Study of the efficiency of a wheeled transport and technological vehicle using mobility maps

Full Text

Обоснование

Любое проектируемое транспортно-технологическое средство (ТТС) повышенной или высокой проходимости должно эффективно выполнять поставленную перед ним задачу. Существуют методики оценки эффективности, в которых учитываются, как правило, эксплуатационные свойства, например, у Бабкова В.Ф. [1] — фактические скорость и расход топлива, у Диксона В. [2] и Бронштейна Я.И. [3] фактическая средняя скорость движения по маршруту, у Гребенщикова В.И. [4] обобщённый эксплуатационный показатель зависит от времени движения и расхода топлива за пробег. Проектируемое впервые ТТС невозможно оценить по этим методикам без создания прототипа и проведения экспериментальных исследований. В статье рассматривается эффект от применения новой методики расчёта эффективности по подвижности. Подвижность — это интегральное эксплуатационное свойство транспортно-технологических машин (ТТМ), определяющее их способность выполнять поставленную задачу с оптимальной адаптивностью к условиям эксплуатации и техническому состоянию самой машины, то есть возможность машины противостоять внешним и внутренним факторам, препятствующим выполнению поставленной задачи. Концепция подвижности была описана профессором Беляковым В.В. в работах [5–7]. В общем виде показатель подвижности определяется следующим образом:

$П={\lambda }_M\pm {\lambda }_T\pm {\lambda }_p$,

где ${\lambda }_M$ — техническая оценка ТТС, ${\lambda }_T$ — эксплуатационная оценка территории, ${\lambda }_p$ — оценка режима движения.

Эффективность по подвижности означает, насколько быстро колёсное ТТС сможет преодолеть рассматриваемый участок и рассчитывается как отношение значения технической оценки машины к значению показателя подвижности, методика описана в работах [8, 9]:

$\underset{}{{П}_{э}}=\frac{{\lambda }_M}{П}$,

где Пэ — оценка эффективности по подвижности.

Для визуализации результатов строится карта подвижности — это разбитая на участки с примерно однородными условиями движения карта местности, на которую нанесены отметки, соответствующие уровню подвижности на каждом таком участке для отдельно взятой машины. На карте отображаются ландшафтные условия, включающие рельеф, и цветовые отметки, соответствующие прогнозируемой скорости движения ТТС на каждом небольшом участке независимо от направления движения. Изначальные идеи подобных карт описаны в работе Беккера [10], среди современных исследований можно выделить два основных подхода построения карт: 1 — распределение участков по модели NATO Reference Mobility Model (NRMM) [11] по методу «GO–SLOW GO–NO GO»; 2 — цветовое обозначение вертикальных препятствий по модели Digital Terrain Model of the Czech Republic of the 5th generation (DMR 5G) [12–14] непроходимых углов рельефа. Так как эффективность выражается в скорости, полученное значение Пэ умножается на максимально возможную техническую скорость ТТС, указанную в паспорте ТТС или на сайте производителя. Карты подвижности, построенные по показателю Пэ или по расчётной скорости, идентичны.

Цель

Целью исследования является повышение эффективности ТТС Байкал путём проведения теоретических расчётов эффективности и экспериментальное подтверждение результатов с применением карт подвижности.

Методы

Полная методика описана в работах [8].

В качестве объекта исследований была выбрана колёсное ТТС «Байкал» модель ЗТМ 30081-11 с колёсной формулой 6х6 полной массой 5500 кг. Общий вид представлен на рис. 1.

 

Рис. 1. Общий вид колесного транспортно-технологического средства «Байкал» ЗТМ 30081-11: а — базовый; b — модифицированный.

Fig. 1. General view of the Baikal ZTM 30081-11 wheeled TTV: а, basic; b, modified.

 

Выбор данного транспортного средства в качестве объекта испытаний позволяет охватить широкий диапазон конструктивных параметров ТТС, влияющих на подвижность.

Объём и содержание исследований

1. Определение параметров территории:

• Определение геометрических особенностей территории.
• Определение расположения объектов микрорельефа.
• Определение расположения и размеров барьерных и дискретных препятствий.

2. Определение показателей проходимости транспортно-технологического средства:

• Определение возможности или невозможности проезда ТТС из-за геометрических особенностей микрорельефа.
• Определение возможности или невозможности проезда ТТС из-за физико-механических свойств материала территории.

3. Измерение максимальной безопасной скорости преодоления препятствий колёсным ТТС.

Испытания проводятся на грунтовых поверхностях с различным рельефом. Рассматриваемые типы препятствий: 1 — грунт с низкой несущей способностью; 2 — промоина (или овраг); 3 — холм; 4 — дискретные препятствия; 5 — водная преграда.

При проведении испытаний скорость измеряется при помощи Racelogic–VBOX. Заявленная производителем VBOX точность измерения скорости ±0,1 км/ч, точность измерения дистанции менее 50 см на километр, точность измерения ускорения 1%.

Испытания проводятся днём. При резком изменении физико-механических свойств опорной поверхности проведение экспериментов не допускается. Также не допускается какая-либо наработка объекта испытаний перед началом испытаний. Исследование проводится до тех пор, пока не будет установлена стабильно поддерживаемая скорость преодоления характерных препятствий или ТТС не потеряет подвижность. При этом водитель выбирает максимальную скорость исходя их условий безопасности.

Для проведения испытаний был выбран участок с наиболее разнообразным и подходящим под условия испытаний рельефом местности. На рис. 2 показано место проведения испытаний.

 

Рис. 2. Место проведения испытаний.

Fig. 2. Place of testing.

 

После подготовки трасс были проведены заезды по препятствиям. На рис. 3, а показаны фрагменты преодоления участка с плавным рельефом с грунтом с низкой несущей способностью, на рис. 3, b — проезд холма, 3, c — маневрирование и объезд дискретных препятствий, 3, d — преодоление водной преграды. При каждом заезде фиксировалась скорость движения. При этом скорость выбиралась водителем-испытателем максимально возможной при комфортном вождении.

 

Рис. 3. Фрагменты испытаний: а — грунт с низкой несущей способностью; b — холм; c — маневрирование; d — водная преграда.

Fig. 3. Parts of testing: а, soil with low bearing capacity; b, hill; c, maneuvering; d, water obstacle.

 

Аналогичные испытания проводились для ТТС Байкал с алюминиевым корпусом.

Результаты

По результатам проездов строились таблицы, в которых отражались характеристики препятствий на местности, через которые проезжала машина. В табл. 1 приведены результаты заездов вездехода базовой конфигурации, в табл. 2 и 3 приведено сравнение расчётных и фактических скоростей вездехода в базовой и модифицированной конфигурации.

 

Таблица 1. Результаты замера скорости проезда препятствий, базовая конфигурация

Table 1. Results of obstacles passage velocity measurements, basic configuration

Препятствие		Результаты измерений, скорость в км/ч
		Заезд 1	Заезд 2	Заезд 3
Грунт	Устойчивый	70	65	69
	Со слабой несущей способностью	35	42	43
Промоина	Плавные съезды, ширина больше ширины машины	42	35	37
	Резкие съезды, ширина больше длины машины	30	28	29
Холм	Плавные углы въезда	62	50	54
	Резкий подъём	5,8	6	6,2
Дискретное препятствие	Маневрирование	42,1	38,7	40
Водная преграда	Преодоление вброд	6	7	6,5
	Движение на плаву	4	3,5	3,8

 

Таблица 2. Сравнение расчётных и фактических скоростей проезда препятствий в базовой конфигурации

Table 2. Comparison of calculated and measured obstacles passage velocities, basic configuration

Препятствие		Расчётная скорость, км/ч	Фактическая скорость, км/ч	Отклонение, %
Грунт	Устойчивый	68	62	8,8
	Со слабой несущей способностью	45	40	11,2
Промоина	Плавные съезды, ширина больше ширины машины	35	38	7,9
	Резкие съезды, ширина больше длины машины	30	29	3,4
Холм	Плавные углы въезда	58	55	5,2
	Резкий подъём	7	6	14,3
Дискретное препятствие	Маневрирование	44	40,3	8,6
Водная преграда	Преодоление вброд	7	6,5	7,2
	Движение на плаву	4	3,8	5

 

Таблица 3. Сравнение расчётных и фактических скоростей проезда препятствий в модифицированной конфигурации

Table 3. Comparison of calculated and measured obstacles passage velocities, modified configuration

Препятствие		Расчётная скорость, км/ч	Фактическая скорость, км/ч	Отклонение, %
Грунт	Устойчивый	70	65	7,1
	Со слабой несущей способностью	46	43	6,5
Промоина	Плавные съезды, ширина больше ширины машины	35,8	39	8,9
	Резкие съезды, ширина больше длины машины	33	34	3
Холм	Плавные углы въезда	61	57	6,5
	Резкий подъём	7,6	6,5	14,5
Дискретное препятствие	Маневрирование	44	42	4,5
Водная преграда	Преодоление вброд	7	6,5	7,1
	Движение на плаву	4,3	4	7

 

Данные, приведённые в табл. 2, позволяют сделать вывод о том, что отклонение экспериментальных данных от теоретических для расчёта прогнозируемой возможности и скорости проезда сложного рельефа местности составили 3–15%. Разброс данных обусловлен выбором скоростного режима водителем, выбиравшим наиболее безопасную скорость преодоления препятствия, по которому проезжал впервые. Также скорость преодоления препятствий с каждым новым проездом возрастала в связи дальнейшим ознакомлением с местностью.

По аналогии были проведены испытания модифицированного ТТС Байкал — материал корпуса был изменён на алюминий, что снизило полную массу на 1 тонну (меньше на 28,5%) без снижения грузоподъёмности. При рассмотрении той же выборки ТТС показатель подвижности (П) Байкала алюминиевого (БА) больше, чем у Байкала базовой конфигурации (ББ) на 4,7%, а эффективность по подвижности (П_э) больше на 3%. Результаты испытаний представлены в табл. 3.

По результатам заездов видно, что отклонение экспериментальных данных от теоретических составило также 3–15%. На рис. 4 представлен сводный график с результатами расчётных и фактических скоростей движения двух конфигураций ТТС Байкал.

 

Рис. 4. Сравнение расчётной и фактической скоростей колёсных ТТС Байкал различных конфигураций.

Fig. 4. Comparison of calculated and measured velocities of different configurations of the Baikal wheeled TTV.

 

Для визуализации результатов на рис. 5 представлены карты подвижности для двух конфигураций ТТС Байкал.

 

Рис. 5. Карта подвижности: a — ТТС Байкал базовой конфигурации; b — ТТС Байкал модифицированный; с — расшифровка карты.

Fig. 5. Mobility map: a, the Baikal TTV, basic configuration; b, the Baikal TTV, modified configuration; с, map legend.

 

Обсуждение

По полученным картам можно увидеть незначительные различия в цветовой окраске участков территории. Чем большее количество конфигурационных характеристик изменяется, тем заметнее будут различия карт подвижности. Если необходимо изменить слишком большое количество таких характеристик, то может идти речь не о модификации существующей конфигурации, а о создании принципиально новой. На данном этапе методика не может дать ответ, где находится граница модификаций и начинается этап проектирования нового ТТС.

Остаётся недоработанным вопрос о применении методики в текущем состоянии к рассмотрению на заснеженной местности. Снег, как полотно пути, описывается иными математическими моделями, на практике он иначе взаимодействует с движителем, поэтому при расчётах без адаптации методики могут быть допущены незначительные погрешности. Незначительность обусловлена тем, что физико-механическое свойство грунта рассматривается не напрямую, а само взаимодействие движителя с грунтом — величина коэффициента сцепления и т.д.

Методика расчёта эффективности по подвижности и методика проведения эксперимента показали свою применимость на практике и при модификации существующей модели вездеходного ТТС. Была достигнута цель — повышение эффективности, выраженная в увеличении скорости преодоления участков местности без дорог. Несмотря на то, что значения скоростей приведены для условий при хорошей погоде, степень увеличения скорости будет сохраняться на том же уровне и для ухудшенных погодных условий.

Заключение

В исследовании были проанализированы подходы к определению эффективности проектируемого, модернизируемого или эксплуатирующегося колёсного транспортно-технологического средства. По предложенной методике, охватывающей широкий спектр конфигурационных характеристик, произведён расчёт эффективности базовой конфигурации выбранного ТТС и модифицированной. Проведённый эксперимент показал правдоподобность теоретических расчётов. Сравнение теоретических расчётов и экспериментальных данных, что отклонение экспериментальных данных от теоретических составили 3–15%. При этом разброс обусловлен субъективными причинами, связанными с восприятием и принятием решения водителем. Представленные карты подвижности отражают уровень подвижности ТТС Байкал в хороших условиях: ясная погода, сухой грунт. В результате влияния различных погодных явлений уровень подвижности будет снижаться. По результатам работы по увеличению эффективности ТТС Байкал сделан вывод, что уменьшение полной массы ТТС «Байкал» на 1 т (28,5%) без снижения грузоподъёмности увеличило показатель подвижности на 4,7%, а эффективность по подвижности на 3%. Проведение эксперимента подтвердило увеличение скорости преодоления препятствий.

Дополнительная информация

Вrлад авторов. А.И. Марковнина — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, разработка математической модели, написание текста и редактирование статьи; В.С. Макаров — сбор и анализ литературных источников, графическая обработка результатов исследования; В.В. Беляков — курирование исследования, обзор литературы, обзор и анализ литературных источников; С.Е. Манянин — организация экспериментальных исследований. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Этическая экспертиза. Неприменимо.

Источники финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. Ранее опубликованные сведения (текст, изображения) авторы не использовали при создании настоящей работы.

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима, новые данные не собирали и не создавали.

Генеративный искусственный интеллект. При создании данной статьи не были использованы технологии генеративного искусственного интеллекта.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали два внешних рецензента, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

Additional information

Author contributions: A.I. Markovnina: literature review, collection and analysis of literary sources, development of a mathematical model, writing the text and editing the manuscript; V.S. Makarov: collection and analysis of literary sources, graphical processing of research results; V.V. Belyakov: study supervision, literature review, review and analysis of literary sources; S.E. Manyanin: organization of experimental studies. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that issues related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Ethics approval: Not applicable.

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously obtained or published material (text, images, or data) was used in this study or article.

Data availability statement: The editorial policy regarding data sharing does not apply to this work as no new data was collected or created.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review involved two external reviewers, a member of the editorial board, and the in-house scientific editor.

About the authors

Alina I. Markovnina

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alexeev

Author for correspondence.
Email: a.markovnina@nntu.ru
ORCID iD: 0009-0000-7971-0424
SPIN-code: 2873-7519

Assistant lecturer of the Building and Road Machines Department

Russian Federation, Nizhniy Novgorod

Vladimir S. Makarov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alexeev

Email: makvl2010@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-4423-5042
SPIN-code: 9834-6239

Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Building and Road Machines Department

Russian Federation, Nizhniy Novgorod

Vladimir V. Belyakov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alexeev

Email: belyakov@nntu.ru
ORCID iD: 0000-0003-0203-9403
SPIN-code: 3944-4416

Dr. Sci. (Engineering), professor, Professor of the Building and Road Machines Department

Russian Federation, Nizhniy Novgorod

Sergey E. Manyanin

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alexeev

Email: sergmanian@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0003-0245-0638
SPIN-code: 3186-9362

Dr. Sci. (Engineering), Assistant professor of the Building and Road Machines Department

Russian Federation, Nizhniy Novgorod

References

Supplementary files