STUDY OF THE EFFICIENCY OF A WHEELED TECHNOLOGICAL VEHICLE USING MOBILITY MAPS



如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅或者付费存取

详细

BACKGROUND: The movement of transport and technological vehicles (TTV) with increased and high cross-country ability, as well as all-terrain vehicles, must be efficient. This paper examines the method for studying the efficiency of TTV based on the mobility criterion.

AIMS: Improving the efficiency of wheeled TTV using the mobility map construction method.

MATERIALS AND METHODS: The methodology for determining the efficiency by mobility as the most informative indicator covering the largest number of configuration characteristics of the TTV is used. Based on the calculation of the efficiency indicator by mobility, mobility maps were constructed that reflect the predicted efficiency (speed) of the TTV movement in the basic and modified versions. The object of the experimental studies was the wheeled all-terrain vehicle "Baikal M" model ZTM 30081-11.

RESULTS: As a result of changing the configuration characteristics based on the results of theoretical calculations and experimental studies, the applicability of the method was confirmed and the efficiency of the Baikal TTV was increased.

CONCLUSIONS: As a result of the study, a methodology for studying the efficiency was developed, which is applicable both at the design stage and at the stage of upgrading the TTV configuration. By changing the calculated characteristics, it is possible to determine the rational configuration of the TTV without spending money on the production of prototypes.

全文:

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. Для проектируемого или модернизируемого ТТС целесообразно проводить оценку по подвижности. Подвижность – это интегральное эксплуатационное свойство транспортно-технологических машин (ТТМ), определяющее её 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:

,

 

где,  – техническая оценка ТТС,  – эксплуатационная оценка территории,  –оценка режима движения.

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

Пэ=λм/П,

где: Пэ – оценка эффективности по подвижности, λм – техническая оценка колёсного ТТС, П – показатель подвижности ТТС.

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.

Цель

Целью исследования является проведение теоретических расчетов эффективности и экспериментальное подтверждение результатов для исходной конфигурации вездехода и модифицированной версии.

Методы

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

а)

б)

Рисунок 1. Общий вид колесного ТТС «Байкал» ЗТМ 30081-11: а) базовый, б) модифицированный

Figure 1: General view of the wheeled TTV «Baikal» ZTM 30081-11: a) 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.
  1. 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.
  1. 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, промоина (или овраг), холм, дискретные препятствия, водная преграда.

При проведении испытаний скорость измеряется при помощи Racelogic – VBOX.

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 рисунке 2 показано место проведения испытаний.

 

Рисунок 2. Место проведения испытаний

Figure 2: Place of testing

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

 

а)

б)

в)

г)

Рисунок 3. Фрагменты испытаний: а) грунт с низкой несущей способностью, б) холм, в) маневрирование, г) водная преграда

Figure 3: Test fragments: a) 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.

Таблица 1. Результаты замера скорости проезда препятствий

Table 1: Traction and power range of tractors

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 подъем

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. Результаты замера скорости проезда препятствий

Table 2: Traction and power range of tractors

Препятствие

Расчетная 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 подъем

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

 

Данные, приведенные в таблице 2, позволяют сделать вывод о том, что отклонение экспериментальных данных от теоретических для расчета 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 (Пэ) больше на 3%. Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты замера скорости проезда препятствий модифицированным ТТС Байкал

Table 3: Results of measuring the speed of passing obstacles by the modified TTV Baikal

Препятствие

Расчетная 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 подъем

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

 

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

 

Рисунок 4. Сравнение расчетной и фактической скоростей колесных ТТС Байкал различных конфигураций.

Figure 4: Comparison of calculated and actual speeds of wheeled TTV Baikal of various configurations.

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

а)

б)

Рисунок 5. Карта подвижности: а) ТТС Байкал базовой конфигурации, б) ТТС Байкал модифицированный

Figure 5: Mobility map: a) TTS Baikal basic configuration, b) TTS Baikal modified

                                                                                                               

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 расчетов 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 тонну (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

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ.
Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

 

ВЛАД 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 подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).
AUTHOR CONTRIBUTION.
A.I. Markovnina — literature review, collection and analysis of literary sources, development of a mathematical model, writing the text and editing the article; 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 authors confirm that their authorship complies with the international ICMJE criteria (all authors made a significant contribution to the development of the concept, conduct of the study and preparation of the article, read and approved the final version before publication).
×

作者简介

Alina Markovnina

NSTU, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

编辑信件的主要联系方式.
Email: a.markovnina@nntu.ru
ORCID iD: 0009-0000-7971-0424
俄罗斯联邦

Vladimir Makarov

Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev

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

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

俄罗斯联邦, 24 Minina street, 603155 Nizhny Novgorod

Vladimir Belyakov

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

Sergey Manyanin

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

参考

  1. Babkov V.F., Birulya A.K., Sidenko V.M. Cross-country ability of wheeled vehicles on soil. - M.: Avtotransizdat, 1959. - 189 p.
  2. Barakhtanov L.V., Belyakov V.V., Kravets V.N. Cross-country ability of a vehicle. - N. Novgorod: NSTU, 1996. - 200 p.
  3. Bronstein Ya.I., Bukharin N.A., Buyanov V.M. et al. Cross-country ability of a vehicle. L.: Voenizdat, 1959. 310 p.
  4. Grebenshchikov V.I. Study of cross-country ability of a vehicle on soft soils // Automobile industry. - 1956. - No. 10. - P. 12-15.
  5. Belyakov V.V., Belyaev A.M., Bushueva M.E., Vakhidov U.Sh., Goncharov K.O., Zezyulin D.V., Kolotilin V.E., Leliovsky K.Ya., Makarov V.S., Papunin A.V., Tumasov A.V., Fedorenko A.V. The concept of mobility of ground transport and technological machines / "Proceedings of NSTU" - N. Novgorod, 2013. No. 3 (100) P. 145-175, Belyakov V.V., Zezyulin D.V., Kolotilin V.E., Makarov V.S. Mobility of ground transport and technological vehicles / "Proceedings of NSTU" - N. Novgorod, 2013. No. 4 (101) P. 72-77
  6. Belyakov V.V., Belyaev A.M., Goncharov K.O., Zezyulin D.V., Makarov V.S., Papunin A.V., Redkozubov A.V., Fedorenko A.V. Modeling an atlas of mobility maps of ground transport and technological vehicles using the example of the Nizhny Novgorod region // safety of vehicles in operation / Collection of materials of the 79th international scientific and technical conference. 344 p. P. 315-319
  7. Belyakov, V.V. Evaluation of the efficiency of special vehicles when driving on snow / Belyakov V.V., Galkin D.A., Zaitsev A.S., Zezyulin D.V., Kudryashov E.M., Makarov V.S // Proceedings of NSTU named after R.E. Alekseev. - 2012. No. 2 (95). - P. 156-166.
  8. Markovnina A.I. Evaluation of the interaction of a vehicle with a road surface in the concept of mobility / A.I. Markovnina, V.V. Belyakov, U.Sh. Vakhidov, A.A. Anikin, Yu.I. Molev // Forestry Bulletin, 2025. Vol. 29. No. 1. P. 162-171. ISSN 2542-1468
  9. Markovnina A.I. Evaluation of the efficiency of using wheeled vehicles / A. I. Markovnina, V. S. Makarov, A. A. Klyushkin, D. M. Belyaev // Journal of Advanced Research in Technical Science. – Seattle, USA: SRC MS, AmazonKDP. – 2023. – Issue 34. – 107 p. P. 98-103.
  10. Bekker M. G. Introduction to the theory of terrain-vehicle systems: Trans. from English. / Ed. by V. V. Guskov. – Moscow: Mashinostroenie, 1973. – 520 p., Bekker M. Theory of land locomolion. – University of Michigan, Press – 1960 – 520 p.p.
  11. Burt, Ian T. and Papanikolopoulos, Nikolaos P. “Adjustable diameter wheel assembly, and methods and vehicles using the same.” United States Patent 6860346, filed April 16, 2003, published March 1, 2005.
  12. Filip Dohnal, Martin Hubacek and Katerina Simkova Detection of Microrelief Objects to Impede the Movement of Vehicles in Terrain. International Journal of Geo-Information, 2019
  13. RYBANSKY, Marian, BRENOVA, Marie, CERMAK, Jan, VAN GENDEREN, John, SIVERTUN, Ake. Vegetation structure determination using LIDAR data and the forest growth parameters. In: 8th IGRSM International Conference and Exhibition on Geospatial and Remote Sensing, IGRSM 2016. Kuala Lumpur, Malaysia: IOP PUBLISHING LTD, DIRAC HOUSE, TEMPLE BACK, BRISTOL BS1 6BE, ENGLAND, 2016. ISSN 1755-1307. doi: 10.1088/1755-1315/37/1/012031
  14. RYBANSKY, Marian, RADA, Josef, DOHNAL, Filip. The Impact of the Accuracy of Terrain Surface Data on the Navigation of Off-Road Vehicles. ISPRS INTERNATIONAL JOURNAL OF GEO-INFORMATION, 2021, 10(3), 106. ISSN 2220-9964. doi: 10.3390/ijgi10030106

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

版权所有 © Eco-Vector,

许可 URL: https://eco-vector.com/for_authors.php#07
 СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ПИ № ФС 77 - 81900 выдано 05.10.2021.