Ивашко В.С., д.т.н., проф., Гурский А.С., к.т.н., Мальцев А.Н.

Белорусский национальный технический университет

Введение

В условиях острой конкуренции на рынке автомобильных перевозок особую значимость приобретает вопрос об оценке эффективности использования магистральных автомобилей и автопоездов. В последние годы для решения этой задачи, стали применять системы дистанционного контроля расхода топлива [1] и навигационные системы и технологии спутникового мониторинга транспорта (СМТ) [2]. Однако и в этих условиях проблема оценочных показателей эффективности использования осевой нагрузки и расхода топлива автомобилей и автопоездов, связанных с магистральными перевозками грузов, остается достаточно актуальной.

Целью исследования является определение возможности применения современных навигационных систем СМТ для повышения объективности оценки эффективного использования осевой нагрузки и расхода топлива коммерческих автомобилей и разработка комплексного показателя, который играл бы такую же роль для оценки полезного использования осевой нагрузки и расхода топлива грузовых автомобилей и магистральных автопоездов как КПД для машин.

Исходя из поставленной цели необходимо:

• • рассмотреть существующие методы и показатели оценки эффективности использования грузовых автомобилей;
• • исследовать возможности применения систем СМТ для повышения объективности оценки использования коммерческих автомобилей и разработать методику подхода к решению задачи;
• • разработать комплексный показатель для оценки полезного использования осевой нагрузки и расхода топлива автомобилей на основе применения современных технологий СМТ, который играл бы такую же роль для оценки полезного использования грузовых автомобилей и магистральных автопоездов как КПД для машин.

Теоретическая часть и результаты эксперимента

Выбор оценочных показателей использования автомобилей связаны с определением критериев сравнительной оценки эффективности использования транспортного средства. Работа автомобилей характеризуется следующими технико-эксплуатационными показателями: коэффициент технической готовности парка, коэффициент использования парка, коэффициент использования рабочего времени, эксплуатационная скорость движения, коэффициенты использования пробега и грузоподъемности.

Коэффициент технической готовности (КТГ) определяют по формуле:

(1)

где: Аи — количество исправных автомобилей; Ас — списочное количество автомобилей.

Коэффициент использования парка (КИП) определяется по формуле:

(2)

где: АДр — количество автомобиле-дней работы автомобилей;

АДс — количество автомобиле-дней списочных автомобилей.

Коэффициент использования рабочего времени вычисляется по формуле:

(3)

где: Тд — количество часов в движении;

Тн — общее количество часов пребывания в наряде (на линии).

Эксплуатационная скорость — средняя скорость движения автомобиля за время нахождения его в наряде (на линии) определяют по формуле:

(4)

где: S — пройденный путь, км; Тн — время нахождения автомобиля в наряде, ч.

Коэффициент использования пробега определяют по формуле:

(5)

где: Sгp — пробег с грузом, км; Sо.пр — общий пробег автомобиля, км.

Коэффициент использования грузоподъемности автомобиля (КИГ) определяют по формуле:

(6)

где: Гф — фактически перевезенной груз, т;

Гн — номинальная грузоподъемность автомобиля, т.

Путевой расход топлива на 100 км, определяемый по формуле:

(7)

где: Q –расход топлива за время движения, л;

S – пройденный путь (пробег по одометру), км.

Представленные показатели не является универсальным и не позволяют провести комплексную оценку полезного использования автомобиля, т.к. не отражают в полной мере реальную загрузку и эффективность использования конкретного автомобиля в конкретный период времени или на протяжении рейса, которые связаны, прежде всего, с использованием сцепной массы и реального расхода топлива для совершения полезной работы. В данной области с применением транспортной телематики, современных навигационных систем и технологий СМТ открываются огромные возможности по определению характеристик транспортного процесса и общего диагностирования транспортных средств.

Сила тяги колеса на дорожной поверхности, имеет предел, зависящий от качества сцепления шин. При этом основным фактором, влияющим на силу тяги по сцеплению, является нагрузка на ведущее колесо [3]. Увеличение нагрузки на колесо пропорционально увеличивает силу сцепления с дорожной поверхностью. Из этого следует, что сила тяги по сцеплению Pφ прямо пропорциональна осевой нагрузке ведущих колес Pос.

Для совершения полезной работы, т.е. обеспечения движения автомобиля конкретной марки и комплектации с заданной скоростью Va, максимально допустимой полной массой ma и технически допустимой осевой нагрузкой без проскальзывания ведущих колес, потребуется количество энергии W эквивалентное расходу топлива Q в данных условиях (с учетом естественных затрат энергии на преодоление всех сил трения и сопротивления движению в данных условиях — КПД двигателя, трансмиссии, сопротивления воздуха и т.д.). В эксплуатации транспортных средств и дорожном хозяйстве используется термин «максимальная осевая нагрузка» — это нагрузка, создаваемая полной массой автомобиля, приходящейся на самую нагруженную ось или тележку. При этом, для движения без проскальзывания ведущих колес, реализуется максимальная мощность по сцеплению Nφmax , которая пропорциональна силе тяги по сцеплению Pφ и скорости движения автомобиля Va при минимальном расходе топлива Q.

Эти положения нашли отражение в процедуре проведения испытаний по определению топливной экономичности автомобилей в соответствии с ГОСТ Р 54810-2011 и приняты за основу при проведении исследований.

Исследования выполнялись применительно к грузовым автомобилям и автопоездам для магистральных перевозок грузов и проводились на базе данных мониторинга работы седельного тягача МАЗ-5440Р9.

Исходными и контролируемыми параметрами используются показатели осевой нагрузки Pос ведущей оси (эквивалента сцепной массы), средней скорости Vср и среднего путевого расхода топлива Qs седельного тягача МАЗ-5440Р9, которые были получены при проведении контрольных испытаний в соответствии с ГОСТ Р 54810-2011 для внесения в заводские ТУ и данные полученные в реальных условиях эксплуатации указанного седельного тягача в составе автопоезда с грузом и в сцепке с порожним полуприцепом с использованием навигационной системы GPS/ГЛОНСС мониторинга транспорта.

Средняя скорость движения Vср (км/ч) и средний расход топлива Qs (л/100 км) в системе СМТ определяется согласно требованиям п. 6.2 ГОСТ Р 54810-2011, а именно:

(8)

(9)

где: S – длина участка пройденного пути, км;

t — среднее время, затраченное на проезд измерительного участка, ч;

Q – абсолютный расход топлива, полученный за время движения, л.

При этом длина участка пройденного пути, скорость и среднее время, затраченное на проезд измерительного участка (время в движении) определялись одновременно по данным навигационных спутников GPS/ГЛОНАСС и по датчику штатно-установленного на тягаче цифрового тахографа DTCO 3181 ф. VDO Kinzle, абсолютный расход топлива по данным из шины CAN электронного блока двигателя (EDC-7 ф. Bosch). В качестве эталонных данных для сравнительного анализа и расчетов приняты параметры взятые из заводских ТУ, т.е. полученные при контрольных дорожных испытаниях автомобиля МАЗ-5440Р9 по ГОСТ Р 54810-2011 при заданной скорости движения 80 км/ч.

Используя выражения (8) и (9) можно определить удельную реализуемую мощность по сцеплению на единицу путевого расхода топлива как:

(10)

где: Pφ — сила тяги по сцеплению, равная осевой нагрузке Pос приходящейся на поверхность дороги от колес ведущей оси (эквивалент сцепной нагрузки), кг;

Vср — средняя скорость движения, определяемая по формуле (8), км/ч;

Qs — путевой расход топлива на 100 км, определяемый по формуле (9), л/100 км.

Так как при определении топливной экономичности по ГОСТ Р 54810-2011 испытания проводятся при полной технически допустимой максимальной массе АТС на ровном участке дороги без проскальзывания (пробуксовки) колес, указанное значение сцепной нагрузки может быть принято для сравнительного анализа и расчетов как максимально возможное значение, которое может быть реализовано на практике при оптимальном расходе энергии сжигаемого топлива для совершения полезной работы в процессе движения. Таким образом, использование реализуемой мощности при контрольных испытаниях по ГОСТ Р 54810-2011 можно принять за 100% и используя формулу (10) представить значение реализуемой мощности на единицу путевого расхода топлива в виде:

(11)

где: Pос (к) — максимальная технически допустимая осевая нагрузка ведущей оси при контрольных испытаниях по ГОСТ Р 54810-2011 (эквивалент сцепной нагрузки), т;

Vср. (к) – средняя скорость движения, определяемая по ГОСТ Р 54810-2011, км/ч.

Qs (к) – контрольное значение путевого расхода топлива, определенное по ГОСТ Р 54810-2011 (внесенное в ТУ производителя АТС), л/100 км;

Соответственно значение реализуемой мощности на единицу путевого расхода топлива в реальных условиях эксплуатации может быть определено по формуле:

(12)

где: Pос (э) — средняя осевая нагрузка ведущей оси за выбранный период времени в эксплуатации (эквивалент сцепной нагрузки), т;

Vср.(э) — средняя скорость движения за выбранный период времени в эксплуатации, км/ч.

Qs (э) – значение среднего путевого расхода топлива за выбранный период времени в эксплуатации, л/100 км. Определяется по формуле:

(13)

где: Qоэ — значение общего эксплуатационного расхода топлива за отчетный период, л;

Qвп – среднее значение израсходованного топлива за время простоя с включенным двигателем в отчетном периоде, л;

Sср – среднее значение пробега за отчетный период.

Коэффициент полезного использования осевой нагрузки и расхода топлива, который определяется на основе данных современных навигационных систем СМТ по формуле:

(14)

Полученная формула подтверждается экспериментом. Как видно из таблицы 1, при полной технически допустимой, т.е. максимальной массе АТС МАЗ-5440Р9 в сцепке с полуприцепом, осевая нагрузка, приходящаяся на поверхность дороги от колес заднего ведущего моста тягача согласно ТУ завода производителя составляет 11,5т. Контрольный расход топлива при указанной осевой нагрузке и скорости движения 80 км/ч на мерном участке составляет 32,9 л/100 км.

Таблица 1. Результаты испытаний МАЗ-5440Р9 полученные при определении контрольного расхода топлива в соответствии с ГОСТ Р 54810-2011 и внесенные в ТУ

Модель	Полная масса, т	Распределение полной массы		Скорость Vк, км/час	Контрольный расход Qк, л/100км
		Передняя ось, т	Задняя (ведущая) ось, т
МАЗ-5440Р9
Груженый	18,5 [38]	7,0 …7,3	11,5	80	32,9
Снаряженный	7,75	5,2	2,55		(i = 3,45)

Примечание: В квадратных скобках указана полная технически допустимая масса автопоезда с грузом.

На рис. 1 приведены данные в виде отчета системы СМТ о работе подконтрольного автомобиля МАЗ-5440Р9 в реальных условиях эксплуатации за месяц (а) и график осевой (сцепной) нагрузки ведущей оси тягача за тот же период (б).

а)

б)
Рисунок 1. Отчет о работе МАЗ-5440Р9 в реальных условиях эксплуатации за месяц (а) и график осевой (сцепной) нагрузки ведущей оси тягача за тот же период (б).

Из отчета по движению системы СМТ (рис. 1, а), средняя осевая нагрузка Pос (э) ведущей оси или полезная сцепная нагрузка за весь контрольный период составляет 7,1 т. Из графика нагрузки ведущей оси (рис. 1 б) видно, что в течение месяца (с 1 по 31 июля 2014 г.) тягач находился большую часть времени в сцепке с полуприцепом (нагрузка на ведущую ось превышает значение 2,55 т для тягача МАЗ-5440Р9 в снаряженном состоянии, табл. 1). Расцепка производилась только 2 раза (кратковременное снижение осевой нагрузки на графике до 2500 кг). При этом осевая нагрузка ведущей оси (сцепная масса) в период с 7 по 11 июля составляла около 9100 кг (79% от максимально допустимого значения (11,5 т.), оговоренного в ТУ на объект МАЗ-5440Р9 и около 6700 кг (58 % от максимально допустимого значения) в период с 15 по 21 июля 2014 г. В остальное время тягач находился в сцепке с практически незагруженным полуприцепом (осевая нагрузка в пределах 3400 — 3600 кг). На рис. 2 представлен сводный отчет о работе подконтрольного автомобиля.

Рисунок 2. Сводный отчет о работе подконтрольного автомобиля МАЗ-5440Р9 за месяц.

Как следует из сводного отчета, средний пробег (пройденный путь) МАЗ-5440Р9 за период с 1 по 31 июля составляет 4048,8 км по сигналам спутниковой системы GPS и 4098,0 км по датчику штатно установленного на тягаче цифрового тахографа, средняя скорость движения, соответственно 74 км/ч и 77 км/ч. Таким образом, с достаточной степенью достоверности, можно принять, что средний пробег за месяц составляет среднее арифметическое значение от двух независимых источников информации, т.е. Sср. = 4073,4 км, а средняя эксплуатационная скорость Vср.(э) = 75,5 км/ч. При этом, как видно из сводного отчета, израсходовано топлива 1247,9 л и суммарное время простоя автомобиля с включенным двигателем составило 11 часов 56 минут.

То есть примерно 12 часов, или 18% от общего времени работы, составляет время простоя с включенным двигателем при среднем часовом расходе топлива от 2,7 до 5,2 л/ч (см. значения в сводном отчете при нулевом пробеге за 3, 12-14, 21 и 22 июля), что предположительно связано с процедурами прогрева двигателя, погрузки/разгрузки и прохождения границ,

Средний часовой расход определяется как q = (2,7 + 5,2)/2 = 3,85 л/ч.

Среднее значение израсходованного топлива за время простоя автомобиля с включенным двигателем за месяц определяется по формуле:

(15)

Используя вычисленное значение израсходованного топлива Q_вп = 12*3,85 = 46,2 л за время простоя автомобиля с включенным двигателем можно определить соответствующее значение путевого расхода топлива в движении за контрольный период по формуле (13):

Расчетные значения параметров, полученные по результатам эксперимента с использованием установленной на автомобиле МАЗ-5440Р9 навигационной системы СМТ приведены в табл. 2.

Таблица 2. Расчетные значения параметров, полученные по результатам эксперимента с использованием на контролируемом объекте МАЗ-5440Р9 навигационной системы СМТ

Модель	Средняя осевая нагрузка ведущей оси, т	Средняя скорость, км/час	Путевой расход топлива в дви-жении, л/100 км	Контрольный период
МАЗ-5440Р9
Груженый	Pос (э)г = 7,1	Vср.(э)г = 75,5	Qs(э)г = 29,5	1 месяц
В сцепке с п/прицепом без груза	Pос (э)н = 3,6	Vср.(э)н = 66	Qs(э)н = 28,0	1 рейс

Подставив числовые значения Qs (э), Pос (э) и Vср.(э) определенные с использованием СМТ (рисунки 1, 2, таблица 2) и соответствующие значения из таблицы 1, а именно Qs (к) = Qк = 32,9 л/100 км, Pос (к) = 11,5 т и Vср.(к) = Vк = 80 км/ч, в формулу (14) вычислим коэффициент полезного использования осевой нагрузки и расхода топлива груженого магистрального автомобиля МАЗ-5440Р9 за контрольный период, т.е. за месяц:

Указанное значение может быть представлено в процентах. При средней осевой нагрузке ведущей оси 7,1 т за контрольный период, КПИос/Qг автомобиля МАЗ-5440Р9 составит 64,9 %.

Таким образом, разработанный комплексный показатель, кроме использования осевой нагрузки, учитывает среднюю скорость доставки груза и экономичность расхода топлива в процессе движения.

Аналогично, используя данные отчетов СМТ о работе других автомобилей в реальных условиях эксплуатации вычисляем коэффициенты полезного использования осевой нагрузки и расхода топлива указанных транспортных средств

Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что использование современных систем и технологий СМТ позволяет определить и применить на практике, в дополнение к существующим показателям, более объективный комплексный показатель для оценки эффективности использования магистральных автомобилей, такой как коэффициент полезного использования осевой нагрузки и расхода топлива, основанный на объективных данных, полученных в реальных условиях эксплуатации. Считывая параметры с шины данных транспортных средств и обрабатывая должным образом можно производить общее диагностирование автомобилей, что позволит предотвратить возникновение неисправностей в процессе эксплуатации [4].

Заключение:

Современные навигационные технологии и системы GPS/ГЛОНСС мониторинга транспорта, наряду с решением традиционных задач, могут использоваться для более объективной оценки эффективного использования автомобилей и автопоездов для магистральных перевозок, в частности определения коэффициента полезного использования осевой нагрузки и расхода топлива.

Разработанный комплексный показатель, основанный на измерении параметров в реальных условиях эксплуатации с использованием современных технологий СМТ и использовании контрольных испытаний по ГОСТ Р 54810-2011, может быть принят в качестве оценочного показателя эффективности использования осевой нагрузки и расхода топлива в эксплуатации и, по физической сути, может выполнять такую же роль для оценки полезного использования грузовых автомобилей и магистральных автопоездов как КПД для машин.

Список использованных источников

1. Патент РФ №62235 на полезную модель «Система контроля расхода топлива транспортного средства», 27.03.2007. Авт. Мальцев А.Н.

2. Учебно-исследовательский комплекс для подготовки специалистов по направлению “Современные технологии контроля расхода топлива и спутникового мониторинга транспорта”. Ивашко В.С., Иванис П.В., Мальцев А.Н. Белорусский национальный технический университет (БНТУ), — Научная публикация – “Изобретатель” № 12 (204) 2016, г. Минск, декабрь 2016.

3. Техническая эксплуатация автомобилей: учебное пособие. В 3 ч. Ч.3. Ремонт, организация, планирование, управление / Е.Л. Савич. – Минск: Новое знание; М. : ИНФРА-М, 2015. – с. 442-449.

4. Ярошевич В.К., А.С. Гурский. Особенности диагностирования приборов электрооборудования автомобилей, оснащенных сетью передачи данных. 66-наукова конференцiя професорьского-викладацького складу, аспiрантiв, студентiв,та працiвнiкiв вiдопремлених структурних пiдроздiлiв унiверситету. К: НТУ. – 2010. Ст. 73.