Научные основы совершенствования производственного потенциала дорожно-строительного комплекса Украины Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.878

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПОТЕНЦИАЛА ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА УКРАИНЫ

В.Ф. Демишкан, профессор, Укравтодор, В.В. Ничке, профессор,

д.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Показано, что современное дорожное машиностроение должно отвечать требованиям высокого качества конструкции дороги, ее надежности, сроков строительства. Для этого дорожно-строительный комплекс должен обладать соответствующим производственным потенциалом.

Ключевые слова: эффективность, дорожно-строительный комплекс, машина, математическая модель, модуль.

Введение

Создание высокоэффективных машин (в частности машин для земляных работ, дорожных машин) в современном производстве решается на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации, причем обеспечение эффективности машины, ее надежности и производительности рассматривается как процесс управления, включающий экономические, организационные, технические и научные проблемы [1].

Как отмечал в свое время Б.М. Кедров [2], с развитием науки и техники намечается тенденция интеграции наук, их теоретического синтеза.

Анализ литературы

Интеграция наук (их синтез) осуществляется на базе их дальнейшей дифференциации (аналитического процесса их раздробления), причем соотношение между отраслями науки переходит от координации (внешнего соположения) к субординации (внутреннего соподчинения).

В результате возникают междисциплинарные отрасли знаний, причем некоторые из них являются как бы стержнями, пронизывающими многие отрасли науки. К числу таких межот-

раслевых направлений можно отнести надежность, как научное направление (наука о работоспособности механизмов, машин, систем, других объектов), а также научное направление повышения производительности (наука о взаимодействии рабочих органов машин с обрабатываемой средой).

В результате объединения этих направлений получаем научное направление повышения эффективности работы машин.

Постановка проблемы

Эффективность дорожных машин определяется четырьмя группами свойств машин и эксплуатационных факторов:

- свойства, характеризующие производственные возможности машины (производственный потенциал, по определению И.А. Недо-резова [3], - производительность машины, ее скорость, экономические показатели);

- свойства, формирующие надежность конструкции машины (технический потенциал) [4].

- факторы, определяющие условия эксплуатации, которые не зависят от организации эксплуатации машин ([1] - грунтово-клима-тические условия);

- факторы условия эксплуатации, обусловленные организацией и культурой эксплуатации (квалификация оператора, обслуживание, ремонт).

Решение задачи

Для построения математической модели эффективности машин необходимо рассмотреть систему машина - оператор - среда - условия эксплуатации. Анализ этой системы проведем, рассмотрев выражение [3, 4]

Э = F н

мК п,м,вн / У р, ,Д,А), п

/кфГ /Пк )ф о( мЭвП,В)

э, (1)

где Э - эффективность машины; F - функция, характеризующая работу машины; /К п,М,В ) - технический потенциал, определяемый конструктивными параметрами кп, материалами конструкции М, технологией изготовления Т, ограничением действующих нагрузок Qн■; /2{У,Р ,Д, А) - свойства дорожных машин, обуславливающие производственный потенциал и режим нагруже-ния, скорость машины У, номинальное тяговое усилие Рн, тип двигателя Д, наличие средств автоматизации рабочего процесса А;

/3ф Г ТП у,к ) - грунтово-климатические

условия - грунтовый фон Гф, характеристика поверхности забоя и транспортных путей ПТ, климатические условия ку; /4 (к0мЭ вП ,В) -условия эксплуатации дорожных машин -квалификация оператора ко, эксплуатационные материалы Эм, техническое обслуживание и профилактика Пв, восстановление и ремонт В.

Результаты исследований

Взаимодействие рабочих органов (РО) дорожных машин со средой базируется на основе модификации объединенной теории прочности [4, 6] для материалов обладающих значительным внутренним трением с использованием на площадках скольжения закона Кулона-Мора

угол внутреннего трения среды; оп - нормальные напряжения в плоскости сдвига.

Условия разрушения в этом случае можно записать в следующем виде:

сдвиг

о пр < о Р; С = п;4 р

отрыв 0 пр = 0 р ;С < п Ч Р (3)

где Опр - приведенные напряжения растяжения; ор - разрушающие напряжения растяжения; т¥ - касательные напряжения в плоскости сдвига.

В зависимости от вида напряженного состояния разрушение может быть отрывом или сдвигом. У машин для земляных работ переход от отрыва к сдвигу происходит, при прочих равных условиях, при некотором критическом угле резания акр (акр <(30° - 40°)), выше которого происходит сдвиг, ниже отрыв [8]. Как показано в [8, 9], создание в массиве перед РО напряжений растяжения, т.е. разрушения отрывом позволяет снизить усилие разрушения в 1,5 - 1,8 раза.

Определение усилий разрушения проводится физико-статистическим методом, т.е. при детерминированном описании рабочих процессов с дальнейшим учетом вероятностной оценки параметров, распределений свойств среды.

Описание режима нагружения производится зависимостью

0=0 тах Че

(4)

где О - действующие напряжения в рассматриваемой детали; Отах - максимальные напряжения в рассматриваемой детали; X - коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей машины; п - коэффициент, зависящий от условий эксплуатации машины; ю -вероятность превышения нагрузкой данного уровня;

I =

1п о

х с = С + о п Чtgр ,

(2)

1п о

где Тс - разрушающие напряжения сдвига; С - сцепление среды (например, грунта); р -

Процессы нагружения дорожных машин в большинстве своем двухчастотные для рабо-

чего оборудования и многочастотные в дальнейшей кинематической цепи.

Как показано исследованиями в институте электросварки им. Е.О. Патона, максимальные амплитуды суммарных низкочастотных напряжений не должны превышать величины

Применение в эксплуатации разных машин ряда приводит к повышению неоправданных затрат при выполнении всего объема работ за год. Поэтому необходимо определить оптимальный уровень производительности для выполнения объема работ Si

0 нч + 0 вч = 0- 1 Ч

-V ^лч

N Ж й вч ц 0 нч

-Чз-ч

N и й нч ш

(5)

п

где N0 - база испытаний (обычно N0 = 2 Ч106);

N - количество циклов низкой частоты до разрушения; о-1 - предел выносливости; т -показатель кривой Веллера; V - коэффициент долговечности, зависящий от марки стали; Онч, Юнч - амплитуды напряжения и частоты низкочастотного нагружения; Овч, Ювч - амплитуды напряжения и частоты высокочастотного нагружения.

В связи с разработкой машин модульной конструкции [6] необходима проверка на усталость по зависимости (5) как энергомодуля, так и всех технологических модулей. Энергомодуль следует проверять на долговечность с учетом долевого участия технологических модулей в нагруженности.

При модульной конструкции машин особо остро встает вопрос ограничения количества модулей в ряду как в производстве машин, так и в их эксплуатации.

Как показано в [7] наименьшие затраты в эксплуатации соответствуют весу машин 12 - 20 т, т.е. мощности для бульдозеров 180 -300 кВт, скреперов 150-350 кВт, автогрейдеров 180-400 кВт.

Собственно типоразмерные ряды для некоторых машин определены ВНИИнмашем (например, ряд 400, 680, 1000, 1600, 2500, 4000, 6300, 10000). Как показано исследованиями в Сибирском отделении АН России оптимальный ряд можно получить с ограничением типоразмеров. При N0 = 8 оптимальный параметрический ряд составит 225, 450, 465, 1120, 1420, 1800, 3580, 5650.

В случае отсутствия ограничений на количество типоразмеров ряд выглядит таким образом 235, 422, 584, 1080, 1420, 1956, 3328, 5976.

V

^ Ч( Г0ГЧВ Г+Т 0ЧЧ чЧВ )

Е0гол ЧТ

(6)

где Si - объем работ /-го участка; Г0 - годовые эксплуатационные затраты; ВГ - годовая составляющая расходов; Тг - годовое время работы; Ч0 - часовые затраты; Вч - часовая составляющая расходов; Ае - показатель уровня совершенства машины.

Расчеты по зависимости (6) дают возможность определить количество типоразмеров машин, необходимое для выполнения объема работ в год.

Создание или приобретение новых дорожных машин требуют ускоренной проверки их работоспособности.

Оценка технического уровня современной дорожной техники может производится по отношению основных технических характеристик машин к ее стоимости, т.е. отношению производительности, металлоемкости, энергоемкости и других показателей к стоимости машины.

Таблица 1 Удельные показатели расходования средств

Название Обозна чение Размерность

Мощность N/0 кВт/грн

Рабочие усилия Р/С кН/грн

Производительность П/С м3/час грн

Удельные показатели: мощности Рабочие усилия МПС Р/ПС кВт час/м3грн кН час/ м3-грн

Показатели надежности:

долговечность Д/С час/грн

безотказность Рн/С час/грн

ремонтопригодность Рв/С час/грн

сохраняемость Рс/С час/грн

т

Например, П/С в м3/час.грн - отношение производительности к стоимости. В табл. 1 представлены основные характеристики машин, их размерность. Все приведенные удельные показатели должны иметь тенденцию к возрастанию как за счет повышения значений технической характеристики машин, так и вследствие снижения их стоимости совершенствованием конструкции и внедрением передовых технологий производства.

Выводы

1. Для определения эксплуатационных возможностей машин необходимо глубокое изучение взаимодействия их РО со средой.

2. Необходимо определение производственного и технического потенциалов новых машин и сравнение полученных значений со значениями для имеющегося парка машин.

3. Следует провести сравнение режимов на-гружения, возможных для новых и имеющихся машин.

4. Предусмотреть в параметрическом ряду необходимое количество типоразмеров, обладающих минимальной энергоемкостью, металлоемкостью, максимальной производительностью в соответствии с объемом работ.

5. Для уменьшения количества и повышения качества машин, увеличения занятости энергосиловых модулей расширить применение модульных конструкций машин, что дает существенный экономический эффект как в производстве, так и в эксплуатации машин.

6. Оценку технического уровня машин следует проводить на основе удельных показателей - характеристик машины отнесенных к ее стоимости. Только таким образом можно сравнивать между собой машины при выборе их для использования в дорожном строительстве.

Литература

1. Беккер М.Г. Введение в теорию систем

местность-машина. - М.: Машиностроение. 1973. - 520 с.

2. Кедров Б.М. О современной классифика-

ции наук // Вопросы философии. - 1980.

- №10. - С. 85 - 103.

3. Недорезов И.А. Интенсификация рабочих

процессов землеройно-транспортных машин совершенствованием их рабочих органов. - В кн. «Исследования машин для земляных работ» / Сб. науч. тр. ВНИИС, 1984. 5-11 с.

4. Ничке В.В. Надежность прицепного и на-

весного оборудования тракторов. -Харьков: Вища школа. Изд-во при ХГУ, 1985. - 152 с.

5. Повышение эффективности использования

дорожных машин / А.П. Крившин, А.З. Шарц, Е.Д. Карон и другие / Под ред. А.П. Крившина. - М.: Транспорт, 1980.

- 63 с.

6. Науковi основи створення високоефективних землерийно-транспортних машин // 1.Г. Кириченко, Л.В. Назаров, ВВ. Шчке, В.Ф. Демшкан та ш. - Харюв: ХНАДУ, 2003.

- 588 с.

7. Руднев В.К. Копание грунта землерой-

но-транспортными машинами активного действия. - Харьков: Вища школа, 1974. -144 с.

8. Ничке В.В. Исследование характеристик

разрушения грунта с помощью модифицированной объединенной теории прочности // Концентрация деформаций микрообъектов, деталей, конструкций. -Каунас. 1974. - С. 129 - 133.

9. Ничке В.В. Исследования процессов копа-

ния связных грунтов землерой-но-транспортными машинами // Горные, строительные и дорожные машины. - К.: Техника. - Вып. 8. - С. 43 - 49.

10. Гимади Э.Х., Дементьев В.Т. О методах

решения некоторых задач оптимизации параметрических рядов // Стандарты и качество. - 1971. - №12. - С.10 - 12.

Рецензент: Л.В. Назаров, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 6 июня 2007 г.