НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.869.44

Политехнический институт Сибирского Федерального университета

mininv@rambler.ru

big_dan.89@mail.ru

Введение. 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 1972 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.

Постановка задачи. 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.

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.

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 полезной удельной работы в цикле машины П_СA, руб.·Дж/кг

,

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; Т_ц – время цикла, с; k_ом – коэффициент отбора мощности на вспомогательное оборудование; k_p – коэффициент разрыхления материала; V_к – вместимость ковша, м³; ρ – объемная масса разрабатываемого материала, кг/м³; k_н – расчетный коэффициент наполнения ковша [4].

Метод решения. Ввиду сложности математического описания рабочих процессов, обеспечивающего необходимую точность расчетов, принята концепция выявления структуры модели на основе анализа размерностей. Известно [1, 4], 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 полезной удельной работы в цикле машины (П_CA) с учетом удельной энергоемкости рабочего процесса (A, Па) записывается в виде функции

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

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

π_CA → min при

Расчеты значений показателя приведенных удельных затрат З_п.уд., а также критериев П_СA (табл. 1) и π_СA по разработанной авторами программе в среде Mathcad проведены для УМП эксплуатационной массой от 500 до 5 000 кги установочной мощностью двигателя от 12 до 84 кВт, соответственно. Для расчетов удельная энергоемкость разработки грунта (обработки единицы поверхности дорожного полотна) принята равной 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_СA 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

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 безразмерного критерия стоимости потерь полезной удельной работы в цикле П_CА незначителен. Характер изменения величины критерия П_CА от значения главного параметра (эксплуатационной массы) машины аналогичен с интегральным показателем З_п.уд.. Безусловно, расчетные значения параметров УМП для исследуемых типоразмеров машин зависят от физико-механических показателей разрабатываемой среды (удельной энергоемкости) и условий эксплуатации.

Заключение. Разработанный безразмерный критерий π_CА 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.

Список литературы

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. Исследование эффективности универсального малогабаритного погрузчика с учетом энергетических показателей / В. В. Минин, М. В. Носков // Вестник ВолГАСУ. Строительство и архитектура. Вып. 22 (41). – Волгоград : Изд-во Волг. гос. арх.-стр. ун-та, 2011. – С. 105 – 110.