Этапы развития методов расчета нежестких дорожных одежд лесовозных дорог

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

5. ГОСТ 12.2.102-89 ССБТ. Межгосударственный стандарт. Машины и оборудование лесозаготовительные и лесосплавные, тракторы лесопромышленные. Требования безопасности, методы контроля требований безопасности и оценки безопасности труда. Методы оценки безопасности.

- М., 1989. - 70 с.

6. Рукомойников, К.П. Имитационное моделирование взаимосогласованной работы комплектов адаптивно-модульных лесных машин / К.П. Рукомойников // Вестник МГУЛ - Лесной вестник.

- № 2. - 2013. - С. 154-159

7. Арутюнян, В.С. Обоснование параметров и разработка конструкции типового трека для испытания колесных сельскохозяйственных тракторов по оценке вибрации: дисс. ... канд. техн. наук / В.С. Арутюнян. - Ереван, 1983. - 212 с.

8. Волошин, Ю.Л. Исследование плавности хода лесохозяйственного трактора класса 1,4 в производственных условиях / Ю.Л. Волошин, Ю.А. Добрынин // Тракторы и сельхозмашины. - 1977. - № 1. - C. 15-18.

9. Бендат Дж. Прикладной анализ случайных данных: пер. с англ. / Дж. Бендат, А. Пирсол - М.: Мир, 1989. - 540 с.

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ РАСЧЕТА НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ

В.Я. ЛАРИОНОВ, проф. каф. транспорта леса МГУЛ, канд. техн. наук,

Д.М. ЛЕВУШКИН, ст. преп. каф. транспорта леса МГУЛ, канд. техн. наук

Безопасность движения лесовозных автопоездов и других транспортных средств, условия работы водителей, стоимость содержания и ремонта лесных дорог в значительной мере зависят от того, насколько правильно разработана и рассчитана конструкция дорожной одежды.

Вопросами проектирования дорожных одежд посвящены работы многих поколений ученых и инженеров.

Дорожная одежда представляет собой конструкцию, включающую несколько слоев из различных материалов, основанием которой является грунт земляного полотна.

Прежде всего необходимо было разработать физическую модель среды, которая адекватно бы отражала в определенных пределах деформирование грунтового основания под площадкой нагружения.

Представление о деформируемости грунтового массива как сплошного однородного полупространства было развито уже давно и в настоящее время продолжает совершенствоваться.

Одно из ранних упоминаний взаимодействия колеса и грунтовой поверхности относится к 1798 г. Н.И. Фусс при исследовании процесса движения колеса конной повозки по грунтовой поверхности и образования колеи исходил лишь из возможности

transportlesa@mail.ru, levushkin@mgul.ac.ru местного, локального развития деформаций, затрагивающих только те области грунтового полупространства (основания), которые находятся непосредственно под нагруженной площадкой. При этом деформация основания носит не только локальный характер, но она оказывается необратимой, то есть после снятия нагрузки на грунтовом основании останется видимый след - отпечаток от колеса.

В развитие этой модели Э. Винклер сделал допущение на возможность полного упругого восстановления деформаций основания при сохранении их локального характера. Винклер полагал, что грунтовое основание может быть представлено упругим полупространством. Модель Винклера используется при расчете балок на упругом основании, аэродромных покрытий и т.п.

Дальнейшее развитие модель Фусса-Винклера получила в работах М.М. Фило-ненко-Бородич (1940 г.), который дополнительно ввел мембрану, перекрывающую с поверхности упругие элементы и тем самым обеспечивающую включение в деформирование не только зоны под площадкой нагружения, но и прилегающие к ней области полупространства. В зависимости от соотношения жесткостей мембраны и основания поверхность полупространства принимает ту или иную плавно изогнутую форму. По-

40

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

лученная модель, таким образом, по своим деформационным характеристикам в большей степени соответствует сплошному ли-нейно-деформируемому полупространству, которое может быть представлено связными грунтами, обладающими развитыми силами межчастичного сцепления.

Последующие экспериментальные и теоретические исследования позволили ученым (Фишер, Кандауров и др.) разработать физические модели, которые более полно отражали распределение напряжений в дорожной одежде от нагрузки, приложенной к поверхности слоистого полупространства, обладающего различными свойствами. Это позволило совершенствовать методы расчета дорожных одежд

В 1885 г французский ученый Ж. Бусси-неск получает решение задачи о распределении напряжений в полупространстве от действия сосредоточенной силы, заложившее основы теории распределения напряжений в грунте.

Ж. Буссинеск, принимая грунтовое полупространство в качестве линейно-деформи-руемой среды, для которой связь между напряжениями и деформациями подчиняется закону Гука, впервые математически описал его напряженное состояние. При этом он исходил из предположения, что перемещение любой точки полупространства по направлению действия силы обратно пропорционально расстоянию этой точки от точки приложения силы.

В дальнешем О.К. Фрелихом (1934) та же задача была решена на более широкой основе, для которой задача Буссинеска являлась лишь частным случаем решения. Две последние гипотезы получили наибольшее развитие, поскольку результаты расчетов напряжений и деформаций, выполненные с использованием теории упругости и теории зернистых сред, оказываются в пределах точности решения конкретных задач.

Впервые методика расчета нежестких дорожных одежд была разработана в 1870 г. инженером Е.С. Головачевым. Предложенная им методика расчета исходила из предположения о равномерном распределении давления от колеса подвижного состава вглубь одежды под углом естественного откоса грунта. При

этом предположении площадь, на которую передается давление, будет возрастать по мере углубления в толщу дорожной одежды, то есть распределение давления представляет собой усеченный конус, расширяющийся вглубь дорожной конструкции.

Зная величину угла распределения давления, принимаемую для грунтов в среднем 45°, можно на любой глубине z определить площадь, воспринимающую нагрузку, а следовательно, при известной нагрузке p установить удельное давление oz в любом сечении дорожной одежды ог = р/шг.

При расчете дорожных одежд этим методом прочность грунтов характеризуется только несущей способностью или сопротивляемостью их сжатию без учета таких важных факторов, как упругие свойства материалов одежды и подстилающих грунтов, влияние повторяемости приложения нагрузок.

Многочисленные исследования показали, что выразить сжимаемость грунта можно через модуль общей деформации грунта. А модуль деформации в данном случае аналогичен модулю упругости, определяемому в соответствии с законом теории упругости - законом Гука - по выражению E = p/X,

где X - относительная деформация,

p - давление, передаваемое штампом.

Так как конструктивные слои нежестких дорожных одежд не являются линейнодеформируемыми телами, то закон теории упругости применим к расчету дорожных одежд с определенными ограничениями.

Исследованиями профессоров Н.Н. Иванова, Н.М. Герсиванова, Г.И. Покровского, А.М. Кривисского, М.Б. Корсунского и др. была выявлена закономерность деформации грунтов под действием нагрузки и разработаны теоретические основы расчета нежестких дорожных одежд [1].

В 1943 г. впервые была разработана под руководством профессора Н.Н. Иванова и опубликована «Инструкция по назначению конструкции дорожных одежд нежесткого типа» и приложения к ней. Крупное научное и практическое значение разработанного метода проектирования одежд нежесткого типа

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

41

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

было отмечено награждением профессора Н.Н. Иванова Государственной премией.

В предложенном методе дорожная одежда и грунт земляного полотна рассматриваются как упруго-вязко-пластичная среда, в которой при повторных нагрузках накапливаются остаточные деформации. Прочность одежды определялась допускаемой предельной деформацией (осадкой), при которой начинает нарушаться пропорциональная зависимость между нагрузками и вертикальными осадками. Расчет дорожной одежды производился при однократном приложении внешней вертикальной нагрузки.

В связи со сложностью задачи о напряженном состоянии многослойных систем разработаны решения лишь для двух- и трехслойных систем, у которых верхний слой имеет больший модуль деформации (упругости), чем нижний.

Результаты продолжавшихся исследований в этом направлении (а они не прекращаются) отражены в последующих переизданиях инструкции в 1954, 1957, 1960 гг.

В этих инструкциях и изданиях в последующие годы расчет одежды производился с учетом суточной приведенной интенсивности движения. Это был важный шаг на пути совершенствования методов расчета.

Появление официального издания инструкций стало существенным событием для сухопутного транспорта леса. Они позволили научно обоснованно подойти к расчету дорожных одежд лесовозных дорог. В этих инструкциях расчетные характеристики автомобилей были даны для подвижного состава дорог общего пользования. В связи с этим появилась необходимость учитывать особенности влияния лесовозных автопоездов на расчет дорожных одежд.

Необходимо было установить влияние характера перевозимого груза - хлыстов, деревьев, сортиментов, степень подрессоривания автомобиля и прицепного состава, конструкции сцепки и т.п. на износ и разрушение дорог с разными типами одежд. Специалистами ЦНИИМЭ, Гипролестранса, ЛТА им. С.М. Кирова, МЛТИ, АЛТИ, УЛТИ и др. за тридцать с лишним лет, прошедших с 1943 г., были пред-

ложены и внесены дополнения и поправки в инструкции, учитывающие особенности лесовозных автомобильных дорог [2-6].

Работы по усовершенствованию методов расчета одежд нежесткого типа продолжались исследователями Союздорнии, автомобильно-дорожными институтами (Московский, Харьковский и др.), Военной академии тыла и транспорта и др.

Результатом сложной совместной работы явилась «Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа» ВСН 46-72.

В инструкции дорожную одежду и земляное полотно рассматривают как слоистое упругое полупространство. Основным критерием прочности одежды является величина допускаемого упругого прогиба. В работе приведена уточненная формула определения требуемого модуля упругости.

В инструкцию включены указания об учете числа осей у автомобилей и даны коэффициенты приведения автомобилей с различными осевыми нагрузками к нормативным.

В приложениях к инструкции содержатся уточненные характеристики грунтов и материалов; методы определения модулей упругости; указания по оценке прочности одежды по величине прогиба; методика испытания грунтов и материалов на морозоустойчивость.

Все сказанное делает инструкцию 1973 г. более качественной и прогрессивной по сравнению с ранее действовавшими. Однако в ней еще недостаточно учтена специфика лесовозных дорог. Нагляднее всего это отражается в определении расчетной интенсивности движения.

В 1985 г. увидела свет «Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа» ВСН 46-83.

В разработке инструкции под руководством Ю.М. Васильева, М.Б. Корсунско-го, П.И. Теляева приняли участие сотрудники двадцати двух НИИ и вузов. Один из авторов инструкции - специалист Гипролестранса

А.В. Епифанов.

В методике ВСН 46-83 так же как и в ВСН 46-72 расчетная схема дорожной конструкции - слоистое упругое полупространс-

42

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2014

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

тво, равномерно загруженное по площади круга, равновеликого площади следа отпечатка колеса автомобиля. Дорожная одежда рассчитывается по допускаемому упругому прогибу.

В этой работе приведены расчетные характеристики девяти лесовозных автопоездов. Но в лесозаготовительной отрасли использовалась широкая гамма лесовозов. В 1989 г. А.Д. Грязин (МарПИ) опубликовал работу [7], в которой даны расчетные характеристики практически всех типов лесовозных автопоездов того времени.

Дальнейшим развитием методов расчетов нежестких дорожных одежд явилась Инструкция ОДН 218.046-01, опубликованная в 2001 г.

Новая инструкция разработана под руководством д.т.н. В.Д. Казарновского и к.т.н.

В.М. Юмашева большим коллективом ученых СоюздорНИИ и его филиалов в Санкт-Петербурге и Омске, МАДИ, РосдорНИИ, Военной академии тыла и транспорта, СибАДИ.

В инструкции учтены материалы исследований, выполненных в 1985-1995 г.г. под руководством профессоров В.А. Семенова, А.Я. Тулаева, Б.С. Радовского и других.

Здесь также расчетная схема дорожной одежды - слоистое упругое полупространство.

Во всех методах расчета конструкции нежестких дорожных одежд до появления ОДН 218.046-01 основным исходным параметром является суточное перспективное приведенное к расчетной нагрузке движение к концу срока службы одежды перед очередным капитальным ремонтом.

Принципиально новым положением в инструкции является определение нагрузки как суммарного числа приложений расчетной нагрузки за весь срок службы дороги. Это позволяет повысить надежность и работоспособность дорожных одежд нежесткого типа. В инструкции также приведены уточненные расчетные характеристики грунтов и дорожно-строительных материалов.

Однако в инструкции даны коэффициенты приведения к расчетным нагрузкам для автомобилей общего пользования, специ-

фика лесовозных дорог не учтена. В расчете дорожной одежды суммарный коэффициент приведения является одной из важнейших характеристик. Расчет дорожной одежды определяется величиной требуемого модуля упругости, который, в свою очередь, зависит от интенсивности воздействия расчетной нагрузки на одежду.

Этот недостаток инструкции восполнен Н.В. Дыроватых и А.М. Меньшиковым (АГТУ), опубликовавшими работу [8]. Авторы аналитически определили суммарные коэффициенты приведения современных лесовозных автопоездов к расчетной нагрузке.

В целях совершенствования методов определения суммарных коэффициентов приведения для расчета нежестких одежд лесовозных дорог необходимо выполнить дополнительные теоретические и экспериментальные исследования.

Подводя итоги, можно сделать следующие выводы:

- публикация каждой инструкции являлась важным этапом развития методов расчета нежестких дорожных одежд;

- Инструкция ОДН 218.046-01, изданная в 2001 г. взамен опубликованных ранее, более прогрессивна и совершенна;

- инструкция имеет теоретическое обоснование, четко выраженные критерии прочности и основана на применении объективных расчетных характеристик грунтов и дорожных материалов;

- инструкция включает ряд новых и научно обоснованных положений расчета конструкций нежестких дорожных одежд, но она не полностью отвечает специфике работы лесовозных автомобильных дорог;

- необходимо выполнить ряд теоретических и экспериментальных исследований для разработки методов определения суммарных коэффициентов приведения воздействия лесовозного подвижного состава к нормативной нагрузке.

Библиографический список

1. Иванов, Н.Н. Строительство автомобильных дорог / Н.Н. Иванов. - М.: Дориздат, 1948. - Т. 1. - 229 с.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

43

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

2. Буверт, В.В. Сухопутный транспорт леса / В.В. Бу-верт, Б.Д. Ионов, М.И. Кишинский, С.А. Сыромятников. - М.: Гослесбумиздат, 1960. - Т 1.

3. Инструкция по проектированию дорожных покрытий лесовозных и автомобильных дорог. - Л.: Гипролестранс, 1967. - 70 с.

4. Инструкция по назначению и расчету конструкций дорожных одежд нежесткого и полужесткого типов для лесовозных автомобильных дорог. - М., Химки: ЦНИИМЭ, 1972. - 70 с.

5. Ильин, Б.А. Сухопутный транспорт леса / Б.А. Ильин, И.Ф. Алышев, Б.И. Кувалдин и др. - М.: Лесная пром-сть, 1973. - 384 с.

6. Техническая информация № 1. - Л.: Гипролест-ранс, 1957.

7. Грязин, А.Д. Лесовозный транспорт: учеб. пособие / А.Д. Грязин. - Йошкар-Ола: МарПИ, 1989.

- 74 с.

8. Дыроватых, Н.В. Обоснование суммарных коэффициентов приведения воздействия на дорожную одежду современных автопоездов на вывозке древесины к расчетной нагрузке. Сухопутный транспорт леса / Н.В. Дыроватых, А.М. Меньшиков //Матер. научн.-техн. конфер. СПбГЛТА им. С.М. Кирова. - СПб: 2009. - С. 200-205.

9. Левушкин, Д.М. Ресурсное обеспечение в условиях вероятностного характера дорожного строительства лесовозных автомобильных дорог / Д.М. Левушкин // Вестник МГУЛ - Лесной вестник.

- № 2. - 2012. - С. 123-126.

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ДЭС, РАБОТАЮЩИХ С УЧЕТОМ ОГРАНИЧЕНИЙ ПО ЭКОЛОГИЧЕСКИМ ЕВРОСТАНдАРТАМ

Г.И. КОЛЬНИЧЕНКО, проф. каф. ЭТЭ ПЛКМГУЛ, д-р техн. наук,

А.В. СИРОТОВ, проф. каф. ЭТЭ ПЛК МГУЛ, д-р техн. наук,

Я.В. ТАРЛАКОВ, ст. препод. каф. ЭТЭ ПЛК МГУЛ, канд. техн. наук

tarlakov@narod.ru

Единая энергосистема страны на протяжении многих десятилетий была основой надежности энергоснабжения. Однако ее нынешнее состояние таково, что приходится констатировать ухудшение экономических показателей, снижение эффективности функционирования и темпов развития электроэнергетики. Известно, что российские тепловые электростанции (ТЭЦ), производящие примерно 2/3 всей электроэнергии в стране, характеризуются технологической и технической отсталостью: у многих из них КПД и коэффициент использования установленной мощности значительно ниже, чем у зарубежных. Низкая эффективность, моральный и физический износ не только станционного, но и сетевого оборудования приводят к высокой стоимости электроэнергии. Реорганизация электроэнергетики за годы реформы РАО ЕЭС, к сожалению, не привели ни к остановке роста цен, ни к росту инвестиций, что, естественно, тормозит модернизацию электроэнергетики, требующую огромных финансовых затрат. Только для сетевой составляющей нужны вложения в размере не менее 5 трлн руб. на ближайшие 10-15 лет [1, 6].

По ценам на электроэнергию мы уже приблизились, а кое-где превзошли цены США и стран Западной Европы.

Высокие цены на электроэнергию снижают конкурентоспособность продукции большинства отраслей России, уменьшают поток зарубежных и отечественных инвестиций, существенно затрудняя развитие экономики всей страны.

Высокие цены на электроэнергию заставляют потребителей отказываться от централизованного энергоснабжения. Число таких потребителей растет: уже многим предприятиям выгоднее иметь свой источник электроэнергии, чем покупать ее у энергосистемы. Не случайно статистика показывает рост импорта в Российскую Федерацию дизельных генераторов. Суммарная мощность ввозимых за год мини электростанций составляет от 2,5 до 4 гигаВатт.

Таким образом, наблюдается развитие малой распределенной энергетики (МРЭ). При этом важно отметить, что переход на автономную генерацию востребован как в сегменте традиционной, так и нетрадиционной энергетики.

44

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014