Исследование влияния массы универсальных малогабаритных погрузчиков на эффективность их эксплуатации

Аннотация

В. В. Минин, Д. Д. Никонов

Предложен метод расчета эксплуатационных параметров универсальных малогабаритных погрузчиков с бортовым поворотом с учетом их технического уровня. Метод расчета базируется на применении безразмерных критериев взаимосвязи конструктивных параметров. Представлены результаты статистического анализа с оценкой согласованности количества моделей выпускаемых фирмами-производителями с их эксплуатационной массой за период ретроспекции с 1970 г. по 2010 г. Определена тенденция выпуска моделей эксплуатационной массой до 3000–3500 кг. На основе вычислительных экспериментов в среде Mathcad выявлены закономерности влияния эксплуатационных параметров на показатель оценки эффективности.
Ключевые слова: малогабаритный погрузчик, эксплуатационная масса, безразмерный критерий, эффективность, технический уровень.

05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

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 (ПСN) 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 πСN, направления повышения эффективности УМП определяются при условиях стремления данного критерия к своим предельным значениям с учетом ограничений, определяемых для конкретных условий эксплуатации:
πСN → min при
Расчеты значений показателя приведенных удельных затрат З_п.уд, а также критериев ПСN (табл. 1) и πСN 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 Qсм и значений критерия ПСN 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 критерия стоимости потерь мощности ПСN незначителен. Характер изменения величины критерия ПСN от значения главного параметра (эксплуатационной массы) машины аналогичен с интегральным показателем З_п.уд. Существенное влияние на значение критерия ПСN(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.

Разработанный безразмерный критерий πСN 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.