Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и перспективы применения автоматизированных методов расчётов в исследованиях и оптимизации карьерного автотранспорта
1. Параметры и технико-экономические показатели эксплуатации современного карьерного автотранспорта 9
2. Краткий обзор научно-технической литературы по моделированию эксплуатации карьерного автотранспорта 25
3. Цель, задачи и методы исследования 41
2. Постановка задачи расчётов параметров и технико-экономических показателей эксплуатации карьерного автотранспорта
1. Производительность экскаваторно-автомобильных комплексов 44
2. Скоростные режимы автосамосвалов 49
3. Расход дизельного топлива 58
4. Технико-экономические показатели карьерного автотранспорта 69
Выводы 74
3. Критерии оценки эффективности и ограничения эксплуатации карьерного автотранспорта
1. Методы оценки экономической эффективности 75
2. Предельные параметры трасс по условию допустимого нагрева тягового электрооборудования дизель-электрических автосамосвалов 82
3. Тепловые режимы крупногабаритных автомобильных шин 86
3.4. Экологическая эффективность автомобильного транспорта.. 91
Выводы 94
4. Информационное, алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированных расчётов карьерного авто транспорта
4.1. Обоснование структуры геоинформационного банка данных..96
4.2. Алгоритмы расчётов карьерного автотранспорта 102
4.3. Программное обеспечение геоинформационного банка данных и автоматизированных расчётов 110
Выводы 117
5. Анализ и практическая реализация результатов исследования
5.1. Установление закономерностей влияния горно-технических факторов на эксплуатационные параметры экскаватор-но-автомобильных комплексов (по результатам моделирования) 119
5.2. Автоматизированные расчёты предельных параметров трасс при работе дизель-электрических автосамосвалов в конкретных горно-технических условиях 124
5.3. Использование автоматизированных расчётов карьерного автотранспорта в учебном процессе 149
Выводы 153
Заключение 156
Список использованных источников
- Краткий обзор научно-технической литературы по моделированию эксплуатации карьерного автотранспорта
- Скоростные режимы автосамосвалов
- Предельные параметры трасс по условию допустимого нагрева тягового электрооборудования дизель-электрических автосамосвалов
- Алгоритмы расчётов карьерного автотранспорта
Введение к работе
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы обусловлена отсутствием методики расчётов карьерного автотранспорта, соответствующей современному уровню развития вычислительной техники.
Недостатком одной части существующих методик является неточность расчетов из-за недостаточной детализации исходных данных, другой - трудоемкость их подготовки из-за излишней детализации при отсутствии средств ускорения ввода и управления. Все методики дают недостоверные результаты для условий эксплуатации с неполным использованием мощности двигателя.
Между тем, более половины затрат на добычу полезного ископаемого приходится на транспортирование горной массы. Эти затраты постоянно увеличиваются из-за роста глубины карьеров и удорожания энергоносителей, особенно дизельного топлива.
Увеличение точности и производительности расчётов позволит сократить затраты на карьерный автотранспорт за счет повышения качества проектирования, нормирования, планирования и оперативного управления.
Создание методики автоматизированных расчётов карьерного автотранспорта для быстрого и точного определения параметров его эксплуатации является целью работы.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи, определившие структуру диссертации:
1. Анализ и обобщение опыта эксплуатации карьерного автотранспорта и методик его расчетов.
2. Увеличение точности расчетов скорости движения и рас -хода топлива путём учёта использования мощности двигателя автосамосвалов.
3. Обоснование критериев оценки эффективности и ограничений эксплуатации автотранспорта.
4. Разработка алгоритмического, информационного и программного обеспечения расчетов.
5. Проверка работоспособности методики в различных горно-технических условиях.
Объектом исследования является карьерный автотранспорт.
Основная идея работы заключается в геоинформационном моделировании карьерных технологических дорог в качестве основы для расчётов автотранспорта.
Научные положения, защищаемые автором:
1. Представление системы автотранспортных коммуникаций карьеров совокупностью участков автодорог с заданными геометрическими параметрами (длиной и уклоном) и свойствами покрытия (коэффициентом сопротивления качению) необходимо и достаточно определяет параметры эксплуатации карьерного автотранспорта в заданных горно-технических условиях с требуемой точностью.
2. Возможность применения трёх способов описания геометрических параметров участков автодорог в горизонтальной плоскости (угол и радиус поворота, координаты концов, длина проекции) и двух - (координаты концов, угол наклона) в вертикальной - обеспечивает гибкость и удобство подготовки данных автоматизированных расчетов эксплуатационных параметров карьерных автосамосвалов.
3. Совместное использование совокупности баз данных горно-транспортного оборудования, системы автотранспортных комму никаций и первичной маркшейдерской информации как геоинформационного банка данных позволяет сократить затраты времени на управление данными автоматизированных расчетов карьерного автотранспорта.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждается их соответствием практике эксплуатации карьерного автотранспорта, опытом использования разработанной автором системы автоматизированных расчётов карьерного автотранспорта и отдельных ее компонентов в институтах НИИОГР, Союзгазпроект, СургутНИПИ-нефть, Южниигипрогаз, комбинате "Магнезит", арендном предприятии "Коелгамрамор", а также апробацией на семинарах и публикацией основных результатов исследований.
Научная новизна работы:
1. Геоинформационная модель системы автотранспортных коммуникаций карьеров.
2. Установление зависимостей скорости движения автосамосвалов и расхода топлива от степени использования мощности двигателя.
3. Алгоритмическое, информационное и программное обеспечение геоинформационного банка данных автоматизированных расчётов карьерного автотранспорта и методика на его основе.
Практическая ценность работы. Разработанные методика автоматизированных расчётов карьерного автотранспорта и система на её основе рекомендуются для применения в практике проектирования, нормирования, планирования и оперативного управления карьерным автотранспортом на горных предприятиях, в научно-исследовательских и проектных институтах, а также в учебном процессе студентов горных специальностей.
Методы исследований: анализ, обобщение, вычислительный эксперимент, математическое моделирование, статистико-вероят-ностные.
Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении опыта эксплуатации карьерного автотранспорта и методик его расчётов; создании математического, алгоритмического, информационного и программного обеспечения системы автоматизированных расчётов карьерного автотранспорта по новой методике; проверке работоспособности системы в различных горно-технических условиях.
Реализация результатов работы. Разработанная система используется для выполнения расчетов карьерного автотранспорта институтом НИИОГР. С её помощью определены предельные параметры трасс Карагайского карьера комбината "Магнезит". Программное обеспечение обработки первичной маркшейдерской информации внедрено и эксплуатируется в институтах Союзгазпроект, Сургут-НИПИнефть, Южниигипрогаз и арендном предприятии "Коелгамра-мор".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на II Всесоюзном семинаре "Информатика недр" (банки данных, базы знаний, компьютерные технологии) (Кемерово, 1989 г.), Всесоюзной конференции по проблеме добычи и обогащения руд при их комплексном использовании (Апатиты, 1991 г.), Всесоюзной конференции молодых ученых ИГД ММ СССР (Екатеринбург, 1991 г.), семинаре "Геоинформатика в горном производстве" (Екатеринбург, 1995 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 129 наименований, приложений, изложенных на 220 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков и 37 таблиц.
Автор выражает признательность Ю.И. Лелю за оказанные помощь, поддержку и консультации.
Краткий обзор научно-технической литературы по моделированию эксплуатации карьерного автотранспорта
Вопросам моделирования эксплуатации автотранспорта в целом и карьерного технологического, в частности, посвящены исследования академиков Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского [101, 80], профессоров Ю.П. Астафьева, М. В. Васильева, В. А. Галкина, А.А. Кулешова, Н.Н. Медникова, Н.Г. Новожилова, М.Г. Потапова, Э.И. Реентовича, П.И. Томакова, B.C. Хохрякова [41, 17-21, 22, 44-46, 57, 67, 70, 79, 104, 115-116, 118], а также, Г.Б. Без-бородова, В.И. Белозерова, В.Г. Галушко, А.С. Давидовича, С. А. Каграманяна, А.И. Казареза, В.М. Каплана, А.П. Левчика, Ю.И. Леля, М.Н. Мадиева, А.В. Максимова, В. А. Малышева, П. И. Тарасова [10, 12, 64, 36, 38, 48, 21, 52, 54, 100].
Моделированию эксплуатации карьерного технологического автомобильного транспорта подвергались различные ее аспекты и компоненты. В частности, моделированию автотранспорта, как одного из процессов горного производства посвящены работы [57, 64, 67, 79-80, 101]. Более детально описывается моделирование эксплуатации карьерных автосамосвалов в [17-18, 50, 96]. Расчету продолжительности транспортного цикла уделяется внимание в [19]. Особенно следует отметить исследование [10], в котором излагаются общие принципы моделирования движения автомобилей. Технологическим режимом автотранспортного процесса посвящена работа [20]. В исследованиях [22, 38, 54, 115-116, 118] рассматриваются вопросы моделирования автотранспортных коммуникаций. Функционирование экскаваторно-автомобильных комплексов, с точки зрения экономики описывается в [44-45, 95]. Влиянию од -ной из основных составляющих экономической эффективности эксплуатации технологического автотранспорта - расходу топлива посвящена работа [100]. Моделирование экономических показателей эксплуатации автотранспорта рассматривается в [12, 48, 70]. Планирование производительности автотранспорта исследуется в [21, 41, 52, 98]. Способы определения области рационального применения рекомендуются [46]. Методы оперативного управления автосамосвалами описываются в [36, 41].
Научными школами, внесшими наиболее значительный вклад в исследования методов моделирования эксплуатации карьерного технологического автотранспорта являются (по количеству и значению публикаций результатов исследований): ИГД МЧМ СССР [17-21, 95-96, 98, 100] ; ИГД имени Скочинского [12, 48, 50, 70, 79, 101]; Свердловский горный институт (СГИ) [38, 42, 52, 115-116, 118]; Ленинградский горный институт (ЛГИ) [36, 44-46]; Московский горный институт (МГИ) [57, 80]; Магнитогорский горно-металлургический институт (МГМИ) и Криворожский горно-рудный институт (КГРИ) [22] и [54].
При моделировании процесса транспортировки горной массы средствами автотранспорта применяются следующие (ранжированные по наибольшей степени употребляемости) методы: экономико-математический [12, 20-21, 44-45, 48, 70]; аналитический [10, 36, 38, 41, 46, 95]; вероятностный [10, 36, 41, 95, 98]; имитационного моделирования [21, 36, 41, 54]; регрессионный [50, 95, 100]; геоинформационный [42, 115-116, 118]; расчётно-статисти-ческий [10, 19]; графо-аналитический [22, 38]; эмпирический [10]; конфигураций [22]; математического планирования экстремальных экспериментов [52]; итераций [41].
Наименование методов, приводится в определениях авторов публикаций. На самом деле, многие исследования используют одни и те же методы (по-сути), используя разные термины.
Детальный анализ вышеприведенных источников научно-технической литературы показывает, что в них приводится описание следующих объектов исследования, методов их моделирования и полученных (ожидаемых и фактических) результатов.
В основу методики [19-20, 95] положен расчётно-статисти-ческий метод определения продолжительности транспортного цикла карьерных автосамосвалов.
При моделировании учитываются следующие факторы: параметры и сложность трассы, скорость движения автосамосвалов в начале и конце каждого участка транспортирования, влияние уклона на ускорение и инерцию, резерв мощности при подъеме, ограничение скорости на поворотах, спусках, забойных и отвальных дорогах и конструктивные особенности модели автосамосвала.
В качестве исходных данных при моделировании служат: конструктивные параметры автомобилей, фактические параметры автосамосвалов в карьере, эмпирические коэффициенты, полученные экспериментальным путем и аналитические формулы, характеризующие типовые составляющие режимы движения.
Скоростные режимы автосамосвалов
Технико-экономические показатели разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом в значительной степени зависят от эффективности функционирования транспортных систем карьеров, т.к. доля транспорта в общих затратах на добычу составляет 55...60% и имеет тенденцию увеличиваться. Причем автомобильный транспорт является наиболее дорогостоящим.
Анализ планируемой и фактической производительности автосамосвалов на некоторых железорудных карьерах показывает, что выполнение норм выработки изменяется в диапазоне 70...180%, доля случаев невыполнения норм составляет 20...30%. выполнения на 100...120% - 45...70%, выполнения на 120...150% - 8...34%, выполнения на 150% и более - 1...4%. Эти данные свидетельствуют о низкой точности действующих нормативов, используемых для планирования работы автотранспорта.
Для сборочных перевозок, характеризующихся большей вариативностью условий эксплуатации, необходима высокая степень детальности расчетов при определении таких параметров как среднетехнические скорости движения, расход дизельного топлива на различных участках трасс, оптимальное распределение транспортных единиц по пунктам погрузки и маршруты их движения.
Для магистральных перевозок необходимо исследование и обоснование предельных (допустимых) условий эксплуатации (максимальные высота подъема и расстояние перевозок горной массы).
Применение систем автоматизированного проектирования, планирования и оперативного управления карьерным транспортом позволяет повысить его эффективность. Однако, парк компьюте - 42 -ров, имеющийся у проектных, научно-исследовательских институтов и горных предприятий используется для этой цели неудовлетворительно из-за отсутствия приемлемых методик расчётов и соответствующего программного обеспечения. Недостатками существующих методик являются трудоемкость подготовки и ввода исходной информации, ошибочность расчётов в условиях эксплуатации автосамосвалов с неполным использованием мощности двигателя, недостаточное использование графики в представлении исходных данных и результатов расчётов.
В связи с этим, целью работы является создание методики и системы на её основе, повышающих точность расчётов путём учёта использования мощности двигателя автосамосвалов и содержащих средства автоматизации подготовки, ввода и управления исходной информацией.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1. Произведен анализ и обобщение опыта эксплуатации карьерного автотранспорта и методик его расчетов. 2. Увеличена точность расчётов скорости движения и расхода топлива путём учёта использования мощности двигателя автосамосвалов. 3. Обоснованы критерии оценки эффективности и ограничений эксплуатации автотранспорта. 4. Разработано алгоритмическое, информационное и программное обеспечение расчетов. 5. Проверена работоспособность методики в различных горно-технических условиях.
В диссертационной работе использован комплекс научных ме - 43 -тодов исследований: - анализ и обобщение опыта эксплуатации, моделирования и методик расчетов карьерного автотранспорта; - вычислительные эксперименты по исследованию зависимостей параметров и технико-экономических показателей автотранспорта от горно-технических условий его эксплуатации; - математическое моделирование функционирования экскава-торно-автомобильных комплексов; - статистико-вероятностные методы обработки данных экспериментальных исследований; - геоинформационное моделирование автотранспортных коммуникаций карьеров.
Предельные параметры трасс по условию допустимого нагрева тягового электрооборудования дизель-электрических автосамосвалов
Показатели абсолютной эффективности на уровне предприятия были аналогичны соответствующим показателям, применяемым в рыночной экономике. Однако в условиях отсутствия самостоятельных целей предприятий они использовались для установления связи между частными критериями на уровне предприятий и отраслей с общими критериями народнохозяйственной эффективности [32] .
Далее методы оценки экономической эффективности развивались по следующим направлениям: учёт фактора времени, разработка критериев сравнительной эффективности капитальных вложений, обоснование с народнохозяйственных позиций нормативных коэффициентов эффективности и сроков окупаемости. Типовая методика определения эффективности капитальных вложений [103] и утверждение разработанных на её основе отраслевых методик и инструкций - результат этого развития. Критерий сравнительной эффективности (согласно [103]) рассчитывается по формуле: 3=С+Е„К, (3.2) где 3 - приведённые затраты; С - себестоимость; К - капитальные затраты; Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.
Слабыми сторонами этого критерия являются: метод определения Ен и необходимость тождества результатов по вариантам, -что редко бывает на практике. В настоящее время приведенные затраты совершенно непригодны т.к. определить народнохозяйственный или отраслевой коэффициент эффективности ещё более затруднительно, чем в доперестроечный период.
Большая длительность строительства и освоения мощности, неравномерность распределения затрат и прибыли в процессе разработки полезных ископаемых требуют особого внимания к учёту временного фактора при экономической оценке технических решений, осуществляемых на горных предприятиях.
Метод дисконтирования затрат и доходов по формуле сложных процентов [117] был заимствован из опыта учёта фактора времени в условиях рынка. В наших условиях считалось [112], что осуществление затрат в более поздние сроки позволяет эффективно использовать эти средства на других объектах и при этом будет получен эффект не ниже нормативного, что в общем случае не верно. Из-за этого последним изданием Типовой методики рекомендовалось принимать норматив приведения разновременных затрат равным 0,08, что ниже норматива сравнительной эффективности. В [5] предлагался динамический критерий экономической эффективности, в котором дополнительный народнохозяйственный эффект оценивался с помощью коэффициентов, полученных на основе моделирования кругообращения высвобожденных средств.
Развитие методов оценки эффективности инвестиций в условиях рынка происходило по следующим направлениям: более полный учёт особенностей налогообложения, фактора времени, возможности ранжирования вариантов без учёта субъективных требований к эффективности, сравнения эффективности вариантов с различными инвестициями и сроками реализации; исключение из расчётов из -менчивых ставок повторных вкладов; исследование чувствительности критериев эффективности и количественных оценок риска при принятии решений об инвестициях. Наибольшего развития исследования достигли в 60-70-е годы, когда компьютеры позволили количественно моделировать весь процесс вложения капитала и получения доходов. В этот период были разработаны абсолютные и относительные критерии, которые, в основном, и применяются в настоящее время [105].
Одним из наиболее применимых критериев, который даёт абсолютную оценку эффективности проекта инвестиций, является чистый дисконтированный доход (сумма потоков наличности, приведённых к настоящему времени). Оценка может производится по суммарному (будущая ценность) и среднегодовому значениям. Недостатками критерия являются его непригодность для сравнения вариантов с существенно отличающимися инвестициями и сложность определения коэффициента дисконтирования.
Последнего недостатка лишён критерий, называемый внутренней ставкой дохода. Его находят путём итеративного решения уравнения: ZRV1-IPVo=0, (3.3) где IRVi - приведённая к настоящему моменту времени сумма положительных значений потока наличности; ZPV0 - приведённая к настоящему моменту времени сумма отрицательных значений потока наличности.
Этот показатель представляет собой рыночную процентную ставку, при которой оцениваемый проект инвестиций должен окупить затраченные на него средства, не давая при этом прибыли.
Алгоритмы расчётов карьерного автотранспорта
Проектирование и управление карьерным автотранспортом требует знания следующих основных эксплуатационных параметров: производительности, расхода топлива, нагрузок на критические элементы конструкции, вредного воздействия на окружающую среду.
Значение этих параметров в конкретных условиях эксплуатации определяются: свойствами транспортируемой горной массы, погрузочного оборудования, собственно автосамосвалов; параметрами забоя, трассы движения и организации процесса транспортирования.
Разработанная автором система автоматизированных расчётов карьерного автотранспорта (САРКА), структурная схема которой представлена на рис. 4.1., позволяет оперативно получать значения параметров эксплуатации автотранспорта на основе содержащихся в геоинформационном банке данных [23, 25, 34-35, 71] значений определяющих факторов.
Входные данные, содержащиеся в журналах маркшейдерских съемок [15, 74, 75-78], извлекаемые из планов горных работ и паспортов забоев, паспортные характеристики горно-транспортного оборудования, данные экспериментальных исследований (коэффициенты удельного сопротивления качению по различным типам дорожных покрытий для различных моделей автосамосвалов), пара метры организации процесса транспортирования вводятся пользователями служб горного предприятия и хранятся в геоинформационном банке данных для использования в расчётах параметров эксплуатации, координат точек местности и графических построений (рис. 4.2.).
Структура банка данных определяется объектами, описания которых он содержит [42]. Это горно-транспортное оборудование (ГТО), система автотранспортных коммуникаций (САК) и первичная маркшейдерская информация (ПМИ) в виде журналов съёмок.
Описания объектов содержаться в соответствующих базах данных реляционной модели [4, 27, 40, 56, 102, 106-107, 111, 122-123, 125-126]. Реляционная модель баз данных использована исходя из удобства представления информации об объектах в табличной форме и широкой распространённости коммерческих пакетов СУБД на рынке программного обеспечения (ПО) [1-3, 6-9, И, 13, 16, 24, 26, 28, 30, 33, 35, 37, 39, 43, 47, 51, 55, 58, 60-63, 68-69, 82-86, 89, 97, 99, 108-110, 121, 127-129].
Объекты уровня баз данных упомянутые выше (ГТО, САК, ПМИ) состоят из более мелких объектов (модели автосамосвалов и экскаваторов; совокупности маршрутов движения автосамосвалов, участков автодорог с однородными свойствами, пикетных точек -концов участков автодорог; станций геодезического обоснования, тахеометрической съёмки и др.) уровня файла (таблицы) базы данных.
Объекты уровня файла базы данных, в свою очередь, состоят из объектов уровня записи файла базы данных (конкретные модели автосамосвалов и экскаваторов; отдельные маршруты движения участки автодорог, пикетные точки; станции маркшейдерских съ Представление системы автотранспортных коммуникаций (САК) карьера как совокупности связанных между собой участков автодорог с однородными свойствами (геометрия и тип покрытия) является базовым принципом алгоритмов автоматизированных расчетов параметров эксплуатации карьерного автотранспорта на основе геоинформационного банка данных.
Трасса движения автосамосвалов на каждом из маршрутов их движения может быть определена как подмножество САК.
Выделение участков автодорог производится по разработанной автором классификации (рис. 4.4.), обеспечивающей максимальную гибкость и удобство описания САК. В соответствии с этой классификацией все участки автодорог подразделяются по трём признакам: геометрия плана, геометрия профиля и тип покрытия. По геометрии плана участки подразделяются на прямолинейные и криволинейные; по геометрии профиля - на горизонтальные и наклонные; по типу покрытия - на асфальто-бетонные, щебёночные, без покрытия и временные.
Принадлежность того или иного участка автодорог к тому или иному из классов и значения геометрических параметров участка однозначно определяют скорость движения автосамосвала на этом участке в грузовом и порожнем направлениях в соответствии с постановкой задачи расчёта параметров эксплуатации (п. 2.2).