Выбор ведущей землеройно-транспортной машины по энергозатратам при разработке мерзлых грунтов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

3/2008_МГСУТНИК

выбор ведущей землероино-транспортнои машины по энергозатратам при разработке мерзлых грунтов

А.В.Колосов

Разработка грунтов в зимнее время имеет важное значение в связи с ликвидацией сезонности производства работ и как следствие снижение общего времени строительства. С целью снижения дополнительных затрат в зимний период обычно переходят от комплексного к выборочному выполнению отдельных видов работ. Основным критерием целесообразности при их выборе считают выполнение двух условий:

- удорожание строительства в зимний период должно компенсироваться выгодами от продления строительного сезона;

- производство работ в зимних условиях не должно приводить к снижению их качества. Применение тех или иных методов и способов зависит от ряда факторов: наличия

энергоресурсов, наличия необходимого оборудования и средств механизации, сложности выполнения земляных работ, глубины и степени промерзания грунта и др.

Выбор методов разработки мерзлых грунтов в практике строительства, как правило, не имеет должного обоснования и базируется на предыдущем опыте, поэтому не всегда удается находить оптимальные варианты. Это объясняется и отсутствием в достаточном количестве необходимых научных разработок, технической литературы, освещающих опыт применения прогрессивных методов.

Формирование состава комплекта машин производят как для конкретного технологического процесса, так и для конкретного вида работ. Существенное влияние на формирование оказывают:

- географический район строительства с его климатическими, гидрологическими условиями, дислокацией объектов строительных организаций, их производственной базы;

- объемно-планировочные и конструктивные решения возводимых сооружений (объемы работ, габариты сооружения);

- технология производства строительных работ, которая определяется степенью совмещения отдельных операций и процессов,

- размещением средств механизации на строительном объекте и т.п.;

- организация производства работ, определяющая темп и сроки возведения отдельных элементов сооружений и объекта в целом;

- механовооруженность строительной организации, технические и организационные формы содержания и обслуживания средств механизации.

Выбор машин производят в два этапа [1].

На первом этапе в зависимости от технологической характеристики механизируемого процесса, степени сосредоточенности объектов строительства, климатического района строительства, организации производства работ и механовооруженности строительных организаций и других факторов определяют необходимые технические параметры ведущих машин, их типы и типоразмеры, а также состав технологически необходимых вспомогательных машин, их типы, типоразмеры. При этом следует учитывать такие факторы как:

- технологическую приспособленность машин для выполнения работ в данных условиях;

- возможность совместной работы одной машины с другой;

ВЕСТНИК

МГСУ

3/2008

— наличие необходимых средств механизации;

— возможность обеспечения заданного темпа работы;

— возможность организации эффективного технического обслуживания и ремонта и др.

На втором этапе из множества допустимых комплектов машин, предназначенных для выполнения заданных объемов или видов работ, в зависимости от конкретных условий проведения работ определяют оптимальные комплекты машин.

Каждый вид строительных работ выполняют определенным набором машин. К земляным работам при строительстве автомобильных дорог относят: рыхление, выемку и погрузку грунта в транспортные средства, транспортировку и выгрузку, разравнивание и уплотнение грунта. Наиболее часто используемые типы машин на каждой из операций показаны в табл. 1.

Таблица 1

Рыхление Выемка Транспортировка Разравнивание Планировка Уплотнение

Рыхлители на тракторах, экскаваторы с гидромолотом, баровые и диско-фрезерные машины Экскаваторы одноковшовые, скреперы приц прицепные в ко чом, скреперы с Автомобили-самосвалы, землевозные тележки епные и полу-мплекте с тяга-амоходные Бульдозеры, экскаваторы (планировщики), автогрейдеры Катки статические, вибрационные, комбинированные, навесные трамбовки на экскаваторах, трамбовочные машины

Очень часто при формировании комплекта машин возникает ситуация, когда по тем или иным причинам информация о среде, в которой предстоит работать комплексу машин, отсутствует. При этом используется информация, полученная на основании опыта, интуиции и др.:

- о возможных диапазонах искомых параметров комплекта машин, в которых можно сформировать ограниченное число комплектов машин;

- о множестве возможных состояний среды;

- о затратах для каждого возможного комплекта машин в каждом из возможных состояний среды.

В этих условиях принимают решение близкое к оптимальному, т.е. определяют такие параметры комплекта машин, которые обеспечивают его максимальную эффективность.

Задачу оптимизации формирования комплекта машин можно в общем виде сформулировать следующим образом. Имеется некоторая строительная площадка, на которой, определены места и объемы выемок грунта, а также места и объемы насыпей; установлены группа грунта и его физико-механические свойства. Известны возможные условия производства работ. Известны возможные варианты комплекта машин и затраты каждого из них в каждом возможном варианте условий работы.

Обозначим: X; - комплект машин, тогда затраты на 1-й комплект машин в ]-х условиях производства работ ^ С^ ■ х1 и они должны быть минимальными. Исходя из

1

того, что в конечном итоге необходимо выбрать один комплект машин из всех рассматриваемых вариантов значение х примет вид ^х = 1, х={0;1}.

3/2008

ВЕСТНИК .МГСУ

Для использования в последующем построении математической модели вводим понятия:

П; -комплект машин; Sj -условия проведения работ.

Таблица 2.

Возможные комплекты машин П; S2 Sз S4 S5

П1 Си С12 С13 С14 С15

П2 С21 С22 С23 С24 С25

Пз С31 С32 С33 С34 С35

П4 С41 С42 С43 С44 С45

Пз С51 С52 С53 С54 С55

Полученная таблица предоставляет информацию об ожидаемых затратах П; комплекта машин в предполагаемых Sj условиях проведения работ.

В процессе производства земляных работ при строительстве автомобильных дорог первоопределяющим фактором служит выбранный тип ведущей машины, который непосредственно предопределяет состав вспомогательных машин.

Целевая функция для нашей задачи будет выглядеть так

Е С ' X ^ тЬ ' (1)

Комплекты машин, которые обеспечат минимальные значения критерию оптимизации, в нашем случае затраты топлива, и будут искомыми.

Исходя из конструктивных особенностей выбираемых машин и границ рационального их использования на математическую модель накладывается ряд ограничений:

1) Результатом решения математической модели будет выбор одного комплекта машин из всех рассматриваемых вариантов

= 1, х={0;1}. (2)

2) Необходимо выполнения условия преобладания мощности на рабочем органе машины над силой полезного сопротивления

>Р -К,

(3)

Применение машины должно быть оправдано границами рационального ее использования, а именно принятая дальность транспортирования грунта должна находиться в установленных пределах для данного типа машин

• X. (4)

Ь . • х.

тр.г г

> Ь > Ь г

тр тр.г

Исследование целевой функции основывается на определении удельного расхода топлива в зависимости от обеспеченной мощности на рабочем органе. Одним из условий выполнения работы землеройной машиной является преодоление силы полезного сопротивления, в данном случае силы сопротивления копанию. В свою очередь величина силы сопротивления копанию в значительной мере зависит от глубины и степени промерзания грунта. Следует также отметить, что глубина и степень промерзания грунта во многом зависят от географического местоположения и сезона производства работ, а также проводимыми мероприятиями по предохранению грунтов от промерзания.

Алгоритм исследования удельного расхода топлива комплектом машин включает следующие основные этапы:

ВЕСТМГСУ 3/2008

1. Вычисление величины сопротивления грунта разработке.

2. Вычисление производительности из отношения обеспеченной мощности на рабочем органе к величине сопротивления грунта разработке.

3. Определение удельного расхода топлива ведущих машин.

4. Вычисление ожидаемых затрат топлива для всего комплекта машин.

Удельные энергозатраты всего комплекта в целом представляют собой сумму показателей расхода топлива ведущей машины и аналогичных показателей комплектующих.

Для оценки всего комплекта машин в целом следует учитывать показатели работы всех машин, входящих в комплект. Таким образом, удельный расход топлива для всего комплекта можно найти по формуле

в = £в, • п. (5)

I=1

где О; - удельный расход топлива машины одного типа и типоразмера;

п; - количество машин данного типа и типоразмера;

т - количество наименований отдельных типов и типоразмеров машин в комплекте.

Показатель удельных энергозатрат ведущих машин можно представить через показатель удельного расхода топлива, г/м3

в = !000в, (6)

в пэ к'

где 1000 - коэффициент перевода литр в грамм;

Оч - часовой расход топлива машины, л/ч;

Пэ - производительность эксплуатационная, м3/ч.

В процессе исследования математической зависимости расхода топлива, при осуществлении процесса разработки мерзлого грунта землеройными машинами, первоочередное значение имеют сила сопротивления грунта разработке и возможность машины обеспечить достаточную мощность на рабочем органе. Все это значительным образом влияет на производительность машины, которая, в свою очередь, сказывается на удельном расходе топлива.

Следует также отметить, что снижение температуры воздуха приводит к замерзанию грунта, что сказывается на увеличении силы сопротивления грунта разработке, которая в свою очередь непосредственно влияет на затраты топлива при осуществлении процесса копания. Это утверждение действительно для ведущих машин, которые непосредственно производят резание и выемку грунта. Что касается комплектующих машин, которые выполняют вспомогательные операции, то снижение температуры воздуха вызовет несущественное снижение производительности и как следствие незначительное увеличение удельного расхода топлива. Таким образом, определение состава комплектующих машин осуществляется в зависимости от принятой технологии производства работ. В дальнейших расчетах учитывают произведение часового расхода топлива комплектующей машины на время ее работы по отношению к объему выполненной работы

» 1000 • вч1 • I ^

в=Е—(7)

'=1 урл

где Оч.; - часовой расход топлива 1-й комплектующей машины, л/ч;

1р.; - время выполнения заданного объема работ 1-й машины, ч;

Ор.; - объем работ 1-й машины.

3/2008_МГСУ ТНИК

Сопротивление грунта разработке для различных видов рабочих органов в достаточной степени широко рассмотрено профессором А.П.Зелениным [2].

Следующим шагом, в исследовании математической модели определения удельного расхода топлива комплекта машин для выполнения земляных работ с мерзлыми грунтами, является определение необходимого количества применяемых машин. Количество ведущих машин, необходимое для выполнения работы в заданный срок можно определить по формуле

N =——-, (8)

' Тр .8,2• Пэ

где Орг -объем перемещаемого грунта, м3;

Тр - Срок производства работ, смен.

В том случае если применяется предварительное рыхление грунта, то необходимо найти следующие показатели:

- производительность рыхлителя

270 • к • Ьв • Ъв

Пэ, =-, (9)

р

где - глубина рыхления;

Ьр - длина разрыхляемого участка;

Ър - ширина полосы рыхления за один проход;

Ур - скорость движения рыхлителя.

Разработанная методика позволяет определить расчетную величину удельного расхода топлива для сравнительной оценки возможных составов машинно-дорожных отрядов для производства земляных работ при строительстве автомобильных дорог. Показатель удельного расхода топлива в достаточной степени способен учесть условия проведения работ, возникающие в процессе эксплуатации машин.

Оценка эффективности работ по производству земляных работ основывается, как правило, на анализе приведенных затрат, основанном на сравнительной оценке стоимостных показателей рассматриваемых вариантов механизации. Следует отметить, что в условиях свободной вариации ценовых показателей, определяемых на договорной основе между подрядчиком и заказчиком, оценка стоимости работ не всегда дает объективную картину реальной эффективности принимаемых решений. Колебания цен могут зависеть от ряда факторов, не связанных непосредственно с особенностями технических решений.

Если оценка стоимости земляных работ в рублях характеризует экономическую эффективность принятого решения, то оценка затрат энергии на реализацию этого решения дает объективную оценку его технической эффективности, не связанную с колебаниями ценовых показателей.

Литература

1. Кудрявцев Е.М. Комплексная механизация, автоматизация и механовооруженность строительства. 1989 г.

2. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов И.П. Машины для земляных работ. 1975 г.