Исследование влияния массы универсальных малогабаритных погрузчиков на эффективность их эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Исследование влияния массы универсальных малогабаритных погрузчиков на эффективность их эксплуатации

Минин В.В., Никонов Д.Д.

Сибирский федеральный университет, г. Красноярск

Универсальные малогабаритные погрузчики с бортовым поворотом (УМП) находят все большее применение в строительстве и дорожном хозяйстве. В настоящее время в мире производится более 100 тыс. машин в год.

Статистический анализ количества машин данного типа в зависимости от главного параметра - эксплуатационной массы машины (рис. 1), проведенный за период ретроспекции с 1970 г. по 2010 г., позволяет сделать вывод о наметившейся тенденции выпуска машин более тяжелого типа. Для потребителей УМП существенно важно иметь информацию об эксплуатационных параметрах выпускаемых моделей машин и их эффективности.

Для расчета конструктивных и эксплуатационных параметров УМП хорошо себя зарекомендовали статистические методы и метод размерностей [1]. С учетом применения методики расчета технико-экономической эффективности использования строительных и дорожных машин [2] становится возможным прогнозирование обобщенного показателя приведенных удельных затрат при варьировании значений конструктивных и эксплуатационных параметров УМП.

Применение показателя приведенных удельных затрат обусловлено [3] необходимостью учета полной стоимости разработки единицы объема грунта, включающей эксплуатационные затраты, дополнительные капиталовложения и срок их окупаемости.

Целью данного исследования является разработка метода расчета показателей эффективности УМП со сменным рабочим оборудованием на основе применения безразмерных критериев взаимосвязи эксплуатационных и конструктивных параметров.

К исследованию приняты машины со стандартным погрузочным ковшом, бульдозерным отвалом и рыхлителем грунта.

Для выявления закономерностей изменения значений конструктивных параметров и параметров стоимости УМП от их эксплуатационной массы приняты данные моделей выпускаемых фирмами-производителями: J I Case Company; Clark Equip. Co. (Bobcat); Davis Welding & Mfg. Co.; John Deere; Erickson Corp.; Ford; Gehl Co.; Hydra - Mac Inc.; International Harwester; Mustang; Northwestern Motor Co.; Owatonna Mfg. Co.; Prime Mover Co.; Sperry New Holland; TCI Inc.; Thomas Equip. Ltd. Учет значительного объема исходных данных при работе с программным продуктом Data Fit версии 9.0 фирмы Oakdale Engineering позволил получить результаты [4] в виде регрессионных зависимостей с высокой степенью

надежности (коэффициент детерминации при дисперсионном анализе R2 = 0,875), которые использованы в нижеследующей методике.

Производительность УМП с погрузочным ковшом определяем по формуле

3600 • q • Тч • Кв ,

^ ГГ! ;

Тц

аналогично, для бульдозерного отвала и рыхлителя

Q = 3600• F•V• Тч • Кв,

где q - количество материала, обрабатываемого за один рабочий цикл, м3; Тц -

продолжительность рабочего цикла, с; F - поперечное сечение материала, поступающего на рабочий орган машины, м2; V - скорость движения машины, м/с; Тч - число часов в одной смене, ч; Кв - коэффициент использования машины по времени, Кв = 0,8.

с

5

>>

JS

OJ

5

я

о

о

ш

Н

о

1)

5-

К

Ч

О

Ы

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

7

3 \

- _ 1 5

-г=^

1 -6

1970

1975

1980

1985

1990

Годы

1995

2000

2005

2010

Рис. 1. Динамика выпуска моделей УМП эксплуатационной массой:

1 - от 500 до 1 000 кг; 2 - от 1 000 до 1 500 кг; 3 - от 1 500 до 2 000 кг;

4 - от 2 000 до 2 500 кг; 5 - от 2 500 до 3 000 кг; 6 - от 3 000 до 3 500 кг;

7 - от 500 до 3 500 кг

Для определения себестоимости разработки грунта (обработки единицы поверхности дорожного полотна) используем выражение

С

р _ ^мс уд — Q ’

где Смс - себестоимость машино-смены, руб./см; Q - эксплуатационная производительность машины в смену, м3/см.

Удельные капитальные затраты рассчитываем на основе зависимости

К — с

К уд T ■ Q ’

см ^

где Тсм - число смен работы машины в одном году.

Обобщенный показатель оценки экономической эффективности (приведенные удельные затраты) определяет формула

З — С + E К

Зп.уд — Суд ^ E ■Куд>

где E - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений.

Количественную оценку степени совершенства конструкции УМП проводим по критерию стоимости потерь мощности Под руб./кВт [5]

л {C-P + Сэ (1 - P)}{l -п(1 -*ом)}

ПС^ — Арл 7 \ ,

^Л(1- ком )

где C - стоимость УМП и комплекта сменного рабочего оборудования, руб., Сэ -стоимость эксплуатации машины, руб.; P - вероятность безотказной работы машины; N -

установочная мощность двигателя, кВт, п - математическое ожидание КПД на режиме работы; ком - коэффициент отбора мощности на вспомогательное оборудование.

Ввиду сложности математического описания рабочих процессов, обеспечивающего необходимую точность расчетов, принята концепция выявления структуры модели на основе анализа размерностей. Известно [1, 5], что безразмерные критерии устанавливают закономерности, характеризующие технологический процесс работы машины и взаимосвязи параметров (конструктивных, эксплуатационных и др.), имеющих различную размерность, а также позволяют выявить качественную картину их взаимовлияния.

Руководствуясь основными положениями теории подобия и анализа размерностей математическая модель на основе критерия стоимости потерь мощности (ПС^) с учетом удельной энергоемкости рабочего процесса (А, Па) записывается в виде функции

э = Э'(ПСЖ, а,с, б, А).

Проведя анализ размерностей и математические преобразования по известной методике [1], получен критерий определяющий функциональные связи в безразмерном виде:

->2

AG1

Пг

С

nCNQ

CN — Q3 V

В соответствие со структурой критерия nCN, направления повышения эффективности УМП определяются при условиях стремления данного критерия к своим предельным значениям с учетом ограничений, определяемых для конкретных условий эксплуатации:

A — const,

nCN ^ min при

G ^ min,

Q ^ max, nCN ^ min,

C ^ min.

Расчеты значений показателя приведенных удельных затрат Зп.уд, а также критериев Пс^ (табл. 1) и ncN по разработанной авторами программе в среде Mathcad проведены для УМП эксплуатационной массой от 500 до 5 000 кг и установочной мощностью двигателя от 12 до 84 кВт, соответственно. Для расчетов значения математического ожидания КПД привода на режиме работы приняты в диапазоне от 0,4 до 0,8, а удельной энергоемкости разработки грунта (обработки единицы поверхности дорожного полотна) - 20 кПа. Основные результаты исследований представлены на рис. 2, где для каждого из видов сменного рабочего оборудования УМП построены зависимости показателя Зпуд от сменной производительности и значений критерия nCN при варьировании стоимости машино-часа работы машины. Стоимость машино-часа Сч зависит от типоразмера машины, т.е. ее эксплуатационной массы. Результаты влияния параметра Сч на показатель Зпуд для погрузочного, бульдозерного и рыхлительного оборудования отображены на рис. 3-5.

Таблица 1. Расчетные значения критерия

Значение КПД Эксплуатационная масса G, кг

1000 2000 3000 4000

Критерий стоимости потерь мощности nCN, руб./кВт

0,4 1,213-105 6,667-104 4Д43404 3,997-104

0,6 5,814404 3Д94404 1,985^04 1,915-104

0,8 2,654-104 1,458404 9,062-103 8,744-103

в г

Рис. 2. Зависимость приведенных удельных затрат Зп.уд от критерия стоимости потерь мощности П^ и производительности Q погрузочного оборудования при стоимости машино-часа Сч: а - Сч = 400 руб./ч; б - Сч = 800 руб./ч; в - Сч = 1200 руб./ч; г - Сч = 1600 руб./ч

Длительный временной период при анализе конструктивных решений УМП (см. рис. 1) и их эксплуатационных показателей позволяет сделать вывод, что для принятых условий эксплуатации наиболее экономичными по критерию приведенных удельных затрат Зп.уд являются типоразмеры машин обладающих эксплуатационной массой более 2000 кг вне зависимости от вида рабочего оборудования. Выявлена интенсивность возрастания критерия оценки эффективности Зп.уд для УМП малого типоразмера при этом характер изменения критерия стоимости потерь мощности ПС^ незначителен. Характер изменения величины критерия ПС^ от значения главного параметра (эксплуатационной массы) машины аналогичен с интегральным показателем Зп.уд. Существенное влияние на значение критерия ПС^ (см. табл. 1) оказывает величина математического ожидания КПД привода на режимах работы. Безусловно, расчетные значения параметров УМП для исследуемых типоразмеров машин зависят от физико-механических показателей разрабатываемой среды (удельной энергоемкости) и условий эксплуатации.

Рис. 3. Зависимость приведенных удельных затрат Зп.уд. от эксплуатационной массы О и

стоимости машино-часа Сч работы УМП

Рис. 4. Зависимость приведенных удельных затрат Зп.уд. от эксплуатационной массы О и стоимости машино-часа Сч работы УМП с бульдозерным рабочим оборудованием

Рис. 5. Зависимость приведенных удельных затрат Зп.уд. от эксплуатационной массы О и стоимости машино-часа Сч работы УМП с рыхлительным рабочим оборудованием

Разработанный безразмерный критерий пСЫ отражает актуальную проблему ресурсо- и энергосберегающих технологий при проектировании и эксплуатации УМП.

Одним из путей повышения эффективности малых типоразмеров УМП агрегатированных сменными рабочими органами является снижение стоимости машино-часа работы машины за счет изменения конструкции сменного рабочего оборудования.

Литература:

1. Минин, В. В. Критериальная оценка технического уровня малогабаритного погрузчика с учетом точности определения его параметров [Электронный ресурс] / В. В. Минин, М. В. Носков // Наука и образование : электронное научно -техническое издание / МГТУ им. Баумана. - 2011. - № 2. - режим доступа : http://technomag.edu.ru

2. Руководство по оценке экономической эффективности использования в дорожном хозяйстве инноваций и достижений научно-технического прогресса ОДМД / Минтранс РФ // Государственная служба дорожного хозяйства. - М.: Информавтодор, 2003. - 71 с.

3. Недорезов, И. А. О некоторых заблуждениях в поиске эффективных технических решений средств механизации земляных работ / И. А. Недорезов, О. Н. Машкович // Механизация строительства. - 2008. - № 11. - С. 19 - 21.

4. Минин, В. В. Оценка эффективности малогабаритных погрузчиков с бортовым поворотом / В. В. Минин // Интерстроймех-2010 : сб. трудов Международной научнотехническая конференции ; Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, 5-8 октября 2010 г. - Белгород, 2010. - С. 66-68.

5. Минин, В. В. Расчет параметров универсального малогабаритного погрузчика по комплексному критерию / В. В. Минин, М. В. Носков // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. -Белгород, 2011. - С. 70-74.