CC BY
202
УДК. 621.431
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И РАСХОДА ТОПЛИВА ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
В.Ю. Кирничный, В.Н. Тарасов, И.В. Бояркина
Аннотация. Разработана методика определения составляющих времени цикла традиционного погрузчика и погрузчика с энергосберегающим гидроприводом. Предложена методика определения эксплуатационной производительности и расхода топлива.
Ключевые слова: эксплуатационная производительность, расход топлива, время цикла, затраты.
Введение
Для оценки эффективности фронтальных погрузчиков можно использовать производительность в сочетании с расходом топлива. Оценку эффективности погрузчика можно выполнить по технической производительности, которая не зависит от эксплуатационных факторов и определяется по формуле [1, 2]
VrKH
ПТ = 3600 Г н , (1)
т V
ТЦКР
где Vг - геометрический номинальный объем ковша, м3; Тц - время рабочего цикла погрузчика, с; Кн - коэффициент наполнения ковша; Кр
- коэффициент разрыхления погружаемого материала.
В настоящее время недостаточно развиты методы расчета расхода топлива двигателя фронтального погрузчика в условиях эксплуатации. Расход топлива двигателя внутреннего сгорания зависит от эксплуатационной производительности, т.е. от объема полезной работы, выполняемой фронтальным погрузчиком.
Составляющие времени Тц рабочего цикла определяются по уравнению [1,2]
ТЦ = ¿к + ¿т + ¿С + ¿Р + ¿Х , (2)
где ¿к - время заполнения ковша; ¿т - время транспортирования; ¿С - время подъема стрелы; Хр - время разгрузки ковша; ¿х - время холостого хода.
Время ¿к заполнения ковша можно определить по формуле, связывающей мощность двигателя с объемом ковша и показателями прочности грунта [1, 2]
¿к = 10
VгK ст Кн
Хек ЛЛтКр (1 -5)
(2)
где кс
3
удельное сопротивление черпанию,
Дж/м ; Мек - мощность двигателя, реализуемая при черпании материала, кВт; Ц - КПД трансмиссии, Ц =0,8 ^ 0,9; Цт - тяговый КПД, Цт =0,55 ^ 0,6; 5 - коэффициент буксования:
5 = 0,1 на твердой поверхности, 5 = 0,2 на грунтовой опорной поверхности.
Мощность копания Мек, определяется как
разность мощности двигателя и статистической мощности, отбираемой при копании на привод системы гидравлического управления погрузочного оборудования [3]
N = N - N
у ек 'е у г.п.о '
(3)
где
' Г.П.О - мощность двигателя, расходуемая на гидропривод погрузочного оборудования, кВт.
Мощность NГПО определяется по корреляционной функции [3]
Nr.no = 4,26 тэ , (4)
где тэ - эксплуатационная масса погрузчика, т.
Для погрузчика с энергосберегающим гидроприводом (ЭСГП), у которого уравновешены силы тяжести ковша, стрелы, рычага, освобождается часть мощности, затрачиваемой на подъем этих сил. Статистически эту мощность можно определить как 1/3 от мощности, отбираемой на гидропривод погрузочного оборудования. Поэтому для погрузчика с ЭСГП
2
N = N --N
у ек 'е з ' г.п.о ■
(5)
Таким образом, формула (2) позволяет определить время копания для традиционного погрузчика и погрузчика с ЭСГП.
Время tт транспортирования грунта к месту погрузки самосвала зависит от дальности транспортирования Lт , грузоподъемности Qп погрузчика и условий движения
Lт (гпэ + Qп ) g (/ ± О
^ццт (1 -5)
(6)
к =
где тК
тг
NГ.П.ОЦОБЩ
т
(7)
соответственно массы
К '"с ■ —р ковша, стрелы, рычага, т; Qп - масса полезного груза в ковше, численно равная грузоподъемности, т; НК - высота подъема центра тяжести запрокинутого ковша перед разгрузкой в самосвал, м; ЦоБЩ - общий КПД гидропривода погрузочного
оборудования, Цобщ =0,646 [1].
Мощность NГПО (кВт) определяется по формуле (4).
Формула (7) позволяет определить время подъема стрелы для традиционного погрузчика и для энергосберегающего погрузчика с уравновешенными силами тяжести.
Время разгрузки ковша можно определить по эмпирической формуле из работы [2]
tp = (0,323Оп + 2,32)КС р , (8)
где КС р - коэффициент способа разгрузки,
КС. р =1,35.
Время холостого движения погрузчика к забою определяется по формуле, вытекающей из формулы (6) для пустого ковша [1,2]
tХ =
^еццт (1 -5)
(9)
реализуемая при холостом
где N'e - мощность двигателя, реализуемая
при транспортировании ковша, заполненного материалом, кВт; g - вес единицы массы, g =9,8 Н/кг; f - коэффициент сопротивления качению (при криволинейном движении 7=0,07 ^ 0,17); i - уклон местности (в нормальных условиях /=0); 5 - коэффициент буксования: 5= 0,03 на прямых участках; 5 = 0,05 на криволинейных участках. Мощность
N' = N - N
4 е е р.у '
где Nр у - мощность, расходуемая на привод
гидросистемы рулевого управления в кВт, определяется по корреляционной статистической формуле [3]
Nр.у = 2,2 тэ . Время подъема стрелы на максимальную высоту определяется по формуле
((тк + ) + 0,25(тс + тр )) 8НК
Мощность N'e
движении погрузчика, равна мощности при транспортном режиме в формуле (6).
По формулам (1) - (9) определена длительность цикла для погрузчика В-140 традиционной
конструкции и с ЭСГП при Оп =4,5 т; Ьт =40 м;
7=0,14; тЭ =14.6 т; тк =2,5 т; тс =1,15 т.
Таблица 1 - Показатели времени цикла погрузчиков
Время, с Тип погрузчика
В-140 В-140 с ЭСГП
tк 7,34 5,66
Ц 21,687 21,68
1с 6,057 3,739
р 5,094 5,094
tX 16,574 16,574
ТЦ 56,75 52,75
Время цикла погрузчика с ЭСГП уменьшилось на 4 с за счет уменьшения времени заполнения ковша и времени подъема стрелы.
Техническая производительность по формуле
(1) для погрузчика В-140 при КН =1,0 и Кр =1,1
равна для традиционного погрузчика пт = 132,64
3 3
м /ч; погрузчика с ЭСГП пт = 142,69 м /ч. За
счет уменьшения времени цикла происходит увеличение технической производительности погрузчика с ЭСГП на 7,58 %.
Эксплуатационную производительность фронтального погрузчика определяют путем умножения
технической производительности пт на коэффициент использования рабочего времени Кв . В технической литературе отсутствуют обоснованные рекомендации по значению коэффициента Кв [2].
Поэтому необходимо получить формулу эксплуатационной производительности погрузчика, которая позволит учесть некоторые эксплуатационные осо-
бенности технологического процесса фронтального погрузчика.
Главной особенностью фронтального погрузчика является работа с самосвалами. Имеются рекомендации [2], согласно которым самосвал должен иметь объем кузова, равный 3 ^ 4 объемам ковша погрузчика. Этот важный фактор позволяет сформировать периодический процесс, образованный последовательными циклами загрузки одного самосвала.
Время цикла загрузки самосвала определим как сумму технологического времени загрузки самосвала и вспомогательного времени, связанного с перемещениями самосвала,
Тс = Т + Т2 . (10)
Технологическое время Т\ заполнения самосвала определим по формуле
Т1 = пк.скквтц ,
где пк с - число ковшей, необходимых для
заполнения самосвала, пк с =3 ^ 4; Ккв - коэффициент, характеризующий квалификацию оператора.
В реальных эксплуатационных условиях можно принимать значение коэффициента квалификации
оператора Ккв =2 ^ 3.
Значение Ккв =1,0 соответствует идеальной автоматизации всех элементов технологического процесса, т.е. теоретическому рабочему циклу. Значение Ккв =2,0 соответствует среднему уровню квалификации.
Вспомогательное время Т2, связанное с использованием самосвалов, можно выразить как функцию
Т2 = ПхТц ,
где Пх - число, определяющее кратность вспомогательного времени Т2 теоретическому времени цикла Тц погрузчика.
Число Пх зависит от условий эксплуатации и
многих других факторов, Пх =2 ^ 5.
Для вывода формулы эксплуатационной производительности погрузчика задаем условия работы погрузчика в карьере, когда перед погрузчиком стоит очередь самосвалов.
Рассмотренные условия позволили получить формулу эксплуатационной производительности одноковшового фронтального погрузчика
3600УГкн , (11)
Пэ =
тц (Ккв +——) кр
Пк . с
В формуле (11) величина Пх зависит от условий работы погрузчика, состояния подъездных путей, наличия уклонов (подъемов и спусков) и т.д.
Существует множество других эксплуатационных факторов, учитывать которые в одной формуле не целесообразно.
Используя формулу (11) определим эксплуатационную производительность фронтального погрузчика В-140 в карьере, приняв Пк с =3, Пх =4,
Ккв =2; УГ =2,3 м3.
Для традиционного погрузчика В-140
Пэ _
3600 • 2,3 • 1,0 3
=39,79 м /ч.
4
56,75(2 + -)1,1
Для погрузчика с ЭСГП
П _ 3600 • 2,3 • 1,0 пэ _
3
=42,807 м /ч
4
52,75(2 + - )1,1
Увеличение эксплуатационной производительности погрузчика с ЭСГП произошло на 7,58 % за счет уменьшения времени цикла.
В рассмотренном случае эксплуатационная производительность отличается от технической в несколько раз, что согласуется с реальными результатами [2].
Задача определения расхода топлива фронтального погрузчика является не менее сложной. Актуальность решения этой задачи определяется большими расходами дизельного топлива в строительных организациях и высокой стоимостью 1 кг дизельного топлива.
Важным является и такой факт, что в период с 1991 г. до настоящего времени стоимость дизельного топлива за 1 кг возросла с 6,8 коп. до 28 руб., т.е. увеличилась в 411,8 раз и эта цифра не является пределом.
Определим расход топлива погрузчиком В-140 за 1 час работы. Час работы погрузчика состоит из
технологического времени ^ и вспомогательного времени t2
3600 = ^ + t2. (12)
Технологическое время ^ работы погрузчика определим по формуле
Ь = ПксКквТцПА.С , (13)
где пАс - число самосвалов, погружаемых за
1 час работы.
Число самосвалов, погружаемых за 1 час, можно определить по формуле
3600
п
А.С '
—. (14) Тц (Пк С Ккв + Пх) Подставляя в выражение (13) формулу (14), получим окончательно технологическое время работы погрузчика в течение часа
(1 =■
3600
(15)
1 + -
'X
ПК .СККВ
Расход топлива за 1 час работы погрузчика можно определить как сумму расходов за период
времени работы погрузчика при максимальной технологической загрузке и расходе топлива в течение времени t2 при холостой работе двигателя. Из выражения (12)
(2 = 3600 -(
1.
(16)
На рис. 1 представлена скоростная характеристика дизельного двигателя ЯМЗ-236Н, содержащая внешние и частичные характеристики крутящего момента Ме (п), часового расхода топлива
Gт (п) и мощности двигателя Nе (п). Производители двигателей и фронтальных погрузчиков выдают потребителю сведения об удельном расходе
топлива двигателем ge в г/(кВт-ч) [4].
Функция расхода топлива по рисунку, представленная линиями AEFL является нелинейной. Часовой расход топлива погрузчика на номинальном режиме работы можно определить по предлагаемой формуле
Ne.H 8е , (17)
От .Н = От .X
10
3
МеН*м
geГ/кBт*Ч
где NеH - номинальная мощность двигателя; GTX - часовой расход топлива двигателя на холостом ходу.
Для двигателя ЯМЗ-236Н принимая ge =200
г/(кВт-ч) [4], Nе н =169 кВт определим расход топлива на номинальных оборах по формуле (17) От н = 35 кг/ч. В реальных условиях работы расход топлива погрузчика находится внутри диапазона От X ~ От н .
На рис. 1 при номинальном режиме работы двигателя при числе оборотов вала п = 1700 об/мин часовой расход топлива имеет максимальную величину От =35 кг/ч по внешней характеристике двигателя. На холостом режиме работы при максимальных оборотах Пх =1930 об/мин при работе двигателя без нагрузки двигатель расходует топливо на собственные внутренние потребности
От. X =4 кг/ч.
Рис. 1. Внешние и частичные скоростные характеристики двигателя ЯМЗ-236Н
Анализ информации по расходу топлива на холостом режиме работы для разных двигателей показал, что От X составляет 10-20% от номинального часового расхода топлива От н и зависит от
погодных условий и многих других факторов.
Величина действительного часового расхода топлива погрузчика зависит от большого числа эксплуатационных факторов, от климатических условий и от степени организации общего технологического процесса работы фронтального погрузчика. Поэтому рассмотрим метод расчета, который является первым приближением к решению сложной задачи определения расхода топлива фронтальным погрузчиком.
Средний расход топлива за 1 час работы погрузчика определим как сумму расходов
От. п = От. 1 + От. 2 , (18)
где От 1 - расход топлива за время в течение часа при выполнении технологического процесса при максимальной нагрузке и соответствующих оборотах двигателя; От2 - расход топлива за
время t2 на холостом режиме.
Расходы топлива От 1 и От 2 определим по формулам
11 г , (19)
От . 1 = От . Н , KN.e , 3600
От .2 = От
¿2
3600
(20)
где кме - коэффициент использования мощности двигателя при эксплуатации, км е =0,6 ^ 1,0.
При выполнении самой трудной технологической операции - процесса черпания материала ковшом характер нагружения двигателя является близким к линейному, при котором сопротивление на валу двигателя изменяется от нулевого до максимального значения. В этих условиях вероятное значение коэффициента использования мощности
двигателя находятся в диапазоне км е =0,6 ^ 0,7.
Принимая параметры режимов работы; Пкс =3; Пх =4; ккв =2; к^£ =0,7 по формулам (18),
(19) найдем GT\ =14,7 кг/ч; GT 2 =1,6 кг/ч.
Расход топлива двигателя ЯМЗ-236Н за 1 час по формуле (18) равен Gт п =16,3 кг/ч.
Для обеспечения трехсменной работы погрузчика объем топливного бака может быть равен при плотности топлива 0,85 кг/л
Qt
= GT.n ■24 =460 л (дм3 ).
0,85
В расчетах годового экономического эффекта эксплуатационные затраты относят к объему выработанной продукции, т.е. к производительности. Если фиксировать объем выполненной за год продукции, то при увеличении производительности машины заданный объем работы можно выполнить за меньшее время работы. В результате чего получается реальная экономия топлива, зарплаты и возникают другие сопутствующие экономические эффекты.
В рассмотренном случае экономический эффект только от экономии топлива можно определить по формуле
ЭГ(Т) = Отп • ТГ • ЦТ-5Т , (21)
где Тг - годовой фонд рабочего времени, Тг =1500 ч; ЦТ - цена 1 кг дизельного топлива, ЦТ =28 руб.; 5т - коэффициент увеличения производительности в долях единицы, 5т =0,0758.
Для погрузчика В-140 с энергосберегающим приводом годовой экономический эффект экономии топлива составляет по формуле (21) ЭГ(Т) _51892,7 руб.
Выводы
Разработана методика расчета эксплуатационной производительности и расхода топлива, которая учитывает теоретическое время рабочего цикла фронтального погрузчика и эксплуатационные факторы, характеризующие условия работы. За
счет сокращения времени цикла погрузчика экономия топлива составляет 7,58 % от общего годового расхода топлива и составляет 51,9 тыс. руб. в год.
Стоимость топлива, расходуемого погрузчиком при эксплуатации, является основной составляющей эксплуатационных затрат.
Библиографический список
1. Бояркина И.В. Технологическая механика одноковшовых фронтальных погрузчиков: монография /И.В. Бояркина. - Омск: СибАДИ, 2011. -336 с.
2. Чебанов Л.С. Эффективность применения погрузчиков в строительстве /Л.С. Чебанов. -Киев: Будивельник, 1987. - 80 с.
3. Гинзбург Ю.В. Промышленные тракторы /Ю.В. Гинзбург, А.И. Швед, А.П. Парфенов.- М.: Машиностроение, 1986. - 296 с.
4. Стуканов В.А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля /В.А. Стуканов. - М.: ИД «Форум»; Инфра-М, 2007.-368 с.
METHODOLOGY FOR DETERMINING
OPERATIONAL PERFORMANCE AND FUEL CONSUMPTION LOADING VEHICLE
V.Y Kirnichny, V.N. Tarasov, I.V. Boyarkina
A method for determining the components of the cycle time of a traditional truck and loader with hydraulic energy efficient. The method of determining the operational performance and fuel economy.
Кирничный Владимир Юрьевич - доктор экон. наук, профессор СибАДИ. Основное направление научных исследований - экономика, экономика строительства, технология строительства. Имеет опубликованных работ.
Тарасов Владимир Никитич - доктор техн. наук, профессор СибАДИ. Основное направление научных исследований - теоретическая механика, механика строительных машин. Имеет 218 опубликованных работ.
Бояркина Ирина Владимировна - кандидат техн. наук, доцент СибАДИ. Основное направление научных исследований - аналитическое проектирование энергосберегающего рабочего оборудования стреловых погрузочно-транспортных машин. Имеет 62 опубликованные работы.
