и экстремальных условиях их эксплуатации в горных и высокогорных дорогах [7, 8].

Дорожно-климатические условия относятся к числу важных факторов, формирующих надежность системы ВАДС в горных условиях, для которых характерны вероятностная природа параметров, обусловленная высотой над уровнем моря, неровностью дорожного полотна, сложной геометрией дороги в плане и профиле, частотой маневров, мастерством вождения и т. д.

По признаку управляемости факторы, влияющие на надежность системы ВАДС в горных условиях, уместным будет разделить на три категории: полностью управляемые, частично управляемые и неуправляемые (рис. 2). Классификация по признаку управляемости существенно отличается от классификации по причинно-следственному признаку. Несмотря на отличия, эти две классификации имеют большое практическое значение для нахождения способов повышения надежности системы ВАДС.

К наиболее значимым факторам, определяющим надежность системы ВАДС в горных условиях, по причинно-следственному признаку можно отнести эксплуатационные и дорожноклиматические факторы, а по признаку управляемости – частично управляемые и неуправляемые факторы.

Из дорожно-климатических факторов, характерных для горных условий и существенным образом сокращающих надежность системы ВАДС, можно выделить такие факторы, как рельеф местности, профиль дороги, тип дорожного покрытия и его состояние, температура окружающей среды и высота над уровнем моря [9, 10].

Продольный профиль горных карьерных дорог представляет собой чередование подъемов и спусков разной величины и длины, сложность которой обусловлена следующими обстоятельствами:

• –    достаточно большой разницей высоты над уровнем моря на отдельных участках автодороги, где продольные уклоны дорог достигают до 10 %;

• –    строительством автомобильной дороги на горных склонах, где выбор маршрута строящейся дороги диктуется сложным горным рельефом и ландшафтом;

• –    случайным расположением погрузочной площадки и др.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМЫ ВАД С

		v
КОНСТРУКТОРСКО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ		ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ		ДОРОЖНОКЛИМАТИЧЕСКИЕ

Рис. 1. Классификация факторов, влияющих на надежность системы ВАДС в горных условиях по причинно-следственному признаку

Из множества факторов, определяющих надежность системы ВАДС в сложных дорожноклиматических условиях, немаловажным фактором выступает вероятностный характер взаимодействия элементов системы между собой. Строго говоря, все факторы, определяющие надежность системы ВАДС в сложных дорожно-климатических условиях, так или иначе, имеют вероятностный характер или колеблются случайным образом. Несмотря на это, основным фактором, формирующим сложный стохастический характер внешних воздействий на автомобиль при выполнении им транспортных работ, выступает колебание тягового сопротивления автомобиля.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМЫ ВАД С

Рис. 2. Классификация факторов, влияющих на надежность системы ВАДС в горных условиях по признаку управляемости

Колебания сил сопротивления автомобиля в процессе выполнения им транспортных работ в горных дорожно-климатических условиях, согласно предложению академика В.Н. Болтинского, можно разделить на две категории [11]:

• -    высокочастотные (кратковременные периодические колебания с периодом Т <  1...2 с и незначительной амплитудой), которые преодолеваются инерцией масс большегрузного автомобиля и практически не сказываются на колебаниях его тягового сопротивления;

• -    низкочастотные (колебания с периодом Т >  1...2 с), обусловленные в основном совместным проявлением вышеназванных факторов, которые существенно сказываются на колебания тягового сопротивления автомобиля. К ним относятся: неравномерность моментов на колесах, скорость движения автомобиля, сложный рельеф местности, профиль дороги и экстремальное состояние дорожного покрытия, случайное распределение нормальной нагрузки по осям и колесам автомобиля, а также частота маневров и др.

При вероятностном характере внешних воздействий на автомобиль контакт между автомобилем и дорожным полотном осуществляется в нестабильном и динамичном режиме, что в значительной мере способствует развитию и ускорению процесса снижения энергетических, технико-экономических показателей, а также его безотказности и долговечности. Снижение же зависит от значения коэффициента вариации крутящего момента на колесе и тягового усилия автомобиля. Можно предположить, что коэффициент вариации автомобиля может находиться в пределах

10-15 % в зависимости от сложности условий эксплуатации (увеличивается с повышением нагрузки). При этом энергетические и технико-экономические показатели, а также безотказность и долговечность автомобилей снизятся до 10 %.

Оценка влияния колебаний внешних воздействий, определяющих динамику взаимодействия автомобиля с дорожным полотном, в зависимости от объема выборки, характера протекания процесса, состояния исследуемого объекта и других факторов, осуществляется несколькими методами, основанными на теории вероятностей. Три из них можно рекомендовать для адекватной оценки влияния внешних воздействий на выходные показатели автомобиля, в частности для оценки процесса взаимодействия автомобиля с дорожным полотном, имеющего вероятностный характер [11, 12]:

• -    метод аппроксимации внешней нагрузки периодической функцией типа синусоиды с определенными значениями амплитуды и периода колебаний;

• -    метод разложения периодической функции в ряды Фурье;

• -    вероятностно-статистический метод, который основан на учете действия множества случайных факторов, которые характеризуются устойчивой частотой.

Первый метод, предложенный академиком В.Н. Болтинским для моделирования действия неустановившейся внешней нагрузки на сельскохозяйственный агрегат с использованием периодической функции при фиксированных значениях амплитуды А _м и периода Т м колебаний, можно применять для моделирования действия неустановившейся внешней нагрузки (крутящего момента, мощности) на колеса автомобиля, т. е.:

М_t(t) = М_к + А м sinmt = Л/_к(1 + 0,5S _м sinmt), (1) где М_к = 0,5(М_тах + М_min) - среднее значение момента сопротивления на колесах автомобиля; А _м = 0,5М_к5_м - амплитуда колебаний; 5_м = 2А м /М_к - степень неравномерности величины М_к ; m = 2п/Т_м - частота периодического колебания; Т_м - период колебаний величины М_к ; М_тах = = М_к(1 + 0,55 _м ) и М_min = М_к(1 — 0,55 _м ) - максимальное и минимальное значения момента сопротивления на колесах автомобиля.

Во втором методе предлагается оценка влияния внешних воздействий по методу разложения периодической функции в ряды Фурье, сущность которого заключается в следующем: если периодическая функция ft ) с периодом T o удовлетворяет условиям Дирихле, то ее можно аппроксимировать выражением:

f (t) = А_о + ^ _k ^ ₁(А_кc:oskto_ot + В_кSYnkto_ot), (2) где А о - постоянное слагаемое (среднее значение функции); к - порядок внешней гармоники ( к = 0; 1; 2; ..; го); А_к и В_к - коэффициенты тригонометрического ряда Фурье; и о = 2п/ Т о - круговая частота основной гармоники; t - период основной гармоники, равный периоду функции.

Коэффициенты А о , А_к и В_к определяются из выражений:

А о = ^LT/V (t)dt; А к = ^LL^.J (t)cos^ o tdt; В к = lQ'y&)siW o tdt . (3) i o ⁷T^/2 i ; * t /² i ; * t /²

Для достижения требуемой точности и упрощения оценки влияния внешних воздействий на автомобиль по второму методу во многих случаях достаточно рассматривать первые 10 . 12 гармоник периодической функции f ( t ).

Работу автомобиля в горных условиях эксплуатации можно оценивать комплексным вероятностно-статистическим методом с помощью аналитических зависимостей по детерминированным (стендовым) характеристикам автомобиля.

Для определения мощности автомобиля или крутящего момента на колесах автомобиля в эксплуатационных условиях можно применить формулу, предложенную профессором С.И. Иофино-вым [13-16]

N э = N э •A_a^AfA_v, (4) где N - эксплуатационная мощность автомобиля по стендовой (детерминированной) характеристике; X_d - динамический коэффициент (предложен академиком В.Н. Болтинским), который учитывает снижение мощности автомобиля в неустановившихся нагрузках; X_t - временной коэффициент, который учитывает снижение мощности автомобиля, вызванное износом, регулировками и старением автомобиля; X_v - вероятностный коэффициент, который учитывает изменение мощности автомобиля, вызванное вероятностным характером факторов, определяющих пробег большегрузных автомобилей в горных условиях.

Для определения основных вероятностно-статистических оценок влияния факторов, опреде- ляющих пробег автомобиля в сложных дорожно-климатических условиях эксплуатации целесообразно пользоваться методом функций случайных аргументов, при котором входная x и выходная у переменной величины определяются детерминированной функциональной зависимостью yi = f(x), которая устанавливается в процессе аппроксимации типовой (стендовой) характеристики автомобиля [17-20].

При вероятностном характере факторов, влияющих на работу автомобиля входные xi и выходные yi переменные представляют собой случайные величины, количественные характеристи ки которых, в общем случае, рассчитываются по следующим формулам:

• -    среднее значение у = f_y f(x)ф(x)d(x);(5)

• -    дисперсия D(y) = f^[f (x) - ЯМу) d^);(6)

• -    среднее квадратичное отклонение (стандарт) оу = [D (у)]1/2;(7)

• - коэффициент вариации vy = оу/у.(8)

Следует отметить, что низкочастотные составляющие эксплуатационных и дорожно-климатических факторов изменяются по нормальному закону распределения y = f ( x ), плотность распределения вероятностей которого рассчитывается из выражения

ф(х) = (ох V2n)_1 exp [- (у-^ I,(9)

где х, о_х и о_х - соответственно среднее значение, среднее квадратичное отклонение и дисперсия случайной величины x .

Таким образом, для получения основных оценок надежности системы ВАДС, и в частности надежности и долговечности автомобилей с учетом вероятностно-статистического характера факторов необходимо установить законы распределения входных ф( x ) и выходных ф( у ) переменных, а также функции связи f(x ), входящие в выражения (5)-(9).

Выводы

• •    Факторы, относящиеся к эксплуатационным и дорожно-климатическим группам и определяющие надежность системы ВАДС, почти никогда не проявляются по отдельности, а в большинстве случаев имеет место сложное сочетание множества факторов. В связи с этим для определения надежности системы ВАДС в сложных эксплуатационных и дорожно-климатических условиях необходимо применять системный подход оценки совместного действия факторов.

• •    Для моделирования влияния сложного сочетания множества факторов на надежность автомобиля, как доминирующей подсистемы в системе ВАДС, в качестве объединенного показателя можно использовать крутящий момент на полуосях автомобиля (мощность автомобиля в эксплуатационных условиях) или тяговое усилие автомобиля.

• •    Мощность автомобиля в эксплуатационных условиях, связанная с вероятностным характером факторов, определяющих его пробег, изменяется в обратной пропорциональности к росту коэффициента вариации.

• •    Потеря мощности, связанная с вероятностным характером факторов, в значительной степени расходуется в целом на снижение надежности системы ВАДС, и в частности - на снижение надежности автомобиля и дороги.