CC BY
39
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эя №<Ш 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025.ISSN 1994-04OS_
Метод расчета эксплуатационных параметров универсальных малогабаритных погрузчиков
77-30569/227784
# 10, октябрь 2011 Минин В. В., Никонов Д. Д.
УДК 621.869.44
Политехнический институт Сибирского Федерального университета
mininv@rambler.ru big dan.89@mail.ru
Введение. 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 1972 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.
Постановка задачи. 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.
а
б
д
Рис. 1. Оценка согласованности количества выпускаемых моделей машин (п' - частота, %) со значениями параметра эксплуатационной массы УМП, кг (представлены на оси абсцисс): а - в 1972 г.; б - в 1979 г.; в - в 1980 г.; г - в 1982 г.; д - в 2002 г.; е - в 2010 г.
в
г
е
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 в виде регрессионных зависимостей с высокой степенью надежности (коэффициент детерминации при дисперсионном анализе R = 0,875), которые использованы в нижеследующей методике.
Производительность УМП с погрузочным ковшом определяем по формуле
Q = 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.
Для определения себестоимости разработки грунта (обработки единицы поверхности дорожного полотна) используем выражение
С
с _ 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
уд Т • 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
°п.уд “ '"'уд ‘Луд>
где E - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений.
Количественную оценку степени совершенства конструкции УМП проводим по критерию стоимости потерь полезной удельной работы в цикле машины Пс4, руб.Дж/кг
Пй< = {С • Р + С, (1 - Р)} N • Тц (1 - ком )(1 - п) кр/У р
где С - стоимость УМП и комплекта сменного рабочего оборудования, руб.; Сэ - стоимость эксплуатации машины, руб.; Р - вероятность безотказной работы машины; N - установочная мощность двигателя, кВт; П - математическое ожидание КПД на режиме работы; Тц - время цикла, с; ком - коэффициент отбора мощности на вспомогательное оборудование; кр -
Метод решения. Ввиду сложности математического описания рабочих процессов, обеспечивающего необходимую точность расчетов, принята концепция выявления структуры модели на основе анализа размерностей. Известно [1, 4], 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 полезной удельной работы в цикле машины (Пса) с учетом удельной энергоемкости рабочего процесса (А, Па) записывается в виде функции
Проведя анализ размерностей и математические преобразования по известной методике [1], получен критерий определяющий функциональные связи в безразмерном виде:
В соответствие со структурой критерия лсА, направления повышения эффективности УМП определяются при условиях стремления данного критерия к своим предельным значениям с учетом ограничений, определяемых для конкретных условий эксплуатации:
коэффициент разрыхления материала; Ук - вместимость ковша, м3; р - объемная масса разрабатываемого материала, кг/м ; кн - расчетный коэффициент наполнения ковша [4].
Э = Э'(Пс4 ,О, С, 0, А).
А - сопбі;; О ^ тіп; 0 ^ тах;
Пса ^ тіп; С - var.
тіп при
Расчеты значений показателя приведенных удельных затрат Зп.уд., а также критериев ПСа (табл. 1) и пСА по разработанной авторами программе в среде МаШсаё проведены для УМП эксплуатационной массой от 500 до 5 000 кг и установочной мощностью двигателя от 12 до 84 кВт, соответственно. Для расчетов удельная энергоемкость разработки грунта (обработки единицы поверхности дорожного полотна) принята равной 20 кПа. Основные результаты исследований представлены на рис. 2, где для каждого из видов сменного рабочего оборудования УМП построены зависимости показателя Зп.уд. от сменной производительности Qсм и значений критерия ПСа 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 Зп.уд. для погрузочного, бульдозерного и рыхлительного оборудования отображены на рис. 3-5.
Таблица 1. Расчетные значения критерия
Рабочее оборудование Эксплуатационная масса О, кг
1000 2000 3000 4000
Критерий стоимости потерь полезной удельной работы машины Пса, руб.-Дж/кг
Погрузочное 2,038-107 8,361-107 2,204-108 6,875-108
Бульдозерное 1,513 • 108 4,468-108 1,069-109 2,592-109
Рыхлительное 2,293-107 1,209-108 4,221-108 1,375-109
в г
Рис. 2. Зависимость приведенных удельных затрат Зп.уд от критерия стоимости потерь полезной удельной работы машины ПСа 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
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
руб./м3
1000
800
60С
401
20
С, кг
1000
Рис. 5. Зависимость приведенных удельных затрат Зп.уд. от эксплуатационной массы О и стоимости машино-часа Сч работы УМП с рыхлительным рабочим оборудованием
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 безразмерного критерия стоимости потерь полезной удельной работы в цикле Пса. незначителен. Характер изменения величины критерия ПсА от значения главного параметра (эксплуатационной массы) машины аналогичен с интегральным показателем Зп.уд.. Безусловно, расчетные значения параметров УМП для исследуемых типоразмеров машин зависят от физико-механических показателей разрабатываемой среды (удельной энергоемкости) и условий эксплуатации.
Заключение. Разработанный безразмерный критерий пСА отражает актуальную проблему ресурсо- и энергосберегающих технологий при проектировании и эксплуатации
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.
умп.
Список литературы
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. Исследование эффективности универсального малогабаритного погрузчика с учетом энергетических показателей / В. В. Минин, М. В. Носков // Вестник ВолГАСУ. Строительство и архитектура. Вып. 22 (41). - Волгоград : Изд-во Волг. гос. арх.-стр. ун-та, 2011. - С. 105 - 110.
