Технико-эксплуатационные показатели сухопутного транспорта леса

2 Одним из основных технико-эксплуатационных показателей подвижного состава (поезда) является полезная нагрузка. В соответствии с этой нагрузкой определяется количество грузов, их масса и объем, которые могут перевозиться данным транспортом.

Полезную нагрузку определяют, исходя из расчетной массы всего поезда, которую, в свою очередь, находят из так называемого уравнения тягового баланса.

Для получения уравнения тягового баланса необходимо рассмотреть уравнение движения поезда, которое на режиме тяги может быть представлено в виде

, (22)

где – равнодействующая сила;

– касательная (окружная) сила;

– сила сопротивления движению;

– дополнительное сопротивление от уклона пути;

– поправка, учитывающая влияние вращающихся масс поезда.

Равнодействующую силу можно также выразить на основании второго закона Ньютона

, (23)

где – масса поезда, (т).

Приравняв правые части уравнений (89) и (90), получим

, (24)

При тяговых расчетах используют величину удельного сопротивления, которую представляют в виде:

для касательной силы

, (25)

для силы сопротивления движению

, (26)

для дополнительной силы сопротивления от уклона дороги

, (27)

где – вес поезда, равный .

Разделив числитель и знаменатель в правой части равенства (24) на массу поезда и учитывая выражения (25), (28) и (27), получим дифференциальное уравнение движения поезда

, (28)

Уравнение тягового баланса получим из уравнения движения поезда (28), приняв во внимание, что при равномерном движении поезда . Следовательно, мы можем записать

, (29)

Учитывая, что по выражению (29)

, (30)

выйдем к уравнению тягового баланса

, (31)

Используя это уравнение, можно определить расчетную массу поезда подставив ее в формуле (30) вместо , а вместо уклона руководящий уклон

, (32)

Касательную силу подсчитывают, используя формулу

, (33)

где – мощность двигателя;

– коэффициент полезного действия силовой передачи;

– коэффициент использования свободной мощности двигателя по эксплуатационным показателям, который равен: – для автомобилей, – для локомотивов железных дорог;

– коэффициент учета отбора мощности на привод вспомогательных механизмов ;

– скорость движения поезда, м/с.

Для автомобильных дорог при расчете значений по формуле (32) берут максимальное значение крутящего момента на второй передаче коробки скоростей и низшей передаче раздаточной коробки. После выполнения данного расчета производят проверку возможности использования максимальной мощности двигателя по условиям сцепления колес с дорогой, определив силу сцепления

, (34)

где – сцепной вес транспортной машины, т.е. часть ее веса, приходящаяся на ведущие колеса ;

– коэффициент сцепления ведущих колес тягача с дорогой, который, в зависимости от типа и состояния дороги принимается равным: для влажных твердых покрытий и ; для влажных грунтов и гравийных покрытий ; для снежных дорог .

Значение касательной силы можно также взять из тяговых характеристик автомобиля или тепловоза, которые строят в виде графиков, отражающих зависимости от скорости движения поезда. Значение величины удельного сопротивления движению в формуле (98) можно для лесовозных дорог принять постоянной и равной: Н/т – для дорог с покрытием из железобетонных плит; Н/т – для грунтовых и гравийных, обработанных вяжущими материалами; Н/т – для грунтовых и гравийных без обработки; Н/т – для ледяных.

Определив расчетную массу поезда, находят полезную нагрузку

, (35)

где – масса автомобиля без груза;

– масса прицепного состава;

– объемная масса древесины, т/м³.

Определенное по формуле (35) значение полезной нагрузки не должно превышать грузоподъемности подвижного состава, т.е. должно быть соблюдено условие

, (36)

где – паспортная (номинальная) грузоподъемность автомобиля;

– паспортная (номинальная) грузоподъемность прицепного состава.

При расчете железнодорожного подвижного состава следует учитывать, что локомотив не несет на себе полезной нагрузки. Следовательно, вся полезная нагрузка будет приходиться на прицепной состав.

В этом случае касательную силу можно представить, принимая во внимание формулу (31), в виде

, (37)

где – масса локомотива;

– масса прицепного состава;

– удельное сопротивление перемещению локомотива;

– удельное сопротивление перемещению прицепного состава.

Из формулы (37) можно найти массу прицепного состава

, (38)

Для определения полезной нагрузки на железнодорожный поезд необходимо вначале определить количество сцепов (вагонов, платформ) по формуле

, (39)

где – грузоподъемность одного сцепа;

– масса сцепа без груза.

После этого можно определить полезную нагрузку железнодорожного поезда по формуле

, (40)

При выполнении различных расчетов технико-эксплуатационных и технико-экономических показателей транспортных средств необходимо знать скорости перемещения подвижного состава по дороге. Однако, в процессе движения поезда по трассе дороги его скорость не остается постоянной, так как она зависит от многих факторов, в том числе, от соотношения движущих сил и сил сопротивления, от состояния пути, от взаимодействия транспортных средств между собой (различие скоростей в их движении, необходимость соблюдения интервалов, обгоны и т.д.), от квалификации и психофизиологического состояния водителей и т.д. Поэтому используют приближенные значения скоростей движения, некоторые их осредненные значения. Для их определения используют несколько методов, в том числе аналитические, графические и графоаналитические.

Аналитический метод определения скорости движения, в частности, основан на интегрировании дифференциального уравнения движения, представленного формулой (28). Однако этот метод не дает достаточно точного определения скорости движения, так как приходится прибегать к ряду приближений решения. С использованием ЭВМ при интегрировании южно применить графический метод решения задач по определению скоростей движения.

Приближенное определение скорости движения транспортного средства по дороге с заданным уклоном и сопротивлением качению можно получить из уравнения тягового баланса в развернутом виде

, (41)

Здесь мы принимаем допущение о том, что транспортное средство движется равномерно, прямолинейно и без торможения.

Раскрывая значение из формулы (33) и умножив все члены уравнения (41) на скорость движения транспортного средства , получим

, (42)

Отсюда можно получить выражение для определения скорости

, (43)

С учетом формул (25) и (26) выражение (43) можно представить в виде

, (44)

Однако наиболее широкое распространение получил графоаналитический метод приближенного определения скоростей движения подвижного состава. Это так называемый метод равновесных скоростей. При этом методе также вводится ряд допущений: равномерности скорости движения на каждом элементе профиля дороги; мгновенности скорости движения при переходе с одного элемента на другой. Несмотря на эти допущения метод равновесных скоростей, позволяет получить результаты, приемлемые для практических расчетов.

При этом методе используется тяговая характеристика тягача, выражающая зависимость касательной силы тяги от скорости движения на различных передачах коробки скоростей (рис. 7).

На графике тяговой характеристики тягача наносится дополнительная шкала с отметками сил полного сопротивления движению поезда на различных уклонах профиля дороги. Для построения этой шкалы аналитически рассчитываются значения сил сопротивления на различных уклонах дороги, используя формулы (31) – для автомобильных составов или (36) – для железнодорожных составов. По этим формулам определяются значения сил сопротивления при движении поезда в грузовом направлении и порожнем. В первом случае учитывается масса загруженного поезда , определяемая по формулам (32), во-втором – только масса тягача и прицепа, взятая из технической характеристики данных транспортных средств.

Для определения средних скоростей движения по дороге в грузовом и порожнем направлениях с продольного профиля дороги берут значения протяженности и уклона отдельных ее участков. С отметки дополнительной шкалы тяговой характеристики тягача, соответствующей значению уклона участка дороги, проводят горизонтальную линию до пересечения с кривой силы тяги. Проекция точки пересечения на ось абсцисс дает значение равновесной скорости движения поезда по этому участку. Разделив значение протяженности участка и на полученную по графику скорость движения по нему, можно определить время хода поезда по этому участку.

Средняя скорость движения поезда в грузовом и порожнем направлениях определяется по формулам

в грузовом направлении

, (45)

в порожнем направлении

, (46)

где – коэффициент, учитывающий снижение скорости на кривых малых радиусов, при подходах к мостам, при движении по мосту, в ночное время и так далее; для магистралей , для веток ;

– суммарная длина участков дороги;

, – движения поезда соответственно в грузовом и порожнем направлениях;

– время разгона поезда;

– время замедления поезда.

Для автомобильных дорог мин, для узкоколейной железной дороги мин.

На схеме рис. 7 показан метод определения равновесных скоростей участков дорог с использованием дополнительной шкалы с отметками уклонов при том допущении, что при расчетах полного сопротивления движению принимались постоянные значения . В действительности значения этой величины существенно зависят от скорости движения поезда. Например, для локомотивов (тепловозов) колеблется в пределах от 2,5 до 6,8 Н/кН при изменении скорости движения от 5 до 50 км/ч. Кроме того, при расчете тягачей, не несущих нагрузки (тепловозов), удельное сопротивление движению будет отличаться у тягача и прицепного состава, причем также зависит и от скорости перемещения: при км/ч.

Можно найти и средневзвешенное удельное сопротивление используя формулу

, (47)

Однако, и с учетом изменения удельного сопротивления движению методика определения значений равновесных скоростей существенно не меняется. Только вместо применения дополнительной шкалы на тяговую характеристику непосредственно наносятся кривые силы сопротивления движению, определяемые для каждого участка пути (с определенным уклоном ) с учетом изменения значений удельных сопротивлений в зависимости от скорости движения. На ось абсцисс в этом случае проецируется точки пересечения тяговых кривых с кривыми сил сопротивления движению.

Фактическую среднетехническую транспортную скорость в грузовом и порожнем направлениях можно определить и с помощью фотохронометража, измеряя длительность хода поезда в грузовом направлении и порожнем . При длине дороги , скорости соответственно будут равны

, (48)

После определения значений и упор можно определить среднюю скорость движения поезда в обоих направлениях по формуле

, (49)

Указанный графоаналитический метод определения равновесных скоростей может применяться для горизонтальных участков дорог и на спусках и подъемах с уклоном, не превышающим величину безвредного уклона, т.е. уклона, при котором не требуется торможение. Он определяется из выражения

, (50)

Более оперативное выполнение всех расчетов южно осуществлять с использованием ЭВМ. При этом можно повысить точность и достоверность вычислений, так как быстродействие ЭВМ позволяет учитывать ряд дополнительных факторов (влияние воздуха, пределов изменения скоростей, особенностей участков пути и так далее).

Для повышения достоверности определения скоростей движения можно использовать и более сложные методы (также на базе ЭВМ) применив, например, вероятностный подход с составлением статистических моделей. В этом случае можно учитывать не только соотношение тяговых сил и сил сопротивления, но и качество дорожных покрытий, движения по кривым малого радиуса, сужение дорог и помехи от других транспортных средств, эмоционально-психическое состояние водителя и т.д. Такие системные исследования с учетом перечисленных факторов проводились для дорог общего пользованиями в перспективе они должны проводиться и для лесовозных дорог, что будет способствовать повышению интенсивности их эксплуатации с одновременным повышением их безопасности.

Производительность подвижных составов на вывозке леса можно отнести как к технико-эксплуатационным показателям, так, в равной мере, к технико-экономическим, так как этот показатель обязательно присутствует в расчетах эффективности работы сухопутного транспорта. Наиболее часто используется сменная производительность.

Для определения сменной производительности лесовозного транспорта можно воспользоваться традиционной формулой, которую применяют при расчете производительности большинства лесосечных и лесоскладских работ

, (51)

где – продолжительность смены;

– подготовительно-заключительное время, которое принимается равным мин, для автомобилей с карбюраторным двигателем; мин – для автомобилей с дизельными двигателями; для тепловозов – мин;

– коэффициент использования рабочего времени смены, равный ;

– коэффициент использования грузоподъемности транспортной машины;

– полезная нагрузка подвижного состава, определяемая по формуле (36) или (40);

– время цикла работы транспортной единицы.

Время цикла складывается из следующих элементов

, (52)

где – расстояние вывозки;

, – скорости движения в грузовом и порожнем направлениях, определяемые по формулам (45) и (46);

– время пребывания на погрузочном пункте;

– время пребывания на нижнем складе.

Время цикла можно также рассчитать по формуле

, (53)

где , , – протяженность соответственно магистралей, веток и усов;

, , – среднетехнические скорости движения по соответствующим участкам дороги.

Значение , , можно рассчитать с помощью формулы (47) с учетом условий движения по разным типам дороги или воспользоваться табличными значениями. Например, при вывозке заготовленного леса тепловозами принимают: км/ч; км/ч.

К оценочным технико-эксплуатационным (технико-экономическим) показателям можно отнести годовую выработку на одну списочную транспортную единицу , определяемую по формуле

, (54)

где – коэффициент, учитывающий календарные простои машины в выходные и праздничные дни и простои по климатическим условиям и организационным причинам ;

– коэффициент технической готовности, учитывающий простои машин в ремонте ;

– коэффициент использования исправных машин, учитывающий юс простои в резерве ;

– коэффициент сменности .

При известных годовых объемах вывозки и выработки на одну машину можно подсчитать потребное списочное количество тяговых машин

, (55)

где – количество тягачей, необходимых для маневровых работ на усах и нижних складах (для рельсовых дорог);

– количество тягачей, необходимых для хозяйственных перевозок, доставки рабочих и других работ (принимают один тягач на 12...15 тыс. м³ годового объема вывозки).