sibadiНаучный рецензируемый журнал "Вестник СибАДИ"The Russian Automobile and Highway Industry Journal2071-72962658-5626The Siberian State Automobile and Highway University10.26518/2071-7296-2024-21-5-672-690KWZIXNsibadi-1883Research ArticleТРАНСПОРТНОЕ, ГОРНОЕ И СТРОИТЕЛЬНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕTRANSPORT, MINING AND BUILDING MACHINERY ENGINEERINGОценка влияния гидродинамического давления на движение экскаватора-погрузчика через водную преграду вбродAssessment of hydrodynamic pressure effect on backhoe-loader movement to wade through the water obstaclehttps://orcid.org/0000-0002-9784-8379МагдинаЕ. Р.MagdinaYe. R.

Елизавета Ростиславовна Магдина, ассистент, аспирант

кафедра судебных экспертиз; кафедра «Наземные транспортно-технологические машины»

190005; 2-я Красноармейская ул., д. 4; Санкт-Петербург

Scopus Author ID: 57219855981; Researcher ID: AAC-6375-2022

Yelizaveta R. Magdina, Assistant, postgraduate student

Forensic Expertise Department; Department of Land Transport and Technological Machines

190005; 4, 2nd Krasnoarmeyskaya St.; St. Petersburg

Scopus Author ID: 57219855981; Researcher ID: AAC-6375-2022

elisluk97@mail.ruСанкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (СПбГАСУ)РоссияSaint Petersburg State University of Architecture and Civil EngineeringRussian Federation202404112024215672690Copyright © Магдина Е.Р., 20242024Магдина Е.Р.Magdina Y.R.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibadi.org/jour/article/view/1883   Введение

   Введение. Гидродинамическое давление играет значительную роль в работе транспортно-технологических машин, используемых в зонах затопления для проведения восстановительных и неотложных работ. Изучение этого влияния имеет большую актуальность в связи с необходимостью повышения эффективности и безопасности операций в условиях водной среды. Гидродинамическое давление может вызывать изменения в поведении машины, влиять на ее маневренность и устойчивость. Понимание этих процессов позволяет разрабатывать более эффективные методы борьбы с негативными последствиями воздействия водной среды на работу машин, может оценить безопасные условия их применения.

   Целью исследования влияния гидродинамического давления на движение транспортно-технологических машин через водную преграду вброд, на примере полноприводного экскаватора-погрузчика с равновеликими колесами, является определение критических значений параметров водной преграды, при которых обеспечивается эффективное и безопасное преодоление водных препятствий данной техникой.

   Материалы и методы

   Материалы и методы. Для анализа использовались теоретические исследования, связанные с влиянием водного потока на движение самоходных колесных машин. Проводилось математическое моделирование прямолинейного движения экскаватора-погрузчика через водную преграду различной глубины и скорости течения. В качестве основных исследуемых параметров были приняты поперечное (лобовое) гидродинамическое сопротивление, продольное (боковое) гидродинамическое давление и нормальные реакции на колесах машины.

   Результаты

   Результаты. Выведены математические зависимости для определения нормальных реакций на передней и задней осях экскаватора-погрузчика при воздействии поперечного гидродинамического сопротивления в стоячей воде, нормальных реакций на левом и правом бортах машины при воздействии продольного гидродинамического давления на неподвижную и движущуюся машину, приведены графические зависимости нормальных реакций на колесах от глубины водного потока.

   Обсуждение и заключение. Наличие неблагоприятных факторов водной среды, влияющих на движение транспортно-технологических машин через водную преграду, дает основание для разработки методики определения предельных параметров затопления, при которых машины смогут безопасно и эффективно выполнять работы в зонах затопления. Исследование влияния гидродинамического давления на транспортно-технологические машины является важной задачей, направленной на решение этой проблемы. Полученные результаты помогут развивать технику и технологии для работы в условиях повышенного гидродинамического давления, что способствует развитию отраслей, связанных с работой наземных транспортно-технологических машин в водной среде.

   Introduction. Hydrodynamic pressure plays an essential role in the operation of transport and technological machines used in flooded areas for recovery and emergency actions. The study of this influence has a great relevance due to the necessity of improving the work efficiency and safety in water environment. Hydrodynamic pressure can cause changes in machine operation and influence on its maneuverability and stability. Understanding of these processes allows to develop more effective methods to prevent the negative impact consequences of the water on the machine performances, let us evaluate the safe conditions of their use.   The aim of the study of hydrodynamic pressure effect on transport and technological machine movement to wade through the water impediment, using the example of an all-wheel drive excavator-loader with equal-sized wheels, is to determine the critical values of the water barrier parameters, which ensure effective and safe overcoming of water obstacles by this type of vehicle.   Materials and methods. Theoretical studies related to the influence of water flow on the movement of self-propelled wheeled machines were used for the analysis. Mathematical modelling of rectilinear movement of backhoe-loader through the water barrier of different depth and with different flow velocity was carried out. Transverse (frontal) hydrodynamic resistance, longitudinal (lateral) hydrodynamic pressure and standard reactions on the machine wheels were taken as the main parameters under study.   Results. Mathematical relationships were derived to determine the standard reactions on the front and rear axles of the excavator-loader under the influence of transverse hydrodynamic resistance in standing water, normal reactions on the left and right sides of the machine under the influence of longitudinal hydrodynamic pressure on the stationary and moving machine, graphical relations of normal reactions of the wheels depending on the depth of the water stream were deduced.   Discussion and conclusion. The presence of unfavorable factors of the water environment effecting the movement of transport and technological machines through the water obstacle provides the basis for the development of a methodology for determining the maximum flooding parameters at which machines can perform work safely and effectively in flooded areas. The study of the influence of hydrodynamic pressure on transport and technological machines is an important task aimed at solving this problem. The obtained results will help to develop machine building techniques and technologies for operation in conditions with increased hydrodynamic pressure, which contributes to the development of industries related to the operation of land transport and technological machines in the aquatic environment.

наводнениетранспортно-технологические машиныэкскаватор-погрузчикгидродинамическое давлениекоэффициент обтекаемостиводная преградаскорость теченияfloodingtransport and technological machinesbackhoe-loaderhydrodynamic pressurestreamline coefficientwater obstacleflow velocityИсследование выполнено за счет средств Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» в рамках гранта СПбГАСУ в 2024 году на выполнение профессорско-преподавательских научно-исследовательских работ по научному направлению «Автомобильно-дорожный комплекс – интеллектуальные транспортные системы» № 13-НПР-24Te study was carried out at the expense of the Federal State Budgetary Higher Educational Institution “Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering” within the grant in 2024 for the performance of professorial and teaching research works in the scientific direction “Automobile and Highway Complex - Intelligent Transport Systems” №13-NPR-24ReferencesDong B., Xia J., Li Q., & Zhou M. Risk assessment for people and vehicles in an extreme urban flood: Case study of the “7.20” flood event in Zhengzhou, China // International journal of disaster risk reduction. 2022. Vol. 80. P. 103205. doi: 10.1016/j.ijdrr.2022.103205Don, B., Xia J., Li Q., & Zhou M. Risk assessment for people and vehicles in an extreme urban flood: Case study of the “7.20” flood event in Zhengzhou, China. International journal of disaster risk reduction. 2022; Vol. 80: 103205. doi: 10.1016/j.ijdrr.2022.103205Zhang M., Wang J. Global flood disaster research graph analysis based on literature mining // Applied Sciences. 2022. Vol. 12. №. 6. doi: 10.3390/app12063066Zhang M., Wang J. Global flood disaster research graph analysis based on literature mining. Applied Sciences. 2022; Vol. 12. №. 6. doi: 10.3390/app12063066Lazzarin T., Viero D.P., Molinari D., Ballio F., & Defina A. Flood damage functions based on a single physics-and data-based impact parameter that jointly accounts for water depth and velocity // Journal of Hydrology. 2022. Vol. 607. doi: 10.1016/j.jhydrol.2022.127485Lazzarin T., Viero D. P., Molinari D., Ballio F., & Defina A. Flood damage functions based on a single physics-and data-based impact parameter that jointly accounts for water depth and velocity. Journal of Hydrology. 2022; Vol. 607. doi: 10.1016/j.jhydrol.2022.127485Borowska-Stefańska M., Bartnik A., Dulebenets M. A., Kowalski M., Sahebgharani A., Tomalski P., & Wiśniewski S. Changes in intra-city transport accessibility accompanying the occurrence of an urban flood // Transportation research part D: transport and environment. 2024. Т. 126. doi: 10.1016/j.trd.2023.104040Borowska-Stefańska M., Bartnik A., Dulebenets M. A., Kowalski M., Sahebgharani A., Tomalski P., & Wiśniewski S. Changes in intra-city transport accessibility accompanying the occurrence of an urban flood. Transportation research part D: transport and environment. 2024; Vol. 126. doi: 10.1016/j.trd.2023.104040He H., Li R., Pei J., Bilodeau, J.P., & Huang G. Current overview of impact analysis and risk assessment of urban pluvial flood on road traffic // Sustainable Cities and Society. 2023. doi: 10.1016/j.scs.2023.104993He H., Li R., Pei J., Bilodeau J. P., & Huang G. Current overview of impact analysis and risk assessment of urban pluvial flood on road traffic. Sustainable Cities and Society. 2023. doi: 10.1016/j.scs.2023.104993Gangwal U., Siders A.R., Horney J., Michael H.A., & Dong S. Critical facility accessibility and road criticality assessment considering flood-induced partial failure // Sustainable and Resilient Infrastructure. 2023. Vol. 8. №. sup1. P. 337-355. doi: 10.1080/23789689.2022.2149184Gangwal U., Siders A. R., Horney J., Michael H. A., & Dong S. Critical facility accessibility and road criticality assessment considering flood-induced partial failure. Sustainable and Resilient Infrastructure. 2023; Vol. 8. №. sup1: 337-355. doi: 10.1080/23789689.2022.2149184Toathom T., Champrasert P. Vehicle Route Planning for Relief Item Distribution under Flood Uncertainty // Applied Sciences. 2024. Vol. 14. №. 11. P. 4482. doi: 10.3390/app14114482Toathom T., Champrasert P. Vehicle Route Planning for Relief Item Distribution under Flood Uncertainty. Applied Sciences. 2024; Vol. 14. №. 11: 4482. doi: 10.3390/app14114482Bocanegra R.A., Francés F. Assessing the risk of vehicle instability due to flooding // Journal of flood risk management. 2021. Vol. 14. №. 4. doi: 10.1111/jfr3.12738Bocanegra R.A., Francés F. Assessing the risk of vehicle instability due to flooding. Journal of flood risk management. 2021. Vol. 14. №. 4. doi: 10.1111/jfr3.12738Hu X., Li J., Wang W., & Fang X. Experimental testing to determine stability thresholds for partially submerged vehicles at different flow orientations // Journal of Hydrology. 2023. Vol. 620. doi: 10.1016/j.jhydrol.2023.129525Hu X., Li J., Wang W., & Fang X. Experimental testing to determine stability thresholds for partially submerged vehicles at different flow orientations. Journal of Hydrology. 2023; Vol. 620. doi: 10.1016/j.jhydrol.2023.129525Shu C., Xia J., Falconer R.A., & Lin, B. Incipient velocity for partially submerged vehicles in floodwaters // Journal of hydraulic research. 2011. Vol. 49. №. 6. P. 709-717. doi: 10.1080/00221686.2011.616318Shu C., Xia J., Falconer R.A., & Lin B. Incipient velocity for partially submerged vehicles in floodwaters. Journal of hydraulic research. 2011; Vol. 49. №. 6: 709-717. doi: 10.1080/00221686.2011.616318Xia J., Teo F.Y., Lin B., & Falconer R.A. Formula of incipient velocity for flooded vehicles // Natural Hazards. 2011. Vol. 58. P. 1-14. doi: 10.1007/s11069-010-9639-xXia J., Teo F.Y., Lin B., & Falconer R.A. Formula of incipient velocity for flooded vehicles. Natural Hazards. 2011; Vol. 58: 1-14. doi: 10.1007/s11069-010-9639-xTeo F.Y., Xia J., Falconer R.A., & Lin B. Experimental studies on the interaction between vehicles and floodplain flows // International journal of river basin management. 2012. Vol. 10. №. 2. P. 149-160. doi: 10.1080/15715124.2012.674040Teo F.Y., Xia J., Falconer R.A., & Lin B. Experimental studies on the interaction between vehicles and floodplain flows. International journal of river basin management. 2012; Vol. 10. №. 2: 149-160. doi: 10.1080/15715124.2012.674040Teo F.Y., Liew Y.S., Falconer R.A., & Lin, B. Estimation of flood hazard risk relating to vehicles // IAHR World Congress, Chengdu (China). 2013.Teo F.Y., Liew Y.S., Falconer R.A., & Lin B. Estimation of flood hazard risk relating to vehicles. IAHR World Congress, Chengdu (China). 2013.Xia J., Falconer R.A., Xiao X., & Wang Y. Criterion of vehicle stability in floodwaters based on theoretical and experimental studies // Natural hazards. 2014. Vol. 70. P. 1619-1630. doi: 10.1007/s11069-013-0889-2Xia J., Falconer R.A., Xiao X., & Wang Y. Criterion of vehicle stability in floodwaters based on theoretical and experimental studies. Natural hazards. 2014; Vol. 70: 1619-1630. doi: 10.1007/s11069-013-0889-2Arrighi C., Alcèrreca-Huerta J. C., Oumeraci H., & Castelli F. Drag and lift contribution to the incipient motion of partly submerged flooded vehicles // Journal of Fluids and Structures. 2015. Vol. 57. P. 170-184. doi: 10.1016/j.jfluidstructs.2015.06.010Arrighi C., Alcèrreca-Huerta J. C., Oumeraci H., & Castelli F. Drag and lift contribution to the incipient motion of partly submerged flooded vehicles. Journal of Fluids and Structures. 2015; Vol. 57: 170-184. doi: 10.1016/j.jfluidstructs.2015.06.010Kramer M., Terheiden K., Wieprecht S. Safety criteria for the trafficability of inundated roads in urban floodings // International journal of disaster risk reduction. 2016. Vol. 17. P. 77-84. doi: 10.1016/j.ijdrr.2016.04.003Kramer M., Terheiden K., Wieprecht S. Safety criteria for the trafficability of inundated roads in urban floodings. International journal of disaster risk reduction. 2016; Vol. 17: 77-84. doi: 10.1016/j.ijdrr.2016.04.003Martinez-Gomariz E., Gomez M., Russo B., & Djordjević S. A new experiments-based methodology to define the stability threshold for any vehicle exposed to flooding // Urban Water Journal. 2017. Vol. 14. №. 9. P. 930-939. doi: 10.1080/1573062X.2017.1301501Martinez-Gomariz E., Gomez M., Russo B., & Djordjević S. A new experiments-based methodology to define the stability threshold for any vehicle exposed to flooding. Urban Water Journal. 2017; Vol. 14. №. 9: 930-939. doi: 10.1080/1573062X.2017.1301501Pregnolato M., Ford A., Wilkinson S.M., & Dawson R.J. The impact of flooding on road transport: A depth-disruption function // Transportation research part D: transport and environment. 2017. Vol. 55. P. 67-81. doi: 10.1016/j.trd.2017.06.020Pregnolato M., Ford A., Wilkinson S.M., & Dawson R.J. The impact of flooding on road transport: A depth-disruption function. Transportation research part D: transport and environment. 2017; Vol. 55: 67-81. doi: 10.1016/j.trd.2017.06.020Добромиров В.Н. Методика оценки проходимости автотранспортных средств при преодолении водных преград вброд // Вестник гражданских инженеров. 2012. №. 1. С. 188–191.Dobromirov V.N. Methodology of evaluating motor vehicles` cross-country capability at overcoming water obstacles fording. Vestnik Grazhdanskikh Inzhenerov – Bulletin of Civil Engineers. 2012; 1: 188-191. (in Russ.)Магдина Е.Р., Добромиров В.Н. Проблемные вопросы применения дорожно-строительных машин в зонах затопления // Русский инженер. 2023. № 3(80). С. 40–43.Magdina E.R., Dobromirov V.N. Problematic issues of the use of road construction machines in flood zones. Russian Engineer. 2023; 3(80). З: 40-43. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.