close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Обоснование рациональной скорости движения карьерных автосамосвалов в режиме топливной экономичности на основе оптимизации тягово-скоростных характеристик двигателя.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КУЗНЕЦОВ Сергей Ростиславович
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ СКОРОСТИ
ДВИЖЕНИЯ КАРЬЕРНЫХ АВТОСАМОСВАЛОВ
В РЕЖИМЕ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ
НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ ТЯГОВО-СКОРОСТНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ
Специальность 05.05.06 – Горные машины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург - 2014
Работа выполнена в федеральном государственном
бюджетном
образовательном
учреждении
высшего
профессионального образования «Национальный минеральносырьевой университет «Горный»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Александров Виктор Иванович
Официальные оппоненты:
Зырянов Игорь Владимирович – доктор технических наук,
профессор, ФГАОУ ВПО “Северо-Восточный федеральный
университет им. М.К. Аммосова”, Политехнический институт,
кафедра горного и нефтегазового дела, заведующий кафедрой
Плютов Юрий Алексеевич – кандидат технических наук,
доцент, ФГАОУ ВПО “Сибирский федеральный университет”,
кафедра горных машин и комплексов, доцент
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет»
Защита состоится 30 сентября 2014 в 10 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном
минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу:
199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д. 2, ауд. № 7212.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на
сайте www.spmi.ru.
Автореферат разослан 30 июля 2014 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
Фокин
Андрей Сергеевич
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Энергоемкость открытого способа добычи
полезных ископаемых в значительной степени (50-90%) определяется энергетическими затратами на транспортирование горной массы,
имеющими тенденцию к увеличению с ростом глубины разработки.
Самым широко используемым видом транспортировки горных пород является карьерный автосамосвал. При этом он представляет из
себя один из самых затратных способов транспортировки как в
плане капитальных вложений, так и в плане эксплуатационных затрат.
Основным параметром тягово-скоростных характеристик
двигателей автосамосвалов является эффективная мощность, являющаяся функцией термодинамических параметров цикла двигателя
в политропных процессах сжатия-расширения. Существующие методы по определению эффективной мощности основанные на расчете средней индикаторной работы двигателя за рабочий ход поршня
не учитывают изменение термодинамических параметров и политропную работу двигателя, значение которой зависит от политропного КПД рабочего цикла, из-за чего ее расчет происходит с некоторой
погрешностью, значение которой является запасом мощности двигателя. Выявление этого запаса позволяет пересмотреть всю линейку
карьерных самосвалов в сторону увеличения их паспортной эффективной мощности, что приведет к снижению капитальных затрат на
его закупку, благодаря выбору ранее недооцененного и более дешевого варианта, а также снижению текущих издержек, благодаря
снижению удельного расхода топлива. Кроме того, учет стохастического характера транспортного процесса и оценка влияния всех
внешних и внутренних факторов, при расчете рационального режима работы карьерного самосвала, позволяет дополнительно снизить
удельный расход топлива с помощью выбора рациональной скорости его движения в груженом и порожнем направлениях.
Степень разработанности
Проблемой энергетической эффективности горнотранспортных машин, используемых в технологиях добычи минерального сырья при ведении открытых горных работ занимались многие ученые
специалисты: Шешко Е.Ф., Васильев М.В., Потапов М.Г., Шилин А.Н., Фадеев Б.В., Яковлев В.Л., Кулешов А.А., Галкин В.А.,
Смирнов В.П., Фесенко С.Л., Галиев С.Ж., Лель Ю.И., Довженок А.С., Андреева Л.И., Зырянов И.В., Тарасов П.И. и др., работы
3
которых позволили создать и развить теорию карьерного автотранспорта и разработать методы эксплуатационных расчетов, обеспечивающие
наибольшую
производительность
экскаваторноавтомобильных комплексов в режимах топливной экономичности,
значение которой определяется конкретными горнотехническими
условиями, располагаемой мощностью двигателя автосамосвала, его
грузоподъемностью и скоростью движения по карьерным дорогам.
Цель работы
Разработка метода расчета и обоснование практических рекомендаций по снижению расхода дизельного топлива на основе
учета эффективных энергетических параметров двигателей карьерных автосамосвалов и оптимизации скоростных режимов движения.
Идея работы
Скоростные, тяговые и топливные параметры карьерных автосамосвалов зависят от термодинамических характеристик политропных процессов сжатия-расширения рабочего тела в цилиндрах
двигателя и определяют эффективную мощность, расходуемую на
преодоление сопротивлений движению автосамосвалов по карьерным трассам.
Задачи исследования:
1. Анализ энергетических показателей карьерного автотранспорта при транспортировании горной массы по карьерным
трассам различной протяженности и продольных уклонов.
2. Анализ существующих методов расчета удельного расхода
дизельного топлива при транспортировании горной массы автосамосвалами по карьерным трассам.
3. Разработка математической модели определения рациональной скорости движения карьерного самосвала по трассам различной протяженности и продольных уклонов на основе баланса
эффективной мощности двигателя и сопротивлений движению карьерного самосвала.
4. Разработка метода расчета карьерных автосамосвалов и
оптимизации удельного расхода дизельного топлива для заданной
производительности и параметров карьерной дороги.
Научная новизна работы
1. Развитие методов оценки энергетической эффективности
карьерного автотранспорта на основе полученных зависимостей
мощности дизельного привода от политропных процессов расширения рабочего тела в цилиндрах двигателя и устанавливающий скрытый запас эффективной мощности по отношению к паспортным
данным.
4
2. Расчетные зависимости скорости движения автосамосвалов в грузовом и порожняковом направлениях как функции массы
груза, силы тяги и удельных сопротивлений, полученные на основе
обработки опытных данных методами регрессионного анализа.
3. Метод оптимизации удельного расхода дизельного топлива карьерными автосамосвалами на основе установленных зависимостей тягово-скоростных характеристик от термодинамических
параметров политропных процессов расширения рабочего тела в
цилиндрах двигателя и скорости движения автосамосвала в грузовом и порожняковом направлениях.
Практическая ценность работы
- метод расчета мощности карьерного автосамосвала на основе анализа термодинамических процессов дизельного двигателя и
устанавливающий скрытый запас эффективной мощности при учете
политропных процессов и политропного КПД цикла.
- обоснование рациональной скорости движения автосамосвалов в грузовом и порожняковом направлениях как функции массы груза, силы тяги и удельных сопротивлений движению.
- метод расчета и оптимизации удельного расхода дизельного топлива карьерного автотранспорта на основе установленных зависимостей тягово-скоростных характеристик от параметров транспортного цикла.
Методы исследований
В работе использованы теоретический и экспериментальный
методы исследования с обработкой опытных данных методами регрессионного анализа и проверкой адекватности теоретических и
опытных результатов.
Научные положения:
1. При выборе карьерного автосамосвала на основе баланса
располагаемой и затрачиваемой мощности необходимо учитывать
скрытый резерв эффективной мощности дизельного двигателя,
определяемый величиной удельной работы в политропных процессах сжатия-расширения рабочего тела.
2. Оптимальное значение скорости движения автосамосвала
по карьерным трассам является функцией удельных сопротивлений
движению, силы тяги, приложенной к колесам автосамосвала, и массы перевозимого груза и для каждого фиксированного значения переменных, функция скорости движения принимает единственное
значение, характерное для данного типоразмера автосамосвала.
5
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объёмом теоретических и экспериментальных исследований, применением для обработки опытных
данных апробированных методов математической статистики и удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных
результатов.
Апробация
Основные положения диссертационной работы обсуждались
на научных семинарах кафедры горных транспортных машин; докладывались на ежегодных международных конференциях молодых
ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, Горный
университет – 2011, 2012, 2013 годы); на 10-ой межрегиональной
научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 2012 г.; на международной конференции «Научные доклады по проблемам недропользования»
Фрайбергская горная академия, г. Фрайберг, Германия, 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 печатных
работы, в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 133 страницах. Содержит
43 рисунка, 18 таблиц, список литературы из 103 наименований.
Во введении рассмотрена актуальность работы, указаны цели
и задачи работы, приведены научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен анализ состояния энергоэффективности транспортных систем на открытых горных работах, приведен
обзор опубликованных научных работ по проблемам карьерного автотранспорта, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.
Во второй главе приведены теоретические исследования параметров, определяющих скоростные свойства и топливную экономичность карьерных автосамосвалов. Показано, что при учете политропных процессов сжатия-расширения в термодинамическом
цикле дизельного двигателя расчетная величина располагаемой
мощности возрастает, что определяет скрытый запас мощности карьерного автосамосвала в сравнении с паспортными данными. Приведены основные уравнения математической модели движения карьерных автосамосвалов.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных
исследований тягово-динамических характеристик карьерных автосамосвалов двух типоразмеров - БелАЗ-7540 и БелАЗ-7555, для ко6
торых выведены расчетные формулы скорости движения в зависимости от удельных дорожных сопротивлений, силы тяги и грузоподъемности.
В четвертой главе изложена методика расчета карьерного автотранспорта и определения удельного расхода дизельного топлива
Заключение отражает обобщенные выводы по результатам
исследований в соответствии с целью и решенными задачами.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Основные результаты диссертационного исследования отражены в следующих защищаемых положениях:
1. При выборе карьерного автосамосвала на основе баланса располагаемой и затрачиваемой мощности необходимо
учитывать скрытый резерв эффективной мощности дизельного
двигателя, определяемый величиной удельной работы в политропных процессах сжатия-расширения рабочего тела.
Анализ состояния энергетической эффективности транспортных систем на горных предприятиях, выполненный в первой
главе диссертационной работы, показал, что главными параметрами,
определяющими энергетические характеристики транспортных работ, являются скоростные режимы движения карьерных автосамосвалов и сопротивления движению по карерным дорогам. Сопротивления и скорость непосредственно связаны с затрачиваемой мощностью на транспортирование горной массы и, соответственно, с располагаемой мощностью двигателя автосамосвала, величина которой
определяет удельные затраты энергии (дизельного топлива) в заданном скоростном режиме движения автосамосвала.
Установлено, что используются три основных метода при
исследовании скоростных режимов движения автосамосвалов:
- теоретический метод, устанавливающий функциональную
связь между силами сопротивления движению, скоростью движения
и потребляемой мощностью;
- экспериментальный метод, основанный на массиве экспериментальных данных, получаемых в процессе измерений непосредственно на горном предприятии;
- комплексный метод, сочетающий как теоретический, так и
экспериментальный подход к определению скоростных режимов
карьерных автосамосвалов.
7
Особенностью перечисленных методов при исследовании
скорости движения автосамосвалов является то, что главными факторами, влияющими на величину скорости, являются горнотехнические условия, т.е. внешние характеристики транспортного процесса.
Внутренние характеристики двигателя автосамосвала в рассмотренных методах не учитываются. При этом не рассматриваются такие
величины как эффективная мощность двигателя, эффективный
удельный расход топлива, тягово-скоростные характеристики двигателя и другие эффективные параметры, характеризующие механические и энергетические свойства дизельного двигателя карьерного
автосамосвала и являющиеся функцией эффективной (располагаемой) мощности автосамосвала.
Адаптация внутренних параметров двигателя автосамосвала
к внешним параметрам, определяемых горнотехническими условиями является основным фактором, определяющим возможность повышения эксплуатационной и энергетической эффективности карьерных автосамосвалов.
Повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания остается одной из важнейших проблем современного двигателестроения. Решение этой проблемы непосредственно связано с повышением эффективной (располагаемой) мощности двигателя и
уменьшением удельного расхода дизельного топлива, т.е. повышением топливной экономичности работы двигателей на различных
нагрузочных режимах. Впервые описание рабочего процесса (цикла), происходящего в цилиндре поршневого двигателя внутреннего
сгорания (ДВС), было дано Г. Гильднером, и затем развито
В.И. Гриневецким, Н.Р. Бриллингом, Е.К. Мазингом, А.С. Орлиным,
М.Г. Кругловым и другими учеными.
На стадии проектирования, и расчета двигателей внутреннего сгорания, определяются основные эффективные параметры. К
этим параметрам относятся: эффективная мощность (N e ) ; эффективный КПД (η e ), удельный расход топлива - (g e ), эффективный
крутящий момент - (M e ). Классический подход к определению этих
характеристик построен на определении среднего индикаторного
давления по индикаторной диаграмме р , т.е. давления, которое действуя на поршень за один рабочий ход от верхней мертвой точки
(ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ), совершает работу, равную
полезной работе за весь рабочий цикл ДВС. Как видно из определения среднего индикаторного давления, в расчёте ДВС не учитывается неравномерность давления по ходу поршня, так как в действи8
тельности газы расширяются и давление падает. Кроме этого, в расчетах предполагается, что вращение коленчатого вала происходит с
постоянной частотой. В действительности же скорость изменения
объема газов в цилиндрах двигателя, т.е. скорость перемещения
поршня, величина переменная, а в ВМТ и НМТ она вообще равна
нулю. В результате приходим к выводу, что использование среднего
индикаторного давления, удобное для упрощения расчетов, приводит к существенным ошибкам в понимании ДВС и характера, протекающих в цилиндрах термодинамических процессов. Для приведения расчетов к приемлемой точности, в классическом подходе при
выполнении расчетов, используется большое число эмпирических
коэффициентов, определяемых при проведении стендовых испытаний, что, по сути, является способом «подгонки» теоретических расчетов к параметрам, характеризующим действительные явления при
работе ДВС.
В дизельных двигателях, работающих по смешанному циклу,
полезная работа равна разности работ расширения и сжатия. Работа
расширения складывается из двух работ – работы предварительного
расширения и работы расширения при максимальной температуре
продуктов сгорания. Анализ работы сжатия и работы предварительного расширения показывает, что величина их практически одинакова, рисунок 1, то есть, работа предварительного расширения компенсируется работой сжатия, поскольку эти работы имеют противоположный знак:
(1)
Lпол = L4−5 − L1−2 + L3−4 ,
и, если L1− 2 = L3− 4 , то
(2)
Lпол = L4−5 ,
где L 4− 5 - работа расширения газов (продуктов сгорания), L1− 2 , L3− 4
- соответственно, работа в процессе сжатия и работа предварительного расширения.
Отсюда приходим к выводу: у любого современного дизельного двигателя есть резервы по повышению мощности и по уменьшению удельного расхода топлива. Определенный резерв мощности
и эффективного КПД двигателя заключается в необходимости рассмотрения политропного характера расширения газов в рабочих цилиндрах, учитываемого политропным КПД (η пол ), характеризующим отклонение фактического процесса расширения газов от идеального, адиабатического процесса.
9
Рисунок 1 – РV - диаграмма ДВС со смешанным процессом
подвода теплоты: площадь: V1 − V2 − 2 − 1 − V1 ≈ площади: V4 − V2 − 3 − 4 − V4 ;
полезная работа равна площади:
4 − 5 − V1 − V4 − 4
Известная формула эффективной мощности двигателя записывается в следующем виде
p V in
(3)
N e = i h η мех ,
120
где рi - среднее индикаторное давление; Vh - объем цилиндра, i число цилиндров, n - частота вращения коленчатого вала.
Величина рiVh - определяет среднюю удельную работу продуктов сгорания дизельного топлива в цилиндрах двигателя, которая
изменяется по величине и направлению. Удельный расход топлива,
выраженный через среднюю удельную работу, будет также средней
величиной, зависящей от положения поршня в цилиндрах двигателя.
G 120
(4)
g e = 3600 т
η мех , кг/(кВт·ч),
рiVh in
где G m - массовый расход топлива, кг/с; η мех - механический КПД
двигателя.
Из формулы видно, что увеличение эффективной мощности
приводит к снижению удельного расхода дизельного топлива и повышению топливной экономичности двигателя автосамосвала.
В формуле (3) величина piVh определяет некоторую индикаторную работу в цикле двигателя, т.е.
(5)
piVh = Li = AmzRΔT ,
где Li - индикаторная работа цикла, A - коэффициент пропорциональности, учитывающий необратимость реальных процессов цикла
10
двигателя, определяется коэффициентами полезного действия (КПД)
– механическим ( η мех ) и политропным ( ηпол ), m = Vhρ г - масса газа в
цилиндре двигателя, кг; ρ г - плотность газов; кг/м3; zcp - степень
сжимаемости реального газа (продуктов сгорания дизельного топлива), зависит от величины критической температуры и критического
µR
давления газовой смеси; R =
- газовая постоянная газов (продукµг
тов сгорания топлива), Дж/(кг·К); ΔТ = T2 − T1 - температурный
напор; T2 и T1 - температуры в начале и в конце термодинамического процесса, К.
В итоге формула (3) эффективной мощности была записана в
виде
mz cp R(T2 − T1 )in
(5)
N e = nпэ
η мех ,
120
k −1
где n пэ =
- показатель псевдоэнтропы; k - показатель адиабаk
ты.
Величина η мех определяет общий КПД двигателя (η дв ) , который зависит от политропного КПД по формуле
(6)
η дв = η е η пол ,
Ne
где η е =
- эффективный КПД двигателя, Q нр - нижняя теплота
р
G m Qн
1 lg ε
сгорания дизельного топлива; η пол =
- политропный КПД,
п пэ lg τ
р
Т
ε = 2 - степень сжатия; τ = 2 - температурная характеристика в
р1
Т1
политропном процессе расширения продуктов сгорания дизельного
топлива.
Формула КПД двигателя запишется в следующем виде
ηдв = ηе ⋅ η пол =
nпэVh ρ m z cp RT1 (τ − 1)in
Gт Qнр 120
11
η мех ⋅
lg ε
=
nпэ lg τ
= ппэ
k ʹ′z cp RT1 (τ − 1)
где kT = nпэ z cp RT1 (τ − 1)η пол
kT k ʹ′
,
(7)
Qm Qнр
- термодинамическая характеристика
Dm Qнр η м
η пол =
дизельного двигателя, характеризующая тепловую работу в политропных процессах расширения продуктов сгорания топлива, кДж/кг;
V ρ in
k ʹ′ = h m η мех - конструктивный параметр двигателя, кг/с.
120
Особенностью формулы (7) является наличие величины политропного КПД, учитывающего отклонение теоретической адиабаты (изоэнтропийного) процесса расширения, от фактического политропного процесса. Кроме того, из формулы (7) следует, что КПД
двигателя и его эффективная мощность определяются в основном
температурным диапазоном в процессе расширения продуктов сгорания дизельного топлива.
Полученные теоретические зависимости показывают, что
энергетические характеристики цикла дизельного двигателя в значительной степени определяется температурным режимом политропных процессов расширения и значением термодинамической характеристики, являющейся функцией температуры и политропного
КПД процесса. Значение термодинамической характеристики в основном зависит от термодинамических свойств рабочего тела, продуктов сгорания дизельного топлива и, в частности, от газовой постоянной R и, соответственно, от молярной массы и состава газовой
смеси. Для принятых в практике видов жидкого дизельного топлива
значение газовой постоянной определяется совершенством процессов смесеобразования, коэффициентом избытка воздуха и температурных режимов цикла дизельного двигателя. Характерно, что термодинамическая характеристика не зависит от объема цилиндров.
Сравнительными численными расчетами рабочего давления
в цилиндрах двигателя и, соответственно, эффективной мощности,
для автосамосвала БелАЗ-7540, выполненными по классической
методике (8) и по разработанному методу (9) было установлено,
что последний, учитывающий политропный характер процесса расширения продуктов сгорания, приводит к большим значениям дав12
ления и эффективной мощности в сравнении с традиционным методом определения этих величин:
p ε n1 ⎡
λρ ⎛
1 ⎞
1 ⎛
1 ⎞⎤
pi = a ⎢λ(ρ − 1) +
⎜1 − n2 −1 ⎟ −
⎜1 − n1 −1 ⎟⎥ =
ε − 1 ⎣
n2 − 1 ⎝ ε
⎠ n1 − 1 ⎝ ε ⎠⎦
=
0,1 ⋅ 121,35
12 − 1
⎡
2,5 ⋅ 1,2 ⎛
1 ⎞
1 ⎛
1 ⎞⎤
⎢2,5(1,2 − 1) + 1,3 − 1 ⎜1 − 1,3−1 ⎟ − 1,35 − 1 ⎜1 − 1,35−1 ⎟⎥ =
⎝ 12
⎠
⎝ 12
⎠⎦
⎣
(8)
= 0,26 ⋅ (0,5 + 5,25 − 1,66) ⋅ 105 = 1,06 МПа;
где р а - начальное давление в цилиндре, ε - степень сжатия, п1 - показатель политропы в процессе сжатия, λ - степень повышения давления, ρ - степень предварительного расширения, п 2 - показатель
политропы в процессе расширения.
p раб = ппэ ρ т z cp RT5 (τ − 1) =
1,4
8314,3
(9)
(1910 − 1014) = 1,31МПа.
10 ⋅ 0,9
1,4 − 1
180
Относительное увеличение давления составляет
р раб − рi 1,31 − 1,06
Δр =
=
⋅ 100 = 19,1 %.
p раб
1,31
Эффективная мощность, равная произведению давления на
объемный расход рабочего тела, увеличивается на эти же 19,01%.
Это увеличение обеспечено энергетическим резервом, определяемым учетом политропного характера процесса сжатия - расширения
рабочего тела в цилиндре дизельного двигателя.
Таким образом, можно утверждать, что каждый дизельный
двигатель имеет ранее не учтенный запас мощности, а полученное
необходимо рассматривать как коэффициент запаса мощности.
2. Оптимальное значение удельного расхода топлива достигается при движении автосамосвала по карьерным трассам
со скоростью рассчитанной как функция удельных сопротивлений движению (динамического фактора), силы тяги, приложенной к колесам автосамосвала, и массы перевозимого груза, причем для каждого фиксированного значения переменных, функция скорости движения принимает единственное значение, характерное для данного типоразмера автосамосвала.
=
13
Целью оптимизации энергетических параметров автосамосвала является минимизация расхода топлива при движении между пунктами разгрузки и пунктами погрузки. Для решения этой задачи необходимо рассчитать минимальный расход топлива двигателя автосамосвала на единицу транспортируемого груза при заданной вместимости кузова автосамосвала. То есть, необходимо минимизировать следующую функцию
m
Е=
n
∑∑ TΩG
i =1 j =1
m
∑Q
ij
,
(10)
i
i =1
где T - число часов работы автосамосвала за год, ч; Ω - общее число
рейсов в порожняковом и грузовом направлении за один час, ч-1; Gij
- расход топлива на один рейс, кг; Qi - годовая производительность
погрузочных пунктов, т.
Определяющим параметром в этой оптимизационной модели
является скорость движения карьерного автосамосвала, так как от
этого параметра зависят удельный расход топлива, и количество
рейсов которые может совершить карьерный автосамосвал в единицу времени.
При выводе уравнений скорости движения автосамосвала в
грузовом и порожняковом направлениях исходили из определения
динамического фактора, т.е. удельных сопротивлений движению
самосвала по карьерным дорогам. Динамический фактор важнейший параметр автосамосвала, величина которого зависит от массы
перевозимого груза (грузовое или порожняковое направление движения), силы тяги, приложенной к колесу автосамосвала и зависящей от преодолеваемых удельных сопротивлений, скорости движения автосамосвала.
Сила тяги автосамосвала зависит от сопротивлений движению и выражается суммой
(11)
Fк = Wк ,
∑
14
где
∑W
к
=W0 + Wi + WR + WB + W j - суммарные сопротивления
движению: основное, от уклона дороги, на криволинейных участках,
воздушной среды, сил инерции, соответственно, Н.
Из формулы (11) получаем известную формулу для динамического фактора D , Н/т
F − WB
(12)
D= к
= w0 ± wi + w R + w j ,
Ga g
где w0 , wi , wR , w j - удельные сопротивления: основное, от уклона
дороги, на криволинейных участках и сил инерции, соответственно.
Сила тяги, приложенная к колесам автосамосвала, в работе
представлена следующим функционалом
Fк = f (Ga , D ,vдв ),
или, так как Fк имеет собственное значение для каждого типоразмера автосамосвала, можно записать
(13)
Fк = f (D ,vдв ).
Функционал (13) раскладывается на две функции:
Fк
(14)
= f1 (D ) ,
vдв
(15)
Fк = f 2 (vдв ).
Функции (14) и (15) были записаны в следующем виде
Fк
β3
,
= k1 = k 2 D α1 и Fк = k 3 vlдд
v дв
F
кН ⋅ ч
где k1 = к - удельная сила,
; k 2 = e α0 , k 2 = e α0 - коэффициvдв
км
енты пропорциональности; α и β - показатели степени, характеризующие интенсивность изменения силы тяги Fк .
После несложных преобразования полученных функций была получена общая формула для скорости движения автосамосвала
kn
(16)
vдв = m 3 j ,
k2 D
15
β2
α1
1
= n;
= m;
= j.
1 + β1
β1 (1 + β1 )
1 + β1
Значения величин в формуле (16) определяются на основе
опытных данных при работе карьерных автосамосвалов. Для каждого типоразмера автосамосвала значения показателей степени имеют
свое собственное значение, зависящее от условий работы транспортной системы. Из формулы следует, что скорость движения автосамосвалов есть комплексный параметр, зависящий от множества
факторов, в частности, от удельной работы, совершаемой в рабочем
процессе транспортирования (знаменатель дроби). С увеличением
удельной работы скорость движения, как в грузовом, так и в порожняковом направлениях уменьшается. В порожняковом направлении
удельная работа имеет минимальное значение, поэтому скорость
движения принимает наибольшую величину при тех же, что и в первом случае условиях. Знаменатель в формуле (16) характеризует интенсивность (скорость) реализации тягового усилия автосамосвалом
при изменении скорости движения.
Формулу (16) можно рассматривать как основную динамическую характеристику рабочего процесса автосамосвала (наряду с
динамическим фактором), так как эта формула включает в себя
практически все параметры (кинематические, динамические и энергетические), определяющие работу автосамосвалов при их эксплуатации в конкретных горно-геологических условиях.
Имея необходимую статистическую информацию, можно
методом регрессионного анализа на базе формулы (16) получить
формулу скорости для каждого конкретного автосамосвала.
Экспериментальные графические зависимости силы тяги и
скорости движения от массы перевозимого груза для автосамосвала
БЕЛАЗ 7540, приведен на рисунке 2 и рисунке 3.
где
16
Рисунок 2 – Зависимости силы тяги и скорости движения
автосамосвала от массы перевозимого груза
(опытные данные при D = 1000 Н/т)
Рисунок 3 – Зависимости силы тяги и скорости движения
автосамосвала от массы перевозимого груза
(опытные данные при D = 1450 Н/т)
Методом регрессионного анализа, путем обработки экспериментальных данных была получена формула скорости движения для
автосамосвала БЕЛАЗ 7540:
252 ,77 − 0 ,111 ⋅ D 0.437 G
, км/ч.
(17)
vдв =
D 0.314
Заданны ми величинами в формуле (15) являются масса перевозимого груза и рассчитанная величина динамического фактора,
которая зависит от удельных сопротивлений движению автосамосвала. Формула показывает, что с увеличением динамического фак17
тора скорость движения автосамосвала снижается. Характер изменения скорости можно показать для случая постоянной массы груза
G при изменении фактора D .
На рисунке 3 приведен график изменения скорости движения
груженого автосамосвала БЕЛАЗ 7540 в функции динамического
фактора D .
График показывает, с увеличением удельных сопротивлений
движению автосамосвала, а фактически динамического фактора
скорость движения уменьшается, что подтверждается экспериментальными данными.
Так как динамический фактор учитывает силу тяги минимально необходимую для преодоления всех сопротивлений движению, можно считать, что каждому значению динамического фактора
соответствует свое значение скорости движения, причем это значение будет оптимальным. Следовательно при движении с этой скоростью функция удельного расхода топлива будет принимать минимальное значение при известной производительности погрузочных
пунктов.
Скорость движения, км/ч
12
11,2
10,4
9,6
8,8
8
1500
1620
1740
1860
1980
2100
Динамический фактор, Н/т
Рисунок 3 – Изменение скорости движения при изменении
динамического фактора (удельных сопротивлений движению
автосамосвала)
Так как динамический фактор учитывает силу тяги минимально необходимую для преодоления всех сопротивлений движе18
нию, можно считать, что каждому значению динамического фактора
соответствует свое значение скорости движения, причем это значение будет оптимальным.
Следовательно при движении с этой скоростью функция
удельного расхода топлива будет принимать минимальное значение
при известной производительности погрузочных пунктов.
В работе был произведен расчет карьерной трассы состоящей из двух участков и получены оптимальные значения скорости
движения для каждого участка (таблица 1) в груженом и порожнем
направлениях.
Также на основе полученных значений скорости был произведен эксплуатационный расчет карьера и получено оптимальное
значение удельного расхода топлива для этой трассы.
Таблица 1 - Динамические показатели автосамосвала БЕЛАЗ 7540
Участок
1
2
1
2
Динамический
Скорость движефактор, Н/т
ния, км/ч
Грузовое направление
845,6
17,0
798,0
25,3
Порожнее направление
745,0
18,5
456,0
31,6
Сила тяги, кН
42,2
46,3
21,6
23,7
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация является законченной научно-квалификационной
работой, в которой содержится решение актуальной научнотехнической задачи по повышению энергетической эффективности
карьерных автосамосвалов.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Проанализированы энергетические показателей карьерного автотранспорта при транспортировании горной массы по карьерным трассам различной протяженности и продольных уклонов.
2. Проанализированы существующие методы расчета удельного расхода дизельного топлива при транспортировании горной
массы автосамосвалами по карьерным трассам.
19
3. Получена формула расчета эффективной мощности дизельного двигателя карьерного автосамосвала учитывающая как
конструктивные параметры автосамосвала, так и термодинамические характеристики.
4. Разработана математическая модель для определения рациональной скорости движения карьерного самосвала по трассам
различной протяженности и продольных уклонов при наименьших
затратах дизельного топлива и удельной энергоемкости процесса
транспортирования на основе расчета значений динамического фактора автосамосвала для конкретных условий для каждого участка
трассы..
5. На основе регрессионного анализа получены зависимости
скорости движения от динамического фактора и массы перевозимого груза для двух самых популярных моделей автосамосвалов: Белаз
7540 и Белаз 7555.
6. Разработан алгоритм расчета по определению рациональной
скорости движения карьерного автосамосвала при минимуме расхода дизельного топлива по карьерным трассам различной геометрии.
По теме диссертации опубликованы следующие работы в
изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Кузнецов, С.Р. Параметры, определяющие энергоэффективность карьерных автосамосвалов // Естественные и технические
науки. - 2012. - №2(58). - С. 255-258.
2. Александров, В.И. Оптимизация удельного расхода топлива
карьерных автосамосвалов, на основе геотехнологических условий /
В.И. Александров, С.Р. Кузнецов // Естественные и технические
науки. - 2013. - №6(68). - С. 250-255.
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа