ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫВОДИТЕЛЬ - АВТОМОБИЛЬ - ДОРОГА - СРЕДА (ВАДС) В ГОРНЫХ УСЛОВИЯХ

УДК 629.114

DOI: 10.14529/engin200105

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ

ВОДИТЕЛЬ - АВТОМОБИЛЬ - ДОРОГА - СРЕДА (ВАДС)

В ГОРНЫХ УСЛОВИЯХ

С.С. Сайдуллозода1, К.Т. Мамбеталин1, А.М. Умирзоков2, У.М. Маллабоев3

В статье приведена оценка факторов, влияющих на надежность системы ВАДС в горных условиях. Предложена более подробная классификация факторов, влияющих на надежность системы ВАДС в горных условиях по таким группам признаков, как конструк-торско-технологическая, эксплуатационная и дорожно-климатическая. Кроме того, в статье изложена классификация факторов, влияющих на надежность системы ВАДС в горных условиях по признаку управляемости. В классификациях уделено особое значение таким факторам, как высота над уровнем моря, структура надежности элементов системы ВАДС, структура надежности элементов автомобиля, как подсистемы системы ВАДС, вероятностный характер влияния внешних воздействий на элементы автомобиля, виды и частота маневров, их динамичность и т. д. Проанализирована и обоснована специфика влияния основных факторов, определяющих безотказность и долговечность большегрузных карьерных автомобилей в сложных и экстремальных условиях грузоперевозки в горных условиях. Для оценки влияния стохастического характера внешних воздействий, определяющих динамику взаимодействия автомобиля с дорожным полотном, в зависимости от объема выборки, характера протекания процесса, состояния исследуемого объекта и других факторов, выбраны наиболее рациональные методы, основанные на теории вероятностей. Три из них рекомендованы для адекватной оценки влияния внешних воздействий на выходные показатели автомобиля, в частности для оценки процесса взаимодействия автомобиля с дорожным полотном, имеющего вероятностный характер. К числу рекомендованных методов оценки принадлежат такие методы, как метод аппроксимации внешней нагрузки периодической функцией типа синусоиды с определенными значениями амплитуды и периода колебаний, метод разложения периодической функции в ряды Фурье и вероятностно-статистический метод, который основан на учете действия множества случайных факторов, характеризующихся устойчивой частотой.

Введение

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-технологи-ческие, 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 дорожно-климатические 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.

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 дорожно-климатических 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.

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

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 Ам и периода Тм колебаний, можно применять для моделирования действия неустановившейся внешней нагрузки (крутящего момента, мощности) на колеса автомобиля, т. е.:

М{(0 = Мк+ А^ттЬ = Мк( 1 + 0,55^ттЬ), (1)

где Мк = 0,5 (Мтах + Мт;п) - среднее значение момента сопротивления на колесах автомобиля; Аы = 0,5Мк5м - амплитуда колебаний; 5м = 2Ам/Мк - степень неравномерности величины Мк; т = 2п/Тм - частота периодического колебания; Тм - период колебаний величины Мк; Мтах = = Мк( 1 + 0,55м) и Мт;п = Мк(1 — 0,55м) - 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 А/) с периодом Т0 удовлетворяет условиям Дирихле, то ее можно аппроксимировать выражением:

Г(0 = А0 + ?%=1(Ак^кш01 + В^ткш01), (2)

где Ао - постоянное слагаемое (среднее значение функции); к - порядок внешней гармоники (к = 0; 1; 2; ...; да); Ак и Вк - коэффициенты тригонометрического ряда Фурье; юо = 2п/То - круговая частота основной гармоники; / - период основной гармоники, равный периоду функции.

Коэффициенты Ао, Ак и Вк определяются из выражений:

= ^/^АО^; Ак = ^/^/(О^ш^С; Вк = ^/^ЯОзт^Л . (3)

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 А/).

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]

Мэ =МЭ (4)

где Ыэ - эксплуатационная мощность автомобиля по стендовой (детерминированной) характеристике; Хл - динамический коэффициент (предложен академиком В.Н. Болтинским), который учитывает снижение мощности автомобиля в неустановившихся нагрузках; - временной коэффициент, который учитывает снижение мощности автомобиля, вызванное износом, регулировками и старением автомобиля; - 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, определяющих пробег автомобиля в сложных дорожно-климатических условиях эксплуатации целесообразно пользоваться методом функций случайных аргументов, при котором входная х и выходная у переменной величины определяются детерминированной функциональной зависимостью у, = Дх), которая устанавливается в процессе аппроксимации типовой (стендовой) характеристики автомобиля [17-20].

При вероятностном характере факторов, влияющих на работу автомобиля входные х^ и выходные уг переменные представляют собой случайные величины, количественные характеристики которых, в общем случае, рассчитываются по следующим формулам:

- среднее значение у = /(х)ф(х) d(x); (5)

- дисперсия D(y) = jTj/M - у]2ф(у) d(x); (6)

- среднее квадратичное отклонение (стандарт) ay = [£(у)]1/2; (7)

- коэффициент вариации vy = ay/y. (8) Следует отметить, что низкочастотные составляющие эксплуатационных и дорожно-климатических факторов изменяются по нормальному закону распределения y = fix), плотность распределения вероятностей которого рассчитывается из выражения

ф(х) = (axV2n)_1exp (9)

где х, ax и - 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(х) и выходных ф(у) переменных, а также функции связи , fx), 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.

Литература

Journal of Traffic and Transportation Engineering. - 2018. - Vol. 5, iss. 4. - P. 296-308. DOI: 10.1016/j.jtte.2017.09.003

Сайдуллозода Сайвали Сайдулло, аспирант кафедры «Колёсные и гусеничные машины», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, saivali.saidullo@mail.ru.

Мамбеталин Кахим Токушевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Колёсные и гусеничные машины», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, kahim2010@mail.ru.

Умирзоков Ахмад Маллабоевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Физика твердых тел», Таджикский национальный университет, г. Душанбе, Республика Таджикистан, ahmad.umirzokov@mail.ru.

Маллабоев Умарджон Маллабоевич, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Электроэнергетики», Тюменский индустриальный университет, Тобольский индустриальный институт (филиал), г. Тобольск, umallabotv@rambler.ru.

Поступила в редакцию 26 декабря 2019 г.

DOI: 10.14529/engin200105

ASSESSMENT OF RELIABILITY

OF THE DRIVER - CAR - ROAD - ENVIRONMENT (DCRЕ) SYSTEM IN MOUNTAIN CONDITIONS

S.S. Saydulozoda1, saivali.saidullo@mail.ru,

K.T. Mambetalin1, kahim2010@mail.ru,

A.M. Umirzokov2, ahmad.umirzokov@mail.ru,

U.M. Mullaboev3, umallabotv@rambler.ru

The article provides an assessment of the factors affecting the reliability of the DCRE system in mountain conditions. A more detailed classification of factors affecting the reliability of the DCRE system in mountain conditions is given for such groups of features as design and technological, operational and road-climatic. In addition, the article gives a classification of factors affecting the reliability of the DCRE system in mountain conditions based on controllability. In both classifications, particular importance is given to such factors as altitude, the reliability structure of the elements of the DCRE system, the reliability structure of the elements of the car, the subsystems of the DCRE system, the probabilistic nature of the influence of external influences on the elements of the car, the types and frequency of maneuvers, their dynamism, etc. The specifics of the influence of the main factors determining the reliability and durability of heavy-duty mining car in difficult and extreme conditions of cargo transportation in mountain conditions are analyzed and justified. To assess the influence of the stochastic nature of external influences that determine the dynamics of the interaction of the car with the roadway, depending on the sample size, the nature of the process, the state of the object under study and other factors, the most rational methods based on probability theory are substantiated. Three of them are recommended for an adequate assessment of the impact of external influences on the output indicators of the car, in particular to assess the process of interaction of the car with the roadbed, which has a probabilistic character. Among the recommended estimation methods are included such methods as the method of approximating the external load with a periodic function such as a sinusoid with certain values of the amplitude and period of oscillation, the method of expanding the periodic function in Fourier series and the probabilistic-statistical method, which is based on taking into account the action of many random factors characterized by stable frequency.

References

Received 26 December 2019

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ

FOR CITATION

Оценка надежности системы водитель - автомобиль - дорога - среда (ВАДС) в горных условиях / С.С. Сайдуллозода, К.Т. Мамбеталин, А.М. Умирзоков, У.М. Маллабоев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». - 2020. - Т. 20, № 1. - С. 38-46. DOI: 10.14529/engin200105

Saydulozoda S.S., Mambetalin K.T., Umirzokov A.M., Mullaboev U.M. Assessment of Reliability of the Driver -Car - Road - Environment (DCRE) System in Mountain Conditions. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Mechanical Engineering Industry, 2020, vol. 20, no. 1, pp. 38-46. (in Russ.) DOI: 10.14529/engin200105