Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Моделирование процесса производства земляных работ бульдозерами
1.1 Обоснование объекта исследования 10
1.2 Структурная модель рабочего процесса бульдозера, как землеройно-транспортной машины 14
1.3 Обзор существующих моделей производительности бульдозеров 19
1.4 Основные факторы, влияющие на техническую производительность бульдозеров 31
1.5 Оценки экономической эффективности бульдозеров 32
1.6 Выводы по главе. Цели и задачи исследования 35
Глава 2. Статистические соотношения основных параметров бульдозера
2.1 Место и роль статистических соотношений параметров дорожно-строительных машин 39
2.2 Статистические соотношения мощности бульдозеров, массы и вместимости рабочего органа 43
2.3 Соотношение мощности бульдозера и стоимости машины 47
2.4 Соотношение стоимости машино-смены и мощности бульдозеров...50
2.5 Выводы по главе 53
Глава 3. Математические модели показателей эффективности бульдозеров
3.1 Математические модели технической и эксплуатационной производительности бульдозеров 55
3.2 Математические модели технико-экономической эффективности 62
3.3 Выводы по главе 70
Глава 4. Ранжирование факторов, влияющих на производительность бульдозеров методом имитационного моделирования
4.1 Методика имитационного моделирования 71
4. 2Факторы, влияющие на эффективность и диапазоны их изменения 72
4.3 Уравнения регрессии 76
4.4 Выводы по главе 82
Глава 5. Методика прогнозирования эффективности применения бульдозеров при выполнении земляных работ
5.1 Шеобходимые исходные данные 85
5.2 Методика прогнозирования 88
5.3 Сопоставление результатов расчёта с данными испытаний 90
5.4 Оценка экономического эффекта применения методики 101
5.5Выводы по главе 106
Основные результаты и общие выводы 108
Литература 111
Приложения 122
- Структурная модель рабочего процесса бульдозера, как землеройно-транспортной машины
- Статистические соотношения мощности бульдозеров, массы и вместимости рабочего органа
- Математические модели технико-экономической эффективности
- 2Факторы, влияющие на эффективность и диапазоны их изменения
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время отсутствуют достаточно совершенные инженерные методики, ориентированные на подбор средств механизации на этапах разработки разделов производства работ при проектировании строительных объектов. Это не позволяет в необходимой мере учитывать действующие факторы и требует поиска вспомогательных справочных материалов. Вместе с тем, значительный объем накопленных знаний, в частности, в области рабочих процессов землеройно-транспортных машин (ЗТМ) и механизированных технологий земляных работ, позволяют существенно усовершенствовать методы выбора эффективных типоразмеров машин с учетом их технико-экономических параметров, условий производства работ и их объемов. В итоге можно не только упростить расчеты, но и повысить достоверность предложений по механизации земляных работ на уровне проекта строительства, благодаря более высокой адекватности математического моделирования.
Цель работы: разработка методики прогнозирования технико-экономической эффективности выполнения земляных работ ЗТМ цикличного действия на примере гусеничных бульдозеров с целью выбора рационального типоразмера машины для заданных условий работ.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи: разработать структурную схему рабочего процесса бульдозера, как ЗТМ цикличного действия; выявить и систематизировать факторы, влияющие на технико-экономическую эффективность выполнения земляных работ бульдозерами; определить зависимость основных параметров, а также стоимости бульдозеров от главного параметра - мощности машины; разработать математические модели технической и эксплуатационной производительности бульдозера; разработать обобщенную математическую модель технико-экономической эффективности работы бульдозеров; провести ранжирование факторов, влияющих на эксплуатационную производительность бульдозера; проверить адекватность результатов математического моделирования данным производственных испытаний бульдозеров; разработать методику прогнозирования эффективности применения бульдозеров при выполнении земляных работ.
Объект исследования: рабочий процесс бульдозера, как наиболее представительный для ЗТМ цикличного действия.
7 Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы корреляционного анализа, имитационного и математического моделирования. Математическая модель производительности бульдозера получена на основе анализа затрат энергии на выполнение бульдозером основных элементов его рабочего цикла. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась путем сравнения с результатами испытаний.
Особенностью методологии исследования является ее базирование на статистических соотношениях основных технико-экономических параметров ЗТМ, а также исключение из расчетов малозначимых факторов. Энергетический подход к анализу рабочего процесса бульдозера, обеспечивающий формирование обобщенных математических моделей производительности и технико-экономической эффективности бульдозеров.
Результаты работы, представляющие научную новизну: результаты анализа рабочего процесса бульдозера на основе энергетических затрат при выполнении основных элементов рабочего цикла; математические модели технической и эксплуатационной производительности бульдозера; зависимость основных параметров бульдозеров и их технико-экономических показателей от главного параметра—мощности машины; обобщенная математическая модель технико-экономической эффективности работы бульдозера.
8 Практическая значимость работы заключается в инженерной методике прогнозирования эффективности выполнения бульдозерами земляных работ с учетом условий их выполнения с целью выбора машин рационального типоразмера при проектировании производства земляных работ.
На защиту выносятся: результаты анализа факторов, влияющих на технико-экономическую эффективность выполнения земляных работ бульдозерами и структурная схема рабочего процесса бульдозера, как ЗТМ цикличного действия; зависимость основных параметров, а также стоимости бульдозеров от главного параметра - мощности машины; математические модели технической и эксплуатационной производительности бульдозера; обобщенная математическая модель технико-экономической эффективности работы бульдозеров; результаты ранжирования факторов, влияющих на эксплуатационную производительность бульдозера; методика прогнозирования эффективности применения бульдозеров при выполнении земляных работ.
Реализация результатов работы. Методика прогнозирования эффективности применения бульдозеров при выполнении земляных работ передана для реализации РОО "Научно-техническая ассоциация ученых и специалистов транспортного строительства", договор КМ-05-5380
9 (приложение 1).
Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования докладывались на заседаниях научно-технического совета ВНИИстройдормаш, секции "Механизация транспортного строительства, строительные машины и оборудование" ученого совета ЦНИИС, конференции молодых специалистов ЦНИИС.
Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 5 работ.
Объем работы. Диссертация содержит 121 стр., машинописного текста и включает введение, 5 глав, общие выводы, 21 рисунок, 15 таблиц и список литературы из 99 источников.
Структурная модель рабочего процесса бульдозера, как землеройно-транспортной машины
Для получения перечня факторов, влияющих на эффективность рабочего процесса бульдозера необходимо сформулировать и проанализировать структурную модель этого процесса рис. 5. На входе система имеет три взаимодействующих объекта: Б - бульдозер; Г - разрабатываемый грунт; Д - дальность перемещения грунта. При формировании данной модели использовался энергетический подход к анализу рабочего процесса бульдозера, поэтому ее внутренняя структура содержит затраты энергии Ак на процесс копания грунта (К) с отделением грунтового массива за цикл объема Q, а также затраты энергии Ап и Ахх на перемещение грунта (ПГ) и холостой ход машины (XX) на расстояние L. При заданных параметрах бульдозера это позволяет на выходе системы определить время этапов рабочего цикла tK, tn, txx и общее время цикла Т, а, следовательно, техническую производительность машины Пт. Таким образом, данная структурная модель, как и общепринятая для ЗТМ цикличного действия, для дальнейшего анализа производительности бульдозера позволяет использовать где: Q - общий в плотном теле объем грунта, отделенный от массива отвалом бульдозера за один цикл, м3; Т - время цикла, с; Кпк и КПп - коэффициенты, учитывающие потери грунта в боковые валики при его копании и перемещении, меньше 1. Величину Q удобнее выражать через вместимость отвала q, которая является одним из показателей технической характеристики бульдозера: где: Kg - коэффициент использования вместимости отвала, в среднем равен 1Д, как и для скреперов (наполнение рабочего органа "с шапкой"); Кр - коэффициент разрыхления грунта; q — вместимость отвала, м . Основные факторы, влияющие на производительность бульдозера в соответствии с представленной структурной моделью его рабочего процесса (рис. 6), могут быть получены на основе обзора существующих моделей производительности бульдозеров. Вопросы производительности ЗТМ, в том числе бульдозеров, получили развитие и систематизированное изложение в работах Н.Г. Домбровского [14], СЕ. Канторера [15,161, И.А. Недорезова [11,17,], АЛ. Крившина [18], С.Я. Луцкого [19,20], A.M. Холодова [21], Л.А. Гобермана [22], А.З. Шарца [23], A.M. Шейнина [24], Б.З. Захарчука [25], А.В. Лещинского [26], B.C. Заленского [27] и других авторов. При этом в качестве оценок принимаются три вида производительности: расчётная (теоретическая), техническая и эксплуатационная. Так как бульдозер является землеройно-транспортнои машиной цикличного действия, то в общем виде существующие модели производительности имеют следующий вид.
Статистические соотношения мощности бульдозеров, массы и вместимости рабочего органа
Группировка информации о машинах и их параметрах является очень важным этапом статистического анализа. Чем выше степень подобия машин в группе, тем более достоверны результаты статистического анализа. В данном исследовании рассмотрены 110 моделей бульдозеров с лобовыми отвалами на гусеничном ходу, как отечественных (Челябинский тракторный завод» (ЧТЗ), ОАО «Промтрактор», так и зарубежных фирм (Fiatallis, Caterpillar, Komatsu, Liebherr, Daewoo, International-Dresser, HUTA Stalowa Wola) производителей землеройно-транспортной техники [9, 26,43,44,45,46] в диапазоне мощностей от 50 до 600 кВт. Технические характеристики этой группы машин были приняты за многомерную статистическую совокупность. Затем совокупность была разделена на одномерные (парные) статистические совокупности. Для этих совокупностей был выполнен поиск парных корреляций - связей. Распределение фактических численных значений каждой пары представлено графически. При анализе связей основные параметры машины (М масса бульдозера, q вместимость отвала) выражены через главный параметр (N мощность бульдозера). Согласно [1] под главным параметром машины подразумевают один из основных параметров, более полно определяющий типоразмер машины и потенциальные возможности ее работы в данных технологических условиях, которые являются наиболее стабильными при ее техническом усовершенствовании, и оказывающими определенное влияние на остальные конструктивные, эксплуатационные и технико-экономические параметры машины. Связи между параметрами найдены путем аппроксимации их общими уравнениями регрессии, которые позволяют определять средние значения основных параметров по величине главного параметра. При этом нужно иметь ввиду, что синтезируемая статистическая модель должна удовлетворять двум сугубо противоположным требованиям; быть максимально адекватным исследуемому процессу и минимально сложной в целях использования [34].
Представленные на рис. 7, 8 [43] поля корреляции и аппроксимирующие линейные зависимости массы бульдозера (М) вместимости отвала (q) от мощности бульдозера (N) отображают средневероятные значения параметров бульдозера. При использовании, как самой удобной для дальнейших расчетов, линейной аппроксимирующей функции коэффициенты корреляции имеют значения равные 0,94, а аппроксимирующие уравнения вид: где: N - мощность бульдозера, кВт; М — масса бульдозера, т; q - вместимость полусферического отвала бульдозера, м3, как наиболее характерного для машин мощность выше 100 кВт. вычисления коэффициента корреляции была использована программа Microsoft Excel.
Затраты, связанные с производством машины, находят свое отражение в таком показателе, как оптовая цена или стоимость машины. Этот показатель включает в себя две составляющие, первая из которых является себестоимостью машины и целиком отражает затраты на ее производство, а вторая характеризует рентабельность предприятия, выпускающего машину, и зависит от способа производства и политики установления цен. На величину себестоимости оказывают влияние многие факторы: конструктивные, технологические, организационные и эксплуатационные. Учесть многообразие этих факторов без полной технической документации на машину не представляется возможным.
Решить задачу нахождения стоимости машины возможно, используя один фактор, который присутствует практически в любой информации о машине, т.к. является главным параметром, т.е. мощностью двигателя бульдозера позволяет использование статистического метода. Статистический метод позволяет получить корреляционную зависимость, отражающую вероятностную связь стоимости и мощности бульдозера.
Данные для определения статистических соотношений стоимости бульдозеров (тыс. у.е.) и их главного параметра мощности двигателя (кВт) получены из следующих источников: информационный бюллетень цен ЗАО «Стройдормаш», публикуемый в журнале «Строительные и дорожные машины»; прайс-листы различных отечественных и зарубежных фирм; публикации в научно-технической литературе [26].
Так как стоимость зарубежной техники в настоящее время существенно выше отечественных аналогов, то целесообразно рассматривать данные о группах отечественных и зарубежных машин раздельно. Графически поля корреляции и зависимости стоимости бульдозеров от величины мощности двигателя представлены на рис. 9 [43]. Эти зависимости также имеют линейный характер и аппроксимированы уравнениями со значениями коэффициентов корреляции 0,91 для зарубежной техники и 0,89 для отечественной и справедливы для значений мощности бульдозеров более 100 (кВт)
Математические модели технико-экономической эффективности
Известно, что одна и та же работа в определенных условиях строительства может быть выполнена различными машинами, отличающимися по конструктивно-техническим параметрам. Это приводит к различным результатам, которыми характеризуется эффективность производства: продолжительности выполнения работ, их себестоимости, трудоемкости и др. Кроме того, условия выполнения одной и той же работы на разных участках (объектах) могут существенно изменяться, что неизбежно отразится на эффективности выполнения этой работы конкретной машиной. Изменение условий производства работ влияет на эффективность их выполнения машинами разных марок далеко не одинаково [32]. Поэтому задачей установления области эффективного применения взаимозаменяемых средств механизации является определение для каждой конкретной машины таких условий производства работ, в которых ее использование наиболее выгодно по сравнению с другими. Эффективность бульдозера с лобовым отвалом определяется его способностью быстро набирать возможно большую призму волочения на грунтах различной прочности при минимальных ресурсозатратах [4 8] .Прогнозирование эффективности применения различных средств механизации, что может быть осуществлено с использованием соответствующих технико-экономических моделей, учитывающих условия производства работ, технические возможности машин, затраты и другие факторы с использованием показателя приведенных удельных затрат Зуп. в качестве критерия эффективности [70, 71, 88, 89]: (31) где: Зі — удельные приведенные затраты без учета единовременных и дополнительных затрат; Е - коэффициент эффективности капитальных затрат: То- срок окупаемости машины, год; См - стоимость бульдозера, у.е.; Пэ. - эксплуатационная производительность, м3/ч; Фг - время работы машины в течение года, ч; СМ-ч - стоимость машино-часа, у. е.
В зависимости (31) в явном виде не учитывается стоимость перебазирования бульдозера на объект строительства, которая составляет единовременные затраты в составе стоимости машино-часа работы машины и дополнительные затраты на элементы рабочего цикла бульдозера, не зависящие от дальности перемещения грунта. Выражение для определения удельных приведенных затрат, учитывающих затраты на перебазирование машины и дополнительные затраты, имеет вид [26], [96]: где: Зг - единовременные затраты на перебазирование бульдозера у.е; VP- объем земляных работ на объекте строительства, предназначенный для работы бульдозером, м3; 33 - затраты, на элементы цикла, не зависящие от дальности перемещения грунта у.е/м . Единовременные затраты на перебазирование бульдозера Зг, определяются выражением[16], [32], [37], [26]: где: Сп.пос — затраты на перебазирование, не зависящие от расстояния, у.е; СППЕР - затраты на перебазирование на 1 км пути, у.е/км; Ln - дальность перебазирования. Значения величин Сп.пос, Сп.пер , можно определить исходя из их соотношений со стоимостью бульдозера, на основании данных [16, 32] для трех мощностных групп (рис, 10, 11) в виде: - для бульдозеров мощностью 80...132 кВт: Величина затрат на элементы цикла, не зависящие от дальности перемещения грунта, также определяется исходя из статистических соотношений с главным параметром бульдозера на основании данных [16, 32].
На рисунке 12 представлен график зависимости соотношения стоимости машины и дополнительных затрат для трех мощностных групп в виде: - для бульдозеров мощностью 80... 132 кВт: Рис. П. Зависимость соотношения стоимости бульдозера и переменных затрат на перебазирование от мощности: 1- 80... 132 кВт, 2 - 132... 220 кВт, 3-220...350 кВт. - для бульдозеров мощностью 220... 350 кВт: Производственные условия, в которых экономически целесообразно использовать машины, представляются областями их рационального применения [50]. На основе выражения (33) и (34) можно составить соответствующие выражения для двух различных типоразмеров бульдозеров. Приравнивая Зу,п. и решая полученное уравнение относительно Vp, получаем значение граничного объема работ, при котором применение того или иного бульдозера обеспечивает одинаковый размер удельных приведенных затрат, а следовательно и одинаковую эффективность.
2Факторы, влияющие на эффективность и диапазоны их изменения
В связи со значительным числом факторов, входящих в модель эксплуатационной производительности бульдозера и случайным характером их изменения, практическое значение приобретает метод имитационного моделирования данного объекта исследования [56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 67, 68] и ранжирование действующих факторов по степени их значимости. Это позволяет при множестве реализаций процесса работы бульдозера в режиме землеройно-транспортной машины, как сложной системы, моделирующей различные реальные ситуации, оценить какие из входящих факторов в большей или в меньшей степени воздействуют на его эффективность. Для разработки имитационной модели эксплуатационной производительности бульдозера при производстве земляных работ, использован аппарат и терминология теории планирования эксперимента [64, 65, 66]. Обычный регрессионно-корреляционный эксперимент позволяет получить математическую модель явления, позволяющей ранжировать влияние различных факторов на функцию отклика и решать задачу прогнозирования явления во времени. Задачей настоящей разработки является построение интерполяционной модели, предсказывающей результат в пределах заданной области. При ранжировании факторов и построении модели используется компьютерная программа, каждый расчет является машинным экспериментом с определенным набором данных.
В первом приближении для ранжирования рассматривается линейная модель. Вместе с влияющими факторами задаются диапазоны изменения каждого из них. Соответствующие расчеты коэффициентов уравнения (51) выполнены с использованием разработанного программного обеспечения (приложение 2). Гистограмма рангов модели приведена на рис. 13. Таким образом, незначимыми факторами можно принять: 3 (Кщс -коэффициент потерь грунта при копании), 7 (ґсц - коэффициент сцепления движителей с грунтом), 15 (Kq - коэффициент вместимости отвала бульдозера); малозначимыми факторы: 2 (л - тяговый КПД машины), 5 (Кв - коэффициент использования бульдозера по времени), 8 (fM - коэффициент сопротивления перемещению машины), 9 (А - объемный вес грунта в плотном теле), 11 (fi -коэффициент сопротивления перемещению грунта), 13 (Кр - коэффициент разрыхления грунта). Наиболее значимыми являются факторы: 1 (N - мощность бульдозера), 4 (Кпп - коэффициент потерь грунта при перемещении), 6(К удельное сопротивление копанию), 10 (L - дальность перемещения грунта), 12 (GM - вес бульдозера), 14 (q — вместимость отвала бульдозера). Можно упростить уравнение регрессии, исключив незначимые факторы 3, 7, 15, тогда получим: Для проверки адекватности линейной модели расчета эксплуатационной производительности бульдозера, произведено сравнение величин вычисленных по аналитическому уравнению (29) и по линейной модели (9) для нижних уровней изменения факторов, рассматривая их по одному. Сравнение показало, что полученные в уравнении (9) коэффициенты: 6 (К - удельное сопротивление копанию), 10 (L - дальность перемещения грунта), 12 (GM - вес бульдозера), 14 (q - вместимость отвала бульдозера), не вполне удовлетворяют зависимости функции отклика Пэ, т.е. не являются достаточно адекватными. Корректирование этой зависимости путем введения дополнительных слагаемых второго порядка, указанных четырех факторов показало, что для обеспечения адекватности уравнения достаточно добавить в уравнение регрессии (9) лишь дополнительное слагаемое: а ]2 х
Тогда из системы уравнений может быть получено откорректированное значение коэффициента Д12 и коэффициента % при дополнительном слагаемом: Для проверки адекватности полученного уравнения (11) достаточно сравнить результаты расчетов эксплуатационной производительности бульдозера по данной модели и аналитической зависимости (29) для двух крайних точек ("+" для всех факторов и"-" для всех факторов). В результате имеем: - для максимальных значений факторов Пэ=144,5 м% по уравнению регрессии (11) и 149,1 м3/ч по аналитической зависимости (29); - для минимальных значений факторов соответственно Пэ=323,8 м3/ч и 333,6 м3/ч. Таким образом полученная регрессионная модель эксплуатационной производительности бульдозера является адекватной, т.к. максимально возможная ошибка расчетов составляет 3,2%.
