Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния энергоэффективности транспортных систем на открытых горных работах, цель и задачи исследования 9
1.1 Анализ применения транспорта на открытых горных работах 9
1.2 Анализ существующих подходов при моделировании рабочего процесса карьерного автотранспорта 14
1.3 Скоростные режимы движения автосамосвалов на открытых горных работах 17
1.4 Определение оптимальной скорости движения с использование теори нечетких множеств 28
1.4.1 Формирование нечетких множеств для определения оптимальной скорости 29
1.4.2 Нечеткий вывод 34
1.4.3 Приведение к четкости 35
1.4.4 Дефаззификация 36
1.5 Топливная экономичность карьерных автосамосвалов 36
1.6 Эффективная мощность дизельного двигателя карьерных автосамосвалов 40
1.7 Методы определения расхода дизельного топлива карьерными автосамосвалами 45
1.8 Выводы к главе 1 52
ГЛАВА 2 Параметры, определяющие скоростные свойства и топливную экономичность карьерных автосамосвалов 55
2.1 Общие положения 55
2.2 Тяговый и мощностной балансы карьерного автосамосвала 56
2.3 Эффективное давление 65
2.4 Сравнительные результаты по определению индикаторного давления 66
2.5 Удельный расход дизельного топлива 69
2.6 Основные уравнения математической модели движения карьерных автосамосвалов 70
2.6.1 Массовый баланс автосамосвала 70
2.6.2 Мощность двигателя автосамосвала 75
2.6.3 Расход топлива автосамосвала 76
2.7 Время транспортного цикла 77
2.7.1 Оптимизация удельного расхода топлива автосамосвала 78
2.7.2 Выводы к главе 2 79
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования тягово-динмических характеристик автосамосвалов 81
3.1 Анализ исходных параметров и опытных данных 82
3.1.1 Автосамосвал БелАЗ-75440 82
3.1.2 Обработка экспериментальных данных для автосамосвала БелАЗ-7540 88
3.1.3 Проверка значимости экспериментальных значений параметров и оценка дисперсии ошибок 96
3.2 Автосамосвал БелАЗ-7555 99
3.2.1 Определение связи силы тяги, массы перевозимого груза и динамического фактора 103
3.2.2 Скорость движения автосамосвала БелАЗ-7555 106
3.3 Выводы к главе 3 109
ГЛАВА 4 Методика расчета и выбора карьероного автосамосвала 111
4.1 Исходные параметры оптимизационной модели 111
4.2 Расчет оптимальной скорости движения через динамический фактор 113
4.3 Эксплуатационный расчёт автотранспорта 118
4.4 Оптимизация расхода топлива автосамосвала 119
Заключение 122
Список литературы 123
- Определение оптимальной скорости движения с использование теори нечетких множеств
- Сравнительные результаты по определению индикаторного давления
- Проверка значимости экспериментальных значений параметров и оценка дисперсии ошибок
- Оптимизация расхода топлива автосамосвала
Введение к работе
Актуальность. Энергоемкость открытого способа добычи полезных ископаемых в значительной степени (50-90%) определяется энергетическими затратами на транспортирование горной массы, имеющими тенденцию к увеличению с ростом глубины разработки. Самым широко используемым видом транспортировки горных пород является карьерный автосамосвал. При этом он представляет из себя один из самых затратных способов транспортировки как в плане капитальных вложений, так и в плане эксплуатационных затрат.
Основным параметром тягово-скоростных характеристик двигателей автосамосвалов является эффективная мощность, являющаяся функцией термодинамических параметров цикла двигателя в политропных процессах сжатия-расширения. Существующие м е-тоды по определению эффективной мощности основанные на расчете средней индикаторной работы двигателя за рабочий ход поршня не учитывают изменение термодинамических параметров и полит-ропную работу двигателя, значение которой зависит от политропно-го КПД рабочего цикла, из-за чего ее расчет происходит с некоторой погрешностью, значение которой является запасом мощности двигателя. Выявление этого запаса позволяет пересмотреть всю линейку карьерных самосвалов в сторону увеличения их паспортной эффективной мощности, что приведет к снижению капитальных затрат на его закупку, благодаря выбору ранее недооцененного и более дешевого варианта, а также снижению текущих издержек, благодаря снижению удельного расхода топлива. Кроме того, учет стохастического характера транспортного процесса и оценка влияния всех внешних и внутренних факторов, при расчете рационального режима работы карьерного самосвала, позволяет дополнительно снизить удельный расход топлива с помощью выбора рациональной скорости его движения в груженом и порожнем направлениях.
Степень разработанности
Проблемой э нергетической эффективности горнотранспортных машин, используемых в технологиях добычи минерального сырья при ведении открытых горных работ занимались многие ученые специалисты: Шешко Е.Ф., Васильев М.В., Потапов М.Г., Ш и-лин А.Н., Фадеев Б.В., Яковлев В.Л., Кулешов А.А., Галкин В.А., Смирнов В.П., Фесенко С.Л., Галиев С.Ж., Лель Ю.И., Довже-нок А.С., Андреева Л.И., Зырянов И.В., Тарасов П.И. и др., работы
которых позволили создать и развить теорию карьерного автотранспорта и разработать методы эксплуатационных расчетов, обеспечивающие наибольшую производительность экскаваторно-автомобильных комплексов в режимах топливной экономичности, значение которой определяется конкретными горнотехническими условиями, располагаемой мощностью двигателя автосамосвала, его грузоподъемностью и скоростью движения по карьерным дорогам.
Цель работы
Разработка метода расчета и обоснование практических рекомендаций по снижению расхода дизельного топлива на основе учета эффективных энергетических параметров двигателей карьерных автосамосвалов и оптимизации скоростных режимов движения.
Идея работы
Скоростные, тяговые и топливные параметры карьерных автосамосвалов зависят от термодинамических характеристик полит-ропных процессов сжатия-расширения рабочего тела в цилиндрах двигателя и определяют эффективную мощность, расходуемую на преодоление сопротивлений движению автосамосвалов по карьерным трассам.
Задачи исследования:
1. Анализ энергетических показателей карьерного авто
транспорта при транспортировании горной массы по карьерным
трассам различной протяженности и продольных уклонов.
2. Анализ существующих методов расчета удельного расхода
дизельного топлива при транспортировании горной массы автосамо
свалами по карьерным трассам.
-
Разработка математической модели определения рациональной скорости движения карьерного самосвала по трассам различной протяженности и продольных уклонов на основе баланса эффективной мощности двигателя и сопротивлений движению карьерного самосвала.
-
Разработка метода расчета карьерных автосамосвалов и оптимизации удельного расхода дизельного топлива для заданной производительности и параметров карьерной дороги.
Научная новизна работы
1. Развитие методов оценки энергетической эффективности карьерного автотранспорта на основе полученных зависимостей мощности дизельного привода от политропных процессов расширения рабочего тела в цилиндрах двигателя и устанавливающий скрытый запас эффективной мощности по отношению к паспортным данным.
-
Расчетные зависимости скорости движения автосамосвалов в грузовом и порожняковом направлениях как функции массы груза, силы тяги и удельных сопротивлений, полученные на основе обработки опытных данных методами регрессионного анализа.
-
Метод оптимизации удельного расхода дизельного топлива карьерными автосамосвалами на основе установленных зависимостей тягово-скоростных характеристик от термодинамических параметров политропных процессов расширения рабочего тела в цилиндрах двигателя и скорости движения автосамосвала в грузовом и порожняковом направлениях.
Практическая ценность работы
- метод расчета мощности карьерного автосамосвала на ос
нове анализа термодинамических процессов дизельного двигателя и
устанавливающий скрытый запас эффективной мощности при учете
политропных процессов и политропного КПД цикла.
- обоснование рациональной скорости движения автосамо
свалов в грузовом и порожняковом направлениях как функции мас
сы груза, силы тяги и удельных сопротивлений движению.
- метод расчета и оптимизации удельного расхода дизельно
го топлива карьерного автотранспорта на основе установленных за
висимостей тягово-скоростных характеристик от параметров транс
портного цикла.
Методы исследований
В работе использованы теоретический и экспериментальный методы исследования с обработкой опытных данных методами регрессионного анализа и проверкой адекватности теоретических и опытных результатов.
Научные положения:
-
При выборе карьерного автосамосвала на основе баланса располагаемой и затрачиваемой мощности необходимо учитывать скрытый резерв эффективной мощности дизельного двигателя, определяемый величиной удельной работы в политропных процессах сжатия-расширения рабочего тела.
-
Оптимальное значение скорости движения автосамосвала по карьерным трассам является функцией удельных сопротивлений движению, силы тяги, приложенной к колесам автосамосвала, и массы перевозимого груза и для каждого фиксированного значения переменных, функция скорости движения принимает единственное значение, характерное для данного типоразмера автосамосвала.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объёмом теоретических и экспериментальных исследований, применением для обработки опытных данных апробированных методов математической статистики и удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов.
Апробация
Основные положения диссертационной работы обсуждались на научных семинарах кафедры горных транспортных машин; д о-кладывались на ежегодных международных конференциях молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, Горный университет – 2011, 2012, 2013 годы); на 10-ой межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 2012 г.; на международной конференции «Научные доклады по проблемам недропользования» Фрайбергская горная академия, г. Фрайберг, Германия, 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 печатных работы, в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 133 страницах. Содержит 43 рисунка, 18 таблиц, список литературы из 103 наименований.
Определение оптимальной скорости движения с использование теори нечетких множеств
При рационализации скоростного режима карьерного автосамосвала, идея заключается в том, что необходимо определить скорость движения, при которой для заданного типа самосвала при текущих параметрах трассы расход топлива будет минимальным.[51, 10]
Выбор скорости на основе математической модели, которая бы описывала автосамосвал и трассу весьма сложен из-за взаимосвязи всех параметров. [10] Поэтому выбор рациональной скорости можно осуществлять с применением методов теории нечеткой логики, оперирующей лингвистическими переменными. В данном случае производится обработка лингвистически сформулированных экспертных знаний на основании Fuzzy-технологий. Выявлено, что основными факторами, влияющие на выбор скорости являются мощность, расход топлива, уклон дороги, масса перевозимого груза, сила тяги. Поэтому возможно осуществить выбор скорости автосамосвала, охарактеризовав каждый участок трассы, набором перечисленных выше лингвистических параметров, сформировав необходимый набор нечетких множеств, охарактеризованных соответствующими термами и функциями принадлежности.
Решение задачи по выявлению рациональной скорости движения в рамках теории нечетких множеств осуществлялось с использованием алгоритма Мамда-ни. Данный алгоритм является наиболее часто применяемым на практике, т.к. хорошо себя зарекомендовал в ряде задач управления в режиме реального времени и позволяет составить меньшее количество правил, нежели требуется при других способах создания базы правил. [52]
Математически алгоритм Мамдани описывается следующей последовательностью шагов:
- приведение к нечеткости (фаззификация): находятся степени истинности для предпосылок каждого правила;
- нечеткий вывод: находятся уровни «отсечения» для предпосылок каждого из правил, затем находятся усеченные функции принадлежности;
- композиция: производится объединение найденных усеченных функций, что приводит к получению итогового нечеткого подмножества для переменной выхода с функцией принадлежности;
- приведение к четкости (дефаззификация).
На основании исследований о возможности применения теории нечетких множеств в задачах определения оптимальных скоростных режимов картерного транспорта, для описания автосамосвалов используются нечеткие множества первого рода (одномерные), в виду достаточной информативности представления таких множеств в данных задачах [57].
В рассматриваемом случае, если область значений одномерного отображения ЦА(А)Є[0,І], тогда цА(х) является одномерной функцией принадлежности.
Для работы с такими функциями, принимающими непрерывные значения на отрезке [0,1], использовалась нечеткая логика, которая является одним из разделов теории нечетких множеств. Здесь X - множество (конечное или бесконечное), которое будет выступать как универсальное множество. Тогда подмножество А в X есть совокупность упорядоченных пар А = {х,уА{х\ где мА х) - функция, определяющая степень принадлежности элемента х к А; область ее значений лежит в
Различия между представлениями характеристической функции четких JLX : А —»[ОД] сК и нечетких множеств \i : А —» [ОД] а К, как видно, заключаются в том, что четкие множества оперируют двумя отношениями к подмножеству -принадлежит, или не принадлежит. Характеристическая же функция в теории нечетких множеств может иметь размытые границы принадлежности [37].
Одномерное нечеткое подмножество А К определялось как совокуп ность упорядоченных пар ха К. В работе использовались следующие эквивалентные способы представления нечетких множеств: А = \х\ А\ Щ А = [х,ПА(х)] А = \ Л4х ПА(х)) I х ПА (Х, )/Х,- дискретное множество г / \ (117) I \iA (х)/ xi - н епрерывн ое мн ожество.
При использовании вычислительных устройств непрерывная функция принадлежности представлялась в дискретной форме путем аппроксимации функции принадлежности треугольного типа ступенчатой функцией JLL А(х).
Учитывая вышеизложенную информацию, предлагается охарактеризовать скоростной режим с помощью четырех параметров: удельным расходом топлива (Q), величиной уклона дороги (Y), массой перевозимого груза (М), силой тяги (F). Скоростной режим описывается описывается тремя термами: низкая скорость (НС), оптимальная скорость (ОС), высокая скорость (ВС), соответствующими функциями принадлежности, рис. 1.4, рис. 1.5.
База правил сформирована на основании нечетких предложений (fuzzy proposition), которые определяются как высказывания типа "р: х есть А". Здесь символ "х" обозначает некоторую физическую величину (параметр), например сила тяги, мощность. Символ "А" обозначает лингвистическую переменную, ассоциируемую с нечетким множеством, а символ "р" является аббревиатурой proposition - предложение. Примером такого предложения может быть высказывание "уровень скорости высокий". Физической переменной " х " здесь является "скорость", нечеткое множество "А" характеризуется лингвистической переменной "высокий" и задается с помощью функции принадлежности \іА(х)в виде множества пар, состоящих из элементов универсального множества "Х " и соответствующих им уровней принадлежности множеству "А" [63].
Нечеткие предложения скомбинированы между собой связками "И", "ИЛИ" которые реализованы посредством Т- и S - норм соответственно, не имеющих избыточности.
Сравнительные результаты по определению индикаторного давления
Выполним расчеты по определению индикаторного давления в цилиндрах двигателя и установим соответствие предлагаемого способа и общепринятого (традиционного). Для этого рассмотрим pV - диаграмму двигателя, рисунок 2.6,
Показатель политропы в процессе расширения (рабочий ход) z -b: п2 = 1,3.
Следовательно, и эффективная мощность, равная произведению давления на объемный расход рабочего тела, увеличивается на эти же 19,01%. Это увеличение обеспечено энергетическим резервом, определяемым учетом политропного характера процесса сжатия - расширения рабочего тела в цилиндре дизельного двигателя.
Удельный расход топлива является наиболее важной энергетической характеристикой карьерного автосамосвала, так как показывает, какое количество топлива расходуется на единицу мощности двигателя. Величину удельного расхода топлива можно рассчитать по формуле
Динамический фактор важнейший параметр автосамосвала, величина которого зависит от массы перевозимого груза (грузовое или порожняковое направление движения), силы тяги, приложенной к колесу автосамосвала и зависящей от преодолеваемых удельных сопротивлений, скорости движения автосамосвала.
Развиваемое тяговое усилие зависит от мощности двигателя автосамосвала и для каждого типоразмера автосамосвала величина динамического фактора, при одинаковых скоростях движения принимает свое собственное значение.
Теоретическое определение связи скорости движения автосамосвала, силы тяги и динамического фактора весьма затруднительно. На практике применяют графоаналитический метод определения этих характеристик, использую номограммы завода изготовителя конкретного типоразмера автосамосвала.
Силу тяги, приложенную к ведущим колесам автосамосвала в заданных условиях эксплуатации можно в общем виде представить в виде следующей функции Fк=f(Ga,D,vдв), (2.30) или, так как функция (2.30) имеет собственное значение для каждого типоразмера автосамосвала, можно записать Формулу (2.39) можно рассматривать как основную динамическую характеристику рабочего процесса автосамосвала (наряду с динамическим фактором), так как эта формула включает в себя практически все параметры (кинематические, динамические и энергетические), определяющие работу автосамосвалов при их эксплуатации в конкретных горно-геологических условиях. Теоретическое определение коэффициентов и показателей степени является, вероятно, весьма сложной задачей. Имеющийся значительный практический опыт эксплуатации автосамосвалов на карьерах и разрезах позволит применить статистический метод анализа экспериментальных данных с получением уравнений регрессии на основе метода наименьших квадратов.
Мощность двигателя внутреннего сгорания в общем виде есть функция угловой скорости вращения коленчатого вала, и может быть записана следующей формулой P = ZPw , (2.40)
где Р.- работа, совершаемая на угле поворота коленчатого вала —, Дж; W - уг ловая скорость, рад/с; i = 1,2,3 - число фаз поворота вала двигателя. Для дизельных двигателей с прямым впрыском топлива фазовые мощности будут равны р1 = 0,87 , Р2 = 1,132, P3=- 3, (2.41) W WW т mm где индекс «m» соответствует максимальным значениям фазовой работы и угловой скорости. Приведенные формулы применяются при снятии тягово-динамических характеристик двигателей на заводских стендах. Связь линейной скорости движения автосамосвала и угловой скорости вращения коленчатого вала двигателя как в порожняковом, так и в грузовом направлениях движения определяется по формуле (2.42 где R - радиус обода колеса автосамосвала, w - частота вращения коленчатого вала двигателя, ц - передаточное отношение трансмиссии.
Сравнение формул (2.39) и (2.42) дает возможность определить величину угловой скорости вращения коленчатого вала двигателя автосамосвала, в заданных дорожных условиях, определяемых динамическим фактором
В общем виде расход Gm топлива определяется расходуемой мощностью, теплотворной способностью дизельного топлива и эффективным КПД дизельного двигателя автосамосвала где Р - мощность, развиваемая двигателем автосамосвала при движении со скоростью порожнякового или грузового режимов работы, кВт; Ор- теплотворная способность дизельного топлива, кДж/кг; ц - эффективный КПД дизельного дви-гателя.
Проверка значимости экспериментальных значений параметров и оценка дисперсии ошибок
1. Анализ экспериментальных данных показывает, что скорость движения автосамосвала является сложным комплексным параметром, зависящим от массы перевозимого груза, возникающей силы тяги автосамосвала и динамического фак тора, определяемого удельными путевыми сопротивлениями.
2. На основе экспериментальных данных, полученные в разные годы на раз личных карьерах и разрезах для каждой величины динамического фактора, а фак 110 тически удельных сопротивлений движению, были установлены значения рассчитанной силы тяги, скорости движения и массы транспортируемого груза. Были обоснованы расчетные формулы скорости движения карьерного автосамосвала как функции динамического фактора и массы перевозимого груза.
3. Была разработана общая формула скорости позволяющая найти опти мальные значения скоростного режима для любого автосамосвала при заданных параметрах трассы. На базе общей формулы и анализа статистических данных были получены формулы расчета скорости через динамический фактор для двух моделей автосамосвалов. Так как динамический фактор отражает все сопротивле ния, которые необходимо преодолеть самосвалу на конкретном участке трассы, можно считать что данная формула позволяет получить оптимальное значение скорости для данного автоамосвала при известных параметрах трассы.
4. Анализ опытных данных показывает, что с увеличением массы транспор тируемого груза и ростом динамического фактора, а фактически удельных сопро тивлений движению автосамосвала, скорость движения уменьшается, а сила тяги увеличивается. Так при максимальной величине перевозимого груза – 30 т ско рость движения имеет наименьшее значение при всех возможных удельных со противлениях. Наибольшая величина скорости движения наблюдается при дви жении порожнего автосамосвала, когда сопротивления движению и сила тяги имеют наименьшее значение.
Оптимизация расхода топлива автосамосвала
Так как динамический фактор учитывает силу тяги минимально необходимую для преодоления всех сопротивлений движению, можно считать, что каждому значению динамического фактора соответствует свое значение скорости движения, причем это значение будет оптимальным. Следовательно, при движении с этой скоростью функция удельного расхода топлива будет принимать минимальное значение при известной производительности погрузочных пунктов. В общем виде расход G топлива определяется расходуемой мощностью, теплотворной способностью дизельного топлива и эффективным КПД дизельного двигателя автосамосвала G =— кг/с, (4.5) m л Q р где Р - мощность, развиваемая двигателем автосамосвала при движении со скоростью порожнякового или грузового режимов работы, кВт; Ор - теплотворная способность дизельного топлива, кДж/кг; ц - эффективный КПД дизельного дви-гателя.
1. Проанализированы энергетические показателей карьерного автотранспорта при транспортировании горной массы по карьерным трассам различной протяженности и продольных уклонов.
2. Проанализированы существующие методы расчета удельного расхода дизельного топлива при транспортировании горной массы автосамосвалами по карьерным трассам.
3. Получена формула расчета эффективной мощности дизельного двигателя карьерного автосамосвала учитывающая как конструктивные параметры автосамосвала, так и термодинамические характеристики.
4. Разработана математическая модель для определения рациональной скорости движения карьерного самосвала по трассам различной протяженности и продольных уклонов при наименьших затратах дизельного топлива и удельной энергоемкости процесса транспортирования на основе расчета значений динамического фактора автосамосвала для конкретных условий на каждом участке трассы.
5. На основе регрессионного анализа получены зависимости скорости движения от динамического фактора и массы перевозимого груза для двух самых популярных моделей автосамосвалов: Белаз 7540 и Белаз 7555.
6. Разработка алгоритма расчета по определению рациональной скорости движения карьерного автосамосвала при минимуме расхода дизельного топлива по карьерным трассам различной геометрии.
