Оптимизация параметров карьерных автосамосвалов для повышения их технического уровня
На правах рукописи
Басманов Сергей Владимирович ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ КАРЬЕРНЫХ АВТОСАМОСВАЛОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ Специальность 05.05.06 – Горные машины
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово 2012 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачёва».
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Воронов Юрий Евгеньевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, доцент Захаров Александр Юрьевич кандидат технических наук, доцент Донцова Татьяна Валентиновна Ведущая организация – новационная фирма «Кузбасс-НИИОГР»
Защита диссертации состоится 20 июня 2012 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Федеральном государственном бюд жетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачё ва» по адресу:
650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, Факс: (3842) 36-16-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государ ственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессиональ ного образования «Кузбасский государственный технический университет име ни Т.Ф. Горбачёва».
Автореферат разослан «10» мая 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета А.Г. Захарова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Решение задач технического перевооружения предприятий открытой угледобычи неразрывно связано с дальнейшим развити ем и совершенствованием карьерной автотранспортной техники. От качества выполнения транспортных работ зависят технико-экономические показатели добычи в целом, поскольку транспортные затраты составляют сегодня свыше половины общих затрат на добычу полезного ископаемого.
Рост грузоподъёмности автосамосвалов, что является основной тенденци ей развития карьерного автотранспорта, не сопровождается, однако, соответ ствующим ростом производительности машин и улучшением других каче ственных показателей их использования. Техническая политика при создании карьерных автосамосвалов все большей грузоподъёмности, ориентированная лишь на дальнейшую модернизацию уже имеющихся конструкций без суще ственных качественных изменений, себя изжила. Эволюционный путь развития карьерного автотранспорта, принятый разработчиками, а также эмпирический подход при проектировании не даст серьезных качественных изменений в бу дущем. Энерговооруженность новых горных транспортных машин должна быть повышена, снижена собственная масса карьерных автосамосвалов, повы шены надежность и долговечность, сбалансированы параметры, повышен тех нический уровень. Повышение технического уровня вновь создаваемой авто транспортной техники для открытых горных разработок (ОГР) может быть до стигнуто, прежде всего, за счёт оптимального согласования параметров, харак теризующих взаимодействие узлов, агрегатов и систем карьерных автосамосва лов как между собой, так и с окружающей горной средой. Для этого карьерный автосамосвал при проектировании следует рассматривать как сложный техни ческий комплекс в составе общей горнотранспортной системы ОГР.
Этот круг вопросов по существу связан с проблемой повышения техниче ского уровня и качества промышленной продукции, решению которой в насто ящее время уделяется большое внимание.
Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.
Диссертационная работа выполнена по результатам НИР «Повышение технического уровня и качества машин для подземных и открытых горных ра бот», тема № 984-98, по единому заказ-наряду, утвержденному Государствен ным комитетом по высшей школе России в рамках Головного Совета «Горные науки», а также хоздоговорных работ с горнодобывающими предприятиями Кузбасса (например, договор № 401-2005 от 01 июля 2005 г. «Исследование и оптимизация рабочих процессов и параметров карьерных автосамосвалов» для ОАО «Южный Кузбасс»).
Цель работы – разработка теоретических методов оптимизации парамет ров карьерных автосамосвалов для повышения их технического уровня.
Идея работы заключается в оптимальном согласовании показателей тех нического уровня и параметров автосамосвалов посредством системного анали за существующих взаимосвязей между ними.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
1. Разработка методики комплексной оценки технического уровня карь ерных автосамосвалов.
2. Сравнительная оценка технического уровня существующих машин и выявление перспективных направлений и методов его повышения.
3. Разработка на базе системного подхода и методов комплексной оценки методики оптимизации показателей технического уровня по критерию каче ства.
4. Оптимизация единичных показателей технического уровня и синтез из них оптимальных параметров карьерных автосамосвалов.
Методы исследований. При выполнении работы использовались как общенаучные, так и специальные методы исследований, включая научное обобщение, методы комплексной оценки технического уровня, математическое моделирование и аппарат линейного программирования. Для отыскания зави симостей математической модели оптимизации в качестве основных приняты методы статистической обработки параметров больших групп карьерных авто самосвалов, математического экспериментирования, анализа и синтеза.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель оптимизации параметров карьерных автосамо свалов в виде уравнений регрессионного анализа, непосредственно связываю щих выходные эксплуатационные показатели с оптимизируемыми параметра ми, отличающаяся тем, что в качестве критерия оптимизации использованы обобщённые оценки технического уровня, а в качестве оптимизируемых пара метров – его единичные показатели.
2. Регрессионные модели взаимосвязей между обобщённым и единичны ми показателями технического уровня, а также между параметрами карьерных автосамосвалов являются линейными, причём наибольший рост качества дает увеличение удельной мощности двигателя (энерговооружённости автосамосва ла), снижение коэффициента тары, увеличение ресурсного пробега.
3. Увеличение энерговооруженности карьерного автосамосвала не менее чем до 8,3 кВт/т;
снижение коэффициента тары не менее чем до 0,660;
увеличе ние величины 90%-го ресурсного пробега не менее чем до 630 тыс. км. позво ляет достигнуть максимальных значений обобщённого показателя технического уровня.
4. Синтез оптимальных параметров производится исходя из условия обеспечения оптимальности функционирования карьерного автосамосвала в целом с учётом существующих оптимальных взаимосвязей параметров между собой.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и ре комендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается выбором представительных критериев, обусловливающих технический уровень карьер ных автосамосвалов, достаточным объёмом теоретических исследований, вы полненных с применением апробированных методов математической статисти ки, системного анализа, элементов теории множеств, планирования и объёмом математических экспериментов, что позволяет делать выводы с доверительной вероятностью не ниже 95%.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
- впервые разработана методика комплексной оценки технического уровня, отличающаяся специфическим для карьерных автосамосвалов функци ональным критерием, который учитывает особенности автосамосвалов как гор нотранспортных машин, и единичные показатели, номенклатура которых опре делена степенью влияния их на производительность автосамосвала;
- впервые разработан алгоритм выбора приоритетных направлений по вышения технического уровня карьерной автотранспортной техники, основан ный на сравнительном анализе его единичных показателей;
- впервые установлены регрессионные модели взаимосвязей между пока зателями технического уровня и параметрами карьерных автосамосвалов;
- на базе методов комплексной оценки технического уровня и элементов системного анализа впервые разработаны математические модели оптимизации показателей технического уровня карьерных автосамосвалов;
- создан метод синтеза оптимальных параметров карьерных автосамосва лов, основанный на обеспечении оптимальности функционирования автосамо свала в целом с учётом оптимальных взаимосвязей их между собой.
Личный вклад автора заключается: в определении цели и постановке за дач исследования и разработке методов их решения;
в разработке методик ком плексной оценки технического уровня и оптимизации параметров карьерных автосамосвалов. В рамках отдельных разделов диссертации личный вклад авто ра состоит в установлении закономерностей формирования и регрессионных моделей взаимосвязей между параметрами карьерных автосамосвалов, а также между обобщённым и единичными показателями технического уровня;
в разра ботке алгоритма выбора перспективных направлений его повышения.
Научное значение работы состоит в разработке нового подхода к опти мизации параметров карьерных автосамосвалов, который базируется на исполь зовании в качестве критерия оптимизации обобщённых оценок технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров – его единичных показателей.
Научные положения, разработанные в диссертации, способствуют созда нию и совершенствованию эффективных методов оптимизации не только карь ерного автотранспорта, но и горных машин другого технологического назначе ния.
Практическая ценность заключается в разработке механизма объектив ной оценки принимаемых решений на самых ранних стадиях проектирования карьерных автосамосвалов и комплекса методик для его реализации. Разрабо танный аппарат оптимизации параметров карьерных автосамосвалов позволяет расширить за счёт оптимального согласования параметров функциональные и эксплуатационные возможности машин.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные научные ре зультаты работы внедрены в научно-исследовательских, проектных (НФ «Кузбасс-НИИОГР») и учебных (ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет») институтах, дилерских (ООО «БелАвтоСиб») и экс плуатирующих (ОАО УК«Южный Кузбасс») организациях. Материалы диссер тации переданы заводу-изготовителю карьерных автосамосвалов (ПО «Бе лАЗ»). К их числу относятся методические материалы по оценке технического уровня и расчету оптимальных параметров карьерных автосамосвалов, пакеты прикладных программ, рекомендации по увеличению энерговооруженности вновь создаваемой автотранспортной техники семейства БелАЗ, разделы лек ционных курсов.
Апробация работы. Работа и её отдельные части докладывались и полу чили одобрение на ежегодных научно-технических конференциях ФБГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет» (г. Кемерово, 2006 – 2011 гг.), на IV Всероссийской научно-технической конференции «Политранс портные системы» (г. Красноярск, 2006 г.), на Международной научно-прак тической конференции по карьерному транспорту (г. Екатеринбург, 2007 г.), на Международной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин» (г. Тюмень, 2007 г.), на I Всероссийской научно-технической конференции «Современные пути разви тия машиностроения и автотранспорта Кузбасса» (г. Кемерово, 2007 г.), на 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством об разования, продукции и окружающей среды» (г. Бийск, 2008 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 работы – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 204 страницах, содержит 23 рисунка, таблицы, список литературы из 110 наименований, 4 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Современное состояние и проблемы карьерного автомобильного транспорта Большие объёмы горной массы на разрезах, транспортируемой карьер ным автомобильным транспортом, непосредственное влияние процесса транс портирования на темпы открытой угледобычи и его высокая трудоёмкость обу словливают постоянное ведение широкомасштабных работ по совершенствова нию средств карьерного автомобильного транспорта.
Значительный вклад в развитие теории и практики использования авто мобильного транспорта на открытых горных разработках (ОГР) внесли М.В.
Васильев, А.А. Кулешов, А.Н. Казарез, Н.В. Мельников, М.Г. Потапов, В.В.Ржевский, В.П. Смирнов, И.М. Циперфин, В.Д. Штейн, Б.Я. Яковенко и др.
Они в своих работах определили область рационального использования авто мобильного транспорта на ОГР, обобщили опыт его работы, отразили вопросы технико-экономического анализа эффективности применения автосамосвалов на открытых горнодобывающих предприятиях.
Одной из крупнейших в мире фирм, выпускающих карьерные автосамо свалы, является производственное объединение «Белорусский автомобильный завод» (ПО «БелАЗ», Республика Беларусь). Основной объём производства со ставляют карьерные автосамосвалы грузоподъёмностью от 30 до 360 т. За всё время существования ПО «БелАЗ» его специалисты постоянно работают над совершенствованием конструкции выпускаемых самосвалов. В этой связи сле дует назвать фамилии П.А. Пархомчика, А.Н. Егорова, С.И. Коростелёва, О.Г.
Степука, М.М. Заболоцкого, В.В. Загорского, Н.В. Бигеля, Г.В. Разумова, П.И.
Тарасова, А.С. Урбановича, Е.В. Яцевича и др. Их проектно-конструкторские разработки создали хорошие условия для оснащения карьеров высокопроизво дительной автотранспортной техникой.
Однако в последние годы проектировщики столкнулись с тем, что рост грузоподъёмности карьерных автосамосвалов уже не сопровождается пропор циональным ростом производительности и улучшением других качественных показателей. Не снижается коэффициент тары, недостаточной является энерго вооружённость автосамосвалов, остаётся достаточно низким ресурсный пробег, не повышается технический уровень. Неуклонно растут только затраты на про изводство и эксплуатацию машин. Связано это с тем, что теория проектирова ния горных машин (в том числе и карьерных автосамосвалов) в настоящее вре мя разработана недостаточно. Основы такой теории заложены в работах Б.А.
Александрова, В.Д. Буткина, Ю.Е. Воронова, Б.Л. Герике, В.Д. Елманова, Л.И.
Кантовича, А.Н. Коршунова, Б.Н. Кутузова, Л.Е. Маметьева, В.И. Нестерова, В.А. Перетолчина, Р.Ю. Подэрни, Я.М. Радкевича, М.С. Сафохина, Н.М. Скор някова, В.И. Солода, Г.И. Солода, Г.Ш. Хазановича и др., однако в аппарате проектирования карьерных автосамосвалов отсутствуют процедуры синтеза оп тимальных решений. Лежащий в основе такого синтеза системный подход при проектировании карьерных автосамосвалов и оптимизации их параметров до настоящего времени практически не использовался.
2. Комплексная оценка технического уровня карьерных автосамосвалов Для оценки технического уровня и качества горных машин, в том числе и карьерной автотранспортной техники, наиболее приемлемым аналогом являет ся методика безэкспертной оценки, позволяющая оценивать функционально однородные машины различных типов, моделей и конструктивных исполнений, получившая название методики Г.И. Солода. При этом под техническим уров нем понимается уровень качества автосамосвала на стадии разработки техниче ского задания на его проектирование.
Являющийся основой этой методики функциональный критерий, исходя из системного подхода, представляется как произведение производительности автосамосвала ПТ на удельную энергию транспортирования горной массы W:
= W.ПТ. (1) Удельная энергия транспортирования может быть определена по впервые полученной автором зависимости (кДж/т.км):
g[ f + i (2k + 1)] c max W= T (2), 1+ i max где fc – коэффициент сопротивления качению автосамосвала по дороге;
imax – предельный уклон преодолеваемого карьерным автосамосвалом подъёма;
kT = та / тгр – коэффициент тары (тгр, та – грузоподъёмность и собственная масса автосамосвала, т);
g гравитационное ускорение, м/с2.
Для оценки технического уровня существующих автосамосвалов и при проектировании новой техники при определении функционального критерия следует использовать значения расчётно-теоретической производительности.
Кроме этого, для получения сопоставимых результатов необходимо исключить влияние грузоподъёмности на функциональный критерий. Поэтому целесооб разно использовать производительность одной авто-тонны (удельную произво дительность автосамосвала) (т.км/т.ч):
1 + imax уд ПТ у = 0,56 N дв (1 + kT ), (3) g[imax + f c (2kT + 1)] где Nдвуд = Nдв / (та + тгр) – удельная мощность двигателя (энерговооружён ность автосамосвала), кВт/т.
Окончательная зависимость для расчёта функционального критерия име ет вид (кВт/т):
f + i (2k + 1) уд l = 0,56 N дв (1 + kT ) c max T. (4) imax + f c (2kT + 1) Другим важным вопросом оценки является обоснованный выбор необхо димой и достаточной номенклатуры показателей, определяющих технический уровень карьерных автосамосвалов. Номенклатура показателей, в наибольшей степени определяющих технический уровень автосамосвалов, выбирается из исходной номенклатуры в результате детального анализа его рабочих процес сов с дальнейшей проверкой их на согласованность (прямую взаимозависи мость) и представительность (степень влияния на технический уровень в зави симости от цели его оценки). В итоге получен следующий комплекс показате лей технического уровня карьерных автосамосвалов (рис.1).
Представленные показатели доступны для определения на самых ранних стадиях проектирования автосамосвала. Как и требуют принципы квалиметрии, в зависимости от конкретных условий и требований, возможно введение до полнительных показателей. Комплексная оценка технического уровня осу ществляется по единичным (qij) и суммирующему их обобщённому (ki) показа телям по формулам методики Г.И. Солода.
Таким образом, основой для научно-обоснованного выбора приоритет ных направлений повышения технического уровня карьерных автосамосвалов являются: специфический функциональный критерий, отражающий взаимодей ствие элементов системы «горная масса – автосамосвал – дорога», и специфи ческий комплекс показателей, выбираемых в зависимости от степени влияния тгруд rк Ек тгр kМ та Vг l Jmax gТ Lx Eб Rmin Rпр lб Тр Рис.1. Комплекс показателей технического уровня карьерных автосамосвалов – функциональный критерий, кВт/т;
тгруд = тгр / Ек – удельная грузоподъёмность авто самосвала, т/м3;
kМ = М / тб – коэффициент массы (сравнительная материалоёмкость) ав тосамосвала;
к = та / Vг – плотность компоновки, т/м3;
Lx = 100Еб / gT – запас хода по топливу, км;
Rпр = Rmin / lб – приведённый радиус поворота;
Jmax – максимальная ско рость движения автосамосвала, км/ч;
Тр – установленный ресурс (пробег) автосамосвала, км;
тгр – грузоподъёмность автосамосвала,т;
Ек – вместимость кузова, м3;
та – снаряженная масса автосамосвала, т;
Vг – габаритный объём (произведение длины, ширины и высоты) автосамосвала, м3;
Еб – ёмкость топливных баков, л;
gТ – линейный расход топлива, л/ км;
Rmin – минимальный радиус поворота, м;
lб – база автомобиля, м;
М = та + тгр – пол ная масса автосамосвала, т;
тб = (0,212Nдв - 8,4), т – средневзвешенная (базовая) масса ав тосамосвала (масса, соответствующая установленной мощности двигателя Nдв).
их на производительность карьерного автосамосвала.
Разработанная методика позволяет оценивать технический уровень карь ерных автосамосвалов, на основе чего выбирать наиболее перспективные моде ли, а также иметь на стадии проектирования объективные количественные оценки принимаемых решений. В этом качестве она принята к практическому использованию новационной фирмой «Кузбасс-НИИОГР», ООО «БелАвто Сиб», ОАО УК«Южный Кузбасс» и передана РУПП «БелАЗ».
По выбранным показателям в работе произведена сравнительная оценка технического уровня 22 моделей карьерных автосамосвалов, 14 из которых – Белорусского автозавода, восемь – зарубежные фирм «Caterpillar» (шесть), «Komatsu» (один) и «Unit Rig» (один). Эта группа охватывает весь диапазон грузоподъёмностей автосамосвалов, выпускающихся в мире (от 30 до 320 т).
Сравнение автосамосвалов при этом производится в сопоставимых условиях.
Общий анализ результатов расчёта обобщённого показателя технического уровня карьерных автосамосвалов показывает, что у всех 22 машин он выше значения 0,5 (рис. 2). Это свидетельствует об общем достаточно высоком тех ническом уровне всех карьерных автосамосвалов. Средний технический уро вень рассматриваемой группы машин составляет 0,695. Следует отметить так 1 – БелАЗ-75499 (0,886);
12 – БелАЗ-7548А (0,649);
22 21 2 – САТ 769С (0,869);
13 – САТ 777С (0,645);
1 3 – М-200 (0,856);
14 – НD-1200 (0,642);
20 4 – БелАЗ-7540 (0,842);
15 – БелАЗ-75501 (0,634);
5 – БелАЗ-75473 (0,819);
16 – БелАЗ-75131 (0,622);
5 6 – БелАЗ-7555 (0,798);
17 – САТ 785В (0,612);
7 – БелАЗ-7548 (0,797);
18 – САТ 789В (0,599);
6 8 – САТ 773В (0,784);
19 – САТ 793В (0,577);
9 – БелАЗ-75491 (0,682);
20 – БелАЗ-7512 (0,564);
7 10 – БелАЗ-75215(0,666);
21 – БелАЗ-75600 (0,551);
11 – БелАЗ-7540В(0,657);
22 – БелАЗ-7530 (0,538) Рис.2. Обобщённый показатель 15 технического уровня карьерных 14 автосамосвалов (в скобках – значение 13 обобщённого показателя k) же, что технический уровень автосамосвалов БелАЗ и машин зарубежных фирм практически одинаков. Средняя величина обобщённого показателя техническо го уровня для рассмотренных зарубежных машин составляет 0,698, что лишь на 0,7% выше, чем для автосамосвалов БелАЗ. Это означает, что с точки зрения совершенства конструктивных схем, наличия новых идей и решений автосамо свалы Белорусского завода практически не отличаются от зарубежных машин.
Анализ расчёта единичных показателей показывает, что автосамосвалы БелАЗ опережают зарубежные машины по четырём из семи показателей, а именно: по удельной грузоподъёмности тгруд (на 6,4%), по плотности компо новки rк (на 11,2%), по сравнительной материалоёмкости kМ (на 9,8%) и по приведённому радиусу поворота Rпр (на 8,7%);
и отстают по запасу хода по топливу Lx (на 6,7%), максимальной скорости движения Jmax (на 8,7%) и, осо бенно, по надёжности (ресурсному пробегу) Тр (на 27,5%).
Анализ показал также, что из дв ух модификаций автосамосвалов одной и той же модели, то есть имеющих одну и ту же грузоподъёмность, технически более совершенной оказывается та, которая обладает большей энерговоору жённостью и меньшей собственной массой (меньшим коэффициентом тары).
Кроме этого, автосамосвалы большой грузоподъёмности, несмотря на то, что прямое её влияние при определении показателей технического уровня было ис ключено, имеют меньшие значения обобщённого показателя, чем автосамосва лы меньшей грузоподъёмности. Объясняется это тем, что бесконечно увеличи вать размеры машины без качественных изменений нельзя. При постоянном увеличении размеров машины во все большей степени начинают проявлять се бя масштабный фактор и системные эффекты. Однако сегодня при проектиро вании карьерных автосамосвалов это не учитывается. Эволюционный путь раз вития карьерного автотранспорта, принятый разработчиками, а также эмпиризм при проектировании не даст серьёзных качественных изменений в будущем.
Как показывает анализ, энерговооружённость новых машин должна быть по вышена, должна быть снижена собственная масса, повышена надёжность и дол говечность, оптимально сбалансированы параметры. Причём всё это должно рассматриваться во взаимосвязи и взаимозависимости. Всё это говорит о необ ходимости системного подхода к вопросам проектирования новой автотранс портной техники для ОГР.
3. Разработка методики оптимизации показателей технического уровня и параметров карьерных автосамосвалов Математическая модель оптимизации параметров карьерных авто самосвалов представляется в виде уравнений регрессионного анализа, непо средственно связывающих выходные эксплуатационные показатели с оп тимизируемыми параметрами.
В настоящее время нет достаточных методических и нормативно технических материалов, регламентирующих такое важнейшее направление повышения качества изделий, как их оптимальное проектирование. Основой оптимального проектирования является системный подход, позволяющий удерживать машину как целое, когда проектируются её отдельные элементы.
Системный подход при определении параметров машины заключается в том, что они, во-первых, должны соотноситься друг с другом оптимальным образом, и, во-вторых, получаемые на их основе выходные эксплуатационные показате ли – отвечать регламентированным нормативными документами значениям.
Карьерный автосамосвал, как система, характеризуется структурой и па раметрами. Структура автосамосвала определяет его составные части и связи между ними и должна обеспечивать его оптимальное функционирование, для чего характеризующие автосамосвал параметры должны быть оптимизированы.
В качестве критерия оптимизации целесообразно использовать обобщён ные оценки технического уровня, а в качестве оптимизируемых парамет ров – его единичные показатели. Такой подход позволяет понизить размер ность задачи и упростить её решение, а также иметь в процессе проектирования объективные оценки принимаемых решений.
Анализ регламентированных нормативными документами (межгосудар ственный ГОСТ 30537-97) выходных эксплуатационных показателей (коэффи циент тары kТ и 90%-ый ресурс (пробег) автосамосвала Тр), а также удельной производительности ПТу, как основного технико-эксплуатационного показателя для карьерных автосамосвалов, с учётом взаимосвязей между ними:
1 + imax уд ПТ у = 0,56 N дв (1 + kT ) (5) g[imax + f c (2kT + 1)] позволил установить необходимую и достаточную номенклатуру оптимизируе мых параметров. Она приведена на рис.3.
Задача установления степени влияния каждого из этих параметров на обобщённый показатель технического уровня, выбранный в качестве критерия оптимизации, и формирования на этой основе модели целевой функции отно внешней среды Исходные данные Параметры Параметры Дорожные Общие техниче горной массы условия ские требования kТ0 Тр о rп kp mгр fc i Состояние ПТу дороги автосамосвала Элементы Силовая Ходовая Кузов установка часть Проектирование автосамосвала Jmax Rmin … Ек Vг Тип Nдв imax gT Тип Автосамо Карьерный автосамосвал свал М Jmax Rmin imax Tp тгр Nдв та Обратная Технико-эксплуатационные показатели связь ПТ kT Тр у Оптимизация параметров Рис. 3. Структурная схема проектирования карьерного автосамосвала и оптимизации его параметров (rп – плотность транспортируемой горной массы;
kp – коэффициент разрыхления горной массы) сится к задачам аппроксимационного типа и может быть решена с использова нием теории планирования эксперимента. Проведённый корреляционный ана лиз взаимосвязей показателей, выбранных в качестве оптимизируемых, на предмет их независимости (табл. 1), позволил сократить их число с восьми (рис.3) до трёх (Nдвуд, kT и Тр).
При решении задачи оптимизации параметров карьерных автосамосвалов имеют место следующие ограничения.
1. Ограничения по соответствию фактических значений выходных экс плуатационных показателей ПТ у, kT, Тр регламентированным ГОСТ 30537 97 - ПТ, kT0, Тр0 (рис.3). Модели этих ограничений, как и модель целевой функ у ции, устанавливаются в результате реализации математического эксперимента, под которым понимается расчёт обобщённого показателя технического уровня k и выходных эксплуатационных показателей при определённых сочетаниях Таблица Результаты корреляционного анализа взаимосвязей параметров карьерных автосамосвалов Параметры метров регрессии, Значимость пара Критическое зна Критическое зна эффициента кор Надёжность ко чение критерия чение критерия Стьюдента, tкр корреляции, r Коэффициент регрессии Фишера, Fкр реляции, t Модель F а b 3,49 0,984 24,7 2, 7,950 1097, Nдв = а + bmгр 70, 0,990 31,4 2, 0,212 1659,0 3, М = а + bNдв 8,. - Jmax = а+bNдв 2, 61,6 –8,7 10 784,4 3,49 0,695 4, 10,4 2, 9,0 0,017 1588,3 3,49 0, Rmin = а + bМ 0,434 1384,8 3,49 0,988 28,6 2, –9, gT = a + bNдв. - –6,3 10 181,8 3,49 0,604 3,39 2, 0, imax = a + bNдв 0,555 2,98 2, 0,870 –0,848 121,4 3, imax = a + bkT 1,04.10-3 0,890 3,38 3, 0,657 1031,5 9, kT = a + bтгр 0,82.10-3 0,959 4,79 4, 0,378 660,6 19, Тр = a + bтгр переменных согласно матрице планирования эксперимента.
2. Ограничения по соотношению показателей kT, Tp и грузоподъёмности автосамосвала тгр. Указанные взаимосвязи приведены в табл.1. Граничные условия, отражающие диапазон изменения оптимизируемых параметров. Ана лиз показывает, что для всех них может быть задано только нижнее граничное условие – и это условие их неотрицательности, то есть Nдвуд 0;
kT 0;
Тр 0.
В результате получена математическая модель оптимизации (ММО) по казателей технического уровня и параметров карьерных автосамосвалов, пред ставляющая собой задачу линейного программирования.
k = а0 + а1Nдвуд + а2kT + a3Tp ® max;
а11Nдвуд + а12kT + a13Tp ПТ у - S0П - а10;
а11Nдвуд + а12kT + a13Tp ПТ у + S0П - а10;
а21Nдвуд + а22kT + a23Tp Тр0 - S0Т - а20;
(6) а21Nдвуд + а22kT + a23Tp Тр0 + S0Т - а20;
а31Nдвуд + а32kT + a33Tp kT0 - S0k - а30;
а31Nдвуд + а32kT + a33Tp kT0 + S0k - а30;
Nдвуд 0;
kT 0;
Тр 0, Разработанная методика базируется на технических требованиях, регла ментированных ГОСТ 30537-97, однако она может быть использована для оп тимизации параметров карьерных автосамосвалов и для других внешних усло вий, задаваемых заказчиками. Методика предлагает качественно новый подход к формированию основных параметров технической характеристики карьерных автосамосвалов и принята к использованию НФ «Кузбасс-НИИОГР», ООО «БелАвтоСиб», ОАО УК«Южный Кузбасс» и передана в РУПП «БелАЗ».
4. Оптимизация параметров и её влияние на технический уровень карьерных автосамосвалов Регрессионные модели взаимосвязей между обобщённым и единичны ми показателями технического уровня, а также между параметрами карь ерных автосамосвалов являются линейными, причём наибольший рост ка чества даёт увеличение энерговооружённости автосамосвала, снижение коэффициента тары, увеличение ресурсного пробега.
Для установления параметров модели целевой функции и ограничений был проведён математический эксперимент по плану ПФЭ 23. В результате по лучена ММО (6) в следующем виде:
k = -0,422 + 0,172Nдвуд -0,043kT + 0,391Tp ® max;
0,715Nдвуд + 9,077kT 9,818;
уд 9,900;
0,467Nдв + 9,077kT уд 0,065Nдв - 1,250kT -0,605;
(7) уд 0,065Nдв - 1,250kT -0,289;
уд 0,051Nдв - 0,195kT - Тр -0,338;
0,051Nдвуд - 0,195kT - Тр -0,090;
Nдвуд 0;
kT 0;
Тр 0.
Эксперимент подтвердил линейность моделей целевой функции и всех ограничений. Линейность обусловлена тем, что все взаимосвязи и между обоб щённым и единичными показателями технического уровня, и между парамет рами автосамосвала с достаточной степенью точности можно считать линей ными, о чём свидетельствуют высокая значимость параметров регрессии и надёжность коэффициентов корреляции (см. табл.1 и табл.2).
Кроме того, анализ модели целевой функции позволяет сделать вывод о том, что чем больше значения энерговооружённости автосамосвала Nдвуд и ре сурсного пробега Tp, и чем меньше значение коэффициента тары kT, тем выше значение обобщённого показателя технического уровня (критерия оптимиза ции) k.
При этом оптимальным решением системы (7) будет следующее соче тание оптимизируемых параметров и значения критерия оптимизации:
Nдвуд* = 8,308 кВт/т;
kT* = 0,663 т/т;
Тр* = 0,633 млн. км;
k* = 1,227, (8) из чего следует, что для достижения максимального значения обобщенного показателя технического уровня необходимо увеличение энерговооруженно сти автосамосвала не менее чем до 8,3 кВт/т;
снижение коэффициента тары не менее чем до 0,660;
увеличение величины 90%-го ресурсного пробега не менее чем до 630 тыс. км. Это даёт возможность повысить технический уровень на 38,5% по сравнению с лучшим из группы рассмотренных автосамо свалов, и на 76,5% - в среднем по всей группе машин.
В результате исследования модели (7) получены оптимальные значения энерговооружённости Nдвуд*, коэффициента тары kT * и ресурсного пробега Тр*, а также обобщённого показателя технического уровня k* (8). Из этих значений комплексных показателей можно синтезировать конкретные оптимальные па раметры карьерных автосамосвалов, входящие в его техническую характери стику. Синтез оптимальных параметров основан на обеспечении опти мальности функционирования карьерного автосамосвала в целом с учётом существующих оптимальных взаимосвязей их между собой.
Алгоритм синтеза оптимальных параметров следующий:
– по табл.2 устанавливаются регрессионные зависимости единичных по казателей технического уровня q1, q2, …, q7 от обобщённого показателя k;
Таблица Результаты корреляционного анализа взаимосвязей обобщённого и единичных показателей технического уровня Параметры рия Фишера, Fкр взаимосвязи ви значение крите значение крите Значимость па отклонение, S коэффициента Стьюдента, tкр регрессии корреляции, r Коэффициент корреляции, t Исследуемые Критическое Критическое Стандартное регрессии, F Надёжность qi = a + b.k раметров рия да:
а b q1 тгруд 0, 8,031 2, 3,55 0, 0,300 0,766 3199, 6,843 2,086 0, 0, 0,897 1367,0 3, q2 k 0, 0, 0,949 13,473 2, 1696,6 3, q3 kM –0,305 1, 2,086 0, 0,802 6, 1,092 526,9 3, q4 Lx –0, q5 Jmax 2,086 0, 530,1 3,49 0,851 7, –0,255 1, 9,748 2,086 0, 3,49 0, –0,089 1,123 1513, q6 Rпр 0, 0,525 2,759 2, 3, 0,117 0,703 281, q7 Tp по данным регрессионным зависимостям определяются оптимальные значения единичных показателей q1 тгруд*, q2 к*, q4 Lx* и q6 Rпр*;
по полученным значениям единичных показателей с учётом их эталон ных (базовых) значений хб1, хб2, хб4, хб6 и оптимального значения функциональ ного критерия * по формулам методики Г.И. Солода рассчитываются опти мальные значения тгруд*, к*, Lx* и Rпр*;
по полученным значениям рассчитываются оптимальные параметры карьерных автосамосвалов, входящие в их техническую характеристику.
В качестве примера реализации методики оптимизации параметров был выбран автосамосвал класса грузоподъёмности 80 т (аналог – БелАЗ-75499), а также машина одной из наибольших на сегодняшний день грузоподъёмностей – 320 т (аналог БелАЗ-75600). Сравнительная техническая характеристика авто самосвалов грузоподъёмностью 80 т и 320 т с оптимальными параметрами и существующих машин этих классов приведена в табл.3.
Таблица Сравнительная техническая характеристика карьерных автосамосвалов оптимальными параметрами и их аналогов Параметры Автосамосвал класса 80 т Автосамосвал класса 320 т БелАЗ-75499 БелАЗ-… БелАЗ-75600 БелАЗ-… Грузоподъёмность, т Снаряженная масса, т Габаритные размеры, м 14, 14, 9, 10, – длина 8, 9, 5, 5, – ширина 7, 7, 4, 5, – высота 8, 6, 5, 4, База автосамосвала, м 16, Минимальный радиус поворота, м Геометрический объём кузова, м3 – QSK-78C КТА-50С КТА-38С Двигатель Мощность двигателя, кВт при частоте вращения, об/мин Максимальная скорость движения, км/ч Максимальное преодолеваемое до рожное сопротивление, % 55/80R 55/80R 27.00- 27.00- Шины 1905, 1158, 470, 311, Расход топлива, л/100 км Ёмкость топливного бака, л Разработанные на основе проведённых исследований рекомендации по оптимальным параметрам вновь проектируемых автосамосвалов, а также мате риалы по оценке технического уровня карьерной автотранспортной техники переданы ПО «Белорусский автомобильный завод». Таким образом, можно утверждать, что поставленная в работе цель достигнута.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе содержится новое решение актуальной науч ной задачи оптимизации параметров карьерных автосамосвалов, позволяющее создавать машины нового, более высокого технического уровня, что имеет су щественное значение для развития теории и практики проектирования горных транспортных машин.
Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.
1. Анализом установлено, что техническая политика при создании новых карьерных автосамосвалов ориентирована на дальнейшую модернизацию ма шин с сохранением их основных конструктивных особенностей и соотношений параметров, что ведёт лишь к количественному росту парка карьерных автоса мосвалов без существенного улучшения их технического уровня. Методиче ских разработок, дающих объективную оценку карьерным автосамосвалам, и рекомендаций по повышению их технического уровня недостаточно. Необхо дим системный подход к вопросам проектирования новой карьерной авто транспортной техники.
2. Предложенная методика комплексной оценки технического уровня ка рьерных автосамосвалов позволила оценить технический уровень существую щей техники, выявить пути его повышения и реализовать их на стадии проек тирования. Повышение технического уровня вновь создаваемой карьерной ав тотранспортной техники достигается за счёт использования научно обоснованных методов оптимального проектирования, позволяющих опреде лить и оптимально сбалансировать параметры автосамосвалов.
3. Оптимизация параметров осуществляется по её математической моде ли, включающей целевую функцию и ограничения, которые представляются в виде уравнений регрессионного анализа, непосредственно связывающих вы ходные эксплуатационные показатели с оптимизируемыми параметрами, что позволяет использовать для решения задачи оптимизации математический ап парат линейного программирования. В качестве критерия оптимизации целесо образно использовать обобщенные оценки технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров – его единичные показатели.
4. Исследованиями установлено, что для создания карьерных автосамо свалов высокого технического уровня необходимо обеспечить достижение сле дующих значений оптимизируемых показателей: удельная мощность двигателя (энерговооружённость) автосамосвала должна составлять не менее 8,3 кВт/т;
коэффициент снаряженной массы (коэффициент тары) – не более 0,660 т/т;
ве личина 90%-го ресурса – не менее 0,630 млн. км.
5. Реализация научно-методических рекомендаций диссертационной ра боты позволяет повысить технический уровень вновь создаваемой карьерной автотранспортной техники на 76,5% по сравнению со средним техническим уровнем существующего парка машин, и на 38,5% - по сравнению с лучшим из существующих автосамосвалов.
Основное содержание диссертации отражено в следующих работах автора:
– в журналах, рекомендованных ВАК:
1. Басманов, С.В. Математическая модель оптимизации параметров карь ерных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов // Известия выс ших учебных заведений. Горный журнал / Екатеринбург, 2007. № 8 – С. 58-62.
2. Басманов, С.В. Оптимизация параметров карьерных автосамосвалов по критерию качества [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов, А.Ю. Воронов // Из вестия высших учебных заведений. Горный журнал / Екатеринбург, 2008. № - С. 61-65.
3. Басманов, С.В. Синтез оптимальных параметров карьерных автоса мосвалов [Текст]/Ю.Е. Воронов, А.Ю. Воронов, С.В. Басманов // Известия выс ших учебных заведений. Горный журнал / Екатеринбург, 2011. № 1 - С. 28-32.
– в прочих изданиях:
4. Басманов, С.В. К вопросу оценки технического уровня карьерных авто самосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов // Вестник Кузбасского гос ударственного технического университета / Кемерово, КузГТУ, 2006. № 1 – С.
129-131.
5. Басманов, С.В. Обоснование и определение показателей технического уровня карьерных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов // Вестник Кузбасского государственного технического университета / Кемерово, КузГТУ, 2006. № 4 – С. 53-59.
6. Басманов, С.В. О функциональном критерии оценки технического уровня карьерных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов // Ма териалы IV Всероссийской научно-технической конференции «Политранспорт ные системы». Часть 2. / Красноярск, КГТУ, 2006 – С. 37-39.
7. Басманов, С.В. Направления повышения технического уровня карьер ных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов Ю.Е., С.В. Басманов // Вестник Кузбасского государственного технического университета / Кемерово, 2007. № 1 – С. 37-40.
8. Басманов, С.В. Разработка оптимизационной модели параметров карь ерных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов Ю.Е. С.В. Басманов // Вестник Кузбасского государственного технического университета / Кемерово, 2007.
№3 – С. 51-53.
9. Басманов, С.В. Моделирование оптимальных параметров карьерных автосамосвалов [Текст] / С.В. Басманов // Материалы Международной научно технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транс портно-технологических машин» 11-12 апреля 2007 г. Часть 1 / Тюмень: Тю менский государственный нефтегазовый университет, 2007 – С. 32-35.
10. Басманов, С.В. К вопросу о повышении энерговооруженности карьер ных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов, А.Ю. Воронов // Труды I Всероссийской научно-технической конференции «Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса» 24-25 октября 2007 г. / Кемерово, КузГТУ, 2007 – С. 419-423.
11. Басманов, С.В. Рост энерговооруженности карьерных автосамосвалов как средство повышения их технического уровня [Текст] / Ю.Е. Воронов, В.Г.
Ромашко, С.В. Басманов // Материалы 9-й Международной научно-практиче ской конференции «Проблемы карьерного транспорта» 09-12 октября 2007 г. / Екатеринбург, 2007 – С. 57-59.
12. Басманов, С.В. Технический уровень как критерий оптимизации па раметров карьерных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов, А.Ю. Воронов // Материалы 3-й Всероссийской научно-практической конфе ренции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» 25-26 сентября 2008 г. / Бийск, БТИ, 2008 – С. 141-147.
Подписано в печать 26.04.2012.
Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе.
Объём 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 446.
КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.