close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Концепция совершенствования универсальных малогабаритных погрузчиков с бортовым поворотом

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Минин Виталий Васильевич Шифр научной специальности: 05.05.04 - дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины Шифр диссертационного совета: Д 212.126.02 Название организации: Московский автомобильно-дорожный государственный т
Информация о соискателе Фамилия, имя, отчество соискателя Минин Виталий Васильевич Тема диссертации КОНЦЕПЦИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УНИВЕРСАЛЬНЫХ МАЛОГАБАРИТНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ С БОРТОВЫМ ПОВОРОТОМ Шифр специальности 05.05.04 Отрасль науки технические науки Шифр диссертационного совета Д 212.126.02 Название организации Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет Контактная информация Адрес организации 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, 64 Телефон диссовета (организации) (499) 155-93-24 E-mail madi-bnv@mail.ru Предполагаемая дата защиты диссертации 18.10.12 На правах рукописи
Минин Виталий Васильевич
Концепция совершенствования универсальных малогабаритных погрузчиков с бортовым поворотом
Специальность: 05.05.04 - Дорожные, строительные
и подъемно-транспортные машины
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет (СФУ)"
Научный консультант:доктор физико-математических наук, профессор Носков Михаил ВалериановичОфициальные оппоненты: Кудрявцев Евгений Михайлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Московский государственный строительный университет, кафедра "Строительные и подъемно-транспортные машины", зав. кафедрой
Жулай Владимир Алексеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра "Строительные и дорожные машины", зав. кафедрой Полетайкин Владимир Федорович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет, кафедра "Технологии и машин природообустройства", зав. кафедрой Ведущая организация:ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет (НИ ИрГТУ)
Защита состоится 18 октября 2012 г. в 12 - 00 часов на заседании Диссертационного совета ВАК РФ Д 212. 126. 02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд.42; тел.:8(495)155-93-24.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).
Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просьба высылать в двух экземплярах по адресу диссертационного совета, а копию отзыва просим прислать на адрес электронной почты uchsovet@madi.ru.
Автореферат разослан "___" _______________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, профессор __________ Н.В. Борисюк
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Универсальные малогабаритные погрузчики с бортовым поворотом (УМП) изобретены и внедрены в практику выполнения транспортно-технологических операций в середине ХХ в. Данный тип минимашин является наиболее представительным ввиду наличия значительного количества сменных рабочих органов циклического и непрерывного действия, экономичности, высокой мобильности и маневренности в сочетании с простотой управления. Погрузчики зарекомендовали себя как необходимое средство механизации для малых объемов работ на различных рассредоточенных объектах. В настоящий момент в мире производится более 100 тыс. машин в год. Существенными специфическими особенностями, снижающими эффективность УМП, являются: короткобазовое шасси, ограничивающее грузоподъемность; высокая динамическая нагруженность машины и плохая управляемость на твердых скользких поверхностях; жесткое, безрессорное крепление колес к раме; закрытое капотом пространство энергетической установки и гидропередач, снижающее теплообмен с окружающей средой; значительные затраты энергии и ресурсов на обеспечение бортового поворота и др. Само по себе изделие является наукоемким. Ведущие фирмы-изготовители (свыше 40) в Великобритании, Германии, Италии, Канаде, Кореи, России, Словакии, США, Японии и других стран производят УМП для внутреннего и внешнего рынка, постоянно совершенствуют конструктивные схемы и отдельные подсистемы машин, но решения, устраняющего все вышеперечисленные недостатки, пока не найдено.
Проблема определения рационального варианта сочетания технико-эксплуатационных и конструктивных параметров, обеспечивающих высокую эффективность вновь создаваемых образцов, осложняется разнообразием свойств среды применения УМП, оснащаемых различным сменным рабочим оборудованием. В связи с этим актуальна разработка критериев оценки эффективности для универсальных машин данного класса, которые обеспечивают высокую точность расчетов на ранних стадиях проектирования. Применение УМП в условиях регионов Сибири и Дальнего Востока, где климатические условия существенно отличаются от европейских, без усовершенствования конструкции и определения области рациональных значений конструктивных параметров имеет ограничения.
Работа направлена на развитие методологии проектирования УМП, учитывающей априорную и апостериорную информацию о конструкции, параметрах и особенностях рабочих процессов в стесненных условиях эксплуатации.
Актуальность исследования подтверждается выполненной Красноярской краевой научно-технической программой "Исследование, разработка, освоение и выпуск универсального малогабаритного погрузчика (УМП) с бортовым поворотом, эксплуатационной массой 1 т и грузоподъемностью 0,25 т".
Научная проблема порождена отсутствием теоретических основ проектирования, обеспечивающих взаимосвязь параметров подсистем универсальных малогабаритных машин с адаптируемой к условиям эксплуатации конструктивной схемой. Это создает определенные трудности, устранить которые возможно по разработанной соискателем концепции совершенствования УМП за счет повышения эффективности путем создания адаптивных к условиям эксплуатации конструкций и рационализации основных параметров.
Гипотеза. Выбор конструктивной схемы вновь создаваемых образцов УМП со сменным рабочим оборудованием, представляемой в виде сложной системы с большим количеством взаимосвязей технико-эксплуатационных и конструктивных параметров, осуществляемый на основе безразмерных комплексов их взаимосвязи, обеспечивает требуемую точность расчета значений показателей эффективности и приводит к повышению производительности при рациональном использовании материальных и энергетических ресурсов.
Основная идея работы заключается в выявлении взаимосвязи основных технико-эксплуатационных и конструктивных параметров УМП для обоснования их рациональных значений на основе методов математической статистики, теории подобия и анализа размерностей, а также математического анализа закономерностей конструирования.
Цель исследования состоит в повышении эффективности УМП путем развития теоретических основ проектирования, создания методов и моделей, учитывающих комплексную взаимосвязь основных параметров машины и ее внутренних подсистем. Поставленная цель реализована решением следующих задач исследования:
1) разработать классификацию УМП по отдельным конструктивным признакам на основе анализа параметров образцов фирм-производителей, при учете существующих методик оценки степени их совершенства, и систематизировать факторы, влияющие на эффективность эксплуатации;
2) обосновать главный параметр машины и выявить структуру взаимосвязи основных технико-эксплуатационных и конструктивных параметров с главным, а также выявить необходимость и принципиальную возможность вариаций данных параметров и изменения конструкции машины для удовлетворения противоречивых требований к отдельным подсистемам при повышении эффективности УМП;
3) разработать, обосновать и реализовать концепцию количественной и качественной оценки эффективности УМП со сменными рабочими органами циклического и непрерывного действия, базирующейся на безразмерных комплексах взаимосвязи технико-эксплуатационных и конструктивных параметров, обеспечивающую необходимую точность оценочных показателей;
4) разработать и реализовать в виде компьютерного программного обеспечения физико-математические модели УМП с изменяющейся относительно направления движения установкой пневмоколесных движителей, позволяющих исследовать параметры управляемости машины при вариации условий эксплуатации; 5) провести экспериментальные исследования промышленно выпускаемых образцов УМП и на физической модели машины, направленные на изучение динамических факторов и коррекцию силовых параметров для достижения необходимой точности и адекватности физико-математических моделей;
6) осуществить вычислительные эксперименты (на основе статистического анализа данных) для установления закономерностей соотношения технико-эксплуатационных и конструктивных параметров УМП с режимами их функционирования и экономическими показателями;
7) внедрить результаты работы на уровне создания опытного образца машины и изобретений, направленных на повышение эффективности отдельных подсистем и расширение технологических возможностей УМП.
Объект исследования. УМП с бортовым поворотом со сменными рабочими органами циклического и непрерывного действия. Предмет исследования. Закономерности, связывающие технико-эксплуатационные и конструктивные параметры с параметрами рабочего процесса УМП и оценочными показателями эффективности его эксплуатации.
Методологической базой исследований являются: системный анализ причинно-следственных связей технологического процесса (рабочие органы циклического и непрерывного действия), методы подобия и анализа размерностей, статистический анализ для апостериорной информации, включая алгоритмы множественного группового учета аргументов на каждом ряду селекции параметров, регрессионный анализ по программному продукту Data Fit фирмы Oakdale Engineering и математический анализ по программному продукту MathCad, основные положения аналитической механики, параметрической оптимизации механических систем, теории математического моделирования машин и процессов, а также теории физического эксперимента.
Научная новизна заключается в следующем:
1) разработке классификации УМП, представляемых в виде сложных технических систем по функциональному назначению, позволяющей выявить влияние конструктивного исполнения на эффективность эксплуатации;
2) обосновании главного параметра машины - эксплуатационной массы, и структуры взаимосвязи технико-эксплуатационных и конструктивных параметров с главным в виде регрессионных математических моделей, позволяющих определять и прогнозировать их значения;
3) впервые разработанной и обоснованной методами теории подобия и анализа размерностей концепцией повышения эффективности УМП со сменными рабочими органами циклического и непрерывного действия, базирующейся на безразмерных комплексах взаимосвязи технико-эксплуатационных и конструктивных параметров и обеспечивающей необходимую точность оценок как на уровне подсистем (привода, рабочего оборудования, движителя), так и на уровне машины в целом;
4) физико-математических моделях УМП с изменяемой геометрией установки колес относительно направления движения машины, разработанных на основе положений аналитической механики голономных и неголономных систем в обобщенных координатах, позволяющих исследовать управляемость и технологические возможности при вариации конструктивных параметров и условий эксплуатации;
5) впервые полученных математических моделях в виде безразмерных комплексов взаимосвязи технико-эксплуатационных и конструктивных параметров УМП, обоснованных в качестве критериев оценки технического уровня и оптимизации параметров машины со сменными рабочими органами циклического и непрерывного действия;
6) предложении и применении конструктивных схем движителя и рабочего оборудования УМП с учетом выявленных теоретически и экспериментально закономерностей рабочего процесса с энергонасыщенностью машины, позволяющих определять рациональное использование установочной мощности двигателя;
7) установлении закономерностей влияния на силовое нагружение движителя параметра перераспределения центра масс машины на основе экспериментальных исследований натурных образцов и физической модели УМП;
8) разработке методики совершенствования конструкции и оптимизации параметров УМП, базирующегося на априорной (физико-математические модели) и апостериорной (технико-эксплуатационные параметры выпускаемых образцов) информации с учетом свойств среды применения сменного оборудования циклического и непрерывного действия, позволяющей повысить эффективность машины;
9) установлении зависимостей абсолютных погрешностей безразмерных критериальных комплексов от погрешностей в определении значений технико-эксплуатационных и конструктивных параметров УМП, обладающих свойством робастности и обеспечивающих адекватную оценку степени совершенства конструктивных исполнений машин.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: методологической базой исследования, основанной на фундаментальных теориях; соблюдением основных принципов математического моделирования с применение математического анализа в качестве основного инструмента исследования; достаточным объемом экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной и регистрирующей аппаратуры, прошедшей метрологическую аттестацию; подтверждением адекватности теоретических исследований в виде математических моделей, статистическим результатом оценки основных параметров УМП за период ретроспекции с 1970 по 2011 г.
Личный вклад автора заключается в формулировании общей идеи и цели работы, в выполнении теоретических и экспериментальных исследований, анализе и обобщении их результатов, участии в проектировании опытного образца УМП. Теоретическая ценность работы заключается:
- в создании метода аналитического расчета технико-эксплуатационных и конструктивных параметров УМП на основе безразмерных комплексов их взаимосвязи при учете априорной и апостериорной информации, позволяющей на стадии проектирования оценивать и прогнозировать технический уровень и эффективность вновь создаваемых образцов;
- в установлении закономерностей взаимосвязи основных параметров УМП в виде безразмерных комплексов, представляющих качественную картину данных взаимосвязей, которые устойчивы по отношению к погрешностям исходных данных и обладают способностью нивелирования этих погрешностей (робастностью);
- в установлении общих закономерностей в виде эмпирических зависимостей, характеризующих рабочие процессы и позволяющих создавать адаптивную к условиям среды конструкцию машины с учетом противоречивых задач ресурсо- и энергосберегающих технологий при проектировании и эксплуатации УМП.
Практическая ценность работы состоит:
- в решении актуальной и важной народно-хозяйственной проблемы, заключающейся в обеспечении эффективности УМП, оснащаемых сменным рабочим оборудованием циклического и непрерывного действия;
- в возможности использования теоретических положений физико-математического моделирования взаимодействия движителя УМП со средой, оснащаемого рабочими органами в виде фрез для определения рациональных параметров рабочего процесса;
- в применении разработанного метода для оценки технического уровня машин на предприятиях транспортного и строительного машиностроения;
- разработке конструктивных схем, способов и средств программно-математической и технической реализации (признаны изобретениями) концепции повышения эффективности УМП.
На защиту выносятся научные положения и результаты исследований научно-обоснованных технических и методических решений, позволяющие создавать принципиально новые конструктивные схемы УМП, в том числе:
- выявленные на основе безразмерных комплексов взаимосвязи технико-эксплуатационных и конструктивных параметров, принимаемых в качестве критериев оценки технического уровня (эффективности) и оптимизации параметров УМП со сменными рабочими органами циклического и непрерывного действия в соответствии с требованиями ресурсо- и энергосберегающих технологий;
- разработанная методология совершенствования конструкции и параметров УМП повышенной эффективности с использованием априорной и апостериорной информации по параметрам рабочих процессов оборудования циклического и непрерывного действия;
- выявленная целесообразность внедрения адаптивных к условиям среды конструктивных схем и параметров УМП, обеспечивающих рациональное использование установочной мощности двигателя;
- разработанные физико-математические модели подсистемы движителя с изменяемой геометрией установки колес относительно направления движения для совмещения технологических операций передвижения и разрыхления поверхности среды при оснащении их рабочими органами в виде фрез;
- экспериментально, на натурных образцах машины и физической модели, установленные динамические факторы, влияющие на параметр перераспределения центра масс машины и определяющие силовое воздействие на движитель УМП;
- разработанные математические модели оценки абсолютных погрешностей безразмерных критериальных комплексов взаимосвязи технико-эксплуатационных и конструктивных параметров машины;
- установленные вычислительными экспериментами технико-экономические зависимости для оценки эффективности конструктивных схем и рационализации технико-эксплуатационных параметров УМП. Реализация и внедрение результатов работы. Практические рекомендации и выводы, полученные в процессе исследований, внедрены в ОАО "Крастяжмаш", ОАО "Красноярский завод прицепной техники", ОАО "Сибтяжмаш", ОАО "Краслесмаш", ООО "Землемаш" и др., учебных процессах ФГАОУ "Сибирский федеральный университет" при подготовке по направлениям подготовки специалистов (190603.65, 190201.65, 190109.65), бакалавров (190100.62), магистров (190100.68), а также аспирантов по специальности 05.05.04.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 монографии, 3 учебных пособия с грифом УМО, 61 научная статья (в том числе 10 статей в изданиях, входящих в список ВАК), более 30 тезисов докладов на научных конференциях, получено 24 авторских свидетельства и патента на изобретения.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, докладывались и обсуждались на: 41 и 42-й научно-исследовательских конференциях МАДИ в 1983, 1984 гг., на научно-практической конференции "Техника-Северу" КФ НПО ВНИИстройдормаш, на научно-методической конференции КрПИ "Применении ВТ и САПР в учебном процессе" (Красноярск, 1985 г.), Межвузовском фестивале "Молодежь и наука - третье тысячелетие" (Красноярск, 1997 г.), Юбилейной научно-технической конференции МГТУ им. Н. Э. Баумана "Подъемно-транспортные машины - на рубеже веков" (Москва, 1999 г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов" (Красноярск, 1999 г.), Межвузовской научно-практической конференции КРО НС "Интеграция" (Красноярск, 2000 г.), Международной конференции и РНШ "Системные проблемы качества математического моделирования: информационные, электронные и лазерные технологии" (Москва, 2001 г.), II Межрегиональной с международным участием научно-технической конференции "Механика ХХI века" (Братск, 2002 г.), Межрегиональной научно-практической конференции "Инновационное развитие регионов Сибири" (Красноярск, 2006 г.), V и VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Политранспортные системы" (Красноярск, 2007, 2010 гг.), Всероссийского научного фестиваля "Молодежь и наука - начало XXI века" (Красноярск, 2009 г.), Международной научно-практической конференции "Проблемы и перспективы развития евроазиатских транспортных систем" (Челябинск, 2009 г.), VI Всероссийской научно-технической конференции "Политранспортные системы" (Новосибирск, 2009 г.), Международной научно-технической конференции "Интерстроймех-2010" (Белгород, 2010 г.), Международной научно-технической конференции "Актуальные научные достижения" (Чехия, 2012 г.), на кафедре "Дорожно-строительные машины" МАДИ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников (322 наименования) и 8 приложений. Общий объем диссертации составляет 340 страниц, включая 160 рисунков и 20 таблиц.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность проблемы создания эффективной конструкции УМП на основе концепции совершенствования конструкции и оптимизации параметров и подход к ее решению, излагаются цель и основные задачи исследования, формулируются научная новизна, теоретическая и практическая ценность результатов, основные научные положения, выносимые на защиту, приводится краткое содержание глав диссертации.
В первой главе диссертации выполнен анализ развития конструктивных решений УМП и приводов исполнительных механизмов, критериев оценки эффективности конструктивных вариантов исполнения и оптимизации параметров машины. Разработана классификация УМП по конструктивным признакам (рис. 1). Рис. 1. Классификация УМП
Вопросам повышения эффективности, исследованию и оптимизации параметров фронтальных погрузчиков, включая УМП, посвящено значительное количество научных работ, выполненных в НПО ВНИИстройдормаш, МИСИ, ЦНИИС Минтрансстроя, МАДИ, СибАДИ, ВГАСУ, ХАДИ, ИГД СО РАН и в других организациях. Следует отметить теоретические и экспериментальные исследования В. К. Аверьянова, И. А. Алыева, В. Н. Архангельского, А. Ф. Базанова, В. И. Баловнева, В. В. Беляева, Ю. А. Брянского, Ю. М. Бузина, В. М. Векслера, Д. П. Великанова, Л. К. Войнича, А. В. Жаворонкова, В. А. Жулая, Г. В. Забегалова, С. А. Ивженко, В. С. Калинина, М. В. Коваленко, И. П. Керова, Э. Н. Кузина, Б. Д. Кононыхина, Е. М. Кудрявцева, П. А. Михирева, Л. В. Назарова, И. А. Недорезова, В. А. Пенчука, Ю. Д. Погуляева, Б. М. Позина, Л. В. Примака, В. М. Рогожкина, А. В. Рубайлова, И. М. Рябиковой, А. Г. Савельева, В. Н. Тарасова, Л. А. Хмары, В. Ф. Щербакова, А. М. Щемелева, В. К. Федорова, Я. Е. Фаробина, и др., среди зарубежных - Г. Эриксона, К. Лука, Г. Модлера, X. Хаврыляка и др. Несмотря на большое количество проведенных исследований, направленных на совершенствование конструкций одноковшовых фронтальных погрузчиков в отечественной и зарубежной практике, нельзя не отметить недостаточное освещение в литературе вопросов, касающихся совершенствования конструктивной схемы и оптимизации параметров УМП, направленных на устранение противоречивых требований, связанных с обеспечением малогабаритности и универсальности конструкции. В результате проведенного анализа установлено: существующие рекомендации по проектированию одноковшовых фронтальных погрузчиков не могут быть полностью применимы при проектировании УМП, ввиду отсутствия приближенно-конструктивного подобия. В настоящее время не сложились еще универсальные методы подхода к проблеме комплексной оптимизации: количество параметров и сами параметры, принимаемые к оптимизации, выбираются на основе опыта предшествующих технических решений или интуитивно. Рассмотрено проектирование оптимальных исполнений подсистем привода УМП в соответствии с положениями теории системного анализа, приведены критерии оценки эффективности вариантов исполнения и оптимизации параметров гидропривода, а также оценка конструктивных параметров привода. Вопросам выбора критериальных оценок и обоснованию совершенства объемного гидропривода машин посвящены работы Т. В. Алексеевой, Т. М. Башты, В. А. Васильченко, Н. С. Галдина, В. А. Гобермана, Ю. Иринга, А. Т. Лебедева, А. М. Матвеенко, Г. С. Мирзояна, Б. Б. Некрасова, В. А. Петрова, Д. Н. Попова, В. Н. Прокофьева, А. В. Рустановича, Т. А. Сырицына, В. С. Щербакова и др. Наиболее дискуссионным является вопрос о количестве принимаемых критериев и о параметрах, входящих в них при решении задач оптимизации.
Отсутствие научного обоснования применения для малогабаритных и универсальных машин теоретических основ проектирования принятых для машин среднего и тяжелого классов создает определенные трудности, устранению которых способствует разработанная соискателем концепция повышения эффективности за счет совершенствования конструкции и рационализации основных параметров УМП. Незначительная (вследствие малогабаритности) эксплуатационная масса указанных машин ограничивает технологические возможности выполнения процессов разработки материалов статическим воздействием (за счет создания напорного усилия на рабочих органах), короткобазовость УМП ограничивает его грузоподъемность и производительность.
Представлен метод обоснования параметров, требующих оптимизации при совершенствовании конструкции УМП с учетом неопределенности значений параметров машин, выпускаемых фирмами-производителями. Эксплуатационная масса УМП принята за главный параметр, так как точнее других параметров определяет типоразмер машины и потенциальные возможности работы в заданных технологических условиях, которые характеризуются как малые и рассредоточенные объекты, стесненные и узкие проходы, помещения с ограничением по нагрузке на опорную поверхность.
Графическая интерпретация (рис. 2) взаимосвязи конструктивных параметров УМП с подсистемами и главным параметром учитывает следующие параметры: A - максимальный габарит по высоте в рабочем состоянии; B - высота от уровня стоянки до шарнира ковша при разгрузке; C - угол разгрузки ковша; Z - грузоподъемность; Y - вместимость основного ковша и др. Геометрические параметры представлены на рис. 3.
Рис. 3. Геометрические параметры УМП
Рис. 2. Взаимосвязь конструктивных параметров с подсистемами и параметром эксплуатационной массы G К исследованию взаимосвязи конструктивных параметров были приняты значения параметров 104 моделей УМП, выпускаемых серийно фирмами: США, Германии, Японии, России, Словакии и др. В результате вычислительных экспериментов было получено более 400 математических моделей взаимосвязи каждого из рассматриваемых параметров с параметром эксплуатационной массы как по моделям УМП отдельных фирм-производителей, так и по всей совокупности моделей УМП. Например, поля корреляции и зависимости представлены на рис. 4, 5. Рис. 4. Зависимость грузоподъемной силы Z от эксплуатационной массы (силы тяжести) G Z = 313,49 + 0,14GРис. 5. Зависимость установочной мощности двигателя N от эксплуатационной массы G N = -3,42 + 0,015G Вид зависимости (исследования проведены по 18 видам) между главным параметром и каждым из конструктивных параметров определен по значению критериев регулярности (минимальной ошибки уравнения регрессии). Для каждого из видов зависимостей получены функции первой производной по исследуемому параметру (рассчитаны значения мгновенной скорости изменения каждого конструктивного параметра при изменении величины эксплуатационной массы машины). При одном порядке малости коэффициента корреляции Kφ или критерия регулярности (относительной ошибки) скорость изменения параметров |Ф| является критерием селекции KS. При наличии различных значений порядка малости коэффициента корреляции или значений критериев регулярности для ранжирования параметров разработан критерий селекции KS = |Ф| / Kφ. Физический смысл критерия селекции KS определяется требованиями повышения эффективности процесса оптимизации. Так, величина мгновенной скорости |Ф| изменения конструктивного параметра характеризует эффективность воздействия на этот параметр для снижения или увеличения значения эксплуатационной массы.
Значение коэффициента корреляции Kφ показывает тесноту связи между параметрами, а значение критерия регулярности характеризует величину разброса статистических данных. Необходимость оптимизации того или иного конструктивного параметра для совершенствования конструкции УМП обосновывается большим разбросом статистических данных и большим значением мгновенной скорости изменения параметра. Это условие записывается в виде KS → max при следующих ограничениях: |Ф| → max; Kφ → min или |Ф| → min; Kφ → max. Параметры ранжируются исходя из следующего выражения селекции где i − порядковый номер параметра (i = 1, 2, ..., n). Оценка неопределенности, обусловленная количеством апостериорной информации, принимаемой во внимание, проведена по значению энтропии H параметра, определяемой как где Рi − вероятность появления i-го конструктивного параметра в иерархической группе; n - количество параметров, входящих в группу иерархии. Рекомендованы объемы принимаемой во внимание информации, обеспечивающие вероятность появления параметра в рассматриваемой группе иерархии больше значения, равную 0,3. В результате вычислительных экспериментов по разработанному соискателем программно-математическому обеспечению ранжированы параметры, принимаемые к оптимизации (рис. 6). Здесь к первой группе параметров относятся энергетические и конструктивные параметры, которые оказывают наибольшее влияние на значение эксплуатационной массы УМП, ко второй и третьей группам - параметры, оказывающие существенное и малосущественное влияние. Различием между группами является отличающееся на порядок значение мгновенной скорости изменения параметра |Ф|. Так, для УМП эксплуатационной массой до 1 000 кг в первую группу вошли 10 параметров; от 1000 до 2000 кг - 4 параметра; от 2 000 до 3 000 кг - 4 параметра. Произошла смена положения каждого параметра внутри группы.
Во второй главе рассмотрена концепция (методы и средства) повышения эффективности УМП со сменными рабочими органами на уровне подсистем (привода, рабочего оборудования, движителя), а также машины в целом, базирующаяся на качественной и количественной оценке по безразмерным комплексам взаимосвязи основных параметров. Сложная структура взаимосвязей технико-эксплуатационных и конструктивных параметров УМП не позволяет обосновать однозначно эффективное решение ряда задач для ответа на закономерные вопросы, например: 1) какое влияние окажет изменение оптимизируемого параметра на другие энергетические и конструктивные параметры; 2) следует ли продолжить процесс оптимизации по другому параметру или ограничиться уже оптимизируемым ранее параметром; 3) какой именно из существующих конструктивных параметров следует оптимизировать в первую очередь и т. д. В данном случае предложена методология пространственно-временного моделирования с определением структуры математической модели УМП на основе анализа размерности. Здесь математическая постановка задачи не сводится только к моделированию в виде дифференциальных уравнений физического состояния с использованием методов классической механики и задач линейного и нелинейного программирования, а требует применения методов статистического анализа конструктивных и эксплуатационных параметров уже существующих образцов машин (учитывается априорная информация по параметрам моделей фирм-производителей).
Анализ основных направлений научных исследований по совершенствованию методов расчета технико-эксплуатационных и конструктивных параметров УМП, необходимых для целевой функции (критерия) оценки степени совершенства (эффективности), позволил определить методом анализа размерностей структуру математической модели в виде зависимости между безразмерными комбинациями, составленными из этих параметров. В обобщенной форме для УМП математическая модель взаимосвязи параметров записывается в виде Ф=Ф'(H, G, Z, Q, N), где H - показатель назначения, имеющий линейный размер, [H] = L; G - эксплуатационная масса машины, [G] = M; Z - грузоподъемность (грузоподъемная сила), [Z] = LMT-2; Q - производительность машины, [Q] = LMT-3 (для сменного рабочего оборудования циклического действия); N - установочная мощность двигателя, [N] = L2MT-3. Также применена размерность производительности [Q]=L3T-1 (для сменного оборудования непрерывного действия). Для учета физико-механических свойств разрабатываемого материала (грунта) принят удельный коэффициент сопротивления А в виде отношения силы воздействия на разрабатываемую среду к площади этого воздействия (энергоемкость разработки 1 м3 материала): [А]=L-1MT-2.
В соавторстве с В. П. Павловым разработаны зависимости для отдельных подсистем и машины в целом: критерии стоимости потерь мощности (руб./кВт) и потерь полезной удельной работы в цикле машины (руб.·Дж/кг). Критерии имеют вид , где Сi - стоимость i-гo агрегата (машины, сменного рабочего оборудования, рабочей жидкости и др.), i = 1, 2, ..., n; Pi - вероятность безотказной работы i-гo агрегата; Cэ i - затраты на эксплуатацию i-гo агрегата; N - мощность двигателя; - математическое ожидание КПД на режиме работы привода; kо.м - коэффициент отбора мощности; Vк - вместимость ковша, м3; ρр - объемная масса разрабатываемого материала, кг/м3; kн - расчетный коэффициент наполнения ковша; Тц - время цикла, с; kр- коэффициент разрыхления материала.
Условия оптимальности по критериям: → min, →min.
На уровне оценки всей машины в общей форме математическая модель взаимосвязи конструктивных параметров с учетом технико-экономического подобия на основе вышеперечисленных критериев формулируется в виде ; , где [] = RL-2M-1T3; С - стоимость машины или затраты на ее эксплуатацию, руб.; [С] = R; [Q] = MT-1; [] = RL2MT-2M-1. Для математического моделирования оптимизации параметров с учетом их взаимосвязи с параметрами рабочего процесса сформирована иерархическая структура показателей (табл. 1), позволяющих производить оценку технического уровня вновь проектируемых образцов.
Направления повышения эффективности УМП определяются при условиях стремления комплексов к своим предельным значениям с учетом ограничений, определяемых для каждого вида сменного рабочего оборудования и заданных условий эксплуатации:
πCA → min при πСN → min при πH, πZ, πG → mах при πN, πQ → mах при Таблица 1 - Структура математических моделей для оценки эффективности и технического уровня УМП
Иерархия безразмерных показателей качестваУчитываемый факторI уровеньСтоимость потерь полезной удельной работы в рабочем циклеII уровеньСтоимость потерь мощностиIII уровень Производительность для подъемно-транспортных и коммунальных работ Производительность при землеройно-транспортных работах Разработанные критериальные комплексы показывают качественную картину взаимосвязи параметров, а мультипликативная форма представления - противоречивость требований к конструкции универсальной машины. Тенденция развития конструктивных исполнений УМП учитывается путем прогнозирования численных значений безразмерных комплексов, при этом значения основных параметров рассчитываются по зависимостям вида: ; ; и др.
Используется понятие поля (математическое), где справедливы операции умножения, деления и т. д. В сложной системе (УМП) поля различны, так как параметры имеют разную размерность. Обосновывается необходимость применения безразмерных критериев взаимосвязи конструктивных параметров с целью приведения результатов оптимизации к математическим операциям, справедливым для обобщенного поля. Для определения характера изменений чувствительности безразмерных комплексов πН, πZ, πG, πN, πQ проведены исследования при условии, что изменение числового значения связано с изменением только одного из входящих в него параметров (табл. 2).
Связь приращения безразмерного комплекса с приращением параметра X записывается в виде где X0 - начальное значение параметра Х. Таблица 2 - Структура безразмерных комплексов
КомплексВид функцииF(G)F(Z)F(N)F(Q)F(H)F(A)πН--CN -1CQCH-πZCG -1/3CZCN -1CQ1/3CH 2/3-πGCG -1/3CZCN 1/3CQ -1CH 2/3-πN--CN -1CQ-CAπQCG -2/3-CN -1/3CQ -1CH 14/3CA Примечание. C - константа
После преобразований получено выражение на основании которого коэффициент эластичности Получены графики приращения и проведены исследования. Для расчета абсолютной погрешности значений безразмерных комплексов использована известная формула где Xi - значения i-го параметра; Δxi - погрешность вычисления. В результате дифференцирования разработаны формулы для расчета абсолютной погрешности безразмерных комплексов, например, для πH, πG, πZ: Проведены исследования влияния погрешностей отдельных технико-эксплуатационных и конструктивных параметров, входящих в формулы на значения погрешностей безразмерных критериальных комплексов. К примеру, по результатам исследования установлено (рис. 7), что критерии и на порядок менее чувствительны к погрешностям входящих в него параметров (значениях погрешностей в определении производительности машины ∆Q и удельной энергоемкости рабочего процесса ∆A). абРис. 7. Зависимости абсолютной погрешности от погрешностей определения значений производительности ∆Q и удельной энергоемкости рабочего процесса ∆A: а - безразмерного комплекса ; б - безразмерного комплекса Комплексы πH и πZ на порядок менее чувствительны комплекса πG к погрешностям в определении производительности машины ∆Q и установочной мощности двигателя ∆N. Это объясняется структурой комплекса πG, включающей параметры установочной мощности двигателя N (находится в числителе) и Q - производительности машины, находящейся в знаменателе. Комплекс πN на порядок менее чувствителен комплекса πQ. Это объясняется структурой комплекса πQ, включающей параметр линейного размера (например, дальность транспортирования, габарит машины, высота разгрузки ковша и др.).
Установлено, что повышение точности методик расчета параметров УМП обеспечивается путем формирования уравнений, отражающих физический процесс работы машины в безразмерном виде, где погрешность определяется самой единицей измерения, а погрешность уравнений принимается на основе результатов исследований.
На основании проведенных исследований значений безразмерных комплексов в среде Mathcad определены основные параметры, которые в наибольшей степени влияют на интегральный показатель оценки эффективности - приведенные удельные затраты Зп.уд, и возможные направления совершенствования конструктивной схемы: 1) увеличение грузоподъемной силы; 2) повышение производительности; 3) снижение материалоемкости; 4) повышение КПД подсистем привода; 5) расширение функциональных возможностей; 6) повышение тягового КПД движителя.
В третьей главе в соответствии со структурой безразмерных критериальных комплексов представлены математические модели оптимизации параметров. Формирование математической модели для отдельного параметра проводилось с учетом концепции повышения эффективности УМП за счет снижения энергоемкости процессов работы со сменным оборудованием.
Статистические исследования зависимости параметра установочной мощности двигателя от эксплуатационной массы УМП показали значительный разброс значений: например, при G = 1 000 кг - от 9 до 18 кВт; при G = 2 500 кг - от 22 до 44 кВт и т. п. От выбора мощности двигателя (энергонасыщенности) в значительной степени зависит оценка эффективности по энергетическим параметрам. В исследовании по выявленным функциям плотности распределения вероятностей проведен всесторонний анализ значений технико-эксплуатационных и конструктивных параметров. Для более точного учета энергозатрат отдельных технологических процессов разработаны безразмерные критериальные комплексы, связывающие энергетические параметры ДВС с параметрами рабочего процесса, которые имеют вид где Q - количество топлива на совершение работы, кг; Ne - эффективная мощность двигателя, Вт; А - удельная нагрузка, Н/м²; V - скорость машины, м/с; D - удельная теплота сгорания топлива, Дж/кг; S - путь, м.
При формировании целевых функций оптимизации массы подсистем объемного гидропривода использована методика, разработанная А. М. Матвеенко, доработанная соискателем с учетом применения четвертой теории прочности. В исследовании по оптимизации массы гидропривода применен критерий наибольших касательных напряжений (четвертая теория прочности). Расчеты по второй и третьей теориям прочности приводят к завышенному запасу прочности, по четвертой теории прочности - к минимальному. Существенные расхождения в результатах расчетов по третьей и четвертой теориям прочности прослеживаются на примере расчета толщины стенки трубопровода по авторскому программно-математическому обеспечению. В результате исследований выявлен значительный рост относительной погрешности (табл. 3) с ростом рабочего давления в трубопроводах, при этом погрешность по запасу прочности остается величиной постоянной, равной 13 %.
Таблица 3 - Относительная погрешность расчетов в зависимости от рабочего давления в трубопроводе
Рабочее давление, МПа1016253240505764Относительная погрешность, %1517192228438393 Разработаны эмпирические зависимости стоимости объемного гидропривода от его главного и основных параметров. Вид уравнения регрессии (применен программный продукт Data Fit) определен по значениям минимума стандартной и относительной ошибок аппроксимации, а надежность полученных результатов - по значению коэффициента детерминации R2. Фрагменты результатов проведенных исследований представлены на рис. 8, 9. Численные значения коэффициентов детерминации R2 показывают высокую надежность полученных результатов исследований. Разработана комплексная модель объемного КПД гидрообъемной трансмиссии на основе выявления функциональных связей: где Vн, Vм − рабочий объем насоса и гидромотора, [V0] - L3; nн, nм - частота вращения вала насоса и гидромотора, [n]=T−1; dтр, Lтр − диаметр и длина напорных трубопроводов, [d] = [L] = L; Mн - момент на валу гидромотора, [Mн]=ML2T−2; Pв, Рн, Pп - давление во всасывающем трубопроводе, напорном и подпитке, [Рв] = [Рн] = [Pп] = ML2T−2; Qп - подача насоса подпитки, [Qп]=L3T−1; ν − коэффициент кинематической вязкости, [ν]=L2T−1; ρ - плотность рабочей жидкости, [ρ] = ML−3. С учетом выявленных анализом размерностей функциональных связей получены критерии π3 = , π5 = . По экспериментальным данным (ММЗ им. М. И. Калинина) с использованием селекционных алгоритмов множественного группового учета аргументов разработаны эмпирические модели объемного КПД гидроагрегатов фирмы Rexroth, например для насосов A8V-55:
Вычислительными экспериментами установлено, что превалирующее влияние на величину объемного КПД оказывает частота вращения приводного вала насоса. Выявлены соотношения критериев π3 и π5, обеспечивающие максимум значений объемного КПД.
Рис. 8. Зависимость стоимости гидроцилиндров C (номинальное давление 16 МПа) от усилия на штоке T и длины хода поршня LРис. 9. Зависимость стоимости C
гидромоторов и гидронасосов от их массы m; C = m / (3,571 m + 3,657); R2 = 0,7203
Специфика компоновочного решения УМП определяет положение насосных агрегатов гидропривода и гидромоторов трансмиссии в закрытом капотом пространстве и затрудненностью конвективного теплообмена с окружающей средой. Здесь для обеспечения теплосъема обычно используют калориферы с принудительным обдувом. Учет влияния температуры рабочей жидкости на энергетические параметры объемного гидропривода проводился по разработанной модели теплового режима. Оценка теплового режима работы УМП проведена с использованием метода численного интегрирования классического уравнения теплового баланса.
Оптимизация параметров массы и КПД объемного гидропривода по величине рабочего давления при совершенствовании конструктивной схемы УМП отнесена к области нелинейной оптимизации, где решение в общем виде отсутствует. Экстремумы функций и найдены по разработанному программно-математическому продукту методом простых итераций.
В результате статистических исследований по программному продукту восстановления плотности вероятности P(t) получены формулы для оценки функции плотности вероятности: грузоподъемности, установочной мощности двигателя, вместимости основного ковша и параметров рабочего цикла (времени подъема и опускания стрелы). При проведении исследований перечисленных параметров значения главного параметра УМП приняты на трех интервалах: 700-1 500, 1 500-2 500 и 2 500-3 500 кг. Например, установочной мощности двигателя:
Полученные результаты позволили использовать обоснованные значения основных параметров при постановке оптимизационных задач исследования.
Повышение эффективности УМП за счет совершенствования конструкции движителя путем оснащения колес рабочими органами фрезерного типа, устанавливаемых под углом относительно направления движения машины, потребовало проведения исследований на разработанных физико-математических моделях, учитывающих неголономные и голономные связи, при изучении управляемости машины и параметров технологического процесса. Расчетная схема физико-математической модели с неголономными (не связанными геометрически) связями, (рис. 10), имеет следующие допущения: 1) плоскость движения машины горизонтальная; 2) математическая модель трения на всей поверхности движителя одинакова; 3) движители сцеплены абсолютно жесткими связями; 4) каждый из движителей имеет индивидуальный привод. Получены уравнения движения где m0 - масса машины; Jk - момент инерции колеса; J0 - момент инерции всей машины.
Собственный базис для k-го движителя (колеса) через угол поворота αk относительно внешней (интерциональной) системы координат представлен в виде Скорость точки касания k-го движителя с опорной поверхностью за счет его вращения записывается в виде где Rk - радиус k-го движителя.
Поступательная скорость k-го движителя выражена с учетом вращения всей машины через разложения и по внутреннему базису колеса: где . При этом и постоянны, т. е. не зависят от времени ( - обозначает скалярное произведение).
Скорость проскальзывания в точке касания колеса с поверхностью определена по формуле v0 - поступательная скорость всей системы; ω0 - угловая скорость всей машины; αk - угол поворота колеса (его системы координат) относительно внешнего наблюдателя (базис x, y);
rk - смещение центра колеса от центра масс машины; ik, јk - единичные векторы, образующие ортонормированный базис (внутреннюю систему координат) k-го колеса; τk - поступательная скорость колеса за счет вращения всей системы; ωk - угловая скорость k-го колеса; uk - скорость нижней точки колеса за счет его вращения; vk - скорость проскальзывания
Рис. 10. Расчетная схема УМП с изменяемой установкой движителей относительно направления движения
Используя дифференциальный оператор в виде где вектора ортонормированного базиса, а разложение по этому базису , получены производные квадрата модуля скорости проскальзывания от поступательной скорости всей машины угловой скорости
машины и каждого движителя Приращение энергии , вызванное трением скольжения, определено в виде где - энергия колеса на скольжение; ρk - функция мощности трения от квадрата модуля скорости. Для трения качения: где - функция мощности трения качения от квадрата угловой скорости. При моделировании случая сухого трения (сила трения не зависит от скорости) справедливы выражения: где γk - коэффициент трения скольжения; β - коэффициент трения качения. В случае вязкого трения применены уравнения: Для избежания разрыва функции сухого трения при моделировании добавлены уравнения "псевдосжижения" на малых скоростях вида , где ξk - коэффициент учета сухого и вязкого трения. При дифференцировании использованы следующие выражения: следовательно т. е. если тогда Аналогично доказывается следующее правило: если тогда
Для нахождения решения системы уравнений физико-математической модели по разработанному программно-математическому обеспечению (фрагмент исследований представлен на рис. 11) применен метод простых итераций для нелинейных функций в виде: Для исследования с учетом жесткости конструкции движителя, оснащенного рабочими органами в виде фрез для рыхления разрабатываемой среды, проведено моделирование УМП на основе принципа Д'Аламбера, согласно которому: где - заданная сила, приложенная к k-й точке механической системы; - реакция связей, приложенная к той же точке; - сила инерции этой точки, равная по модулю произведению массы этой точки на ее ускорение и направленная противоположно этому ускорению: На основании эквивалентной схемы (рис. 12) составлена система дифференциальных уравнений:
где mпр - приведенная масса колеса; Fп - сила перемещения машины; Fтр - сила трения; Fр - сила резания грунта, Rр - реакция силы резания грунта; β - демпфер; μ1 - угол наклона 4-го элемента к оси OX, μ2 = 180 - μ1; θ1 - угол наклона 1-го элемента к оси OX, θ2 = 180 - θ1; φ1 - угол наклона 5-го элемента к оси OX, φ2 =180 - φ1.
Для нахождения решения системы дифференциальных уравнений математической модели по разработанному программно-математическому обеспечению применен классический метод Рунге-Кутты-Мерсона.
а б Рис. 11. Результаты моделирования динамических процессов по программе Wheel: а - расчетные параметры; б - траектория движения центра масс УМП
а б
Рис. 12. Эквивалентная схема движителя УМП с закрепленными рабочими органами: а - одного колеса; б - машины
Исходными данными для расчета являются масса и момент инерции машины и движителей, координаты их центра масс, геометрические размеры и углы установки движителей относительно направления движения. Для каждого из движителей задаются силы сопротивления, коэффициенты жесткости и демпфирования, а состояние поверхности качения учитывается коэффициентами трения качения и скольжения. В четвертой главе представлены экспериментальные исследования, направленные на подтверждение теоретических положений за счет уточнения параметров математических моделей и оценки их адекватности для решения задач совершенствования конструкции движителя УМП и рационализации параметров отдельных подсистем машины. С целью установления возможного диапазона рациональных геометрических и кинематических параметров движителя, создающего значительные сдвигающие усилия и позволяющего рыхлить уплотненный материал на поверхности движения, создана физическая модель УМП (рис. 13, а), конструкция которой позволила варьировать углы установки движителя относительно направления движения и распределение нагрузки по осям.
Исследования проведены на автономном анализаторе спектра А19 U2 и программном обеспечении обработки результатов ZetLab. Для измерения значений параметров применены датчики силы АС-20.
а б Рис. 13. Исследование на физической модели: а - модель УМП в грунтовом канале; б - кратность k увеличения реализуемой мощности N в зависимости от угла установки движителя γ
По плану эксперимента на физической модели при варьировании угла установки рабочих органов фиксировались значения следующих параметров: Р - силы тяги, Н; V - скорости движения, м/с; а - виброускорения, 1/g; В - виброскорости, мм/с. Зависимость реализуемой мощности от угла установки движителя представлена на рис. 13, б.
Для уточнения параметров математических моделей: определения сил и моментов инерции и координат положения центра масс УМП (являются исходными данными и начальными условиями при математическом моделировании) в соответствии с разработанной программой и планом эксперимента проведены натурные испытания УМП Bobcat S300, Doosan 440 и Соболь (опытный образец).
Распределение нагрузок по осям УМП определялось по техническим данным фирм-производителей и путем взвешивания на платформенных весах МЕРА-ВТП-3-1-2-2. Силы инерции определялись на основе апробированного метода замещения массы машины системой из двух дискретных масс, которая подразумевает статическую замену на динамическую.
Для замера ускорений применены вибропреобразователи AP2028 и AP2038, устанавливаемые на корпусе машины над колесными движителями по бортам УМП.
Регистрация и обработка параметров ускорений машины для различных режимов эксплуатации по трем координатам Евклидового пространства проводилась на созданном автономном лабораторном стенде на базе 16-ти канального метрологического комплекса ВК-01 (ЗАО "Электронные технологии и метрологические системы"). Фрагмент результатов представлен на рис. 14.
Рис. 14. Фрагмент результатов замера значений ускорений УМП Bobcat S300 при наезде на препятствие
В результате замеров и обработки в программе ZetLab получены минимальные и максимальные значения ускорений каждого из датчиков, а также среднеквадратичное отклонение и математическое ожидание. В соответствии с уравнениями классической механики определялись значения и направления силового воздействия на движитель и координаты положения центра масс машины. Выявлены закономерности смещения центра масс при различных режимах нагружения. Расчетным путем определены динамическая жесткость и коэффициенты демпфирования. Установлена собственная частота колебаний исследуемых образцов. Относительная ошибка моделирования на физико-математической модели находится в допустимых пределах и составляет 14...19 %.
В пятой главе представлены основные результаты практической реализации концепции повышения эффективности УМП с учетом совершенствования конструкции и оптимизации параметров отдельных подсистем машины. Практическое решение выбора рациональных параметров конструкции УМП по разработанной методологии найдено в области сочетаний технико-эксплуатационных и конструктивных параметров машины, оснащенной рабочими органами циклического и непрерывного действия. Задача оптимизации, при учете сложного характера взаимосвязей с параметрами рабочего процесса, приведена к задаче изучения эластичности безразмерных критериев в области экстремумов значений этих параметров. Исследованиями установлено, что оптимальное сочетание параметров отдельных подсистем не гарантирует однозначную оптимальность конструкции по технико-экономическому (интегральному) критерию приведенных удельных затрат Зп.уд для всей машины.
В результате оптимизационных исследований (по разработанному программно-математическому обеспечению) массы, КПД и стоимости гидрообъемной трансмиссии, установлено, что для УМП эксплуатационной массой 1 500 - 2 500 кг при наиболее вероятном значении мощности N = 25 кВт оптимальное значение рабочего давления P по критерию ПCN (рис. 15) равно 25 МПа, по критерию КПД - 32 МПа, по критерию минимума массы привода - 50 МПа. Следовательно, можно сделать вывод, что максимальной эффективностью обладает гидрообъемная трансмиссия с рабочим давлением 25 МПа.
Рис. 15. Зависимость критерия оптимизации ПСN, массы и КПД от величины рабочего давления гидрообъемной трансмиссии мощностью 25 кВтРис. 16. Зависимость критерия оптимизации ПСN от величины рабочего давления P при различных значениях установочной мощности гидрообъемной трансмиссии Результаты оптимизации гидрообъемной трансмиссии, имеющей два регулируемых насоса и два нерегулируемых гидромотора при различном значении установочной мощности представлены на рис. 16. Характер изменения оптимальных значений рабочего давления (от 18 до 32 МПа при изменении значения установочной мощности гидрообъемной трансмиссии от 14 до 35 кВт, со стабилизацией уровня оптимального рабочего давления 32 МПа, при значениях установочной мощности 35-48 кВт) объясняется тем, что при заданном значении установочной мощности гидрообъемной трансмиссии с ростом рабочего давления происходит пропорциональное (подчиняющееся закону гиперболы) уменьшение подачи насосов и, как следствие, снижение потерь мощности на трение, уменьшаются утечки и перетечки рабочей жидкости. С увеличением установочной мощности наблюдается непропорциональный рост потерь мощности, за счет чего зона максимума КПД привода смещена в область более высокого давления. Параметр стоимости привода с ростом мощности также увеличивается.
По разработанной в среде Mathcad технико-экономической модели УМП со сменными рабочими органами (универсальный ковш, бульдозерный отвал, рыхлитель) и использовании критериев ПСN и ПСA для машины в целом получены результаты (рис. 17, 18), позволяющие сделать вывод о необходимости усовершенствования конструкции машин, обладающих малой эксплуатационной массой (до 2000 кг). Исследования по разработанным регрессионным зависимостям безразмерных комплексов πСN и πСA от параметров эксплуатационной массы G и установочной мощности N, полученных на основе статистических и расчетных данных по 50 моделям УМП выпускаемых фирмами-производителями, позволили конкретизировать область усовершенствования конструкций и рационализации параметров машин. Зависимости имеют вид:
абРис. 17. Зависимость критериев Зп.уд и πСN от эксплуатационной массы G машины и:
а - сменной производительности Q; б - установочной мощности двигателя N абРис.18. Зависимость критериев Зп.уд и πСA от эксплуатационной массы G машины и:
а - сменной производительности Q; б - установочной мощности двигателя N а б в
Рис. 19. Зависимость приведенных удельных затрат Зп.уд от эксплуатационной массы G и стоимости машино-часа Сч работы УМП: а - с погрузочным рабочим оборудованием; б - с бульдозерным рабочим оборудованием; в - с рыхлительным рабочим оборудованием
Расчеты значений показателя приведенных удельных затрат Зп.уд. проведены для УМП эксплуатационной массой от 500 до 5 000 кг и установочной мощностью двигателя от 12 до 84 кВт, соответственно.
Основные результаты исследований экономической эффективности для различных видов сменного рабочего оборудования представлены на рис. 19. Стоимость машино-часа Сч зависит от типоразмера машины (т. е. эксплуатационной массы). Безусловно, расчетные значения Зп.уд. зависят от параметров исследуемых типоразмеров машин, а также физико-механических показателей разрабатываемой среды (удельной энергоемкости) и условий эксплуатации.
Проведен анализ экономической эффективности внедрения результатов инженерных разработок, новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами, в промышленность. Суммарный годовой экономический эффект составил более 2 500 тыс. руб.
Перспективным направлением дальнейших исследований является создание автоматизированных методов и технических средств (в виде бортовых компьютерных систем) управления режимами работы двигателя, гидрообъемного привода и адаптивной конструкции УМП, которые позволят контролировать и изменять, в целях максимизации эффективности, параметры технологических процессов, выполняемых сменным рабочим оборудованием в различных условиях эксплуатации.
Выводы и основные результаты
Дальнейшее развитие конструктивных исполнений, вызванное необходимостью создания эффективных моделей УМП, потребовало разработки теоретических методов определения взаимосвязи технико-эксплуатационных и конструктивных параметров подсистем машины и выявления закономерностей взаимодействия сменных рабочих органов со средой. В результате проведенных исследований получены научно обоснованные технические решения (на уровне изобретений), позволяющие сформулировать новые направления совершенствования конструкции.
1. На основании проведенного анализа моделей УМП, поставляемых на рынок фирмами-производителями (период ретроспекции - более 40 лет), разработана классификация машин данного класса по конструктивным признакам.
2. На основе вычислительных экспериментов получены уравнения взаимосвязи 22 конструктивных параметров (определяющие их средневероятные значения) с главным параметром УМП. В качестве главного параметра УМП обосновано использование параметра "эксплуатационная масса", который лучше других определяет типоразмер и потенциальные возможности машины в заданных технологических условиях, а также оказывает прямое влияние на большинство технико-эксплуатационных и конструктивных параметров.
3. Разработана методика формирования математической модели для оценки технического уровня машины, учитывающая детерминированные и стохастические данные (априорная и апостериорная информация) по рабочим процессам УМП, базирующаяся на безразмерных критериях. Данная методика создает предпосылки к адекватному моделированию машины со сменными рабочими органами циклического и непрерывного действия. Методика включает три уровня анализа моделируемых технологических процессов: I - комплекс учитывающий стоимость потерь полезной удельной работы в технологическом цикле; II - комплекс учитывающий стоимость потерь мощности; III - комплексы πH, πZ, πG, учитывающие производительность для подъемно-транспортных и коммунальных технологических операций, а также комплексыπN, πQ, учитывающие производительность при землеройно-транспортных работах.
4. На основе предложенного подхода и анализа погрешностей (относительной и абсолютной) безразмерных комплексов взаимосвязи технико-эксплуатационных и конструктивных параметров УМП получены результаты, позволяющие обоснованно констатировать, что комплексы , , πH, πZ, πG, πN, πQ являются устойчивыми по отношению к погрешностям исходных данных, а также обладают способностью нивелировать эти погрешности (свойство робастности) и, как следствие, повышать точность и достоверность результатов при формировании (по выработанным рекомендациям) пространственно-временных математических моделей УМП.
5. В соответствии с разработанной концепцией созданы математические модели взаимодействия колесного движителя с изменяемым углом установки рабочих органов относительно направления движения УМП с учетом неголономных связей: в виде системы нелинейных уравнений для отдельного рабочего органа и машины в целом, решаемой методом простых итераций и позволяющей моделировать процесс движения машины (траекторию в плане) и приращение скоростей рабочих органов; взаимодействия рабочих органов, монтируемых на пневмоколесном движителе, с учетом голономных связей: в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка, решаемой по методу Рунге-Кутты-Мерсона.
6. Экспериментальные исследования динамических процессов (моделей Bobcat S300, Doosan 440, Соболь) на измерительно-вычислительном комплексе, проводившиеся синхронно по трем координатам евклидова пространства, позволили установить реальные силовые факторы нагружения конструкции УМП.
7. На основании анализа опыта конструирования отечественных и зарубежных фирм-производителей УМП, результатов экспериментальных исследований (МАДИ, г. Москва; СФУ, г. Красноярск), функционально-стоимостного и статистического анализа машин по удельным показателям качества усовершенствованы на уровне изобретений (для расширения функциональных возможностей) конструкции подсистем машины: грузоподъемного механизма в виде универсального ковша (грейфера), закрепленного шарнирно на гидроцилиндрах, выполняющих функцию стрелы; движителя с изменяемым углом установки колес (относительно направления движения машины), оснащаемых фрезерным рабочим оборудованием для рыхления поверхности дорог и тротуаров; универсальной рамы, позволяющей изменять соотношение размеров колеи и базы, имеющей подвижный противовес; объемного гидропривода трансмиссии и рабочего оборудования.
8. На основе разработанной технико-экономической модели оценки экономической эффективности решена задача определения оптимальных значений эксплуатационной массы УМП. Установлено, что усовершенствованию рабочего оборудования, подсистем привода и пневмоколесного движителя, должны подлежать конструкции машин самых малых типоразмеров, эксплуатационной массой до 2 000 кг.
Положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях по списку ВАК
1. Минин, В.В. Исследование влияния массы универсальных малогабаритных погрузчиков на эффективность их эксплуатации [Электронный ресурс] / В. В. Минин, Д. Д. Никонов // Электронный научно-инновационный журнал "Инженерный вестник Дона". - 2011. - № 4. - режим доступа : http : //www.ivdon.ru
2. 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.
3. Минин, В. В. Коэффициент полезного действия гидрообъемной трансмиссии малогабаритного погрузчика / В. В. Минин // Известия вузов. Поволжский регион. Технические науки. Т. 2. Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2010. - С. 113-120.
4. 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
5. Минин, В. В. Метод расчета эксплуатационных параметров универсальных малогабаритных погрузчиков [Электронный ресурс] / В. В. Минин, Д. Д. Никонов // Наука и образование : электронное научно-техническое издание / МГТУ им. Баумана. - 2011. - № 10. - режим доступа : http://technomag.edu.ru
6. Минин, В. В. Методика выбора оптимизируемых параметров универсальных малогабаритных погрузчиков / В. В. Минин // Известия Самарского научного центра РАН. Т. 12 (33), № 1 (2). Темат. вып. Машиностроение. - Самара, 2010. - С. 449-452.
7. Минин, В. В. Моделирование эксплуатационных параметров малогабаритных погрузчиков // Известия Томск. политехн. ун-та. Т. 316, № 2. Темат. вып. Математика и механика. Физика. - Томск : Изд-во ТПУ, 2010. - С. 20-23.
8. Минин, В. В. Оптимизация параметров гидропривода малогабаритных погрузчиков / В. В. Минин, В. П. Павлов // Строительные и дор. машины. - 2010. - № 7. - С. 34-37.
9. Минин, В. В. Оценка погрешностей расчета параметров универсальных малогабаритных погрузчиков с бортовым поворотом [Электронный ресурс] / В. В. Минин, М. В. Носков // Электронный научно-инновационный журнал "Инженерный вестник Дона". - 2010. - № 4. - режим доступа : http : //www.ivdon.ru
10. 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. 70-75.
Монографии
11. Минин В. В. Концепция повышения эффективности универсальных малогабаритных погрузчиков : монография / В. В. Минин. - Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. - 304 с.
12. Минин, В. В. Оптимизация параметров привода малогабаритных погрузчиков : монография / В. В. Минин, Г. С. Мирзоян. - Красноярск : Изд-во Краснояр. ун-та, 1987. - 160 с.
Другие научные публикации
13. Минин, В. В. Возможные пути уменьшения вылета рабочего оборудования универсального малогабаритного погрузчика (статья) / В. В. Минин, Г. С. Гришко // Механика ХХI века : сб. докладов II межрегиональной с медунар. участием науч.-техн. конф. БрГТУ. - Братск, 2002. - С. 121-123.
14. Минин, В. В. Исследование типоразмерного ряда универсальных малогабаритных погрузчиков / В. В. Минин, Я. И. Сорокин // Политранспортные системы : материалы Материалы V Всеросс. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Красноярск : СФУ, 2007. - С. 362-363.
15. Минин, В. В. Исследование энергопотребления погрузчика со сменным рабочим оборудованием лебедки / В. В. Минин // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., 12-13 мая 2009 г. - Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 2009. - С. 149-153.
16. Минин, В. В. Исследования взаимодействия ходового устройства в виде фрез с опорной поверхностью / В. В. Минин, А. С. Хроник, В. С. Кизим // Механика ХХI века : II межрегиональная с медунар. участием науч.- техн. конф. БрГТУ. - Братск, 2002. - С. 116-121.
17. Минин, В. В. Математическое моделирование материалоемкости универсальных малогабаритных погрузчиков / В. В. Минин // Совершенствование строительных машин для условий Сибири и Севера : межвуз. сб. тр. - Красноярск : КрПИ, 1988. -
С. 33-35.
18. Минин, В. В. Оценка технического уровня машин непрерывного действия в САПР / В. В. Минин // Транспортные средства Сибири : межвуз. сб. науч. тр. с междунар. участием. - Красноярск : КГТУ, 1995. - С. 353-354.
19. Минин, В. В. Оценка технического уровня машин циклического действия в САПР / В. В. Минин // Повышение надежности эксплуатации строительных машин на основе контроля качества смазочных материалов и внедрения избирательного переноса : сб. науч. тр. / КрасноярПромстройНИИпроект. - Красноярск, 1989. - С. 92-97.
20. 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.
21. Минин, В. В. Прогнозирование развития универсальных малогабаритных погрузчиков / В. В. Минин, Г. С. Гришко // Транспортные средства Сибири : межвуз. сб. науч. тр. с междунар. участием. - Красноярск : КГТУ, 1998. - Вып. 4. - С. 304-306.
22. Минин, В. В. Пространственно-временное моделирование строительно-дорожных и подъемно-транспортных машин на основе апостериорной информации / В. В. Минин // Вестн. Краснояр. гос. техн. ун-та. - Красноярск, 1996. - Вып. 1. - С. 111-114.
23. Минин, В. В. Ресурсосберегающие технологии удаления снежно-ледяных образований универсальным малогабаритным погрузчиком / В. В. Минин, Я. И. Сорокин // Проблемы и перспективы развития евроазиатских транспортных систем : материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 2009. - С. 118-121.
24. Минин, В. В. Эффективность конструкции погрузчика со стабилизатором рабочего органа / В. В. Минин, Г. С. Гришко // Механика ХХI века : II межрегиональная с медунар. участием науч.- техн. конф. БрГТУ. - Братск, 2002. - С. 123-124.
25. Мирзоян, Г. С. Оценка эксплуатационной эффективности гидрообъемного привода землеройных машин / Г. С. Мирзоян, В. В. Минин // Оптимизация процессов эксплуатации строит. и дор. машин; МАДИ. - М., 1983. - С. 80-85.
26. Мирзоян, Г. С. Программа расчета систем объемного гидропривода дорожных машин / Г. С. Мирзоян, В. В. Минин // Совершенствование методов расчета дор. машин. - М., 1983. - С. 98-102.
27. Экспериментальные исследования скалывателей снежно-ледяных образований / В. В. Минин, М. И. Артемьев, Я. И. Сорокин, П. В. Ковалевич, А. В. Ладычко // Политранспортные системы Сибири : материалы VI Всерос. науч.-техн. конф., Новосибирск, 21-23 апр. 2009 г. : в 2 ч. Ч. 2. - Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2009. - С. 30-32.
Учебные пособия с грифом УМО
28. Машины для строительства и содержания дорог и аэродромов: исследование, расчет, конструирование : учеб. пособие / В. П. Павлов, В. В. Минин, В. А. Байкалов, М. И. Артемьев. - Красноярск : ИПК СФУ, 2010. - 206 c. 29. Рабочее оборудование универсальных малогабаритных погрузчиков. Исследования и анализ конструкций : учеб. пособие / Г. С. Гришко, В. В. Минин. - Красноярск: ИПК СФУ, 2010. - 200 с. 30. Испытания и диагностика строительных и дорожных машин : лабораторный практикум : учеб. пособие / В. А. Байкалов, В. В. Минин. - Красноярск : ИПК СФУ, 2011. - 100 с.
Авторские свидетельства и патенты
31. Патент РФ. № 105633 Е01Н 5/00 Устройство для рыхления и скалывания снежно-ледяных образований на дорожных покрытиях / Ковалевич П. В., Минин В. В., Артемьев М. И. // 20.06.2011. Бюллетень № 17.
32. А. с. 116484 СССР. МКИ3 15 В 20/00. Гидравлический компенсатор / Абрамов А. Н., Павлов В. П., Минин В. В. - Опубл. в Б. И., 1985. № 11.
33. А. с. 1190371 СССР. МКИ3 05 23/00. Устройство для регулирования температуры рабочей жидкости/ Мирзоян Г. С., Минин В. В., Васильев С. И., Любушкин О. И. - Опубл. в Б. И., 1985. № 41.
34. А. с. 14024444/СССР/ Транспортное средство. Опубл. в Б.И., 1988, № 22. Минин В.В., Ермилов А.Б., Кузьмин В.В., Ширяев В.А., Ушаков М.Г.
35. А. с. 1413303/СССР/ Гидробак. Опубл. в Б.И., 1988, № 28. Минин В. В., Павлов В. П., Назаров Г. Г., Байкалов В. А.
36. А. с. 1442768/СССР/ Гидрообъемная трансмиссия. Опубл. в Б.И., 1988, № 45. Минин В. В., Мирзоян Г. С., Минина И. В., Шарый В. И., Любушкин О. И.
37. А. с. 1488395/СССР/ Рабочее оборудование. Опубл. в Б.И., 1989, № 23. Минин В. В., Павлов В.П.,Назаров Г.Г., Байкалов В.А.
38. А. с. 1530829/СССР/ Гидросистема. Опубл. в Б.И., 1989, № 47. Минин В. В., Павлов В. П., Назаров Г. Г., Минина И. В.
39. А. с. 1614947/СССР/Транспортное средство. Опубл. в Б.И., 1990,№ 37. Минин В. В., Ермилов А. Б.
40. А. с. 1671788 СССР, МКИ E 02 F 3/76, 9/22. Землеройная машина с короткобазовым шасси/ В. В. Минин, Г. С. Мирзоян, В. П. Павлов, В. А. Байкалов - Бюл. № 31. - 1991. 41. А. с. 883577 СССР, МКИ3 15 В 13/02. Система регулирования температуры рабочей жидкости гидропривода/ Каверзин С. В., Минин В. В., Васильев С. И., Мальцев В. А., Павлов В. П. - Опубл. в Б. И., 1981. № 43.
42. А. с. 909373 СССР. МКИ3 15 В 13/02. Система регулирования температуры рабочей жидкости гидропривода/ В. В. Минин, С. В. Каверзин, В. П. Павлов, В. А. Мальцев. - Опубл. в В. И. 1982. № 8. 1
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
280
Размер файла
3 774 Кб
Теги
Докторская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа