Исследование влияния массы универсальных малогабаритных погрузчиков на эффективность их эксплуатации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование влияния массы универсальных малогабаритных погрузчиков на эффективность их эксплуатации

Минин В.В., Никонов Д.Д.

Сибирский федеральный университет, г. Красноярск

Универсальные малогабаритные погрузчики с бортовым поворотом (УМП) находят все большее применение в строительстве и дорожном хозяйстве. В настоящее время в мире производится более 100 тыс. машин в год.

Статистический анализ количества машин данного типа в зависимости от главного параметра - эксплуатационной массы машины (рис. 1), проведенный за период ретроспекции с 1970 г. по 2010 г., позволяет сделать вывод о наметившейся тенденции выпуска машин более тяжелого типа. Для потребителей УМП существенно важно иметь информацию об эксплуатационных параметрах выпускаемых моделей машин и их эффективности.

Для расчета конструктивных и эксплуатационных параметров УМП хорошо себя зарекомендовали статистические методы и метод размерностей [1]. С учетом применения методики расчета технико-экономической эффективности использования строительных и дорожных машин [2] становится возможным прогнозирование обобщенного показателя приведенных удельных затрат при варьировании значений конструктивных и эксплуатационных параметров УМП.

Применение показателя приведенных удельных затрат обусловлено [3] необходимостью учета полной стоимости разработки единицы объема грунта, включающей эксплуатационные затраты, дополнительные капиталовложения и срок их окупаемости.

Целью данного исследования является разработка метода расчета показателей эффективности УМП со сменным рабочим оборудованием на основе применения безразмерных критериев взаимосвязи эксплуатационных и конструктивных параметров.

К исследованию приняты машины со стандартным погрузочным ковшом, бульдозерным отвалом и рыхлителем грунта.

Для выявления закономерностей изменения значений конструктивных параметров и параметров стоимости УМП от их эксплуатационной массы приняты данные моделей выпускаемых фирмами-производителями: J I Case Company; Clark Equip. Co. (Bobcat); Davis Welding & Mfg. Co.; John Deere; Erickson Corp.; Ford; Gehl Co.; Hydra - Mac Inc.; International Harwester; Mustang; Northwestern Motor Co.; Owatonna Mfg. Co.; Prime Mover Co.; Sperry New Holland; TCI Inc.; Thomas Equip. Ltd. Учет значительного объема исходных данных при работе с программным продуктом Data Fit версии 9.0 фирмы Oakdale Engineering позволил получить результаты [4] в виде регрессионных зависимостей с высокой степенью надежности (коэффициент детерминации при дисперсионном анализе R² = 0,875), которые использованы в нижеследующей методике.

Производительность УМП с погрузочным ковшом определяем по формуле

аналогично, для бульдозерного отвала и рыхлителя

где q - количество материала, обрабатываемого за один рабочий цикл, м³; T_ц - продолжительность рабочего цикла, с; F - поперечное сечение материала, поступающего на рабочий орган машины, м²; V - скорость движения машины, м/с; T_ч - число часов в одной смене, ч; K_в - коэффициент использования машины по времени, K_в = 0,8.

Рис. 1. Динамика выпуска моделей УМП эксплуатационной массой: 1 - от 500 до 1 000 кг; 2 - от 1 000 до 1 500 кг; 3 - от 1 500 до 2 000 кг; 4 - от 2 000 до 2 500 кг; 5 - от 2 500 до 3 000 кг; 6 - от 3 000 до 3 500 кг; 7 - от 500 до 3 500 кг

Для определения себестоимости разработки грунта (обработки единицы поверхности дорожного полотна) используем выражение

где С_мс - себестоимость машино-смены, руб./см; Q - эксплуатационная производительность машины в смену, м³/см.

Удельные капитальные затраты рассчитываем на основе зависимости

где T_см - число смен работы машины в одном году.

Обобщенный показатель оценки экономической эффективности (приведенные удельные затраты) определяет формула

где E - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений.

Количественную оценку степени совершенства конструкции УМП проводим по критерию стоимости потерь мощности П_СN, руб./кВт [5]

где C - стоимость УМП и комплекта сменного рабочего оборудования, руб., C_э - стоимость эксплуатации машины, руб.; P - вероятность безотказной работы машины; N - установочная мощность двигателя, кВт, - математическое ожидание КПД на режиме работы; k_ом - коэффициент отбора мощности на вспомогательное оборудование.

Ввиду сложности математического описания рабочих процессов, обеспечивающего необходимую точность расчетов, принята концепция выявления структуры модели на основе анализа размерностей. Известно [1, 5], что безразмерные критерии устанавливают закономерности, характеризующие технологический процесс работы машины и взаимосвязи параметров (конструктивных, эксплуатационных и др.), имеющих различную размерность, а также позволяют выявить качественную картину их взаимовлияния.

Руководствуясь основными положениями теории подобия и анализа размерностей математическая модель на основе критерия стоимости потерь мощности (П_СN) с учетом удельной энергоемкости рабочего процесса (A, Па) записывается в виде функции

эффективность показатель малогабаритный погрузчик

Проведя анализ размерностей и математические преобразования по известной методике [1], получен критерий определяющий функциональные связи в безразмерном виде:

В соответствие со структурой критерия р_СN, направления повышения эффективности УМП определяются при условиях стремления данного критерия к своим предельным значениям с учетом ограничений, определяемых для конкретных условий эксплуатации:

р_СN > min при

Расчеты значений показателя приведенных удельных затрат З_п.уд, а также критериев П_СN (табл. 1) и р_СN по разработанной авторами программе в среде Mathcad проведены для УМП эксплуатационной массой от 500 до 5 000 кг и установочной мощностью двигателя от 12 до 84 кВт, соответственно. Для расчетов значения математического ожидания КПД привода на режиме работы приняты в диапазоне от 0,4 до 0,8, а удельной энергоемкости разработки грунта (обработки единицы поверхности дорожного полотна) - 20 кПа. Основные результаты исследований представлены на рис. 2, где для каждого из видов сменного рабочего оборудования УМП построены зависимости показателя З_п.уд от сменной производительности Q_см и значений критерия П_СN при варьировании стоимости машино-часа работы машины. Стоимость машино-часа С_ч зависит от типоразмера машины, т.е. ее эксплуатационной массы. Результаты влияния параметра С_ч на показатель З_п.уд для погрузочного, бульдозерного и рыхлительного оборудования отображены на рис. 3-5.

Таблица 1. Расчетные значения критерия

аб

вг

Рис. 2. Зависимость приведенных удельных затрат Зп.уд от критерия стоимости потерь мощности ПCN и производительности Q погрузочного оборудования при стоимости машино-часа Сч: а - Сч = 400 руб./ч; б - Сч = 800 руб./ч; в - Сч = 1200 руб./ч; г - Сч = 1600 руб./ч

Длительный временной период при анализе конструктивных решений УМП (см. рис. 1) и их эксплуатационных показателей позволяет сделать вывод, что для принятых условий эксплуатации наиболее экономичными по критерию приведенных удельных затрат З_п.уд являются типоразмеры машин обладающих эксплуатационной массой более 2000 кг вне зависимости от вида рабочего оборудования. Выявлена интенсивность возрастания критерия оценки эффективности З_п.уд для УМП малого типоразмера при этом характер изменения критерия стоимости потерь мощности П_СN незначителен. Характер изменения величины критерия П_СN от значения главного параметра (эксплуатационной массы) машины аналогичен с интегральным показателем З_п.уд. Существенное влияние на значение критерия П_СN (см. табл. 1) оказывает величина математического ожидания КПД привода на режимах работы. Безусловно, расчетные значения параметров УМП для исследуемых типоразмеров машин зависят от физико-механических показателей разрабатываемой среды (удельной энергоемкости) и условий эксплуатации.

Рис. 3. Зависимость приведенных удельных затрат Зп.уд. от эксплуатационной массы G и стоимости машино-часа Сч работы УМП

Рис. 4. Зависимость приведенных удельных затрат Зп.уд. от эксплуатационной массы G и стоимости машино-часа Сч работы УМП с бульдозерным рабочим оборудованием

Рис. 5. Зависимость приведенных удельных затрат Зп.уд. от эксплуатационной массы G и стоимости машино-часа Сч работы УМП с рыхлительным рабочим оборудованием

Разработанный безразмерный критерий р_СN отражает актуальную проблему ресурсо- и энергосберегающих технологий при проектировании и эксплуатации УМП.

Одним из путей повышения эффективности малых типоразмеров УМП агрегатированных сменными рабочими органами является снижение стоимости машино-часа работы машины за счет изменения конструкции сменного рабочего оборудования.

Литература

1. Минин, В. В. Критериальная оценка технического уровня малогабаритного погрузчика с учетом точности определения его параметров [Электронный ресурс] / В. В. Минин, М. В. Носков // Наука и образование : электронное научно-техническое издание / МГТУ им. Баумана. - 2011. - № 2. - режим доступа : http://technomag.edu.ru

2. Руководство по оценке экономической эффективности использования в дорожном хозяйстве инноваций и достижений научно-технического прогресса ОДМД / Минтранс РФ // Государственная служба дорожного хозяйства. - М.: Информавтодор, 2003. - 71 с.

3. Недорезов, И. А. О некоторых заблуждениях в поиске эффективных технических решений средств механизации земляных работ / И. А. Недорезов, О. Н. Машкович // Механизация строительства. - 2008. - № 11. - С. 19 - 21.

4. Минин, В. В. Оценка эффективности малогабаритных погрузчиков с бортовым поворотом / В. В. Минин // Интерстроймех-2010 : сб. трудов Международной научно-техническая конференции ; Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, 5-8 октября 2010 г. - Белгород, 2010. - С. 66-68.

5. Минин, В. В. Расчет параметров универсального малогабаритного погрузчика по комплексному критерию / В. В. Минин, М. В. Носков // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. - Белгород, 2011. - С. 70-74.

Размещено на Allbest.ru