Методология оптимизации комплектов машин для строительства элементов автомобильной дороги Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

РАЗДЕЛ I

ТРАНСПОРТ.

ТРАНСПОРТНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

УДК 629

МЕТОДОЛОГИЯ ОПТИМИЗАЦИИ КОМПЛЕКТОВ МАШИН ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ

В.Б. Пермяков

Аннотация. В статье излагается методология оптимизации состава комплектов машин по критерию стоимости производства механизированных работ при строительстве автомобильных дорог.

Ключевые слова: Комплект машин, требования к комплекту, критерии эффективности, стоимость производственных работ, математическая модель, оптимизация состава комплекта.

Эффективность использования средств механизации в процессе строительного производства в значительной мере зависит от уровня его организации. Ее целью является снижение стоимости, трудоемкости и энергоемкости работ за счет оптимизации структуры комплектов машин, применения передовых технологий и высокопроизводительных машин, рациональных схем и режимов работы выполнения технологических операций. При этом необходимо выполнить запланированные объемы работ в заданные сроки минимально достаточным количеством средств механизации с максимальным использованием их потенциальных возможностей, обеспечивающих высокое качество, непрерывность и ритмичность строительного процесса.

Дорожно-строительная продукция, с одной стороны, характеризуется значительным разнообразием (земляное полотно, щебеночное основание, асфальтобетонное покрытие и т. д.), с другой - она является неподвижной, закрепленной к месту ее производства, а средства механизации и ресурсы постоянно перемещаются на новые строительные площадки. Это заставляет всякий раз искать для каждого вида продукции и новых условий производства работ оптимальные формы организации производства работ, структуры комплектов машин и рациональные параметры режимов выполнения технологических операций.

Возможности современных машин заметно возросли, повысилась их производитель-

ность, надежность, экономичность. Но вместе с этим значительно возросла их отпускная цена и стоимость эксплуатации. Поэтому отклонение от оптимальных организационных решений ведет к значительным экономическим потерям.

Использования средств механизации в значительной степени зависит от природноклиматических, экономических и производственных факторов. Но и в одинаковых условиях, при одних и тех же ресурсах можно получить различные результаты в зависимости от того, насколько целесообразно их взаимодействие и комплексное использование в строительном процессе.

Оптимизация всей системы управления производством работ строительства автомобильной дороги является сложной техникоэкономической задачей. Поэтому целесообразно добиваться оптимизации не всей системы, а определённых подсистем (строительство зем. полотна, дорожного основания, покрытия и т.д.), т.е. обеспечивать не общую, а частную оптимизацию.

Каждая строительная организация выполняет работы, которые отличаются друг от друга как по виду, так и по объёму. Для выполнения этих работ формируются специализированные комплекты машин (СКМ), отличающиеся друг от друга типами машин и их количеством и производительностью. Система машин, включающая в себя все СКМ, образует парк машин (ПМ) строительной организации (рис. 1).

Вестник СибАДИ, выпуск 4 (18), 2010

Рис.1. Структура парка машин

ТРАНСПОРТ. ТРАНСПОРТНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Необходимость выделения парка машин из общей структуры предприятия определяется следующими положениями:

- ПМ в дорожно-строительных организациях как часть основных производственных фондов имеет весьма большой удельный вес в структуре предприятия;

- эту часть можно легко выделить, что облегчает дальнейшее рассмотрение с точки зрения эффективного использования;

- ПМ является наиболее динамичной частью овеществленного капитала предприятия.

Кроме того, именно средства механизации парка выполняют совместно с трудовым коллективом основные функции предприятия, а значит, и оказывают значительное влияние на конечный результат его работы. Качественный и количественный состав ПМ определяет темпы строительство, стоимость, трудоемкость и энергоёмкость производства работ, качество выполняемых работ и, в конечном итоге, долговечность автомобильных дорог.

Специализированные комплекты могут состоять как из отдельных машин, так и звеньев машин - объединения однотипных машин для выполнения рабочей операции (звено скреперов, звено катков, звено бульдозеров и т.п.).

При комплектовании СКМ для производства работ комплексно-механизированным способом необходимо соблюдать следующие условия [1, 2]:

- число машин должно быть минимальным, их конструкция, параметры и размеры соответствовать условиям работы;

- в каждом СКМ выделятся одна или несколько ведущих машин, которые в основном определяют организацию работ, его производительность и темп производства работ;

- состав СКМ должен обеспечивать непрерывность технологического процесса.

В СКМ выделяют ведущую машину, которая выполняет самую трудоёмкую и дорогостоящую технологическую операцию. Остальные машины, работающие совместно с ведущей, называются вспомогательными (комплектующими).

Например, при возведении земляного полотна в зависимости от дальности возки грунта, геометрических размеров инженерного сооружения и рельефа местности в качестве ведущих машин СКМ могут быть: бульдозер, скрепер, экскаватор с транспортными средствами и другие машины.

Выбор машин для производства работ на данном конкретном объекте и режимов их работы разрабатывается в проекте производства работ с учётом организационно-технологи-ческих решений, заложенных в проекте организации строительства. При этом производительность СКМ находится в прямой

зависимости от темпа строительства (скорости потока):

I у.е. > , 0)

где Пэк- эксплуатационная производительность СКМ; t - темп строительства (м2, м3, т и т.д.).

Кроме этого необходимо выполнять следующие условия:

I , >1 , . I у а >

у. ат. 1 у. а. и уа , (2)

где Пэ.всп., Пэ.в - соответственно эксплуатационная производительность вспомогательных и ведущих машин.

Расчетная эксплуатационная производительность специализированного комплекта машин определяется из выражения

I , е = у: / N о ■■ Ё~ -

у. е. I о. а. щ (3)

где - общий объём данного вида работ на строительном объекте; Nр.д - количество рабочих дней от начала до окончания строительства; Ксм - коэффициент сменности.

В таблице 1 приведены некоторые типы ведущих машин СКМ при строительстве автомобильных дорог.

В настоящее время наиболее характерным недостатком при проектировании организации и механизации работ является слабое обоснование структуры комплектов машин. Во многих случаях его решение сводится к расчёту необходимого количества только ведущих машин по упрощенным методикам. Сопоставление возможных вариантов механизации строительного процесса или совсем не производится, или ограничивается двумя-тремя, что не может обеспечить оптимальности решений. Между тем убытки от недоиспользования потенциальных возможностей машин, входящих в комплекты, настолько значительны, что все решения в области организации производства работ должны быть не просто удачными, а оптимальными.

При составлении проекта производства работ распределение парка машин по СКМ осуществляют методом вариантного проектирования. Сущность этого метода состоит в том, что одновременно разрабатывают несколько различных вариантов СКМ для выполнения специализированных работ и затем к производству принимают лучший из них. При этом стремятся максимально выполнить следующие требования:

а) обеспечить высокое качество всех выполняемых работ;

б) создать условия для строительства объекта с наименьшими технологическими трудностями;

в) обеспечить наименьшую стоимость использования всех средств механизации. производства работ за счёт эффективного

Таблица 1 - Типы ведущих машин при выполнении дорожно-строительных работ

Типы ведущих машин Виды работ

Бульдозеры Г рейдер-элеватор Скреперы прицепные Самоходные Экскаваторы-драглайны Экскаваторы с транспортными средствами Щебнеукладчики асфальтоукладчики автогрейдеры Однопроходные грунтосмесительные машины, фрезы Самоходные бетонораспре-делители Асфальтоукладчики Возведение земляного полотна высотой до 1,5 м из боковых резервов с перемещением грунта до 100 м Возведение земляного полотна высотой до 1,5 м из боковых резервов Возведение земляного полотна из притрассовых карьеров с перемещением грунта до 500 м Возведение земляного полотна из притрассовых карьеров с перемещением грунта до 3000 м Возведение земляного полотна высотой до 1,5 м из боковых резервов Возведение земляного полотна из притрассовых карьеров с дальностью возки грунта до 3000 м Строительство дорожных оснований из щебня, гравия, металлургических шлаков Строительство дорожных оснований из грунтов, укреплённых органическими и неорганическими вяжущими Строительство цементобетонных покрытий Строительство асфальтобетонных покрытий

Схема формирования СКМ для производства работ на объекте может быть представлена в следующем виде:

- выбор типа ведущих и вспомогательных машин, с использованием которых составляются возможные варианты специализированных комплектов для выполнения определённого вида работ (строительство земляного полотна, дорожного основания и т.д.);

- расчёт количества ведущих машин СКМ для выполнения принятого темпа строительства (по вариантам);

- выбор типов вспомогательных машин по всем вариантам;

- расчёт количества вспомогательных машин по каждому варианту;

- технико-экономическая оценка производства механизированных работ рассматриваемых вариантов и выбор из них оптимального.

Таким образом, на основе имеющегося ПМ в дорожно-строительном управлении производится комплектование нескольких альтернативных СКМ для выполнения одного вида специализированных работ. Сопоставление этих вариантов по технико-экономическим показателям позволяет выявить из них оптимальный.

Для того чтобы быть уверенным в том, что выявлены действительно рациональные со-

ставы СКМ, образующие парк машин, необходимо рассматривать десятки возможных вариантов комплектов. Вручную это сделать очень трудно. Поэтому составляют математическую модель в соответствии с критерием эффективности и с помощью ЭВМ рассчитывают оптимальные структуру и состав парка машин.

Математическая модель должна соответствовать следующим требованиям:

- модель должна быть максимально приближена к критерию эффективности (стоимость или энергоёмкость производства дорожных работ, удельные приведенные затраты или прибыль и т.п.);

- машины, входящие в СКМ, являются зависимыми рабочими единицами. Вся их работа производится в составе СКМ и невыполнение заданного объёма работ одной машиной ведёт к невыполнению темпа строительства всем комплектом машин;

- модель должна отражать сложившуюся на настоящий момент хозяйственную самостоятельность предприятий, а значит, большую свободу предпринимаемых ими действий и решений;

- должна быть возможность реализации современных различных технологий строительства.

На основе парка машин организации может формироваться некоторое количество СКМ: от 1, 2, 3 до i. В парке могут быть маши-

ны различного А, ..., X функционального назначения. Создание модели начинается с формализации темпа строительства по возможным вариантам СКМ:

- вариант №1:

А в

I = [тт[ 1( П А пА ); !( П В пВ );

1 1

с X

!(П С п1);... !(ПX пХ )], (4)

1

1

- вариант №2:

А В

(= [т1п[ ПА пА); ПВ пв2 );

1 1

С X

■ пС пС);... пX пХ)] ■ (5)

1 1

- вариант /-ый:

А В

I = [т,п[ ПА пА); ПВ пВ);

11 С X

• ПС пС );... ПX ^ )], (6)

1 1

при этом

ИА^ пА^) >1, (7)

где 1, ..., / - индекс комплекта машин; А, ..., X - индекс функционального назначения машины (бульдозеры, катки, автогрейдеры,

_А... X

поливомоечные машины и т.д.); П -

часовая эксплуатационная производитель-

ность машины одного конкретного функционального назначения и типоразмера; п

- количество машин в СКМ каждого функционального назначения и типоразмера; t - темп строительства (м3/ч, т/ч и т.п.).

Стоимость производства работ (руб/ед. продукции) по вариантам определяется следующим образом:

- вариант №1:

А ^4/ п, + yit

1 п,

v _ V 4 / 'Ч ,

—/ лтА ПА) пв J

/ (П / п/ ) / (п / п/ )

с——4, п,

+

+ + + X^_—LH п , (8)

/ (ПС пП ) / (П1 пХ )

- вариант №2:

— ^N‘42 п2

N2 2 _/ __А

/ (п 2 п2) / (п в nB)

+

CvNNt2 п2 Х N^2 п2

+ 2------------— + ... + 2-------^, (9)

О

/ (ПC пП )

вариант /-ый:

A —А .

N = 2—1-4—

/ (П X пХ)

з £—U, п3

+ 2—^—— +

/ (П Г пА) 1 (П B пВ)

C —N .

V' I 4 + 2

п

/ (ПС пП)

3 ^ —Оч п3

+... + 2— ------------—, (10)

/ (ПX пХ)

Структура СКМ с наименьшими затратами на производство работ (С ^ min ) рекомендуется использовать при выполнении данного вида работ (земляное полотно, дорожное основание или покрытие), так как в нем оптимально сочетаются количество машин и их производительность для реализации заданного темпа строительства.

Библиографический список

1. Пермяков В.Б., Иванов В.Н. Эффективность использования средств механизации в строительном производстве: Монография. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2002. - 192 С.

2. Пермяков В.Б. Комплексная механизация строительства: Учеб. для вузов / В.Б. Пермяков. -М.: Высшая школа, 2008. - 383 С.

Methodology of optimization of complete sets of cars for building of elements of a highway

V.B. Permjakov

The article outlines the methodology of optimization of the sets of machines on the criterion of value of production of mechanized work in the construction of highways.

Пермяков Владислав Борисович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Эксплуатация и сервис транспортно-технологичес-ких машин и комплексов в строительстве» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - совершенствование организации производства механизированных работ. Уплотнение грунтов и асфальтобе-

п

тонных смесей. Имеет более 200 опубликованных работ. e-mail: kaf_edm@sibadi.org.

УДК 624.131

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗИЦИИ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

В.Н. Кузнецова

Аннотация. В статье изложены основные аспекты методики определения оптимальных параметров рабочих органов землеройных машин для разработки мерзлых грунтов, учитывающая их физико-механические свойства, а также режимы разработки. Приведены практические результаты оптимизации. Проведен анализ результатов эксперимента, проведенного в условиях Севера Западной Сибири.

Ключевые слова: мерзлые грунты, оптимизация, рабочие органы, землеройные машины.

Введение

Применение современных методов и средств строительства позволяет производить работы по промышленному, гражданскому и дорожному строительству практически круглогодично. Свыше 20 % объема земляных работ приходится на зимнее время [1].

С одной стороны, грунт, в том числе и мерзлый, является основанием для наземных сооружений (зданий, дорог и т.д.), на которое передаются нагрузки и собственный вес сооружения. С другой стороны, практически все виды строительства, геолого-разведочные работы, добыча полезных ископаемы зачастую связаны с разработкой мерзлых грунтов. В связи с повышенной прочностью и твердостью мерзлых грунтов во много раз возрастает трудоемкость и стоимость их разработки по сравнению с талыми.

Большая территориальная протяженность России обусловливает актуальность разработки мерзлых грунтов на севере страны еще и в летнее время.

Описание задачи

Исследования показали, что величина энергоемкости разработки мерзлых грунтов землеройными машинами зависит не только от физикомеханических свойств грунтов, но и от конструкции рабочих органов, применяемых для выполнения работ. Поэтому для уменьшения величины сил сопротивлений разработке грунтов большое значение имеет выбор оптимальной конфигурации рабочих органов, параметров их режущих кромок. Широкое использование землеройных машин (в том числе статических рыхлителей и одноковшовых экскаваторов) на разнообразных типах мерзлых и талых грунтов вызывает необходимость изготовления рабочих органов различной

конфигурации. При этом в основном учитывается практический опыт разработки грунта.

Разработка мёрзлых грунтов существенным образом зависит не только от начальных параметров рабочих органов, но также и от изменения их в процессе разработки грунта. Как показывают исследования, эффективность разработки резко падает из-за затупления рабочих органов в результате абразивного изнашивания. Снижение скорости изнашивания рабочих органов позволит значительно повысить производительность землеройных машин и энергоэффективность их работы.

С целью создания методики оптимизации параметров рабочих органов землеройных машин, обладающих повышенной износостойкостью и энергоэффективностью разработки мерзлых грунтов, необходима разработка пространственной математической модели динамического взаимодействия рабочего органа землеройной машины с мерзлым грунтом.

Метод решения

В качестве реологической модели мерзлого грунта в интервале температур от -2 до -12 0С примем модель однокомпонентной пластически сжимаемой среды [1].