Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 12
1.1. Обзор конструкций и характеристик моторно-трансмиссионных установок отечественных и зарубежных моделей трубоукладчиков 12
1.2. Обзор методик и критериев оценки эффективности машинно-тракторного агрегата промышленного назначения 31
1.3. Факторы, влияющие на эффективность работы машинно-тракторного агрегата 41
1.4. Особенности работы трубоукладчика и его моторно-трансмиссионной установки 48
1.5. Постановка цели и задач исследования 58
1.6. Выводы по главе 58
ГЛАВА 2. Теоретические исследования. метод выбора рациональных параметров моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика 60
2.1. Взаимное влияние механической характеристики дизельного двигателя и трансмиссии 60
2.1.1. Механическая характеристика дизельного двигателя с локальным максимумом мощности и постоянной мощностью 60
2.1.2. Механическая характеристика системы дизельный двигатель – механическая трансмиссия 64
2.1.3. Механическая характеристика системы дизельный двигатель – гидромеханическая трансмисия 69
2.2. Формирование математической модели продолжительности рабочего цикла трубоукладчика 76
2.3. Алгоритм и методика двухуровневого расчета технико-экономических показателей 87
2.4. Выводы по главе 95
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования. определение продолжительности рабочего цикла и производительности трубоукладчика 96
3.1. Цели и задачи экспериментальных исследований 96
3.2. Объект исследований, аппаратура и средства измерений 96
3.3. Методика проведения экспериментальных исследований по определению технической производительности 97
3.4. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 101
3.4.1. Статистический анализ экспериментальных и расчетных данных при поточно-расчлененном способе монтажа трубопровода на этапе сварки 102
3.4.2. Статистический анализ экспериментальных и расчетных данных при совмещенном способе монтажа трубопровода на этапе очистки и изоляции 105
3.4.3. Статистический анализ экспериментальных и расчетных данных при раздельном способе монтажа трубопровода на этапе укладки 108
3.5. Выводы по главе 111
ГЛАВА 4. Расчетные исследования и рекомендации 112
4.1. Первый уровень методики расчета
технико-экономических показателей 112
4.1.1. Расчет тяговой характеристики трубоукладчика ТГ-12.5 (на базе трактора ВТ-100Д) 114
4.1.2. Расчет технико-экономических показателей первого уровня 129
4.2. Второй уровень методики расчета
технико-экономических показателей трубоукладчика 132
4.2.1. Расчет технико-экономических показателей трубоукладчика на этапе сварки 132
4.2.2. Расчет технико-экономических показателей трубоукладчика на этапе укладки 141
4.2.3. Расчет технико-экономических показателей трубоукладчика на этапе очистки и изоляции 146
4.2.4. Итоговые технико-экономические показатели трубоукладчика на трех этапах 151
4.3. Алгоритм выбора трубоукладчика 156
4.5. Выводы по главе 160
Заключение 162
Список литературы
- Обзор методик и критериев оценки эффективности машинно-тракторного агрегата промышленного назначения
- Механическая характеристика дизельного двигателя с локальным максимумом мощности и постоянной мощностью
- Объект исследований, аппаратура и средства измерений
- Расчет тяговой характеристики трубоукладчика ТГ-12.5 (на базе трактора ВТ-100Д)
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие нашей страны во много определяется эффективностью функционирования топливно-энергетического комплекса. Трубопроводный транспорт является его основой и связующим звеном. Россия имеет самую протяженную и разветвленную трубопроводную инфраструктуры в мире. Для подержания ее в работоспособном состоянии тратятся огромные средства, немалая часть которых приходится на эксплуатацию спецтехники при строительстве новых и капитальном ремонте старых трубопроводов.
Трубоукладчик является основным элементом в системе изоляционно-укладочной колонны (ИУК). Этот вид техники относится к подъемно-транспортным машинам (ПТМ), базой для трубоукладчика служит обычно гусеничный трактор, изготовленный под бульдозерное или сельскохозяйственное оборудование. Моторно-трансмиссионная установка (МТУ) таких энергонасыщенных тракторов имеет мощный дизельный двигатель и дополнительные узлы трансмиссии (гидротрансформатор, реверс-редуктор и т.д.).
Технологический процесс сварки, укладки, очистки и изоляции трубопровода накладывает на скорость трубоукладчика ограничения. В большинстве случаев диапазон скоростей движения трубоукладчика в колонне при сопровождении технологических машин не превышает 0,5 м/с. Чтобы расширить диапазон в сторону малых скоростей, в конструкцию МТУ вводят ходоуменьшитель.
Эксплуатация трубоукладчика характеризуется целым рядом специфических особенностей: цикличность технологических процессов при разных способах монтажа трубопровода, неравномерность загрузки машинно-тракторного агрегата (МТА), повышенные динамические нагрузки и вибрации, изменяющиеся в широком диапазоне тяговые усилия и скорости движения, работа грузовых и стреловых лебедок. Трубоукладчик является сложной динамической системой, зависящей от большого числа параметров. Важными остаются вопросы влияния параметров моторно-трансмиссионной установки, технологии строительства трубопровода, свойств поверхности движения на технико-экономические показатели трубоукладчика.
Справочная литература и нормативно-техническая документация, касающаяся методов подбора парка спецтехники для монтажа трубопроводов, устарела в силу стремительного развития ассортиментного ряда данного вида оборудования. Сложившаяся ситуация привела к необходимости поиска критериев подбора техники, описывающих зависимость эффективности строительства трубопровода от технико-экономических показателей проектируемого или серийно выпускаемого трубоукладчика.
Степень разработанности темы исследования. Развитием теории колесных и гусеничных машин (КГМ), а также дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин (ДСПТМ) занимались коллективы научных школ, Волгоградского государственного технического университета; Московского автомобильно-дорожного института; Московского государственного технического университета (МАМИ); Московского государственного строительного университета; Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии;
Южно-Российского государственного политехнического университета (Новочеркасского политехнического института) им. М.И. Платова; Южно-Уральского государственного университета и др.; институты: НАТИ, ВНИИСТ, ВНИИСтройдормаш, СКБ «Газстроймашина» и заводы ОАО «Промтрактор», ООО «Челябинский тракторный завод – УРАЛТРАК», ООО «Березовский ремонтно-механический завод» (БРМЗ) и др.
Вопросам энергетической оценки МТА с МТУ различных типов при выполнении технологических процессов в разнообразных почвенно-климатических условиях и обоснованию рациональных режимов их эксплуатации посвящены работы Л.Е. Агеева, Б.Л. Арава, В.И. Баловнева, В.Н. Болтинского, Ю.В. Гинзбурга, С.И. Дорменева, Ю.К. Киртбая, Е.М. Кудрявцева, Н.Г. Кузнецова, Б.М. Позина, В.М Рогожкина, В.П. Шевчука и др. Вопросы рационального использования топливно-энергетических ресурсов изложены в работах И.П. Ксеневича, Г.М. Кутькова и др. Методологии поиска конструктивных и режимных параметров строительных и дорожных машин посвящены работы В.П. Максимова и др.
Вклад в развитие проектирования и конструирования трубоукладчиков, механизации, автоматизации изоляционно-укладочных колонн внесли работы Е.А. Аникина, В.К. Андриенко, И.М. Ващука, Р.Д. Габелая, А.И. Гальперина, Ю.А. Дудоладова, В.Т. Загороднюка, К.И. Калошина, Н.Я. Кершенбаума, А.Л. Липовича, Н.П. Петрова, Ю.Б. Петракова, В.Ф. Рааца, В.А. Славова, Ю.Б. Тихонова, В.Д. Тарана, В.И. Уткина, Б.И. Харкуна, М.Э. Шошиашвили, В.С. Щербакова и др.
В результате анализа работ названных ученых установлено, что изменчивость условий эксплуатации оказывает влияние на значения параметров и показателей, характеризующих работу, и состояние каждой из систем трубоукладчика. МТУ является неотъемлемой частью трубоукладчика. От степени приспособленности (адаптации) ее параметров к изменяющимся воздействиям зависят технико-экономические показатели трубоукладчика.
В ранее выдвинутых концепциях и методах совершенствования двигателя и трансмиссии они рассматриваются как самостоятельные объекты оптимизации, не уделяется должного внимания стабилизации собственных характеристик при совместной работе в составе как МТУ, так и всей машины в целом. Практика показывает, что при проектировании МТУ недооценивается влияние многочисленных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, что приводит к рассогласованию характеристик двигателя и трансмиссии, дополнительному росту потерь в процессах энергообмена между ними. В результате ухудшения характеристики МТУ технико-экономические показатели снижаются до недопустимого уровня.
Идея работы. Улучшение технико-экономических показателей трубоукладчика достигается путем подбора энергетических параметров МТУ за счет перенастройки дизельного двигателя с локального максимума мощности на постоянную мощность с учетом влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.
Целью диссертационного исследования является разработка метода выбора рациональных параметров моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика при строительстве трубопроводов различных диаметров.
Задачи исследования:
разработать математическую модель, увязывающую параметры МТУ с технико-экономическими показателями трубоукладчика;
разработать алгоритм и методику расчета технико-экономических показателей трубоукладчика с учетом влияния конструктивных (тип трансмиссии и характеристика двигателя), технологических (способы монтажа трубопровода) и эксплуатационных (уклон поверхности движения и коэффициент сопротивления движению) факторов;
установить зависимости изменения технико-экономических показателей трубоукладчика от параметров его МТУ;
разработать алгоритм выбора трубоукладчика применительно к заданным условиям эксплуатации из альтернативных вариантов.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель продолжительности рабочего цикла трубоукладчика, увязывающая параметры его моторно-трансмиссионной установки с технико-экономическими показателями.
-
Двухуровневый расчет технико-экономических показателей заключается в установлении неполноты использования возможностей моторно-трансмиссионной установки (конструктивный фактор) и характера нагрузочного режима (технологический фактор).
-
Метод выбора рациональных параметров моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика, обеспечивающий возможность совершенствования характеристик двигателя и трансмиссии как составных частей единого объекта моторно-трансмиссионная установки.
Новизна научных положений заключается в следующем: 1. Математическая модель продолжительности рабочего цикла трубоукладчика, отличающаяся от известных тем, что одновременно учитывает влияние факторов конструктивных (тип трансмиссии и характеристика двигателя), технологических (способы монтажа трубопровода) и эксплуатационных (уклон поверхности движения и коэффициент сопротивления движению) на технико-экономические показатели трубоукладчика.
2. Двухуровневый расчет технико-экономических показателей впервые учитывает влияние зон недоиспользования возможностей моторно-трансмиссионной установки и особенностей нагрузочного режима на работу трубоукладчика при монтаже трубопроводов различных диаметров.
3. Метод выбора рациональных параметров моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика, основанный на математической модели продолжительности его рабочего цикла, алгоритме и методике двухуровневого расчета, отличающийся тем, что в системе технико-экономических показателей применяются критерии неполноты использования возможностей моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика.
Методы исследования. Диссертационное исследование носит комплексный характер, содержит теоретические и экспериментальные разделы. Теоретические исследования проводились методами математического моделирования; теории автомобилей и тракторов; информационных технологий; математического анализа. Полученные результаты расчетных исследований, проведенных на ЭВМ, проверялись экспериментальными исследованиями по «схеме наблюдения». Сравнение расчетных и экспериментальных данных проводилось с использованием методов статистического анализа.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается анализом научно-исследовательских работ по теме диссертации, соблюдением принципов механики, экспериментальными и аналитическими исследованиями, математическим моделированием. Адекватность полученной математической модели продолжительности рабочего цикла трубоукладчика подтверждается выполнением условия Fр
Практическая значимость работы заключается в разработке метода выбора рациональных параметров МТУ трубоукладчика, который позволяет на стадии:
проектирования трубоукладчика - создать машину с высокими технико-экономическими показателями;
проектирования строительства линейных объектов - выбрать трубоукладчик с требуемыми параметрами МТУ;
эксплуатации трубоукладчика - рекомендовать строительным организациям к использованию трубоукладчики с двигателем постоянной мощности или гидромеханической трансмиссией;
модернизации трубоукладчика - изменить параметры МТУ для улучшения технико-экономических показателей.
Внедрение результатов диссертационной работы. Разработанный метод выбора рациональных параметров МТУ трубоукладчика и основные результаты диссертационной работы приняты к внедрению ООО «ГазпромТрансГаз» г. Волгограда. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Автомобиле-и тракторостроение» ВолгГТУ для студентов специальности 190109 «Наземные транспортно-технологические средства», а также бакалавров и магистров техники и технологии по направлению 190100 «Наземные транспортно-технологические комплексы».
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы в 2009 - 2014 гг. были представлены на 14 внутренних, региональных, всероссийских и международных научно-технических конференциях, в том числе: № 46 - 51 на внутривузовской научной конференции. Подсекция 3. Колесные и гусеничные машины (Волгоград, 2009 - 2014 гг.); международной научной конференции «Прогресс транспортных средств и систем». Секция 2. Тяговые транспортные средства (Волгоград, 2009 г. и 2013 г.); XIV, XVI, XVII, XVIII региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области. Направление 2. Машиностроение и транспорт (Волгоград, 2009 - 2013 гг.) (дипломы I, III степени и Благодарственное письмо губернатора Волгоградской области); I международной научно-практической интернет конференции «Молодежь. Наука.
Инновации» (Пенза, 2010 г.); международной научной конференции «Education and Science without Borders» (Мюнхен, 2013 г.); 32nd Seminar of the Studentds «Association for Mechanical Engineering» (Варшава, 2013 г.).
В полном объеме работа обсуждалась и была рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Автомобиле-и тракторостроение» ВолгГТУ и кафедры «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» ЮРГПУ (НПИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 2 статьи в зарубежном издании и 1 монография.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 212 страницах основного текста, включая 77 рисунков и 72 таблицы, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 295 наименований, и 4 приложений.
Обзор методик и критериев оценки эффективности машинно-тракторного агрегата промышленного назначения
Первый отечественный трубоукладчик был выпущен в 1933 г. на базе гусеничного трактора «Сталинец-60». До Великой Отечественной войны трубоукладчики в нашей стране фактически не выпускали. Трубопроводы сооружали без трубоукладчиков, с помощью треног, оснащенных ручными полиспастами [73, 119].
В 50-е годы отечественное производство освоило выпуск гусеничных трубоукладчиков ТЛ-3, ТЛ-4, ТЛГ-4М, ТО-1224, Т-1530, ТО-2550, Т-3560, ТГ-61 и ТГ-62 на базе тракторов общего назначения. Не только отечественные, но и зарубежные производители разрабатывали трубоукладчики малой грузоподъемности на базе уже производимых тракторов [73, 119].
Трубоукладчики ТГ-61 и ТГ-62 смонтированы на специальных гусеничных шасси, в которые входят дизельный двигатель СМД-14МГ (см. рисунок 1.1), механическая трансмиссия с семиступенчатой КПП (см. рисунок 1.2) и кабина трактора ДТ-75Р-СЗ, специальная гусеничная тележка с жесткой подвеской опорных катков от трактора Т-130, уширенной колеей, удлиненной базой и дополнительными бортовыми редукторами. Привод грузоподъемного оборудования гидравлический (от трех насосов НШ-46, установленных на редукторе отбора мощности). Два насоса предназначены для привода грузового и стрелового барабана. Лебедка трубоукладчиков одновальная, двухбарабанная с независимым приводом каждого барабана от своего цилиндрического трехступенчатого редуктора, что обеспечивает возможность совмещения любых операций крюком и стрелой. Тормоза грузового и стрелового барабанов нормально замкнутые, автоматически размыкаемые при включении гидропривода. Для управления лебедкой и редуктором привода насосов установлены три рычага. Трубоукладчики не имеют откидных противовесов, что упростило их конструкцию и уменьшило число рычагов управления [73, 119].
Трубоукладчик ТГ-62 является модификацией трубоукладчика ТГ-61 и отличается от последнего уширенным траком гусениц. Эта машина имеет пониженное среднее давление на грунт и предназначена для прокладки трубопроводов на грунтах с пониженной несущей способностью. По проходимости трубоукладчик ТГ-62 не имеет аналогов ни в отечественной, ни в мировой практике [73, 119].
С увеличением диаметров магистральных трубопроводов для трубоукладчиков средней и большой грузоподъемности разработаны специальные трубоукладочные модификации тракторов. На практике хорошо зарекомендовали себя трубоукладчики Т-3560М, ТГ-201, ТО-1224Г, ТГ-502, отличающиеся повышенными показателями грузоподъемности, момента устойчивости, вылета крюка и высоты его подъема [73, 119].
Трубоукладчики Т-3560М и Т-3560А грузоподъемностью 35 т разработаны СКБ «Газстроймашина». Трубоукладчик Т-3560А является модернизированной моделью трубоукладчика Т-3560М. Базой трубоукладчика Т-3560М является трактор Д-804М, а трубоукладчика Т-3560А – трактор Д-804МС (модификация в исполнении «ХЛ»). Трубоукладочная модификация трактора Д-804М, создана на базе трактора Т-180. В отличие от базового трактора на трубоукладчике установлен двигатель Д-180. Трансмиссия механическая, коробка передач обеспечивает три передачи переднего хода и одну – заднего. Кроме того, имеется дополнительная замедленная передача переднего хода за счет установки ходоуменьшителя (см. рисунок 1.3).
Наибольшим изменениям подверглись рама и ходовая часть трактора. Для увеличения ширины колеи до 2500 мм и получения жесткой подвески в тракторе применены гусеничные тележки, которые привариваются к кронштейнам рамы. Оси катков, которые также отличаются по конструкции от опорных катков трактора Т-180, крепятся к раме неподвижно. Опорные ролики – стальные литые однобортные. Смонтированы они на подшипниках скольжения с торцовыми самоподжимными сальниками. Изменению подверглись направляющее колесо и натяжное приспособление, в котором применено пружинное амортизирующее устройство [73, 119].
Уширение колеи трактора Д-804М потребовало изменений в системе управления планетарным механизмом поворота.
Привод крановых механизмов механический с гидравлическим управлением, двумя рукоятками. Перемещение противовеса осуществляется гидроцилиндром.
Рисунок 1.6 – Характеристика дизельного двигателя Д-160 Трансмиссия механическая, многоступенчатая (8 – вперед и 4 – назад). Состоит из сухой, постоянно замкнутой муфты сцепления с двумя ведущими и двумя ведомыми дисками, четырехвальной коробки передач, конической передачи, многодисковых сухих бортовых фрикционов и двухступенчатых бортовых редукторов.
Для улучшения поперечной устойчивости трубоукладчика балансирная рессора заменена поперечной балкой, приваренной к ходовым тележкам трактора. Дополнительно на приборной панели имеется щиток с контрольной лампой сигнализации перегрузки трубоукладчика. Привод лебедки, гидроцилиндра стрелы и противовеса осуществляется от гидропривода трактора.
Дальнейшая модификация трубоукладчиков Челябинского тракторного завода велась в направлении повышения проходимости, безопасности ведения работ, конструкции механизмов выдвижения и т.д.
Трубоукладчик ТГ-502 смонтирован на базе трактора Т-330. Он предназначен для укладки в траншею трубопроводов, сопровождения очистных и изоляционных машин и выполнения различных подъемно-транспортных операций на строительстве магистральных трубопроводов диаметром 1220 и 1420 мм. Трубоукладчик подобного класса в нашей стране создан впервые. По основному показателю – моменту устойчивости – он превосходит зарубежные трубоукладчики фирмы «Caterpillar» и «Komatsu».
Трубоукладчик ТГ-502 отличается от отечественных и зарубежных аналогов расположением кабины и необычной компоновкой его основных агрегатов и систем, размещенных внутри рамы коробчатого типа. В средней части основной рамы установлен двигатель 9ДВТ-330 (мощность 243 кВт) воздушного охлаждения с электростартерным запуском. Трансмиссия трактора гидромеханическая с раздвоением потока мощности по бортам. Коробка передач с косозубыми шестернями постоянного зацепления и гидроподжимными фрикционными муфтами позволяет переключать передачи на ходу, обеспечивает три скорости передвижения переднего и заднего хода (см. рисунок 1.7 и таблицу 1.1).
Механическая характеристика дизельного двигателя с локальным максимумом мощности и постоянной мощностью
Параметрами колесных и гусеничных машин (КГМ) и дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин (ДСПТМ) называются единицы информации или величины, характеризующие конкретные технико-экономические показатели машины при выполнении соответствующих технологических операций.
Главными параметрами называют параметры, которые в наибольшей степени определяют технологические возможности машин. Это в первую очередь: масса машин m, мощность силовой установки N, тяговое усилие P и др. Дополнительно у трубоукладчиков к главным параметрам относят грузоподъемность G и максимально допустимый грузовой момент М, гарантирующий устойчивость.
Основными параметрами называют параметры, которые необходимы для выбора машины при определенных условиях ее эксплуатации. Основные параметры включают в себя: главные параметры, параметры, определяющие проходимость и маневренность, основные рабочие размеры машин, а также их надежность. Маневренность и проходимость машин, в первую очередь, характеризуются их давлением на грунт в рабочих и транспортных режимах, преодолеваемым углом подъема машины, скоростями передвижения и наименьшим радиусом поворота. Геометрическими размерами, определяющими проходимость и маневренность, являются габаритные размеры в транспортном положении, колея, база, дорожный просвет, углы въезда и съезда. К основным параметрам также относятся эргономические и экологические характеристики машин, обеспечивающие возможность использования машины в том или ином регионе.
В тракторостроении большое внимание уделяется вопросу выбора оптимальных параметров тракторов с целью создания на их базе высокопроизводительных и экономичных МТА. При этом одним из основных вопросов является оптимизация тяговой характеристики трактора и выбор соответствующих параметров рабочего оборудования, обеспечивающих МТА высокие технико-экономические показатели. Построение тяговой характеристики МТА включает в себя: выбор параметров МТУ (характеристика двигателя и тип трансмиссии) и оптимального расчетного тягового усилия, обеспечивающих работу во всем диапазоне нагрузок и условий эксплуатации.
Методы выбора оптимальных тяговых усилий трактора в значительной степени определяются критериями оценки тяговой характеристики. На сегодняшний день наибольшее распространение получили два типа критериев: энергетические и критерии, основанные на производительности МТА.
Анализ, проведенный А. Е. Новосельским в работе [227], представлен ниже. К энергетическим критериям относятся: максимальный КПД (тяговый КПД) и допустимый уровень его снижения [231, 248, 265, 271 – 274 и др.], средняя выходная мощность за рабочий цикл [82, 83, 135 – 139 и др.].
Критериями, основанными на производительности тракторного агрегата, являются максимальная производительность и допустимый уровень ее снижения [151, 152, 164, 215, 238 – 240 и др.].
Используются также прогнозостатистические методы, основанные на приемах математической статистики. В этом случае устанавливается закономерность изменения исследуемого параметра и прогнозируется его значение на заданный период [153 и др.].
В работах [271 – 274] Е.М. Харитончика предложены понятия оптимальных параметров трактора: мощности, удельного тягового усилия, скорости и др. В качестве энергетических критериев автор принимает максимальный тяговый к.п.д. трактора, а также максимальный к.п.д. сцепления с грунтом. Исследовав его на экстремум при линейной зависимости буксования от силы тяги, Е.М. Харитончик получил значения оптимальных тяговых усилий на крюке сельскохозяйственного трактора. Вводя линейную зависимость между оптимальной силой тяги и весом трактора, он определил значения оптимального удельного тягового усилия, названного коэффициентом использования сцепного веса.
Основы теории удельных параметров гусеничных сельскохозяйственных тракторов были разработаны В.И. Саяпиным. В своей работе [248] он исходил из подобия схем и конструктивных параметров тракторов, научное обоснование которого позднее было дано в работах Б.М. Позина и И.С. Кавьярова [153]. В качестве критерия оптимизационной задачи выбора тяговых усилий трактора В.И. Саяпиным была выведена зависимость тягового к.п.д. в виде функции удельного тягового усилия. Сформулировав и решив поставленную задачу, автор получил оптимальные по к.п.д. тяговые усилия, которые он определил для нескольких различных грунтов.
В дальнейшем, развивая идеи В.И. Саяпина, И.И. Трепененков распространил их на все виды сельскохозяйственных тракторов, работающих в различных грунтовых условиях (почвенных фонах). Используя тяговый КПД в качестве основного энергетического критерия, И.И. Трепененков определил диапазон оптимальных тяговых усилий тракторов сельскохозяйственного назначения [265].
А.П. Парфенов в своей работе [231] при определении оптимальных тяговых усилий КГМ сельскохозяйственного назначения пользовался энергетическими критериями (максимальный тяговый КПД и допустимый уровень его снижения).
Для промышленных тракторов при оптимизации параметров тяговых характеристик также использовались как энергетические критерии, так и критерии оптимальности, основанные на производительности МТА.
В работе [215] Б.Л. Магарилло теоретически и экспериментально исследована зависимость производительности землеройного агрегата от параметров базового трактора с механической ступенчатой трансмиссией. Им впервые был выведен построенный из функции цели оптимизационной задачи множитель, зависящий от удельных параметров трактора, который он назвал коэффициентом производительности
Объект исследований, аппаратура и средства измерений
Безопасность выполнения работ связана с устойчивостью трубоукладчика, что достигается снижением опрокидывающего момента, повышением момента устойчивости [285].
Схемы расстановки трубоукладчиков и технологических машин, разработанные на основании многочисленных теоретических исследований и многолетнего опыта строительства трубопроводов [44, 49, 62, 69, 80, 94, 134, 157 и др.], обеспечивают деформацию трубопровода только в пределах упругости, что предотвращает его излом. На скорость движения трубоукладчика накладывается ограничение, связанное с технологическим процессом очистки и изоляции трубопровода, в большинстве случаев диапазон скоростей движения трубоукладчика в колонне с несколькими трубоукладчиками и при сопровождении технологических машин не превышает 0,5м/с [263].
Количество трубоукладчиков определяется не только требованием устойчивости, но и требованием предотвращения излома трубопровода. Увеличение числа трубоукладчиков приводит к повышению стоимости работ без увеличения производительности. При уменьшении количества трубоукладчиков увеличивается нагрузка на каждую машину сверх допустимой величины. При этом следует иметь в виду, что перегрузки приводят к преждевременному износу конструкций трубоукладчика, усложняют работу машиниста.
Усложнение работы машиниста связано с тем, что увеличивается нагрузка на левую гусеницу за счет трения троллейной подвески о трубопровод, происходит разворот трубоукладчика к траншее. Это заставляет машиниста корректировать курс движения машины.
Требования к технологическому процессу сооружения трубопровода обеспечиваются равномерным распределением нагрузок на трубоукладчики за счет механизации и автоматизации проведения ИУК [263, 204].
Базой для трубоукладчика служит гусеничный трактор, изготовленный под бульдозерное или сельскохозяйственное оборудование. МТУ таких энергонасыщенных тракторов имеет мощный дизельный двигатель и дополнительные узлы трансмиссии (гидротрансформатор, реверс-редуктор и т. д.). Соблюсти требования, предъявляемые к трубоукладчику, можно путем подбора энергетических параметров МТУ за счет перенастройки характеристики дизельного двигателя с локального максимума мощности на постоянную мощность с учетом влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. 1.5. Постановка цели и задачи исследования
Целью диссертационного исследования является разработка метода выбора рациональных параметров моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика при строительстве трубопроводов различных диаметров.
Задачи исследования: разработать математическую модель, увязывающую параметры моторно-трансмиссионной установки с технико-экономическими показателями трубоукладчика; разработать алгоритм и методику расчета технико-экономических показателей трубоукладчика с учетом влияния конструктивных (тип трансмиссии и характеристика двигателя), технологических (способы укладки трубопровода) и эксплуатационных (уклон поверхности движения и коэффициент сопротивления движению) факторов; установить зависимости изменения технико-экономических показателей трубоукладчика от параметров его моторно-трансмиссионной установки; разработать алгоритм выбора трубоукладчика применительно к заданным условиям эксплуатации из альтернативных вариантов.
В первой главе рассмотрены: схемы, конструкции и характеристики моторно-трансмиссионных установок отечественных и зарубежных трубоукладчиков; известные методы и критерии оценки эффективности работы машинно-тракторных агрегатов; факторы, влияющие на работу машинно-тракторных агрегатов; технологии строительства трубопроводов; особенности работы и требования, предъявляемые к моторно-трансмиссионным установкам трубоукладчика.
На сегодняшний день отечественные и зарубежные производители, предлагают трубоукладчики грузоподъемностью от 10 до 100 т с различными моторно-трансмиссионными установками. Включающие: дизельный двигатель мощностью от 100 до 400 кВт, настроенные на режим локальной или постоянной мощности; трансмиссии однопоточные или двухпоточные, бесступенчатые с переключением ряда передач под нагрузкой, дополнительно снабженные гидротрансформатором.
Анализ методов и критериев по оценке эффективности работы машинно-тракторных агрегатов, направленных на поиск оптимальных значений технико-экономических показателей машин, позволяет отметить, что в известных работах не нашло достаточного отражения решение такого важного вопроса, как установление критериев выбора параметров моторно-трансмиссионной установки от технико-экономических показателей проектируемого или серийно выпускаемого трубоукладчика.
Исследованиями установлено, что одной из основных причин ухудшения эффективности работы трубоукладчика является недоиспользование потенциальных возможностей МТУ. Это обусловлено резким изменением эксплуатационных нагрузок, ограниченными возможностями двигателя с локальным максимумом мощности и дискретностью передаточных отношений ступенчатых механических трансмиссий.
Проведенный обзор направлений и способов совершенствования конструкций моторно-трансмиссионных установок показал экономическую целесообразность и техническую возможность модернизационных решений, в том числе за счет изменений характеристик дизельного двигателя, являющегося наиболее гибкой системой для оптимизации.
Расчет тяговой характеристики трубоукладчика ТГ-12.5 (на базе трактора ВТ-100Д)
Оценивая по суммарной себестоимости работу трубоукладчика с различными типами трансмиссий, можно отметить, что на трех этапах суммарная себестоимость ниже у МТ по сравнению ГМТ на 7,8%.
Анализ приведенных графиков свидетельствует о том, что уменьшение избыточной мощности двигателя трубоукладчика приводит к заметному повышению удельной экономичности, к снижению часового расхода топлива, эксплуатационных затрат и себестоимости работы при незначительном снижении производительности. Следовательно, высокая мощность двигателя не является достаточным условием высокоэффективной работы трубоукладчика, если она не используется полностью.
Если в поле нельзя (не предусмотрено конструкцией) перенастраивать двигатель на другой уровень постоянной мощности, то по суммарной себестоимости работы лучшими значениями обладает трубоукладчик с настройкой двигателя №8.
Перенастройка двигателя с режима ЛММ на ПМ позволяет снизить суммарную себестоимость работ при монтаже трубопровода на 4 - 9 %. Для этого необходимо дефорсировать двигатель на 28,5% от номинальной мощность (от 112 до 80 кВт). Полка постоянной мощности при этом удлинится на 61% от номинальной частоты вращения (от1770 до 1100 об/мин).
Улучшение технико-экономических показателей тесно связано со снижением зоны недоиспользования возможностей моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика. Этот факт свидетельствует о том, что трубоукладчик с двигателем постоянной мощности и любым типом трансмиссии работает более эффективно, чем с двигателем с локальным максимумом мощности.
В результате проведенных исследований разработан метод выбора рациональных параметров моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика. На основе результатов диссертационной работы создан алгоритм выбора трубоукладчика, позволяющий на любой стадии жизненного цикла повысить технико-экономические показатели за счет выбора рациональных параметров МТУ.
Результаты, полученные в рамках данной диссертационной работы, носят прикладной характер. На их основе предложены рекомендации, позволяющие решать актуальные и важные задачи повышения эффективности эксплуатации парка спецтехники в процессе производственной деятельности, на этапах проектных и подготовительных работ. Это в свою очередь, затрагивает вопросы оптимизации себестоимости и топливной экономичности при хозяйственной деятельности, имеющие важное значение в условиях современного рынка.
Установлены зависимости изменения технико-экономических показателей трубоукладчика от параметров его моторно-трансмиссионной установки (длины и уровня полки постоянной мощности в сочетании с механической и гидромеханической трансмиссиями) на различных технологических этапах (сварка, укладка, очистка и изоляция) монтажа трубопровода. Полученные зависимости определили степень влияния конструктивного (тип трансмиссии и характеристика двигателя) фактора на технико-экономические показатели трубоукладчика.
Разработанный алгоритм выбора трубоукладчика позволяет проектным, конструкторским и эксплуатирующим организациям на стадиях: конструирования - разработать трубоукладчик, используя агрегаты с лучшими характеристиками, и добиться лучших технико-экономических показателей, чем у аналогов; проектирования и эксплуатации - выбрать оптимальную модель для конкретных условий.
Установлено, что улучшение технико-экономических показателей достигается путем подбора энергетических параметров МТУ за счет перенастройки двигателя с локального максимума мощности на постоянную мощность.
Перенастройка двигателя трубоукладчика с механической трансмиссией на режим постоянной мощности снижает суммарную себестоимость работ при монтаже трубопровода на
Разработанный метод выбора рациональных параметров моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика и основные результаты диссертационной работы приняты к внедрению ООО «ГазпромТрансГаз» (г. Волгоград). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Автомобиле-и тракторостроение» ВолгГТУ для студентов специальности 190109 «Наземные транспортно-технологические средства», бакалавров и магистров техники и технологии по направлению 190100 «Наземные транспортно-технологические комплексы».
