CC BY
14
УД«"576 И. А. УГРЮМОВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
ВЫБОР КРИТЕРИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОУДАРНОГО МЕХАНИЗМА
Исходя из принятого в качестве целевой функции энергетического показателя рабочего процесса проводится обоснование критерия эффективности гидроударного механизма.
При проектировании гидравлических импульсных систем задача разработки эффективного гидроударного механизма решается в два этапа.
На первом этапе определяется цель проектирования и выбирается структурагидроударного механизма.
Основная задача второго этапа заключается в выборе варианта структуры гидроударного механизма из подмножества систем, обладающих необходимыми свойствами при заданных ограничениях [ 1 ].
Принятие решения осуществляется на основании выбора наилучшего варианта по достижению требуемого эффекта, который характеризуется целевой функцией (показателем эффективности) вида:
У = (Хг..Хп)=> мах(гат), (1)
где Хг..Хв — независимые параметры, определяющие характеристики проектируемого механизма [1 ].
В общем случае критерий эффективности определяется следующими положениями, сформулированными на языке системотехники |2]:
1. Критерий оценки эффективности должен бьггь объективно определим и являться физически измеряемой величиной;
2. Оценка эффективности требует полного охвата системы; процедура оценки должна идти от целого к частному — сверху вниз;
3. Эффективность подсистемы любого уровня иерархии должна оцениваться по критерию надсис-темы; критерии оценки системы и всех ее подсистем должны быть связаны прямой зависимостью.
Показатели, определяющие эффективность гидроударного механизма, можно разделить на три группы, характеризуемые коэффициентом весомости:
1. Показатели, определяющие технические и эксплуатационные свойства машины;
2. Экономические показатели;
3. Показатели конкурентной способности.
На этапе проектирования и разработки, основной группой показателей эффективности использования механизма, являются показатели первой группы, представляющие удельные затраты по основным подсистемам машины.
В качестве критерия эффективности (целевой функции) разрабатываемых землеройных машин наиболее часто используется интегральный экономический показатель приведенных удельных затрат [3]:
2ул = 2пр/П, (2)
где - приведенные затраты, отнесенные к часу эксплуатации, руб/час; П — часовая эксплуатационная производительность, м3/ч.
Показатель удельных приведенных затрат 2П имеет иерархическую структуру и включает в себя 'обобщенные и удельные показатели, характеризу-
ющие такие свойства, как энергоемкость, материалоемкость, трудовые, финансовые и другие затраты.
Однако применение показателей высокого уровня в качестве критерия эффективности затруднительно из-за сложносга точного определения факторов, влияющих на Данные показатели. Кроме этого, применение показателей, построенных на их стоимостном измерении, имеет ограничения. Стоимость эксплуатационных затрат в условиях рынка является коммерческой тайной, а цена машины отражает рыночный спроснанее,
В связи с этим для оценки эффективности машины при наложении определенных ограничений на параметры, входящие в показатели высокого уровня, целесообразно перейти на более низкие по уровню показатели с убывающим числом влияющих факторов [3].
Исходя из этого для определения эффективности при проектировании и эксплуатации новой техники, целесообразно использоэать обобщенные показа-тели в натуральных единицах измерения (кВт, кг, м, с) [4].
Эффективность ^ нормируемый по отношению к затратам ресурсов результат действия системы на определенном интервале времени. Поэтому показатель эффективности рабочего процесса гидроударного механизма должен учитывать одновременно количество готовой продукции (объем разработанного грунта) и затраты энергоресурсов.
Для оценки эффективности разрабатываемых гидроударных механизмов наиболее подходящим показателем является максимальная удельная техническая производительность иПг, которая характеризует максимальное количество грунта, разработанного на единицу затраченного энергоносителя [5].
иПг (0 = Ф[ПТШ, С1ф Пг Н) / Ст Ш => шах, (3)
где ПТЦ) - техническая производительность гидромолота, м3/ч; — часовой расход топлива в двигатель, кг/ч.
Так как ПТЩ и Ст1и являются одновременно координатами рабочего процесса гидроударного механизма и его энергетического потока, они характеризуют и энергетический показатель рабочего процесса.
Энергетический критерий Э„ (I) является интегральным и включает в себя все критерии, используемые при разработке: новой техники:
ЭМ) = [Н^)М„ШМтП)1=>тах,отШ = пип, (4)
где — мощность двигателя; — мощность, передаваемая от двигателя к трансмиссии.
Таким образом, в качестве критерия эффективности (целевой функции (разрабатываемой машины целесообразно принять энергетический показатель рабочего процесса, полностью отвечающий сформулированным выше положениям [5].
3Jt) = f^3Jt)=>max
(5)
Как следует из выражений 3 и 4, основными показателями, определяющими эффективность разрабатываемого гидроударного механизма, является его техническая производительность и часовой расход топлива.
Техническая произйодительнбсть представляет собой максимально возможную производительность, с учетом потерь и изменения структуры материала (разрыхление), а также коэффициента использования гидроударного механизма (перекрытие зон разрушения материала, технологические перерывы, связанные с перестановкой базовой машины и т.д.).
При выполнении работ по разрушению мерзлого грунта гидромолотом его техническая производительность определяется: [3]:
п. (6)
где П. — конструктивная производительность, м3/ч, кикг — коэффициенты, учитывающие соответствующие потери времени на перемещение рабочего органа при параллельных проходах и перестановку базовой машины.
Конструктивная производительность определяется выходными характеристиками гидромолота и свойствами разрушаемой среды без учета потерь энергии и материалов.
Л„=36(Ш//ТЦ. (7)
где V — объем разрушаемого грунта, м3; Тц — время цикла, с.
При выполнении работ связанных с разрушением мерзлых грунтов, конструктивную производительность гидромолота можно определить, воспользовавшись зависимостями, приведенными в исследованиях [6):
ГГ =(3600 h-i. -JJ/T
(8)
гдеЬ — глубина рыхления, м,1, — шаг рыхления (расстояние между двумя последовательными ударами), м; 12 — расстояние между параллельными проходами, м.
Глубина'рыхления Л связанна с глубиной внедрения ¿„ инструмента, при заданной энергии единичного удара зависимостью (7):
h = S..
(9)
где л„ — требуемое число ударов по грунту! необходимое для внедрения инструмента на глубину Ь.
= 2 АулЦкаЕ ' Suic.C1 '
(Ю)
где Ауд — заданное значение энергии единичного удара, Дж; и -к скорость удара инструмента о грунт, м/с; ка - безразмерный коэффициент, учитывающий угол заострения инструмента (при а = 180|>,*-„=1;а: = 30\) ка = 3,6;а = 60<|,дга = 2,2 )[6]; Е — динамический модуль упругости грунта, Па; 5 — площадь контакта инструмента с грунтом, м2; и-скорость распространения продольной волны в грунте, м/с; к3 - коэффициент, Па2; С — число ударов плотномера ДорНИИ.
Коэффициент определяется:
к — /сп к. к
(11)
где кс — безразмерный коэффициент, = 1,36...1,6; тс - коэффициент, предложенный проф! И.А. Недо-резовым, Па, *-с = 10я / 30; - коэффициент поперечной упругости фунта (Пуассона).
Задаваясь рекомендуемыми значениями, из известных исследований: шага I, рыхления, расстояния 12 между параллельными проходами и глубиной й рыхления, для соответствующих грунтовых условий, можно определить конструктивную производительность.
Сучетом выражений 10... 12, конструктивная производительность гидромолота определится:
Я. = 7200А.,, -i-2-4-—V " TkSvksC
(12)
Из выражения 12 следует, что основными параметрами гидромолота влияющими на конструктивную производительность, являются энергия Аул, время Ти рабочего цикла и скоростй и соударения.
Часовой расход топлива Ст (кг/ч) определяется графоаналитическим или экспериментальным методом по формуле [4]:
G =
_ ОгР
3600»'
(13)
где Ог — объемный расход топлива зарассматриваемый промежуток времени (, мэ/с; р — плотность топлива, кг/м3.
Исходя из принятого в качестве целевой функцией энергетического показателя рабочего процесса, с учетом основных параметров конструктивной производительности и удельного часового расхода топлива критерий эффективности можно представить в следующем виде:
Y = (Xr..XJ = 3Jt) = [(АуЛ,Тц,и)=>max,QT =>min] (14)
Таким образом, основной задачей выбора параметров гидроударного устройства является обеспечение максимальных значений энергии, частоты и скорости ударов с учетом заданных ограничений, при минимуме энергозатрат.
Литература
1. Саганов A.C., ЯнценИ.А., ЕшуткинД.Н., Пивень Г. Г. Теоретические основы создания гидроимпульсных систем ударных органов машин. — Алма-Ата: Наука, 1985.-256с.
2. Дружинин В.В., Конторов Д.С. Системотехника. М.: Радио и связь, 1985. -С. 95-96,186-187.
3. Дорожно-строительные машины и комплексы: Учебник для вузов. Под общ.ред. В.И.Баловнева. - 2-е изд., дополн. и перераб. - Москва - Омск: Изд-во СибАДИ, 2001. - 528 с
4. В.И.Баловнев Система показателей оценки эффективности дорожно-строительных машин. // Строительные и дорожные машины. — 2000. — №11. — С. 17-20.
5. Бузин Ю.М. Критерии эффективности и оптимальности рабочего процесса землеройно- транспортной машины. // Строительные и дорожные машины. -2000,-№4,-С. 29-32.
6. Баладинский В.Л. Методы расчета параметров рабочих органов машин ударного действия. // Строительные и дорожные машины. - 2000. - №7. - с. 27-29.
7. Галдин Н С. Рекомендации по проектированию многоцелевых гидроударных рабочих органов дорожно-строительных машин /СибАДИ. - Омск, 2000. — 11с.— Деп. ВИНИТИ 26.04.00, № 1235-В00.
УГРЮМОВ Игорь Анатольевич, старший преподаватель кафедры «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод».
