Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Обеспечение дорожной безопасности автомобильного транспорта в зимний период

Специальность 05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Молев Юрий Игоревич

Владимир - 2007

Работа выполнена на кафедре "Строительные и дорожные машины "Нижегородского государственного технического университета (НГТУ)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гудков В.А.,

доктор технических наук, профессор Ким Б.Г.,

доктор технических наук, профессор Коноплянко В.И.

Ведущая организация: НИЦ БД МВД РФ.

Защита диссертации состоится _____ ___________ 2007г. в ауд. ______ на заседании диссертационного совета Д. 212.025.02 во Владимирском государственном университете по адресу: 600026, г. Владимир, ул. Горького 87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан _____ ____________ 2007 года.

Отзыв на автореферат с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес учёного секретаря диссертационного совета.

Учёный секретарь диссертационного совета Д. 212.025.02, доктор технических наук, профессор С.Г. Драгомиров.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. За последние годы в России наблюдается рост автомобильных перевозок. Постоянно увеличиваются скорость движения, грузоподъемность автомобилей, интенсивность дорожного движения. Однако, наряду с этим, более отчетливо проявляются и некоторые отрицательные тенденции автомобилизации, наиболее важной из которых является значительное число дорожно-транспортных происшествий (ДТП). На ДТП влияет множество факторов - состояние дорог, интенсивность движения, освещенность, техническое состояние автомобилей, психологическое состояние водителя, уровень его профессиональной подготовки и множество других. Среди них одно из важнейших мест занимает состояние дорожного покрытия. Уменьшение сцепления колеса с дорогой вследствие наличия на ней уплотнённого снега или льда приводит к увеличению тормозного пути и безопасного радиуса поворота в 3-9 раз. Снежные заносы вдоль дороги снижают видимость и могут уменьшать используемую ширину проезжей части дороги. Кроме того, наличие колей, выбоин, ямочности и других неровностей на дорогах, покрытых снежным или ледяным накатом, может привести к потере водителем контроля над траекторией движения и управляемостью автомобиля.

По данным ГИБДД РФ около 20 % аварий происходит по причине неблагоприятных дорожных условий и из них более 70 % (15 % от общего числа ДТП) приходятся на заснеженные дорожные покрытия, 5 % на дорожные покрытия, частично покрытые снегом или льдом и 1 % на покрытия, которые по другим причинам были скользкими. Следует отметить, что сам термин неудовлетворительные дорожные условия не имеет юридической формулировки.

Цель зимнего содержания дорог заключается в обеспечении пропускной способности автомобильных дорог, а также в снижении количества ДТП за счет улучшения условия сцепления шин колес автомобиля с дорожным покрытием. Работы по зимнему содержанию дорог чрезвычайно трудоёмки. Однако отсутствие методики оценки влияния дорожных условий на безопасность дорожного движения не позволяет ни оценить эффективность использования данных средств, ни наметить пути снижения аварийности на дорогах.

Основные трудности зимней уборки связаны с метаморфизмом снега, то есть способностью изменять свои свойства за достаточно короткий промежуток времени под действием как климатических условий, так и в результате движения транспортных средств и пешеходов. Под воздействием выше перечисленных факторов снег, находящийся на очищаемой поверхности, быстро уплотняется, а затем превращается в снежно-ледяной накат, прочность которого, в сочетании с прочностью образовавшихся прослоек льда, выше обычного снега в 20-30 раз. Кроме уплотнения снега на дорогах под действием движителей транспортных средств, имеет место и обратный процесс - его эскавационное разрушение. В зависимости от скорости течения обоих процессов, коэффициент сцепления колеса с поверхностью дороги будет либо уменьшаться, либо увеличиваться, в соответствие с чем на разных дорогах управляемость транспортных средств будет различной. Поэтому актуальной является проблема разработки теории влияния уровня содержания дорог с различной интенсивностью движения на степень безопасности дорожного движения.

Цель исследований. Повышение безопасности дорожного движения в зимний период.

Объект исследований. Процесс дорожного движения и изменение его параметров (аварийность, интенсивность, скорость) под воздействием атмосферных явлений (снег, метель, изменение температуры воздуха и дорожной поверхности), движителей транспортных средств и рабочих органов коммунальных машин.

Общая методология исследований. При проведении теоретических исследований использованы методы теории вероятности и математической статистики, спектрального и корреляционного анализа, прикладного анализа случайных данных, аналитической механики, механики сплошных сред, механики сложных пространственных конструкций, механики разрушений, механики контактного взаимодействия пространственных систем с ограниченными телами, теории упругости и вязкопластичности и тензерного исчисления; численные методы решения систем дифференциальных уравнений и нелинейных алгебраических уравнений; разнообразные методы математического моделирования и оптимизации параметров.

Экспериментальные исследования по оценке управляемости в сложных условиях проводились на серийно выпускаемых транспортных средствах.

Научная новизна. Предложены новые критерии оценки аварийности дорожного движения в виде двух безразмерных коэффициентов - общего коэффициента аварийности и коэффициента аварийности с пострадавшими.

Получены зависимости изменения аварийности от состояния дорожного полотна, отличающаяся учётом не только коэффициента сцепления колеса с дорогой, но и наличия микста и неровностей на проезжей части.

Разработана обобщающая модель изменения геометрических и физико-механических параметров снежного покрова, образующегося на поверхностях дорог, отличающаяся учётом не только интенсивности выпадения осадков, но и температуры и влажности окружающего воздуха, интенсивности и скорости движения транспорта по рассматриваемой дороге, его состава, а также основные характеристики дороги.

Создана методика расчёта выбора рациональной структуры парка коммунальных машин и технологии зимнего содержания дорог, обеспечивающие минимальный уровень дорожно-транспортных происшествий. Получена взаимосвязь между изменением объёмом работ по зимнему содержанию дорог и уровнем аварийности на дорогах.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Из теоретических разработок:

- методика оценки аварийности, отличающейся учётом интенсивности движения и качественного состава транспортного потока;

_ модель изменения геометрических и физико-механических параметров снежного покрова, образующегося на поверхностях дорог под действием как внешних факторов, так и под действием рабочих органов коммунальных машин и оценка состояния дороги с точки зрения безопасности дорожного движения.

2. Из научно_методических разработок - метод расчета процесса и соответствующих параметров взаимодействия эластичных движителей транспортных средств, движущихся по заснеженной либо обледенелой дороге, позволяющий производить выбор рациональных параметров колёсного движителя на стадии утверждения норм безопасности транспортных средств, эксплуатирующихся в зимний период.

3. Из научно_технических разработок - экспериментально и теоретически обоснованные пути повышения безопасности дорожного движения в зимний период и созданные по результатам исследований новые технологические решения и практические рекомендации, направленные на решение данной проблемы.

Достоверность результатов. Проведенный комплекс экспериментальных исследований на серийных машинах, принимающих непосредственное участие в дорожном движении в зимний период, подтвердил основные теоретические положения, методы и средства повышения уровня безопасности дорожного движения.

Практическая ценность. Состоит в реализации теоретических разработок, методик расчетов, практических рекомендаций при совершенствовании существующих и создании новых технологических решений как в области допуска транспортных средств к эксплуатации в зимний период, так и путём поддержания требуемого состояния проезжей части в зимний период.

Реализация работы. Результаты экспериментально_теоретических исследований по теме диссертации внедрены в Институте сертификации автомототехники, Главном управлении дорожного и транспортного хозяйства Нижегородской области, в ГИБДД по Нижегородской области, ГУ УПРДОР "РОССИЯ", ОАО "Компания Магистраль", ОСАО "РЕСО-Гарантия",. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедрах "Автомобильный транспорт" и "Строительные и дорожные машины" Нижегородского государственного технического университета, "Техническая механика" Дзержинского политехнического института и кафедры "Автомобильный транспорт" Волжского государственного инженерно-педагогического университета.

Результаты работы вошли в научно_учебные коллективные монографии "Вездеходные транспортно-технологические машины" и "Лёд. Снег. Методы разработки", изданные в 2002-2004 году в издательствах ННПК и ТАЛАМ (г. Н. Новгород), а также учебных пособий, получивших гриф УМО "Безопасность дорожного движения", выпущенная в 2005 году в издательстве ВГИПА (г. Н. Новгород), "Современные методы разработки льда" выпущенная в издательстве Спутник+ (г. Москва), "Зимнее содержание дорог", выпущенной в 2007 году в издательстве НГТУ (г. Н. Новгород).

Апробация работы. Отдельные результаты и основные положения докладывались на международной научно_практической конференции "Проблемы развития автомобильно_дорожного комплекса России" (СПбГАСУ, Санкт_Петербург, 1997 г.), на международной научно_практической конференции "Развитие транспортно_технологических систем в современных условиях" (НГТУ, Нижний Новгород, 1997 г.), на Международной научно_технической конференции "Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России" (Нижний Новгород, 1998 г.); на международных научно_технических конференциях "ИНТЕРСТРОЙМЕХ" (ВГАСА, Воронеж, 1998 г.), "Прогресс транспортных средств и систем" (ВГТУ, Волгоград, 1999 г.), на всероссийской научно_технической конференции "Актуальные проблемы дорожно-транспортного комплекса России" (КубГТУ, Краснодар, 1999 г.), на VII международном симпозиуме "Совершенствование конструкции и методов эксплуатации авто-бронетанковой техники" (Военно-техническая академия, Варшава, 1999 г.); на международной научно_технической конференции "АВТО-НН-2000" (Н. Новгород, 2000г.), на международной научно_технической конференции "АВТО-НН-2002" (Н. Новгород, 2002г.), на международной научно_технической конференции "АВТО-НН-2003" (Н. Новгород, 2003г.), на научно-практической конференции "Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта поволжья", г. Н. Новгород: ВГВТ 2003г, на всероссийской научно-технической конференции "ТТМ НН 04", г. Н. Новгород 2004г., международной научно-практической конференции "Прогресс транспортных систем - 2005" Волгоград: ВолгГТУ 2005г., на международной научно-технической конференции "Проектирование, испытания и эксплуатация транспортных машин и транспортно-технологических комплексов" Н. Новгород: НГТУ 2005г, XI международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств" Владимир, ВГУ 2006г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 научно-учебных пособия, 2 монографии, более 50 научных работ, 2 гранта на проведение научных исследований и 2 патента на полезную модель.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 499 наименований, шести приложений. Общий объем работы 389 страниц, из них основной текст работы изложен на 314 страницах, список литературы на 31 странице, приложения на 44 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована её цель, раскрыты методы исследования, отмечены научная новизна и основные положения, выносимые на защиту, представлены объекты исследования, указана практическая ценность получаемых результатов.

В первой главе дан анализ современного состояния исследований в области обеспечения безопасности дорожного движения на основании работ, зимнего содержания дорог, формирования снежного покрова на автомобильных дорогах, его физико-механическим свойствам и способам разработки. Проанализированы показатели аварийности на дорогах. Установлено, что наиболее объективно состояние дорожного движения описывается таким параметром, как средний пробег транспортного средства до ДТП.

Влияние дорожных условий на безопасность дорожного движения анализировалось на основе работ В.Ф. Бабкова, В.Е. Боровского, Гудкова А.В., Ф.Д. Дадашева, О.А. Дивочкина, А.И. Должикова, С.А. Евтюкова, В.А. Иларионова, А.В. Ковальчука, Г.О. Лобанова, В.Н. Луканина, Д. Клебельсберга, Г.И. Клинковштейна, Кравченко П.А., В.И. Коноплянко, Р.В Ротенберга, В.З. Русакова, В.М. Сегеркранца, Ю.А. Ставничий, В.В. Сильянова, Д.А. Соцкова, Ю.Б. Суворова, Н.В. Немчинова, Р. Эльвика, А. Брогера, Т. Ваа, К Жерондо, М. Леру, Р Уотс. Зимнее содержание дорог подробно рассматривалось в работах В.И. Баловнева, И.А. Белинского, Г.В. Бялобежского, А.П. Васильева, Э.В. Дингеса, В.В. Дорган, Г.Л. Карабана, В.Б. Ратинова, Д.А. Шалмана. Вопросы формирования снежного покрова на поверхностях дорог затрагивались в научных исследованиях В.Р. Алексеева, А.А. Маевского, Е.Б. Волковой, А.В. Михайлова, А.И. Редекопа, В.К. Батурина, О.В. Гладышевой, В.В. Говорова, Н.Н. Паневина, О.В. Рябовой, Т.В. Самодуровой. Учение снега как о полизональном, полислоистом теле развивается в работах учёных нижегородской научной школы: Л.В. Барахтанова, В.В. Белякова, А.П. Куляшова, В.А. Шапкина. Способам разработки снежного покрова посвящены труды В.И. Баловнева, Г.Л. Карабана, Д.И. Федорова, И. Ратье, Г. Кюна, Р. Шилда.

Анализ исследований, проведённый в данной главе, позволил отметить ряд моментов, которые вышеназванные авторы, в силу специфики проводимой ими исследований не учитывали в своих исследованиях.

Во-первых, до настоящего времени не существует единой методики оценки влияния того или иного фактора на безопасность дорожного движения. Из всех показателей зимнего содержания дорог вскрыто влияние только одного параметра - сцепления колеса с дорогой. При этом методика замера этого параметра при отрицательных температурах отсутствует.

Во-вторых, при взаимодействии с движителями транспортных средств и рабочими органами среда рассматривается как однородная. Наличие слоистости и зональности на дорогах и влияние этих факторов на управляемость транспортных средств в большинстве работ не учитывается. Изменения физико-механических свойств снега под действием колёс транспортных средств и погодных условий в вышеприведённых работах также не рассматривается.

Исходя из вышесказанного, целью настоящего исследования является разработка теоретических основ оценки зимнего содержания дорог по уровню безопасности дорожного движения.

В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие задачи:

1. Разработать статистическую теорию взаимосвязи безопасности дорожного движения и уровня зимнего содержания дорог. Получить зависимости изменения аварийности от состояния дорожного полотна (коэффициента сцепления колеса с дорогой, колейностью и наличия микста).

2. Разработать модель изменения геометрических и физико-механических параметров снежного покрова, образующегося на поверхностях дорог, которая учитывает: интенсивность выпадения осадков, температуру и влажность окружающего воздуха, интенсивность и скорость движения транспорта по рассматриваемой дороге, его состав, а также основные характеристики дороги.

3. Разработать модель взаимодействия движителей транспортных средств и рабочих органов снегоуборочной машины со снегом как с полислоистым полизональным объектом разрушения, позволяющая учитывать, как его неоднородность, так и изменение в течение времени.

4. Проанализировать возможности обеспечения безопасности дорожного движения в зимний период путём совершенствования параметров эксплуатации транспортных средств, изменения требований к их техническому состоянию и к состоянию дорог. Показать возможность изменения уровня аварийности на дорогах при реализации тех или иных изменений в организации дорожного движения в зимний период.

Во второй главе разработана методика расчёта параметров активной и пассивной безопасности участников дорожного движения. При этом было проанализировано всё многообразие критериев оценки влияния различных факторов на безопасность дорожного движения.

Показано, что наиболее адекватно уровень безопасности дорожного движения может быть описан при помощи такого параметра как пробег т/с между ДТП. Для его определения предложено внесение изменение в методику, описанную в ВСН 45-68, был внесён ряд изменений. Во-первых, был изменён параметр, который подлежал учёту. Вместо числа транспортных средств, прошедших через поле зрения наблюдателя, был выбран такой параметр как длина пробега транспортных средств, которая определялась из уравнения:

, (1)

где l - контролируемая зона обзора наблюдателя.

Кроме того, в отличии от методики, описанной в ВСН 45-68 контроль за интенсивностью дорожного движения осуществлялся из движущегося транспортного средства. Для чего контролируемый поток машин был разделён на поток встречных и попутно двигающихся транспортных средств:

, (2)

где n_B - количество транспортных средств, движущихся во встречном направлении, а n_П - количество транспортных средств, движущихся в попутном направлении.

При движении наблюдателя со скоростью _Н количество встречных транспортных средств будет увеличиваться на величину , где _Н - скорость движения наблюдателя, Т - время наблюдения, а s - дистанция между т/с во встречном направлении, определяемая из уравнения:

, (3)

то есть при увеличении скорости движения количество встречных транспортных средств на дороге будет больше на величину: . То есть в условиях движения наблюдателя уравнение по оценке величины пробега транспортных средств получится равной:

(4)

Поделив полученный результат на количество зафиксированных ДТП получим средний межаварийный пробег транспортных средств. С учётом того, что последствия ДТП видны на дороге всё время пока сотрудники ГИБДД не произведут осмотр места аварии (а при необходимости к этому времени необходимо добавить и вызов эвакуатора), данная величина характеризуется таким параметром как время ожидания Т_ОЖ. За это время мимо места ДТП проедет:

(5)

транспортных средств. Суммарный пробег этих транспортных средств составит:

, (6)

суммарный пробег т/с по дорогам до аварии может быть найден из уравнения:

, (7)

где D-число ДТП на исследуемом участке дороги.

Если рассматриваемая дорога имеет несколько характерных участков, то последнее уравнение следует писать в виде:

. (8)

Результаты расчёта по данным выражениям для разных типов дорог показаны на рисунке 1.

Приведённые данные свидетельствуют, что изменение коэффициента аварийности дорожного движения с пострадавшими, показывающего на сколько велика опасность погибнуть в ДТП, не совпадают с изменением общего коэффициента аварийности. То есть для анализа влияния того или иного фактора на безопасность дорожного движения необходимо оперировать двумя указанными показателями, так как одни и те же мероприятия могут повысить один из них и снизить другой.

а) б)

Рис. 1. Распространение пробега т/с между ДТП по разным дорогам; а) - без пострадавших; б) - с пострадавшими: 1- загородные дороги местного значения; 2 - загородные дороги группы А и Б; 3 - загородные дороги группы В; 4 - городские магистральные дороги; 5 - городские дороги районного и местного значения; 6 - среднее значение

На рисунке 2 показано изменение аварийности в зависимости от движения по улицам Нижнего Новгорода с разной интенсивностью движения.

Рис. 2. Изменение показателей аварийности в зависимости от интенсивности движения т/с по дорогам Нижегородской области

Исследования транспортных потоков, проведённые автором, позволили установить, что величины среднеквадратичных отклонений с 10 % погрешностью можно принять равными средним значениям количества исследуемых транспортных средств в потоке и в ДТП (при условии соблюдения размерности единиц транспортного потока на один исследуемый автомобиль) То есть функция распределения вероятностей интервалов движения т/с и частота их попадания в ДТП будет иметь вид:

, (9)

где - процентное содержание исследуемого фактора в общем объёме ДТП.

Полученные данные свидетельствуют о том, чтобы оценить влияние того или иного параметра дорожного движения на его аварийность с использованием такого критерия как пробег т/с между ДТП необходимо проведение исследований не менее чем 100 ДТП, характеризующихся исследуемым параметром. То есть методом наружного наблюдения необходимо проезжать в год не менее 10000 км, что является крайне трудоёмкой операцией. Для экспресс-анализа ситуации в том или ином районе можно использовать такой показатель как число ДТП на тонну проданного автомобильного топлива, так как данный показатель косвенно связан с величиной пробега т/с между ДТП. Однако, наиболее точным параметром оценки влияния того или иного фактора на аварийность являются безразмерные коэффициенты активной и пассивной безопасности, которые можно определить из выражения:

. (10)

При применении данного коэффициента можно не проводить дорогостоящие прямые наблюдения, а пользоваться журналами учёта ДТП в различных структурах ГИБДД.

На основе теории вероятности и математической статистики было установлено, что анализ аварийности может производиться по выборке, в которой должно быть описано не менее 100 случаев ДТП в которых был задействован исследуемый фактор. При этом, для обеспечения репрезентативности в исследуемом массиве должно быть: ДТП без пострадавших в населённых пунктах (60 % случаев), ДТП без пострадавших вне населённых пунктов (15 % случаев) ДТП с пострадавшими в населённых пунктах (15 % случаев) и ДТП с пострадавшими вне населённых пунктов (10 % случаев).

В третьей главе представлены результаты теоретических и статистических исследований, посвящённых определению степени влияния того или иного параметра зимней дороги на безопасность дорожного движения. Установлено, что несмотря на то, что 25 % ДТП происходит в условиях заснеженных дорог, непосредственное влияние на ухудшение управляемости транспортных средств в предаварийный период зимние дороги оказали влияние только в 15 % случаев ДТП, а в более половины случаях контраварийные манёвры вообще не производились. Взаимосвязь скоростного режима автомобилей с характером контраварийных манёвров показана на рисунке 3.

Полученные данные позволили получить выражение для определения изменения параметров аварийности от управляемости транспортного средства:

, (11)

где U - коэффициент аварийности, связанный с управляемостью транспортных средств, U - общий коэффициент аварийности транспортного потока, _А - скорость движения автомобилей; 21 - средняя скорость автомобилей (в км/ч), предшествующая аварийной обстановке; 33 - средняя скорость автомобилей (в км/ч), предшествующая аварийной обстановке, когда хотя бы один из водителей пытался предотвратить ДТП путём совершения контраварийных манёвров.

а б

Рис. 3. Взаимосвязь скоростного режима автомобилей с характером контраварийных манёвров водителя; а) на принятие решения водителем о выполнении того или иного манёвра, 1 - манёвр отсутствует; 2 - торможение; 3 - поворот; 4 - перестроение; 5 - торможение с поворотом; б) - Дифференциальные функции распределения вероятности ДТП от скорости движения транспортного средства, суммарная и с отсутствием манёвров перед ДТП

Решение данного уравнения показывает возможность снижение аварийности на дорогах, путём повышения управляемости транспортных средств на 30 %, причём для наиболее тяжёлых случаев аварий, происходящих на скоростях выше 50 км/час, то за счёт повышения управляемости число ДТП может быть снижено на 50 %.

Для получения зависимости изменения аварийности от коэффициента сцепления колеса с дорогой в зимний период, как наиболее полно отражающего степень управляемости транспортного средства, был применён метод стратификации, в результате которого из основной совокупности ДТП были проанализированы аварии, произошедших за период с 2002 по 2006 годы, отличительной особенностью которых являлось то, что водители при возникновении опасной дорожной обстановки пытались применить тот или иной вид манёвров. Без учёта аварий в зимний период, когда для предотвращения ДТП не хватило величины сцепления колеса с дорогой, распределение вероятности ДТП примет вид: f(v)=0,05e^-0,05(v-27). Тогда, за счёт улучшения содержания дорог в зимний период показатель аварийности может быть снижен на величину:

, (12)

что говорит о том, что путём повышения уровня зимнего содержания дорог можно снизить аварийность на наших дорогах на 15 %. Кроме возможности путей снижения аварийности на дорогах, одной из важнейших научных задач является определение ухудшения безопасности дорожного движения под действием неблагоприятных погодных факторов.

В соответствии с вышеприведенными принципами были построены зависимости, характеризующие изменение аварийности при движении по мокрой дороге, а также для автомобилей, оснащённых АБС. Полученные данные позволили аппроксимировать зависимость изменения аварийности от коэффициента сцепления колеса с дорогой зависимостью вида:

, (13)

графический вид которой показан на рисунке 4.

При торможении на дороге, с различными сцепными свойствами в поперечном направлении на автомобиль действует разворачивающий момент, который, при определённых условиях вызовет выход автомобиля за пределы полосы движения. Такое неуправляемое движение называют заносом, а неравномерность коэффициентов сцепления колеса и дороги - микстом. Около 5 % ДТП (а в зимнее время - более 15 %) связано именно с таким поведением автомобиля. Единственным способом предотвращения заноса автомобиля, при торможении в условиях разных значений сцепления колеса и дороги является не полное использование сцепных свойств других колёс с дорогой.

Рис. 4. Аналитическая зависимость изменения коэффициента аварийности от коэффициента сцепления колеса с дорогой

Существуют несколько моделей уменьшения тормозного усилия на колёсах, позволяющих обеспечить удержания автомобиля на заданной траектории в условиях микста. Наиболее простой алгоритм применялся в автомобилях, имеющих двухканальные системы АБС, которые являются одновременно одними из самых простых в конструкции, но наименее эффективными в условиях торможения на миксте. Давление во всей системе одинаково и определяется самым низким коэффициентом сцепления среди всех контролируемых колёс:

. (14)

Коэффициент использования тормозного усилия у АБС с устройством задержки образования момента разворота (GMA), которое задерживает рост давления в колёсном цилиндре переднего колеса с более высоким коэффициентом сцепления с дорожным покрытием, может быть найден из выражения:

. (15)

Максимально возможный теоретический коэффициент использования тормозных сил может быть получен при управлении автомобилем, не оснащённым АБС:

, (16)

однако анализ действий водителей в аварийной обстановке показывают, что случаи дозированного нажатия на педаль тормоза в указанных условиях ничтожно малы, торможение происходит путём однократного нажатия на педаль тормоза, что в условиях микста приводит к выезду автомобиля за пределы полосы движения.

Графический вид зависимостей 14-16 показан на рисунке 5. Так как изменение коэффициента используемого тормозного усилия предполагает не полное использование величины коэффициента сцепления колеса с дорогой, то влияние величины разницы в коэффициентах сцепления колеса с дорогой левога и правого борта автомобиля на аварийность движения может быть представлена в виде модифицированного выражения 15:

, (19)

решения которого в графическом виде показаны на рисунке 6.

Рис. 5. Зависимость изменения величины тормозного усилия, обеспечивающей отсутствие заноса автомобиля при торможении на миксте; 1 - для легковых автомобилей В-класса; 2 - для среднетоннажных грузовиков; 3 - для длинномерных транспортных средств

а б

Рис. 6. Изменения коэффициента аварийности от коэффициентов сцепления левых и правых колес автомобиля с дорогой с дорогой; а - для автомобилей, оснащённых АБС, срабатывающих по минимальному коэффициенту сцепления колеса с дорогой; б - для автомобилей, оснащённых АБС с устройством GMA

Кроме рыхлого снежного покрова на дороге после снегопада, под действием колёс транспортных средств образуется накат из уплотнённого снега, а при переходе температуры поверхности дороги через точку замерзания воды или рассола то и лёд. При этом на дороге будут образовываться неровности разной толщины, при преодолении которых на транспортное средство будет действовать момент, стремящийся дополнительно развернуть транспортное средство. При этом, величина неровности начнёт оказывать влияние на траекторию движения транспортного средства при выполнении следующего условия:

,

где - угол контакта неровности с колесом, равный:

= ,

h - высота неровности, r_K - радиус качения колеса,

- угол трения между колесом и дорогой, - коэффициент сцепления колеса и дороги. Уравнение поворота транспортного средства, преодолевающего заторможенным колесом препятствие на дороге может быть записано в виде:

. (20)

Способом предотвращения заноса при наезде заторможенным колесом на неразрушаемое препятствие служит опять таки уменьшение тормозного усилия. При растормаживании колёс возрастает их сила сопротивления боковому перемещению, что способствует стабилизации движения автомобиля. Дифференциальное уравнение движения автомобиля при растормаживании автомобиля будет иметь вид:

, (21)

где m_i - вес автомобиля, приходящегося на i ое колесо, r_i - расстояние от i ого колеса до центра тяжести автомобиля N - число колёс у автомобиля.

При решении полученного уравнения следует помнить, что растормаживание колёс не может произойти мгновенно, в результате чего автомобиль до начала растормаживания повернётся на угол, равный , где выражение в скобках представляет собой сумму времени реакции водителя и срабатывания тормозного механизма.

Сравнение экспериментальных данных и теоретических расчётов, связанных с преодолением заторможенным колесом препятствия показано на рисунке 7.

Методом предотвращения заноса при наезде на недеформируемое препятствие при повороте будет увеличение радиуса поворота, которое, как и в случае с торможением, может быть обеспечено прекращение поворота, на время, необходимое для стабилизации движения. По аналогии с уравнением 19 манёвр "поворот" буде разбит на два участка: прямолинейного движения на расстояние, необходимое для стабилизации движения, и с радиусом поворота, зависящим от величины сцепления колеса с дорогой. При этом действительный радиус поворота будет найден как сумма радиуса поворота, зависящего от коэффициента сцепления колеса с дорогой и прямолинейного участка.

По аналогии с коэффициентом использования тормозного усилия введём коэффициент использования рулевого механизма, который может быть найден из выражения:

, (22)

где h_Z - величина прогиба колеса.

а б

Рис. 7. Результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований по изменению ускорений торможения автомобиля при наезде на неразрушаемое препятствие; а - от высоты неровности; б - от статического радиуса колеса 1 - для колеса со статическим радиусом 0,26м; 2 - для колеса со статическим радиусом 0,453м; 3 - экспериментальные точки; 5 - для препятствия высотой 0,06м; 6 - для препятствия высотой 0,03 м; а - теоретические зависимости; б - регриссионные зависимости

Гораздо большее влияние, по сравнению с аварийностью, управляемость автомобиля оказывает на тяжесть последствий. Это обусловлено тем, что большинство аварий происходит на скорости от 0 до 20 км/час. При этом манёвры транспортных средств, предпринимаемые с целью предотвращения ДТП как правило отсутствуют (так как практически любой манёвр на таких скоростях приводит к предотвращению ДТП), а повреждения, наносимые участникам дорожного движения, даже пешеходам незначительны. С увеличением скорости водители всё чаще предпринимают неудачные попытки избежать ДТП с использованием манёвров. Так на скоростях свыше 60 км/час повышение управляемости транспортных средств позволило бы избежать более чем 50 % аварий (см. рисунок 4).

На рисунке 8 приведён результат обработки статистических данных, показывающих связь между коэффициентом сцепления колеса с дорогой и степенью повреждений пешеходов, водителей и пассажиров транспортных средств исходя из изменения энергии столкновения.

Анализ полученных результатов позволил модифицировать уравнение 19 для случаев ДТП с пострадавшими в условиях движения по дороге заносимой снегом:

,(23)

где К ₄ - коэффициент, учитывающий тяжесть последствий при ДТП с пострадавшими, равный 0,5 для случаев ДТП с пешеходами и 0,75 для случаев ДТП с водителями и пассажирами.

а б

Рис. 8. Изменение энергии удара при ДТП в условиях разного коэффициента сцепления колеса с дорогой и изменения степени травмируемости пешеходов (а) и водителей и пассажиров (б); 1 - доля ДТП с энергией поглощённой кузовом т/с в пределах от 200 до 500 кДж; 2 - доля ДТП с энергией поглощённой кузовом, превышающей 500 кДж

Изменение коэффициентов общей аварийности и аварийности с пострадавшими пешеходами и водителями показаны на рисунке 9.

Рис. 9. Изменение тяжести последствий ДТП в зависимости от коэффициента сцепления колёс с дорогой;1 - ДТП без пострадавших; 2 - ДТП с пострадавшими пешеходами; 3 - ДТП с пострадавшими водителями и пассажирами транспортных средств

Из рисунка видно, что совершенствование зимнего содержания дорог значительно влияет только на величину ДТП без пострадавших, это объясняется тем, что при движении в сложных дорожных условиях водители значительно снижают скорость движения транспортных средств, а именно этот параметр и является определяющим при оценке возможных последствий при ДТП. автомобильный аварийность безопасность снежный

В четвёртой главе разработана математическая модель полислоистого полизонального снежного покрова, формирующегося на поверхности дорог под действием погодных факторов и движителей транспортных средств. При проведении научных исследований было установлено, что в зависимости от интенсивности выпадения снега (за счёт снегопадов или метелевых переносов), скорости замерзания и объема воды, а также мощности транспортного потока дороги в зимний период характеризуются различными поверхностями, с которыми взаимодействуют движители и рабочее оборудование специальных транспортно-технологических машин. Они представляют собой сложные пространственные системы, обладающими двумя основными характеристиками, определяющими их свойства: опорной прочностью и геометрической формой.

Опорная прочность материала полотна пути формирует такие эксплуатационные свойства, как скоростные и тормозные качества, управляемость, устойчивость, топливная экономичность транспортных средств, а также силу сопротивления разрушения рабочим органом.

Установлено, что в пределах одной полосы образуется до трёх характерных зон - колейная, межколейная и межполосная (зона обочины) В общем виде методика расчёта показана на рисунке 10. Цифрами на рисунке обозначены: 1 - слой свежевыпавшего снега, плотностью от 70 до 120 кг/м³, 2 - слой снега перенесённого на дорогу за счёт метелевого переноса плотностью от 150 до 250 кг/м³, 3 - слой снега, подвергшегося экскавационному разрушению колёсами транспортных средств плотностью от 300 до 350 кг/м³, 4 - слой воды плотностью 1000 кг/м³, 5 - слой льда плотностью от 850 до 900 кг/м³, 6 - слой уплотнённого снега, подвергшегося химической обработке плотностью от 400 до 450 кг/м³, 7 - слой снега, уплотнённого движителями транспортных средств (снежный накат) плотностью 670 кг/м³, 8 - ещё один слой льда плотностью от 850 до 900 кг/м³. В реальных условиях толщина указанных слоёв снега может меняться от 0 до 200-300 мм.

Зная значения коэффициента сцепления колеса с дорогой в зависимости от состояния опорной поверхности были получены зависимости изменения аварийности от интенсивности дорожного движения, скорости приноса снега на дорогу и времени с начала или окончания снегопада с учётом параметров его слоистости и зональности.

В пятой главе разработана методика оценки изменения параметров безопасности дорожного движения после применения коммунальных машин. Показано, что в результате воздействия на снег рабочими органами или химическими реагентами не всегда приводит к тому, что снег полностью удаляется с дороги и происходит полное восстановление параметров безопасности дорожного движения.

Так при удалении снега плужными рабочими органами под действием колебаний снегоуборочной техники снежный покров удаляется не полностью и поверхность дороги приобретает специфический вид, обусловленный скоростью уборки и типом применяемого рабочего органа. Значения коэффициента приведения К₅ в зависимости от скорости движения и величины амплитуды примет следующий вид:

, (24)

а изменение аварийности движения - на рисунке 11.



Рис. 10. Блок-схема разработанной методики расчёта геометрических и физико-механических параметров снежного покрова, образующегося на поверхности дорог

Изменение аварийности вследствие снижения активной ширины дороги принято оценивать при помощи коэффициента аварийности, приведённого в "Рекомендациях по обеспечению безопасности движения на автомобильных дорогах":

, (25)

где m- количество полос движения, В_О - начальная ширина обочины.

Рис. 11. Изменение коэффициента аварийности дорожного движения от скорости движения транспортных средств и высот неровностей

С учётом того, что уменьшение ширины обочины зависит от толщины снега на неубираемой части дороги h_C, поделённой на количество операций по снегоуборке N_Y получим зависимость изменения коэффициента безопасности дорожного движения:

. (26)

А коэффициент изменения безопасности дорожного движения определится из выражения:

. (27)

Результаты расчёта по данной формуле приведены на рисунке 12.

Рис. 12. Изменение коэффициента аварийности дорожного движения от высоты накопленного снежного покрова и количества операций по снегоуборке

Применение химических реагентов при наличии слоя уплотнённого снега толщиной более 0,03 метра приводит к тому, что во время непосредственно после применения реагентов параметры колейности на дороге начинают увеличиваться, что обусловлено разницей в скорости разрушения снега в колейной и межколейной зонах.

На рисунке 13 показано изменение аварийности на дороге при внесении химических реагентов на сформировавшийся снежный накат.

Рис. 13. Изменение коэффициента аварийности под действием реагентов, внесённых на образовавшийся снежный накат; 1 - при интенсивности движения 500 т/с в час; 2 - при интенсивности движения в 2000 т/с в час

В шестой главе приведены результаты моделирования снежного покрова с рабочими органами снегоуборочной техники. Установлено, что при снегоочистке ряд сопротивлений, характерных для рабочих органов не зависят от слоистости снежного покрова. К таким сопротивлениям относятся: сопротивление, возникающее в результате трения призмы волочения разрабатываемого материала о поверхность отвала, сопротивление подъему стружки разрушенного снега вверх по отвалу, сопротивление перемещению призмы вдоль отвала, реактивная сила отбрасывания снега отвалом в проекции на ось движения машины, сопротивление перемещению отвала снегоочистителя по заснеженной поверхности дороги при установке его в плавающее положение, уплотнение слоистого снега и заглубление рабочего органа.

С учётом зональности снежного покрова, суммарное усилие резания на рабочем органе может быть найдено из уравнения:

, (28)

где i - число слоёв в рассматриваемом снежном покрове, j - число зон снега, а

- член уравнения, учитывающий взаимное влияние близлежащих зон друг на друга.

Общее изменение усилие на рабочем органе, в зависимости от времени с начала снегопада и интенсивности дорожного движения показаны на рисунке 14.

Полученные результаты свидетельствуют об отсутствии постоянного и монотонного роста усилия на рабочем органе снегоуборочной машины в зависимости от интенсивности снегопада и времени начала уборки. В действительности существуют три критические точки, при переходе через которые энергоёмкость процесса резко изменяется. Во-первых, это время, за которое снежный покров не ложится на дорогу, а разрушается и выносится за её пределы колёсами транспортных средств, величина данного параметра может быть определена из выражения:

, (29)

а б

Рис. 14. Изменение усилия резания на рабочем органе в зависимости от времени с начала снегопада; а) при интенсивности выпадении снега 2 мм/ час; б) при интенсивности выпадении снега 50 мм/ час

Во-вторых, это временя, когда в зоне колеи начинается образовываться слой уплотнённого снега. Данный момент может быть определён исходя из следующей зависимости:

. (30)

И в-третьих, когда уплотнённый слой снега в межколейной и межполосных зонах полностью восстановит внутренние межкристаллизационные связи и превратится в снежно-ледовый накат. В зависимости от температуры и влажности поверхности дороги этот процесс может занять от 6 часов и до бесконечности.

Зависимость энергоёмкости удаления снега с поверхности дорог и её сравнение с моделью применявшийся до настоящего времени, показана на рисунке 15.

С целью определения адекватности разработанной математической модели реальному процессу было проведено моделирование удаления снега и снежно-ледовых накатов в соответствующих режимах. Исследования проводились на стандартных рабочих органах снегоуборочной техники. Для оценок параметров и определения значимости факторов, входящих в модель и проверки её адекватности экспериментальным данным, были использованы методы планирования многофакторного эксперимента по плану Хартли. В качестве отклика были приняты: усилие на плужном рабочем органе, величина крутящего момента, создаваемая на валу привода щётки и расход топлива снегоуборочной машины, характерных для заснеженной дороги. Данные параметры удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к функциям отклика, то есть имеют физический смысл, количественную оценку и является совокупной и исчерпывающей характеристикой объекта исследования.



Рис. 15. Зависимость изменения затрат на очистку единицы поверхности дорожного покрытия от снега в зависимости от времени начала уборки; 1 - зависимость, применяемая ныне; 2 - предлагаемая зависимость для очистки дорог лёгкими (до 5 тонн) коммунальными машинами; 3 - предлагаемая зависимость для очистки дорог средними (5-12 тонн) коммунальными машинами; 4 - предлагаемая зависимость для очистки дорог тяжёлыми (свыше 12 тонн) коммунальными машинами

В результате проведённых исследований были получены регрессионные зависимости, связывающие параметры снежного покрова, технологию уборки и усилие, возникающее на плужном рабочем органе во время снегоочистки, энергоёмкости (изменение расхода топлива), приведённые ниже:

W_PO=158,2 +64,5В+43t +40h+12,2+18,5Вt+17,1Вh+5,2В+

+11,5th+3,8t+4,7+3,6h+39,7²-4,5h². (31)

Результаты серии проведенных опытов приведены в виде графиков на рис. 16 соответственно для каждой из физических моделей.

Проведена проверка достоверности экспериментальных данных, полученных при испытаниях транспортно-технологических средств, на воспроизводимость результатов по критерию Кохрена и на адекватность математической модели по критерию Фишера. В ходе проверки установлена достоверность результатов по обоим критериям. Относительная погрешность, в зависимости от исследуемых параметров, составила от 15 до 25 %. На основании полученных результатов была предложена рациональная структура парка коммунальных машин, в которой получена взаимосвязь между массой снегоуборочной машины и общим объёмом снега выпадаемым на рассматриваемой местности, показанная на рисунке 17.

а б

Рис. 16. Зависимость усилия на рабочем органе от высоты снежного покрова (а) и скорости резания (б)

Рис. 17. Изменение стоимости снегоочистки от годового объёма снегоприноса на дорогу; 1 - для коммунальных машин весом 3 т; 2 - для коммунальных маши весом 5 т; 3 - для коммунальных весом 8 т; 4 - для коммунальных машин весом 15 т

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработана статистическая теория взаимосвязи безопасности дорожного движения и уровня зимнего содержания дорог. Установлено, что для описания функции плотности распределения вероятности ДТП, максимальную степень приближения к реальной картине распределения имеет экспоненциальная функция. Анализ аварийности может производиться по выборке, в которой должно быть описано не менее 1000 случаев ДТП в которых был задействован исследуемый фактор. При этом, для обеспечения репрезентативности в исследуемом массиве должно быть: ДТП без пострадавших в населённых пунктах (60 % случаев), ДТП без пострадавших вне населённых пунктов (15 % случаев) ДТП с пострадавшими в населённых пунктах (15 %случаев) и ДТП с пострадавшими вне населённых пунктов (10 % случаев).

2. Установлено, что уровень безопасности дорожного движения, следует оценивать по таким параметрам как число ДТП на единицу длины пути, пройденного транспортным средством или число погибших (пострадавших) на единицу длины того же пути. Для оценки уровня безопасности региона в целом можно использовать такой параметр как число аварий или пострадавших на единицу веса проданного автомобильного топлива. Для анализа степени влияния того или иного фактора на аварийность дорожного движения следует использовать такой параметр как коэффициент общей аварийности и коэффициент аварийности с пострадавшими.

3. Получены зависимости изменения аварийности дорожного движения от качества содержания дорог в зимний период, которое характеризуется величиной коэффициента сцепления левых и правых колёс автомобиля с дорогой и высотой снежно-ледовых накатов. Результаты расчёта по предлагаемому методу оценки аварийности с учётом параметров колейности дороги отличаются на 15-25 % от результатов, получаемых при использовании стандартного метода.

4. Установлена зависимость изменения безопасной скорости движения, обеспечивающей заданный уровень аварийности на дорогах. Полученные данные свидетельствуют, что наличие микста величиной более чем 0,1 уже оказывает влияние на величину безопасной скорости движения автомобиля, а при его величине более чем 0,3 скорость движения автомобиля должна быть снижена в 2 раза. При наличие снежно-ледяного наката высотой более 0,02 метра скорость должна быть снижена в 1,5 раза.

5. Разработана математическая модель формирования полислоистого полизонального снежно-ледового покрытия автомобильных дорог в зимний период. Показано, что в общем случае количество слоёв снега и льда, обладающих различными физико-механическими свойствами может достигать восьми. При этом, количество зон на одной полосе дороги, в переделах которых параметры слоистости снежного покрова можно считать постоянными, равняется пяти.

6. Получены аналитические зависимости изменения геометрических параметров слоёв снега в течение времени в зависимости от интенсивности и скорости движения транспортных средств, их состава, скорости и характера попадания снега на дорогу, температуры окружающего воздуха и дорожного покрытия, скорости ветра и интенсивности солнечной радиации.

7. Разработана модель взаимодействия колёсных движителей транспортных средств и рабочих органов коммунальных машин со снежным покровом учитывающая наличие слоистости и зональности последнего. Показано, что при наличии слоя экскавационно-разрушенного снега на уплотнённом снегу или на льду разработанные модели позволяют повысить точность расчётов более чем на 80 %. При наличии других параметров слоистости разница в расчётах параметров взаимодействия по вновь разработанной методике и методикам, применяемым ранее не превышает 2 %.

8. Проанализированы возможности обеспечения безопасности дорожного движения в зимний период. Установлено, что путём совершенствования эксплуатации автомобильного транспорта количество аварий без пострадавших может быть сокращено на 10 %, а с пострадавшими - на 5 %. Путём совершенствования зимнего содержания дорог количество аварий без пострадавших может быть уменьшено на 15 %, а с пострадавшими - на 5 %.

9. Показана возможность изменения уровня аварийности на дорогах при изменении объёма работ по зимнему содержанию дорог. Установлено, что после окончания снегопада, вследствие разрушения снега колёсами транспортных средств происходит снижение аварийности дорожного движения со скоростью 1-1,5 % в час. При обработке дороги химическими реагентами скорость снижения аварийности может быть увеличена в 2-3 раза. При этом полного восстановления параметров безопасности дорожного движения не происходит, вследствие медленного разрушения уплотнённого снега и снежных накатов в межколейной и межполосной зонах

10. При удалении снежного наката на дорогу, толщиной более чем 0,03 метра, после применения химических реагентов в течении 10 часов необходимо провести обработку поверхности дороги механическим способом. В противном случае аварийность на рассматриваемом участке может возрасти на 10-20 %.

11. Получены рекомендации по выбору рациональной структуры парка снегоуборочной техники и частоты её применения во время снегопада. Установлено, что во 2 климатической зоне наиболее целесообразно в качестве снегоуборочной техники использовать машины массой 7-15 тонн, а при интенсивности снегопада менее 10 мм/час выпуск машин на линию осуществлять не позднее чем через 7 часов после начала снегопада. При скорости уменьшения температуры большей, чем 1 градус в час выпуск машин на линию должен быть осуществлён на 1 час раньше. При увеличении температуры воздуха выпуск машин на линию должен осуществляться после стабилизации температурного режима.

...