Содержание
Введение
Глава 1. Литературный обзор: использование модульных конструкций в России и за рубежом.
Глава 2. Развитие модульного производства: долгосрочная перспектива
Глава 3. Конструктивные особенности модульных автопоездов и их преимущества.
Глава 4. Оптимизация параметров модульных многозвенных магистральных автопоездов.
Глава 5. Оценка эффективности проектных предложений
Заключение
Библиографический список
Введение
Быстрые темпы развития мировой экономики и связанные с ними вопросы транспортировки сырья, оборудования, товаров поставили перед автодорожной отраслью многих стран задачи по строительству перспективных транспортных магистралей. Существующие автомобильные трассы уже в ближайшей перспективе не смогут справиться с непрерывно растущим грузопотоком. Евразия, являясь крупнейшим континентом мира, до конца 80-х годов прошлого столетия имела наиболее развитую автотранспортную сеть лишь на территории Европы и в Японии. Транспортное сообщение между Европой, Азией и Ближним Востоком осуществлялось, главным образом, через СССР. Е30 – единственная автотранспортная магистраль, которая связывала страны Западной Европы с Советским Союзом, доходя до Москвы. Новый и мощный толчок развитию дорожных транспортных коридоров дала стремительно развивающаяся китайская экономика. Растущий объем экспорта и импорта товаров заставил крупнейшие евроазиатские страны по новому подойти к созданию трансконтинентальных транспортных коридоров, поскольку строительство транспортных путей между регионами экономического взаимодействия сможет обеспечить повышение экономической эффективности магистрального автомобильного транспорта, а, значит, и уменьшение стоимости перевезенного груза. По этой причине в прошлом столетии появились идеи по соединению материков короткими транспортными артериями, проходящими через Россию. Проект трансконтинентальной полимагистрали ЕРАА (Европа — Россия — Азия — Америка) общей протяженностью 18 000 км все еще находится в стадии обсуждения [1]. Однако по магистралям, способным объединить Европу с Азией, уже работает ряд соглашений. Среди них вступившее в силу с 4 июля 2005 г. Межправительственное соглашение в рамках ЭСКАТО (Экономическая и социальная комиссия ООН для Азии и Тихого океана) по сети азиатских автомобильных дорог, подписанное Россией в числе 32 стран-участниц [2, 3]. Общая протяженность этой разветвленной сети автодорог составляет более 140 тыс. км. Причем по территории России и Китая пройдут наиболее протяженные и важные отрезки – почти 17 000 и более 25 500 км соответственно [4].
Большое внимание в Российской Федерации уделяется реализации предложения (мегапроекта), сделанного Государственным секретарем Союзного государства П.П. Бородиным и Президентом Фонда развития России Е.М. Гриневым по созданию интегральной транспортно — экономической сети на базе высокотехнологичной транспортной системы, основанной на принципиально новых инфраструктурных решениях [5]. Эта система предназначена для создания современных транспортных и информационных связей всех регионов страны, рассчитанных на перспективы значительного экономического роста, а также для связей со странами Восточной и Западной Европы, Ближнего и Дальнего Востока и Средней Азии. Предлагаемый мегапроект предполагает строительство 47 000 км путей всех видов транспорта, создание систем связи и управления грузовыми и пассажирскими потоками по направлению Европа — Беларусь и Россия — страны Азиатско-Тихоокеанского экономического сотрудничества (АТЭС), прокладку 23000 км оптоволоконного кабеля, создание высокотехнологичной, инженерной, современной, экономической и социальной инфраструктуры. Он может быть реализован за 12-15 лет и окупится за 5-7 лет после завершения [6, 5]. Планируемые социально-экономические результаты от реализации новой транспортной системы – это увеличение доли высокотехнической продукции в ВВП в 10-14 раз, сокращение сроков доставки грузов, в том числе из Азии в Европу в 2-3 раза, обработки грузов в 5-6 раз, увеличение объемов товаропотока в 60-70 раз, вложений в социальную сферу, инфраструктуру, фундаментальные и прикладные исследования в 35-40 раз [6, 5]. Только транзит грузов через Россию даст 25-30 млрд. долларов дополнительной ежегодной прибыли и, освоив транспортную сеть, Россия капитализирует свое уникальное географическое положение – «своеобразного моста» между Европой и Азией [6, 5]. Упомянутые обсуждаемые и реализуемые проекты позволят России подключить к международным транспортным коридорам глубинные районы севера европейской части России, Сибири и Дальнего Востока, значительно увеличить интенсивность процесса создания в этих регионах промышленных мощностей по глубокой переработке природных ресурсов, простимулируют развитие инфраструктуры на огромной протяженности трасс, помогут в корне изменить социальную сферу упомянутых районов и демографическое положение регионов [7].
С учетом создания Россией Евразийского транспортного коридора следует отметить особое геополитическое положение России и Беларуси, через основные промышленные центры которых проходят международные транспортные магистрали из Европы Азию, а в перспективе — и в Америку через Берингов пролив [8].
Упомянутая ранее автомагистраль ЕРАА станет самой длинной автомобильной дорогой в мире. Дорога Париж — США будет иметь ширину земляного полотна 15 м, проезжей части 9 м, протяженность 18 000 км. Дорога пройдет через Минск, Москву, Иркутск, Владивосток, Чукотку и Аляску и далее пройдет до Нью-Йорка. Через Берингов пролив должен быть проложен мост длиной 9 км. От Владивостока автомагистраль пройдет в страны Азии. Она обеспечит транспортной связью более 3 млрд. человек. Строительство дороги начато в 1992 году.
В соответствии с межправительственным соглашением стран Азиатско-Тихоокеанского региона создана сеть Азиатских автомобильных дорог [2]. Она включает маршруты международного значения, проходящие в Азии по государствам — членам Экономической и социальной комиссии для Азии и Тихого океана Организации Объединенных Наций. Сеть азиатских автомобильных дорог охватывает 32 страны и простирается более чем на 140 000 км. Она позволит добираться из Токио в Стамбул, будет способствовать развитию торговли и туризма, а также откроет доступ на мировые рынки товаров из стран, не имеющих выхода к морю [2, 10].
Российская Федерация 26.04.2004г. приняла постановление №224 о подписании указанного выше межправительственного соглашения [10]. Сеть
Азиатских автомобильных дорог включает маршруты международного значения в Восточной и Северо-Восточной Азии, Южной и Юго-Западной Азии, Юго-Восточной Азии, Северной и Центральной Азии, а также маршруты внутри государств-членов и обеспечивающие доступ к столицам; главным промышленным и сельскохозяйственным центрам; основным воздушным, морским и речным портам; основным контейнерным терминалам и депо и основным туристическим ресурсам.
С учетом названных выше действующих и создаваемых новых транспортных коридоров была изображена перспективная карта развития Евразийской автомобильной системы. Данная структура транспортной сети позволит эффективно решать все транспортные задачи, стоящие перед экономикой стран крупнейшего континента. Протяженность только магистральных автомобильных транспортных артерий составит сотни тысяч километров. Вполне очевидно, что основная доля грузоперевозок на этих трассах должна выполняться с использованием качественно новых и более эффективных магистральных автопоездов.
Рассмотренная тенденция развития Евразийских автомобильных транспортных коридоров является общей и для развития автомобильных артерий на других континентах [11, 12, 13 и др.]. В частности, крупнейшей трансамериканской транспортной артерией является Панамериканская магистраль. Ее протяженность составляет почти 48 000 км. Она проходит через 19 стран: Канаду, США, Мексику, Гватемалу, Сальвадор, Гондурас, Никарагуа, Коста-Рику, Панаму, Колумбию, Эквадор, Перу, Чили, Аргентину, Боливию, Бразилию, Парагвай, Уругвай, Венесуэлу.
Таким образом, острая необходимость создания новых транспортных артерий большой протяженности делает очевидным потребность в создании новых автотранспортных средств, обеспечивающих высокую эффективность грузоперевозок.
К этому следует добавить, что существующие технологии грузоперевозок, а также компоновочные конструктивные решения классических автопоездов не удовлетворяют перевозчиков, обеспокоенных мировым ростом цен на топливо и ростом заработной платы водителей и обслуживающего персонала.[14].
Уже сегодня в магистральном автомобилестроении требуются менее затратные решения, обеспечивающие опережающие темпы повышения экономической эффективности перевозки грузов и конкурентоспособность. При этом перевозчики выдвигают к магистральным автопоездам требования, касающиеся непосредственно их конструктивных параметров (повышение уровня безопасности, экологичности и комфортабельности автопоездов) и, в конечном счете, направленные на увеличение рентабельности грузоперевозок, среди которых:
— повышение объема перевозимого груза (грузовместимости)
— повышение массы перевозимого груза (грузоподъемности);
— приспособление автопоездов к видам перевозок и грузов;
— повышение средней технической скорости на маршруте;
— уменьшение расхода топлива;
— уменьшение удельной трудоемкости технического обслуживания и текущего ремонта
1. Литературный обзор: использование модульных конструкций в России и за рубежом.
Действующие национальные стандарты и международные правила определяют допустимые значения общей массы и габаритных размеров, а, значит, и объема перевозимого груза, что очень ограничивает развитие конструкций машин. Поэтому считается, что классические магистральные автопоезда исчерпали имеющиеся резервы повышения производительности. Таким образом, ожидать серьезных прорывов в этом направлении не приходится. Это подтверждают и материалы Всемирных автомобильных конгрессов FISITA [15-18], на которых было отмечено, что дальнейшее совершенствование классических АТС будет идти главным образом по пути оптимизации дизельных двигателей, внедрения гибридного привода, повышения активной и пассивной безопасности, развития логистики транспортных потоков.
На Ганноверской выставке коммерческого транспорта в 2004 году Renault Trucks представила концептуальную модель Renault Radiance (рисунок 1.1) [19]. Основной упор в данной концепции сделан на создании нового облика, повышении аэродинамических характеристик, применении новых сверхширокопрофильных шин, снижающих на 75% высоту разбрызгивания воды, увеличивающих грузоподъемность автомобиля на 130 кг и на 2% сокращающих расход топлива. Существенные изменения коснулись совершенствования интерьера и организации рабочего места водителя.
Попыткой решения многих проблем, связанных с эффективностью использования АТС, стали широкомасштабные испытания длинных и тяжелых комбинаций 2-х и 3-звенных магистральных автопоездов длиной до 25,25 м и общей массой до 60 т в Голландии с 2004 г., а затем и в Германии [14, 20]. Такие автопоезда позволяют не только заметно повысить грузоподъемность и снизить расход топлива на перевозку 1 т груза, но и уменьшить количество грузового транспорта на магистралях, сократить выбросы вредных веществ в атмосферу.
Для решения этих задач компания Scania совместно с немецкой фирмой по выпуску прицепного состава Kröne представила перспективный проект автопоезда (рисунок 1.2) общей массой 60 т [21]. Автопоезд габаритной длиной 28 м состоит из трехосного автомобиля-тягача общей массой 26 т и пятиосного прицепа общей массой 34 т. По сравнению с седельным 40-тонным пятиосным автопоездом длиной 16,5 м этот автопоезд имеет большую на 50% грузоподъемность, полезную вместимость, меньший удельный (на 1 т⋅км) расход топлива и пониженную на 25% удельную токсичность. Маневренность такого длинного автопоезда сопоставима с обычным седельным составом.
Вопросом создания прототипов магистральных автопоездов компания Scania активно занималась с конца прошлого столетия. Так, в 1998 г. была представлена и новая концепция магистрального автопоезда будущего общей длиной 28 м и общей массой 60 т (рисунок 1.3). Он состоит из трехосного грузового автомобиля-тягача и полуприцепа, опирающегося на двухосную подкатную тележку. Управляемость автопоезда была высоко оценена самим производителем.
При разработке большое внимание было уделено новым дизайнерским и аэродинамическим решениям, способствующим уменьшению расхода топлива: полукруглая передняя часть автомобиля, «гладкие» боковые части, «хвост» с задними спойлерами. Пространство между кузовом автомобиля и прицепом закрыто гибкой шторкой, которая снижает аэродинамическое сопротивление. Кабина смонтирована позади небольшого капота, который является элементом безопасности. Брызговики и спойлеры на передних колесах поворачиваются вместе с самими колесами. Аэродинамические обтекатели опоясывают всю нижнюю часть автомобиля и прицепа, и также выполняют функцию защитных противоподкатных устройств. Нагрузка на ось не превышает 8 – 9 т. Такие весовые параметры и равномерно распределенная нагрузка по осям уменьшают износ как грузовика, так и дороги. Для данного автопоезда компания Michelin разработала новый тип одиночных шин, что позволило увеличить сцепление с дорогой, сократить тормозной путь и сопротивление качению.
Вместе с тем использованные при создании данных автопоездов подходы имеют ряд принципиальных недостатков, снижающих их эффективность при трансконтинентальных грузоперевозках особенно через территорию стран Таможенного Союза: неразвитая бытовая зона в кабине; необходимость использования двигателей высокой мощности (свыше 650 л.с. / 485 кВт) на автомобиле-тягаче; невозможность включения в структуру автопоезда дополнительных звеньев из-за ухудшения тягово-скоростных и маневренных свойств; снижение уровня унификации в случае применения прицепных звеньев разной конструкции.
Автопоезда увеличенной длины широко используются для перевозки грузов в Австралии. Они представляют собой мощные седельные тягачи или автомобили-тягачи, тянущие за собой несколько прицепов [22].
У седельного тягача Mack в исполнении CLR (рис. 1.4) (удлиненная базовая модель с усиленной конструкцией) кабина расположена за моторным отсеком. Под капотом установлен восьмицилиндровый V- образный дизельный двигатель объемом 16 л и мощностью 525 л.с. с 20-скоростной коробкой передач. Рама усилена, что позволяет машине передвигаться по любому дорожному покрытию. Для обеспечения безостановочных перевозок на дальние расстояния на тягаче установлены четыре 500-литровых топливных бака. Три «двухэтажных» прицепа общей длиной 52 метра могут везти более сотни голов животного груза со скоростью 100 км/ч. Автопоезд имеет до 18 осей.
Для дальних перевозок по внутренним маршрутам Австралии компания IVECO предлагает седельные тягачи (рис. 1.5) общей массой от 24 до 26 т для многозвенных автопоездов общей массой до 100 т [23].
На трассе «Стюарт Хайвей» в пустынных районах Австралии работают автопоезда длиной более 22 м. Причем, на Северной территории Австралии автопоездам разрешено работать с тремя полуприцепами. А южнее Элис Спрингс разрешено буксировать только по два полуприцепа при максимальной общей длине 36 м.
В Австралии разрешены следующие конфигурации автопоездов:
- тягач + прицеп (максимальная длина до 19 м, общая масса до 42,5 т, высота до 4,3 м);
- B-double (максимальная длина до 25 м, общая масса до 62,5 т) — этот вариант состоит из 3-осного тягача, укороченного полуприцепа с вынесенной назад тележкой, имеющей седельно-сцепное устройство (ССУ), и второго, посаженного на это ССУ, полноразмерного полуприцепа (рисунок 1.6). При таком исполнении бескапотные тягачи стали предпочтительнее, так как позволяют увеличить длину платформы и грузовместимость;
- B-triple – два коротких полуприцепа и один длинный;
- double train – автопоезд состоит из тягача, полуприцепа, подкатной тележки (типа «Долли») с дышлом и ССУ и еще одного полуприцепа. При таком исполнении длина автопоезда может достигать 36,5 м (рисунок 1.6);
- triple train – автопоезд состоит из трех полуприцепов;
- quarter – автопоезд состоит из четырех полуприцепов.
Массогабаритные ограничения для автопоездов, действующие в Австралии, приведены в таблице 1.1. При этом к тягачу с полуприцепом можно прицепить дополнительно с помощью прицепных тележек от 1 до 6 прицепных звеньев [24, 20, 25, 26].
Таблица 1.1 – Весогабаритные параметры автопоездов в Австралии
| Параметр | Значение |
| Нагрузка, не более, т | |
| Управляемая ось | 6,0 |
| Ведущая ось | 9,0 |
| Двухосная тележка | 16,5 |
| Трехосная тележка | 21,0 |
| Общая масса автопоезда, не более, т | 124,5 |
| Максимальная длина автопоезда, не более, м | 53,5 |
Нормативные ограничения по маневренности австралийских автопоездов отсутствуют, поэтому они используются в загородных пустынных условиях эксплуатации и на погрузочно-разгрузочных площадках размером 300х300 м, обеспечивающих большие радиусы поворота по отношению к европейским нормативным требованиям. Кроме того, сцепные свойства таких автопоездов не обеспечивают им показатели тягово-скоростных свойств в зимних условиях. Поэтому данные автопоезда составляют только 2% от общего числа автопоездов. Таким образом, австралийский тип многозвенных автопоездов не может быть применен в условиях автомагистралей стран Таможенного Союза без внесения существенных изменений в конструкцию.
Минским автомобильным заводом в 1988 году на Парижском Большом автосалоне был представлен, созданный под руководством академика М.С. Высоцкого, автопоезд модульной конструкции МАЗ-2000 «Перестройка» (рисунок 1.7). Автопоезд был призван решить главным образом задачу транспортировки грузов как по автомагистралям, так и по дорогам II и более низких категорий, а также в горной местности за счет быстрой замены тягового модуля с разным числом ведущих осей и мощностью двигателя. Он и стал практически первой попыткой в мировом автомобилестроении использовать в полной мере принципы модульности в конструкции магистрального автопоезда.
Автопоезд состоит из автомобиля-тягача колесной формулы 2х2 и 3-осного полуприцепа. Допустимая общая масса автопоезда равна 41 т. Он был укомплектованный дизельным двигателем MAN и рассчитан на перевозку 21 т груза со скоростью 120 км/ч. Снаряженная масса — 12 т. Длина одного звена — 14,9 м и до 24 м при двух звеньях [27, 28, 3–А]. Модульная конструкция автопоезда включала в себя следующие основные части [29-37, 38, 39, 1–А]: модуль «кабина» (рабочее место и место отдыха водителя, органы управления автопоездом); тяговый модуль (силовой агрегат с системами обеспечения его работы и ведущими колесами); модуль рулевого управления (поворотный шарнир, исполнительный механизм поворота и седельно-сцепное устройство, объединенные рамой); транспортный модуль (подрамник с ведомыми колесами и дополнительным оборудованием – топливный бак, запасное колесо, инструментальный ящик и пр.); модуль «ось» (подрамник с ведомой осью); модуль «рама» (рама с унифицированными присоединительными элементами для крепления всех модулей); грузовой модуль (грузовая платформа с несущей рамой, представляющая собой сменный кузов).
Такой подход впервые в мировом магистральном автомобилестроении позволил получить ровный пол в кабине и улучшить условия работы водителя наряду с большой площадью остекления, обеспечивающей хороший обзор. Устранение неиспользованной «мертвой зоны» (около метра) между кабиной и полуприцепом позволило увеличить длину платформы и тем самым полезный объем кузова на 5-10 м3. Это также способствовало уменьшению аэродинамического сопротивления вместе с применением обтекаемой кабины. Однако такое решение потребовало жесткого соединения кабины с полуприцепом, что сказалось на ухудшении обзорности, а значит и частичной утрате контроля над автопоездом при выполнении маневров. Сочленение одноосного тягача с полуприцепом образует по существу длиннобазный автомобиль, что создает ряд недостатков в обеспечении маневренности, управляемости и устойчивости. При этом сам одноосный тягач имеет низкую поперечную устойчивость, поскольку в передней части снабжен выдвижным опорным управляемым третьим колесом, с помощью которого он может самостоятельно передвигаться для сцепки с полуприцепом.
Как показал натурный прототип модульного автопоезда, такая концепция требовала и создания соответствующих опорных пунктов во всех регионах эксплуатации с обеспечением данных пунктов большим количеством необходимых модулей для переоснащения транспортного средства в процессе движения из региона в регион. Это потребовало дальнейшего развития концепции модульных автопоездов, чтобы повысить грузоподъемность, мобильность, уровень унификации и устранить жесткую связь между кабиной и кузовом автопоезда.
На автосалоне коммерческого транспорта в Токио японская компания Isuzu Motors представила концептуальный прототип FL-4 (рисунок 1.8) [40, 41]. Главной задачей специалистов Isuzu Motors было создание принципиально нового дизайна грузового автомобиля не похожего ни на один из известных аналогов. Особое внимание было уделено форме автомобиля и технологии перевозки грузов.
Благодаря конической форме кабины автомобиль обладает прекрасными аэродинамическими показателями, а передний бампер и молдинг по бокам минимизируют зазор между днищем автомобиля и дорогой. Конструкция FL-4 продумана таким образом, чтобы кабина занимала минимум места на платформе, предоставляя все оставшееся пространство грузовым контейнерам. За счет такого подхода удалось увеличить вместительность автомобиля, сохранив габариты стандартного грузового автомобиля. Это позволило специалистам Isuzu предложить новую технологию грузоперевозок на основе использования универсальных передвижных контейнеров, которые могут перегружаться с автопоезда на более мелкие развозные автомобили, а далее на погрузочные площадки и рампы. Вместе с тем, время, прошедшее с момента объявления данной концепции, не подтвердило возможность ее практического применения.
Британская фирма Silvertip Design предложила транспортный прототип The Blade Runner (рис.1,9), который позволяет объединить преимущества движения по автомобильной и железной дорогам [42]. Данное транспортное средство, прибыв по рельсам на станцию назначения, может не ожидать разгрузки, как товарный вагон, а может съезжать на автомобильную дорогу и продолжать доставку получателю груза. Преимуществом для концепции Blade Runner является то, что можно создавать комбинированные маршруты, включающие попеременно несколько участков железнодорожной колеи и автотрасс.
Также предлагается грузовые и пассажирские варианты строить по образу седельных тягачей, со сменными «целевыми» модулями. Однако кабина в этих тягачах закреплена не на раме машины, а на седле. То есть, она поворачивается вместе с полуприцепом. Это решение ликвидирует промежуток между полуприцепом и кабиной, что даёт дополнительное пространство для груза при той же стандартной длине автопоезда, которая разрешена на дорогах, а также – улучшает аэродинамику. Однако это ухудшает контроль со стороны водителя за тягачом, что отрицательно сказывается на безопасности движения.
Очевидная сложность практического использования трансконтинентальных автопоездов, созданных на основе данной концепции, состоит в необходимости согласования автомобильного и железнодорожного трафика, последний из которых является наиболее жестким. Дополнительно транспортным средствам данного типа, кроме автомобильных, необходимо удовлетворять и всему комплексу требований при эксплуатации на железной дороге. Эти обстоятельства делают концепцию Blade Runner дорогой и неконкурентоспособной.
Также решается задача повышения производительности магистральных автопоездов в условиях ежегодного роста дорожного трафика в Западной Европе. Единственный путь решения проблемы – увеличение длины автопоездов. Другие параметры (высота и ширина) более консервативны для изменения. Однако в связи с тем, что увеличение длины автопоездов ограничено законодательно, предложено объединить движение автопоездов в конвой на основе использования электронной сцепки и управлять им в автоматическом режиме. Передний тягач управляется водителем, а остальные автоматически с помощью электронной системы повторяют его движение, и система также следит, чтобы не было столкновений (рисунок 1.10). Расстояние между автопоездами выдерживается равным 10 м, чтобы дать возможность легковым автомобилям вклиниться между ними при перестроении с полосы на полосу. При необходимости система может увеличить расстояние между автопоездами.
Разработчики видят ряд преимуществ от использования своей системы. Во-первых, уменьшается длина дорожного полотна, занимаемого четырьмя автопоездами, ввиду сокращения расстояния между ними. Во-вторых, не все водители заняты управлением – только в головном звене. В-третьих, при движении в составе конвоя уменьшается суммарное аэродинамическое сопротивление, что существенно повышает топливную экономичность. С созданной системой управления конвоем транспортных средств были проведены пробеговые испытания на дорогах общего пользования продолжительностью более 3000 км.
Вместе с тем, авторы новой системы оставляют без ответа ряд вопросов:
- существует проблема передачи и получения устойчивого сигнала при проезде холмов;
- узаконивание возможности эксплуатации прицепных транспортных средств без механической связи между ними;
- реальная величина уменьшаемого аэродинамического сопротивления,
- проезд транспортных развязок;
- движением конвоя управляет один водитель, но в процессе движения конвоя занято количество водителей, равное числу автопоездов (активных звеньев) и др.