Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния разработанности закономерностей совершенствования конструкции как факторов влияющих на эффективность универсальных малогабаритных погрузчиков 28
1.1 Особенности конструкции и классификация универсальных малогабаритных погрузчиков 29
1.2 Типоразмеры и объемы выпуска машин 48
1.3 Обзор методов и средств оценки эффективности машин 57
1.4 Метод обоснования выбора технико-эксплуатационных и конструктивных параметров принимаемых к исследованию 77
1.5 Формирование системной модели взаимосвязи технико-эксплуатационных и конструктивных параметров 88
1.6 Результаты вычислительных экспериментов 104
Выводы. Цель и задачи исследований 111
2 Методология пространственно-временного моделирования 115
2.1 Методика определения структуры математической модели 115
2.2 Критериальные функции для оценки эффективности и технического уровня УМП 123
2.3 Исследования взаимосвязи безразмерных комплексов с основны ми параметрами УМП 138
2.4 Эластичность критериев и точность оптимизации 141
Выводы 154
3 Математические модели оптимизации технико эксплуатационных и конструктивных параметров 156
3.1 Модель энергонасыщенности машины 156
3.2 Выбор теории прочности 160
3.3 Модель оптимизации массы гидроагрегатов 164
3.4 Модель стоимости гидроагрегатов 169
3.5 Модель КПД объемного гидропривода 173
3.6 Модель теплового режима объемного гидропривода 182
3.7 Модель оптимизации стрелоподъемного механизма 186
3.8 Метод оптимизации параметров гидропривода 188
3.9 Статистическое моделирование параметров 189
3.10 Расчет и моделирование движителя, оснащенного
рабочими органами. Постановка задачи 195
3.11 Математическая модель с учетом голономных связей 202
3.12 Физико-математическая модель с учетом неголономных связей 210
Выводы 217
4 Экспериментальные исследования технико эксплуатационных параметров УМП 219
4.1 Цель и задачи экспериментальных исследований 219
4.2 Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований 219
4.3 Экспериментальные исследования на физической модели 224
4.4 Экспериментальные исследования на натурных образцах 226
Выводы 237
5 Технико-экономическая эффективность концепции совершенствования конструкции УМП 239
5.1 Направления совершенствования конструктивной схемы 239
5.2 Повышение производительности 240 5.3 Снижение материалоемкости 245
5.4 Повышение КПД подсистем привода 247
5.5 Расширение функциональных возможностей 251
5.6 Результаты оптимизации параметров исполнительного механизма подъема-опускания стрелы 259
5.7 Результаты оптимизации конструктивной схемы и параметров объемного гидропривода 261
5.8 Оценка эффективности УМП на основе критериального анализа 267
Выводы 282
Основные результаты и выводы по работе 284
Направление дальнейших исследований 287
Список использованных источников
- Метод обоснования выбора технико-эксплуатационных и конструктивных параметров принимаемых к исследованию
- Критериальные функции для оценки эффективности и технического уровня УМП
- Модель стоимости гидроагрегатов
- Экспериментальные исследования на физической модели
Введение к работе
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.
Метод обоснования выбора технико-эксплуатационных и конструктивных параметров принимаемых к исследованию
На большинстве погрузчиков сиденье оператора прикреплено к кабине, оборудованной устройствами защиты от падающих предметов и опрокидывания, и имеет возможность откидываться вместе с кабиной для обеспечения удобного обслуживания агрегатов, расположенных внутри рамы.
Внутри кабины располагается панель приборов, контролирующих основные функции машины, а также органы управления трансмиссией и рабочим оборудованием, как правило, выполненные в виде двух рычагов (джойстиков) и педалей.
Управляемое движение осуществляется за счет проскальзывания колес одного борта относительно другого — «бортовой поворот» (skid-steer).
Одним из основных достоинств конструктивной схемы УМП является высокая маневренность, характеризующаяся способностью разворота в пределах своего максимального габарита по длине. Эффективность осуществле ния поворота посредством проскальзывания колес в основном зависит от следующих факторов: отношения ширины колеи к расстоянию между осями колес и параметра распределения массы (силы тяжести) УМП по осям. По данным исследований [147], при отношении ширины колеи к расстоянию между осями меньше единицы поворот нестабилен и УМП обладает малой грузоподъемностью, при отношении много больше единицы требуется значительная мощность для осуществления поворота, снижается маневренность, но УМП обладает достаточной грузоподъемностью.
Исходя из этих сведений, для УМП рекомендуется величина указанного отношения, немного большая единицы. Анализ значений данного отношения показывает, что для машины массой от 750 до 3 500 кг величина этого отношения находится в пределах 1,29-1,52. Более ранние исследования [197], проводившиеся в Центральном научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте НАМИ, показали, что затраты мощности УМП на поворот по величине близки к аналогичным затратам для гусеничного движителя при величинах отношения базы к колее порядка 1,2-1,6.
Существенное влияние на маневренность оказывает перераспределение массы по осям. Параметр перераспределения Rnp нагрузки на ось УМП (отношение нагрузки на заднюю ось к нагрузке на переднюю ось) находится в следующих пределах: с пустым ковшом - от 1,77 до 2,13 при тенденции к уменьшению значения Rnp с ростом эксплуатационной массы машины; с загруженным ковшом - от 0,46 до 0,67.
Анализ проведен по моделям УМП фирм Toyota (Япония) и Detva (Словакия). По данным исследований фирмы Clark (США), в незагруженном положении примерно 70 % массы УМП приходится на ее заднюю часть и 30 % - на переднюю. При этом погрузчик поворачивается вокруг задней оси. В загруженном положении перераспределение имеет обратный характер: 70 % массы на переднюю ось и 30 % на заднюю. Центр поворота смещается в сторону более загруженной оси. При других параметрах перераспреде ления массы по осям УМП буксует всеми колесами и поворота не происходит. Низкое расположение центра массы машины обеспечивает возможность ее работы на участках с большими уклонами и высокую проходимость.
Высокая маневренность, наряду с небольшими габаритами, определяет основное функциональное предназначение машины как средства механизации при погрузке, разгрузке и штабелировании грузов - работу в стесненных условиях. Например, модель UNC-060 (Словакия) заменяет труд 7-9 рабочих.
Наличие разнообразных сменных рабочих органов позволяет обеспечить коэффициент использования в течение смены до 0,8. Проводившиеся сравнительные испытания УМП ряда зарубежных фирм показали довольно высокую производительность отдельных моделей: Case 1830 - 21,2 м /ч; John Deere 24А - 9,36 м3/ч; Gehl 4600 - 16,63 м3/ч; Zetcat LL30 - 13,78 м3/ч; Clark Bobcat-20,66 м3/ч [147].
На УМП применяют различные типы ДВС воздушного и жидкостного охлаждения, используя в качестве топлива бензин, жидкий пропан или дизельное топливо. Благодаря высокой экономичности наибольшее распространение для данного типа машин получили 1 -4-цилиндровые дизельные двигатели (КПД достигает 45 %). Мощность двигателя составляет 7,5-55,2 кВт при массе УМП 650—3 608 кг соответственно. В некоторых случаях (фирма Л Case, США) для крепления двигателя на раме используется четырехточечная подвеска (две точки вверху и две внизу), что снижает шум и вибрацию во время работы.
Погрузочное оборудование машины выполняется в виде коробчатой или цельнолистовой стрелы (рисунок 1.4) и различных по функциональному предназначению ковшей. Привод осуществляется от двух гидроцилиндров подъема-опускания стрелы и одного или двух (рисунок 1.4) гидроцилиндров поворота ковша.
Критериальные функции для оценки эффективности и технического уровня УМП
В настоящее время появилось новое поколение тяжелых машин (грузоподъемностью до 1 634 кг) для удовлетворения спроса на большую мощность сменного рабочего оборудования и повышенную производительность. Диапазон рабочих операций данных машин приближен к машинам с классическим рулевым поворотом: для землеройных работ, перемещения материалов и загрузки автомобилей. При этом расширена база для привода навесных устройств и оборудования, предназначенных для работы в тяжелых условиях. Одним из достоинств конструкции УМП является обеспечение подъема груза по вертикальной линии и обеспечение большей высоты подъема. Удлинение колесной базы и установка контргруза (противовеса) позволила увеличить вылет ковша и грузоподъемность.
Анализ тенденций развития УМП (фирмы Bobcat, New Holland Construction, John Deere, Daewoo, JI Case, Thomas Equipment, JCB, Gehl Co., Mustang, Caterpillar, Komatsu, Volvo) указывает на дальнейший рост грузоподъемности данных машин до 2 000 кг, т.е. до минимальной грузоподъемности погрузчиков с классическим рулевым управлением.
Переходным этапом в конструировании и создании мини-машин являются машины с комбинированной системой поворота, включающей как традиционную для УМП систему управления с бортовым поворотом, так и систему поворота со всеми управляемыми колесами. Система с бортовым поворотом обеспечивает высокую маневренность при работе в стесненных условиях, а система поворота со всеми управляемыми колесами предпочтительна при обычном маневрировании (особенно при работе на траве, на заранее спланированных грунтовых площадках), сводя к минимуму возможные повреждения покрытия. При работе на площадках с твердым покрытием существенно снижается износ шин и уменьшается расход топлива. Управляемые мосты (модель Bobcat А220) снабжены рулевой трапецией, обеспечивающей поворот на разные углы. Так как наружные и внутренние колеса осуществляют движение по разным радиусам и проходят различный путь, предусмот рена автоматическая регулировка частоты вращения колес по бортам, исключающая их скольжение и пробуксовку [204].
Одним из этапов развития конструкции ходовой части УМП является оснащение устройствами, обеспечивающими проходимость машины на мягком грунте. Одним из таких устройств являются стальные гусеницы, надеваемые на колеса (производство стальных гусеничных лент для колесных погрузчиков начато в 1971 г. фирмой Loegering, США). Резиновые гусеничные ленты, надеваемые на колеса, снижают уровень повреждений дорожных покрытий, а также вибрацию и шум при работе (компания Solideal). С 2004 г. компания Loegering выпускает сменную гусеничную систему для погрузчиков с бортовым поворотом VTS (Versatile Track System). Переоборудование машины происходит в течение часа. Применение оборудования данного типа позволяет повысить грузоподъемность при работе на неровных поверхностях и слабых грунтах по сравнению с колесным движителем на 36 %, силу тяги и проходимость - на 48 % (за счет удлинения и расширения колесной базы), снизить удельное давление на грунт почти в 4 раза, что уменьшает повреждение поверхности слоев почвы. Повышенная устойчивость машины обеспечивает безопасность и комфорт работы оператора (за счет дополнительного веса системы и независимой подвески по бортам).
Анализ видов сменного рабочего оборудования показал нестабильность номенклатуры поставляемого сменного рабочего оборудования в статистических классах значений эксплуатационной массы УМП, а также значений частоты л/ в процентном отношении. Представленные статистические зависимости указывают на различную степень универсальности погрузчиков, характеризующихся различными значениями эксплуатационной массы и различным объемом выпуска (рисунок 1.13).
Таким образом, можно заключить, что модели УМП эксплуатационной массой от 1 500 до 2 000 кг, являющиеся наиболее массовыми на протяжении последних десяти лет, в большей степени отвечают требованиям универсальности.
На рисунках 1.14—1.16 каждая горизонтальная линия соответствует следующим фирмам-производителям УМП: 1 - Bobcat; 2 - Л Case; 3 - Claeys; 4 -Hydra - Mac; 5 - Owatonna/Mustang; 6 - FAI Compact S. p. A. (Panda); 7 - John Deere; 8 - Lanz IBH/Zetcat; 9 - Toyota; 10 - Gehl Co.; 11 - Davis Welding; 12 -Erickson Corp./Eric; 13 - Ford; 14 - IHC; 15 - Northwestern Motor Co.; 16 - Prime Mover Co.; 17— Sperry New Holland; 18 - Thomas Equip. Ltd. Условные графические обозначения соответствуют значениям параметров машин, выпускаемых указанной фирмой. Если фирма выпускает несколько моделей с одинаковыми параметрами, на рисунках возле точки указано их количество.
Модель стоимости гидроагрегатов
К первой группе параметров относятся энергетические и конструктивные параметры, которые оказывают наибольшее влияние на значение эксплуатационной массы УМП, ко второй - параметры, оказывающие существенное влияние. К третьей группе относятся параметры, значения которых принимаются исходя из технологических и эргономических требований (например, дорожный просвет, высота кабины оператора, высота разгрузки ковша).
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 1 000 до 2 000 кг - 4 параметра; от 2 000 до 3 000 кг - 4 параметра. При этом произошла смена положения каждого параметра внутри группы.
На рисунке 1.49 представлена иерархия параметров по эффективности принятия их к оптимизации УМП по показателю материалоемкости. Для ранжирования параметров использован критерий селекции Ks. В данной иерархической структуре параметров присутствуют параметры двух групп (различия между группами см. в таблице 1.5), причем для многих параметров наблюдается изменение их местоположения (показано стрелками на рисунке 1.49) внутри группы для различных значений эксплуатационной массы УМП, а также между группами. Так, для УМП эксплуатационной массой до 1 000 кг во вторую группу вошли 11 параметров, от 1 000 до 3 000 кг - 12 параметров. При этом произошла трансформация положения параметров в иерархических группах. Параметры второй группы при оптимизации более предпочтительны, чем параметры третьей группы, а каждый предыдущий параметр предпочтительнее последующего.
Для установления степени неопределенности ситуации при окончательном решении об эффективности принятия конструктивного параметра к оптимизации построена иерархия параметров по значению энтропии в зависимости от значения эксплуатационной массы УМП (рисунке 1.45). Результаты расчета энтропии для каждого из рассматриваемых параметров представлены в приложении А, таблица А.2. Расчет проведен на основе результатов ранжирования параметров УМП, для моделей машин каждой из фирм-производителей (приложении Б) по критерию Ks. Такой подход позволяет объективно оценить степень неопределенности принятия решения об оптимизации параметра с учетом существующей международной практики проектирования УМП.
По результатам вычислительных экспериментов установлена актуальность совершенствования основных параметров УМП (грузоподъемность, установочная мощность двигателя), определяющих конструктивную схему, а также параметры подсистем объемного гидропривода и движителя.
На уровне подсистемы рассмотрены конструктивные параметры гидропривода рабочего оборудования УМП: номинальное давление Р\, подачу насоса W\ и емкость бака для рабочей жидкости С\. В иерархической структуре параметров (рисунок 1.45) первый параметр (Pi) относится к третьей группе, а два последующих - ко второй.
В иерархических структурах параметров УМП, выпускаемых отдельными фирмами, эти параметры находятся в первой группе, за исключением параметра Р\, который в двух случаях - в третьей группе.
В иерархической структуре параметров УМП по значению энтропии эти параметры принадлежат ко второй группе, т.е. степень неопределенности ситуации при принятии решения об эффективности оптимизации рассматриваемых параметров незначительна. В иерархической структуре параметров по влиянию на значение эксплуатационной массы УМП рассматриваемые параметры также относятся к первой и второй группам. Результаты анализа расположения параметров в группах показывают необходимость и эффективность проведения оптимизации параметров Р\, W\, С\, направленной на снижение материалоемкости гидропривода УМП. Однако следует отметить значение номинального давления гидропривода УМП, выпускаемых фирмами FAI Compact S. р. А и Claeys: Р\ относится к третьей группе параметров, т.е. необходимость его оптимизации незначительна.
Степень влияния конструктивных параметров на величину эксплуатационной массы УМП не является постоянной величиной: с изменением значения эксплуатационной массы УМП наблюдается изменение положения параметров как внутри одной группы, так и между группами, при этом количество параметров, входящих в определенную группу, изменяется.
Данный метод не исключает применения более точного критерия оценки информации по значениям конструктивных параметров машин, например критерия тезауруса, включающего наряду с количественными характеристиками параметров их качество. Если цель оптимизации — снижение материалоемкости УМП, для большинства параметров емкость тезауруса эквивалентна энтропии. При оптимизации по критерию энергоемкости качественные характеристики информации учитывают с помощью коэффициента использования энергии, руководствуясь следующим правилом: чем выше КПД, тем больше мощность тезауруса.
Экспериментальные исследования на физической модели
Для обеспечения бортового поворота УМП гидрообъемная трансмиссия, как правило, состоит из двух независимых контуров привода правого и левого бортов. Циклический режим работы трансмиссии характеризуется большим разбросом значений крутящего момента, перепадами давления и расхода рабочей жидкости в гидроагрегатах.
Практическому определению значений КПД объемного гидропривода при различных режимах работы посвящено большое количество исследований. Анализ имеющихся зависимостей показал, что практически невозможно достоверно определить затраты энергии многодвигательных машин по аддитивным критериям, так как рекомендуемые паспортные данные по КПД отдельных гидроагрегатов характеризуют не все, а лишь часть общих потерь энергии.
Моделирование КПД гидрообъемной трансмиссии проводилось на основе выявления функциональных связей параметров, оказывающих влияние на потери энергии привода в целом.
Применение методов теории подобия и размерности позволило получить качественную и количественную оценки взаимосвязи параметров и оценить степень влияния каждого из параметров на величину коэффициента полезного действия.
Для иллюстрации возможностей оценки энергетических потерь в трансмиссии, на примере гидронасосов, использованы методы физического эксперимента и регрессионного анализа. Оценка точности полученных уравнений регрессий произведена по значениям критерия регулярности вида К\ (1.23) и соответствует для (3.40) -Кх = 0,002; для (3.41) -Кх = 0,00003; для (3.42) -Кх = 0,0065.
Для определения потерь энергии в гидрообъемной трансмиссии УМП с учетом топологии схемы и режимов нагружения целесообразно использовать полученную комплексную модель коэффициента полезного действия привода в виде (3.36), когда учитывается влияние внешней нагрузки, а также (3.38) при учете влияния внешней нагрузки через параметр рабочего давления.
Разработанные регрессионные математические модели (3.40)-(3.42) КПД насосов типа A8V-55, A2F-63, A4V-56 позволяют с высокой точностью моделировать потери энергии при различных режимах нагружения трансмиссии с целью определения наиболее экономичных режимов эксплуатации УМП.
В зависимости от конечной цели и точности определения теплового режима объемного гидропривода выделяют две основные методики расчета: 1) по средней температуре рабочей жидкости; 2) по температуре рабочей жидкости в отдельных точках системы. Государственный стандарт на метод определения тепловых режимов гидрообъемного привода строительных, дорожных и подъемно-транспортных машин отсутствует, однако большинство исследователей отдают предпочтение расчету тепловой напряженности гидропривода по значению средней температуры рабочей жидкости [5, 107]. Этот метод принят и в РД 22-17-79 НПО ВНИИстройдормаш по расчету систем объемного гидропривода. Для конкретной гидравлической схемы привода УМП и расчетных условий окружающей среды нагрев и охлаждение его частей однозначно опре 182 деляются режимом нагружения, а также характеристиками гидромашин, что неразрывно связано с выполнением основной функции гидропривода по передаче потока мощности к исполнительным механизмам. В качестве расчетных условий окружающей среды принимают значения усредненных оценок температур по климатическим зонам. Это позволяет определить только расчетные значения температур рабочей жидкости в номинальном режиме работы гидропривода. Обычно значения его КПД принимаются согласно паспортным данным для номинальных нагрузочных и тепловых режимов работы. Недостоверность оценки тепловой напряженности гидропривода, работающего в переходных режимах нагружения, аналитически возможно прогнозировать лишь на основе схематизации режимов работы УМП с применением аппарата теории случайных функций.
Специфика компоновочного решения УМП определяет положение насосных агрегатов гидропривода и гидромоторов привода хода в закрытом капотом пространстве, с невозможностью конвективного теплообмена с окружающей средой. Здесь для обеспечения теплосъема обычно используют теп-лообменные аппараты с принудительным обдувом. Введение авторами в существующие методы моделирования математического ожидания потерь мощности [28, 192] на режиме работы позволяет более точно и научно обоснованно оценивать тепловые режимы работы гидропривода УМП.
