CC BY
76
УДК 621.878.23-182.38:621.878.62
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН С ЦЕЛЬЮ РАНЖИРОВАНИЯ
ИХ ПАРАМЕТРОВ
И.А. Недорезов, профессор, д.т.н., Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, Россия,
Н.Н. Симонов, к.т.н., Научно-исследовательский институт транспортного строительства, г. Москва, Россия
Аннотация. Приводится методика имитационного моделирования рабочих процессов землеройно-транспортных машин цикличного действия на примере бульдозера и скрепера, основанная на ранжировании факторов, влияющих на эксплуатационную производительность.
Ключевые слова: имитационное моделирование, факторы, ранжирование, эксплуатационная производительность, бульдозер, скрепер.
ІМІТАЦІЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОБОЧИХ ПРОЦЕСІВ ЗЕМЛЕРИЙНО-ТРАНСПОРТНИХ МАШИН З МЕТОЮ РАНЖУВАННЯ ЇХ ПАРАМЕТРІВ
І.А. Недорєзов, професор, д.т.н., Московський державний технічний університет імені Н.Е. Баумана, Росія,
М.М. Симонов, к.т.н., Науково-дослідний інститут транспортного будівництва, м. Москва, Росія
Анотація. Наводиться методика імітаційного моделювання робочих процесів землерийно-транспортних машин циклічної дії на прикладі бульдозера і скрепера, що базується на ранжу-ванні факторів, що впливають на експлуатаційну продуктивність.
Ключові слова: імітаційне моделювання, фактори, ранжування, експлуатаційна продуктивність, бульдозер, скрепер.
SIMULATION OF WORKING PROCESSES FOR EARTH-MOVING MACHINERY IN ORDER TO RANK THEIR PARAMETERS
I. Nedorezov, Professor, Doctor of Engineering Sciences,
Bauman Moscow State Technical University, Russia,
N. Simonov, Candidate of Engineering Sciences,
Central Research Institute for Transport Construction, Moscow, Russia
Abstract. A simulation of working processes for cyclic-action earth-moving machinery, with bulldozers and scrapers taken as an example, based on ranking the factors affecting the operating productivity has been presented.
Key words: simulation modeling, factors, ranking, service productivity, bulldozer, scraper.
Введение
Имитационное моделирование эффективно использовать при анализе многофакторных систем случайных величин [1], например,
производительности ЗТМ, что позволяет ранжировать действующие факторы по степени их значимости.
Цель и постановка задачи
Целью данной работы является выявление факторов, оказывающих наибольшее влияние на эксплуатационную производительность ЗТМ на примере бульдозера и скрепера, для учёта их влияния при проектировании и эксплуатации. Для достижения цели разработаны математические модели рабочих процессов ЗТМ, проведено имитационное моделирование многофакторных систем случайных величин и ранжирование действующих факторов по степени их значимости.
Имитационное моделирование производительности бульдозера
Для изложения методики имитационного моделирования производительности бульдозера в качестве исходной модели принята математическая модель эксплуатационной производительности землеройно-транспортной машины цикличного действия, разработанная на основе энергетического анализа её рабочего процесса, состоящего из трёх основных элементов: копание, транспортирование грунта и холостой ход машины, которая в итоговом виде представлена выражением [2]
Пэ =
3600NпКпк Кпп Кв
К, /сц + Кпк (1 + Кпп № +
/сц - /м 2
(1)
Ь/М Кпк КР
,м3 /ч
+3
к
где N - мощность двигателя, 50^450 кВт; П - тяговый КпД машины, 0,6^0,7; Кпк - коэффициент потерь грунта при копании, 0,8^0,9; Кпп - коэффициент потерь грунта при перемещении, 0,6^0,96; КВ - коэффициент использования бульдозера по времени, 0,77^0,85; К- удельное сопротивление копанию, 39^584 кН/м2; /Сц - коэффициент сцепления движителей с грунтом, 0,7^1,1; /М - коэффициент сопротивления перемещению машины, 0,08^0,12; А - объемный вес грунта в плотном теле, 14^23 кН/м3; Ь - дальность перемещения грунта, 10^80 м; / - коэффициент сопротивления перемещению грунта, 0,75^1,25; GМ - вес бульдозера, 80^720 кН; КР - коэффициент разрыхления
грунта, 1,1^1,4; q - вместимость отвала бульдозера, 2,3^20,7 м3; Кч - коэффициент вместимости отвала бульдозера, 1,05^1,15. Примечание: в скобках даны возможные диапазоны изменения факторов, влияющих на эксплуатационную производительность бульдозера, для наиболее распространенных условий эксплуатации.
Для разработки имитационной модели эксплуатационной производительности бульдозера при производстве земляных работ использован аппарат и терминология теории планирования эксперимента [3]. При указанных в таблице 15 факторах линейная модель расчета эксплуатационной производительности принимает вид
Пэ — ао + а\Х\ + 02X2 + 03X3 + 04X4 +
+ 05X5 + абХб + 07X7 + а&Х + 09X9+ (2)
+ аlоX10 + а\\X\\ + а12X12 + а1^13 +
+ а14X14 + а15X15,
где а7 - неизвестные коэффициенты (7 — 0... 15); X - переменные факторы.
Подставив средние значения факторов в исходное выражение для ПЭ, получим значение функции отклика (эксплуатационной производительности бульдозера ПЭ) при нулевом уровне факторов, равное 219,1 м3/ч.
Для выявления влияния каждого из факторов на эксплуатационную производительность бульдозера нужно определить отклонение эксплуатационной производительности от среднего значения при наибольшем значении 7-го фактора и среднем значении остальных. После подстановки значений коэффициентов а7 линейная модель расчета эксплуатационной производительности бульдозера имеет вид
ПЭ = 219,1 +175,3 • х +16,9• х2 -
(3)
-3,3 • Х3 — 42,7 • Х4 +10,8 • Х5 — —38,6 • Хб +1,2 • Х7 —14,2 • х^ — —21,1 • Х9 — 123 • Хю — 21,7 • Хц — —44,2 • х^2 — 8 • х^3 + 35,9 • х^ + +3,1 • х15 ,м3/ч.
Гистограмма рангов влияния факторов на эксплуатационную производительность бульдозера представлена на рис. 1. Таким образом, незначимыми факторами для расчета эксплуатационной производительности бульдозера можно принять три фактора: Кпк -коэффициент потерь грунта при копании,
/Сц - коэффициент сцепления движителей с отвала бульдозера. грунтом и /\'( - коэффициент вместимости
200 л
150
100 --
50 --
Ё о
-50
-100
-150
и
XI
Ы Ы
1С
14 15
Факторы
Рис. 1. Гистограмма рангов влияния факторов на эксплуатационную производительность бульдозера
Значимыми факторами являются шесть факторов: п - тяговый КпД машины, КВ - коэффициент использования по времени, /М - коэффициент сопротивления перемещению машины, А - объемный вес грунта в плотном теле, / - коэффициент сопротивления перемещению грунта, КР - коэффициент разрыхления грунта. Наиболее значимыми являются шесть факторов: N - мощность бульдозера, Кпп - коэффициент потерь грунта при перемещении, К'- удельное сопротивление копанию, Ь - дальность перемещения грунта, GМ - вес бульдозера, д - вместимость отвала бульдозера.
Данную методику также можно применять и к другим ЗТМ цикличного действия, например, скреперам.
Имитационное моделирование
производительности скрепера
при имитационном моделировании производительности скрепера в качестве исходной модели также принята математическая модель эксплуатационной производительности землеройно-транспортной машины циклич-
ного действия, разработанная на основе энергетического анализа её рабочего процесса, представленная уравнением
пэ =
3600<2Кпк Кв
А
,м /ч
+
3600QКпк К
(4)
В
где А1 - работа копания грунта с учетом работы перемещения машины на пути копания и совместной работы скрепера с толкачом
А = QK'
1+
оС гС + СТ гТ
°мУм ~*~омУм
—ОС/М + стм/М )]
к0[(оСц/Ц + оСц/Сц ) — кДж;
(5)
А2 - работа перемещения грунта и скрепера к месту разгрузки
А2 = Ь/М (QKпк л + ОМ ),кДж;
(6)
А3 - работа перемещения грунта и скрепера к месту разгрузки
Аз = GcмLfМ ,кДж, (7)
где ЛПК - коэффициент потерь грунта при копании, 0,65^0,85; п° - тяговый КПД скрепера, 0,85^0,90; пТ - тяговый КПД толкача
0,70^0,75; /СЦ - коэффициент сцепления движителей скрепера с грунтом, 0,30^0,80; /Сц - коэффициент сцепления движителей
толкача с грунтом, 0,40^1,10; /М - коэффициент сопротивления перемещению скрепера, 0,03^0,20; /М - коэффициент сопротивления перемещению толкача, 0,06^0,15; и - время на маневрирование и разгрузку, 35^50 с; А - объемный вес грунта в плотном теле, 14^23 кН/м3; КР - коэффициент разрыхления грунта, 1,10^1,40; Kq- коэффициент использования вместимости ковша скрепера*, 1,37^1,47; К0 - коэффициент одновременности работы толкача и скрепера, 0,85^0,90; N - мощность двигателя скрепера, 246^410 кВт; N - мощность двигателя толкача,
228^634 кВт; GМ - вес скрепера, 320^610 кН;
GМ - вес толкача, кН; G<ССц - сцепной вес
скрепера, 370^1023 кН; GlСц - сцепной вес
толкача, 170^323 кН; q - геометрическая вместимость ковша скрепера, м3; L - дальность транспортирования грунта, 370^1023 м; К' - удельное сопротивление копанию (энергоемкость), 10,7^24,5 кН/м2; КВ - коэффициент использования по времени, 50^1600;
т-1 - коэффициент использования мощности двигателя скрепера при наборе грунта, 400-500; тс2 - коэффициент использования мощности двигателя скрепера при транспортировании грунта к месту разгрузки, 0,77^0,85;
тс - коэффициент использования мощности двигателя скрепера при перемещении к месту набора грунта, 0,5-1,0; т1г - коэффициент использования мощности двигателя толкача при наборе грунта скрепером, 0,5-1,0; * - при условии, что с использованием толкача ковш скрепера наполняется максимально с «шапкой».
При указанных в таблице 26 факторах линейная модель расчета эксплуатационной производительности принимает вид
Пэ — а0 + + 02X2 + а3X3 + а 4X4 +
+ 05X5 + 06X6 + 07X7 + а^Х§ + 09X9 +
+ 010X0 + а11X11 + 012Х2 + 01^13 +
+ а\4X\4 + а\5X\5 + аl6X16 + а17X17 + (8)
+ аl8Xl8 + ^9X9 + а20X20 + а21X21 +
+ 022X22 + 023X23 + 024X24 + 025X25 +
+ а2^X26.
Подставив средние значения факторов в исходное выражение для ПЭ, получим значение функции отклика (эксплуатационной производительности скрепера ПЭ) при нулевом уровне факторов, равное 87,98 м3/ч.
Для выявления влияния каждого из факторов на эксплуатационную производительность скрепера нужно определить отклонение эксплуатационной производительности от среднего значения при наибольшем значении 7-го фактора и среднем значении остальных.
После подстановки значений коэффициентов линейная модель расчета эксплуатационной производительности бульдозера имеет вид
ПЭ = 87,98 + 0,4 • х1 +1,83 • х2 +
+0,05 • х3 + 0,08 • х4 + 0,24 • х5 --33,04 • х6 - 0,21 • х7 - 0,98 • х8 --5,14 • х9 - 6,87 • хю + 2,17 • хц +
+0,02 • х12 +19,78 • х13 + 0,67 • х^ - (9)
-14,71 • х15 - 0,27 • х16 + 0,06 • х17 +
+0,24 • х^ + 21,84 • х19 - 40,24 • х20 -
-0,38 • х21 + 4,34 • х22 +14,81 • х24 +7,68 • х25 ,м3/ч.
Для выявления факторов, оказывающих наибольшее влияние на техническую производительность, проведено ранжирование 26 действующих факторов. Результаты
ранжирования факторов, входящих в математическую модель эксплуатационной производительности самоходных скреперов с учетом загрузки с помощью толкача, в виде гистограммы рангов влияния факторов представлены на рис. 2. Наиболее значимыми факторами являются: дальность перемещения грунта - L, коэффициент сопротивления
перемещению скрепера - /М, геометрическая вместимость ковша скрепера - q, мощность двигателя скрепера - коэффициент использования мощности двигателя на этапе транспортирования грунта к месту разгрузки
- тс, вес скрепера - G<М. К значимым фак-
торам относятся: коэффициент исиользова- ния мощности двигателя на этапе холостого
Факторы
Рис. 2. Гистограмма рангов влияния факторов на эксплуатационную производительность скрепера
хода - т3, коэффициент разрыхления грунта
- КР, объемный вес грунта в плотном теле - А, коэффициент использования вместимости ковша скрепера - Кд, коэффициент использования по времени - КВ, тяговый КПД скрепера
- время на маневрирование и разгрузку -¿4. Остальные 12 факторов не являются значимыми.
Выводы
Наибольшее влияние на рабочий процесс бульдозера оказывает его мощность N потери грунта в боковые валики при перемещении, отражаемые в коэффициенте КПП, К' -удельное сопротивление копанию, зависящее от категории грунта и его состояния, дальность перемещения грунта L, вес бульдозера СМ, вместимость отвала бульдозера д.
В процессе работы скрепера наибольшее влияние на рабочий процесс оказывает дальность транспортирования грунта L и качество транспортных путей, отражаемое коэффициентом сопротивления перекатыванию ^ и коэффициентами использования мощности двигателя при транспортировании и движении холостым ходом
mC, m^ . Эффективность применения толкачей и их мощность определяются значимостью величины вместимости ковша q и коэффициента ее использования Kq.
Данная методика может быть использована для ранжирования рабочих процессов и других землеройно-транспортных машин цикличного и непрерывного действия.
Литература
1. Шеннон Р. Имитационное моделирование
- искусство и наука / Р. Шеннон. - М.: Мир, 1978. - 418 с.
2. Недорезов И.А. Прогнозирование эконо-
мической эффективности бульдозеров / И.А. Недорезов, Н.Н. Симонов // Механизация строительства. - 2005. - №7. -С. 22-24.
3. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента
при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. - М.: Наука, 1965. - 280 с.
Рецензент: Л.И. Нефедов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 22 июня 2012 г.
