Повышение эффективности универсального малогабаритного погрузчика с рабочим оборудованием безнапорного типа
На правах рукописи
Гришко Григорий Сергеевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УНИВЕРСАЛЬНОГО МАЛОГАБАРИТНОГО ПОГРУЗЧИКА С РАБОЧИМ
ОБОРУДОВАНИЕМ БЕЗНАПОРНОГО ТИПА
05.05.04 — дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск 2004
Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете.
Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент
Минин Виталий Васильевич
Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор
Полетайкин Владимир Федорович
- кандидат технических наук, доцент
Ананин Владимир Григорьевич
Ведущая организация - ОАО «Красноярский завод лесного ма-
шиностроения» (г. Красноярск)
Защита состоится 23 декабря 2004 г. в 10.00 на заседании диссертаци- онного совета К 212.256.01 при Томском государственном архитектурно- строительном университете по адресу - 634003, Томск, пл. Соляная 2, корп. 4,конференц_зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно - строительного университета.
Автореферат разослан «5» ноября 2004 г.
Ученый секретарь Кранченко С. М.
диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Повышение эффективности универсальных малогабаритных погрузчиков (УМП) с бортовым поворотом, имеющих широкую номенклатуру сменных рабочих органов, является результативным путем снижения доли ручного труда в строительстве, лесном хозяйстве и других отраслях промышленности.
В настоящее время нет однозначного подхода к оценке эффективности универсальных малогабаритных машин. Классические подходы к решаемой задаче сформированы на основе дифференцированного способа при проектировании и формировании критериев оценки, а так же как правило, не учитывают взаимовлияние определяющих параметров.
Разработка методики расчета и оптимизации на базе критерия, учитывающего взаимосвязь основных конструктивных параметров, позволяющей совместить расчет с одновременной их оптимизацией и оценкой эффективности является актуальной.
Малогабаритные машины с малой эксплуатационной массой не эффективно реализовывают напорное усилие необходимое для наполнения ковша.
Грузоподъемность таких машин ограничивается максимальным опрокидывающим моментом, увеличивающимся при подъеме рабочего органа в верхнее положение Для устранения недостатка предложено повысить эффективность
УМП за счет оснащения его рабочим оборудованием безнапорного типа и сменой конструкции механизма подъема.
Актуальной является и задача сравнения эффективности УМП с рабочим оборудованием напорного и безнапорного типов на основе апостериорной информации.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка научных и
практических рекомендаций по повышению эффективности УМП за счет совершенствования рабочего оборудования и оптимизации его параметров.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо
решить следующие задачи:
1. Провести анализ научных работ и конструкции погрузочного оборудования для машин с напорным и безнапорным способом наполнения ковша.
2. Разработать критерий эффективности (целевую функцию оптимизации), учитывающий взаимовлияние энергетических, технологических, геометрических и прочностных параметров рабочего оборудования.
3. Разработать методику расчета рабочего оборудования безнапорного типа и рекомендации по его эффективному использованию.
4. Разработать математическую модель функционирования объемного гидропривода с эффектом мультипликатора, включающую геометрический
синтез рабочего оборудования УМП безнапорного типа.
5. Математически формализовать технологический цикл работы УМП напорного и безнапорного типов.
б.Провести вычислительный эксперимент на математических моделях и оценить их адекватность.
7. Оценить экономическую эффективность внедрения результатов работы.
Научная новизна.
1. Установлена взаимосвязь основных параметров УМП (грузоподъемность, мощность, эксплуатационная масса, производительность, показатель назначения) на основе разработанного безразмерного критерия.
2. Получено уравнение и исследована чувствительность (степень изменения) значений критерия от приращений входящих в него параметров для определения наиболее рационального пути совершенствования конструкции машины.
3. Предложена методика и расчетная схема для рабочего оборудования безнапорного типа учитывающие эффект мультипликатора.
4. Разработана структурная схема и формализована математическая модель для оптимизации параметров механизма рабочего оборудования.
5. Получены уравнения для определений значений параметров УМП безнапорного типа на основе анализа параметров машин с традиционным рабочим оборудованием.
6. Разработаны схемы работы УМП и методика расчета производительности на основе апостериорной информации.
7. Установлен эффективный типоразмерный ряд УМП безнапорного типа.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в разработанных рекомендациях и методиках расчета и оптимизации параметров рабочего оборудования безнапорного типа, включающих оценку эффективности УМП на основе априорной и апостериорной информации.
Обоснованность и достоверность результатов. Методологическая база исследования основана на положениях теории размерностей и подобия, теоретической механики, теории машин и механизмов, гидравлики и математической статистики. При исследовании использовалась апостериорная информация по параметрам УМП, выпускаемых 8-ю ведущими зарубежными фирмами. Результаты расчета теоретической производительности коррелированны с данными натурных испытаний УМП.
Реализация работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс Красноярского государственного технического университета на кафедрах строительных и дорожных машин, подъемно-транспортных машин и роботов, а также на кафедре проектирования лесного оборудования Сибирского государственного технологического университета.
Результаты используются в КНЦ СО АН РФ (краевая программа по выпуску наукоемкой и малотоннажной техники, задание ОЦ 031) и в ОАО «Красноярский автобус».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (Красноярск, 1999г.), научно-технической конференции с международным участием «Подъемно – транспортные машины на рубеже веков», посвященной 75-ти летию образования кафедры «Пiодъемно-транспортные системы» МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, 1999 г.), межрегиональном научно-педагогическом симпозиуме “Проблемы организации научно-исследовательской работы студентов и научно- технического творчества молодежи на современном этапе” (Красноярск, 2000 г.), межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Студенческая наука - городу и краю» (Красноярск, 2000 г.), межрегиональной научно-технической конференции с международным участием «Механики ХХI веку» (Братск, 2002 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Транспортные системы Сибири» (Красноярск, 2000 - 2004 г.).
Публикации По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ и методические указания по курсовому и дипломному проектированию.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, списка определений, обозначений и сокращений, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, направления дальнейших исследований, списка использованных источников из 116 наименований и восьми приложений. Работа изложена на 185 страницах, включая 35 рисунков, 4 таблицы.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-критерий оценки эффективности УМП и оптимизации его параметров;
- математическая модель рабочего оборудования безнапорного типа;
- методика оптимизации параметров рабочего оборудования УМП безнапорного типа;
-методика и система допущений и ограничений при расчете параметров УМП безнапорного типа на основе апостериорной информации по машинам напорного типа;
- расчетные схемы и методика определения теоретической производительности УМП;
- результаты анализа эффективности УМП безнапорного (определены основные параметры) и напорного и типов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлены актуальность, цель и задачи диссертационной работы, научная новизна, практическая ценность, основные положения, выносимые на защиту, реализация работы, апробация, публикации, структура и объем работы.
В первой главе рассмотрены и проанализированы состояние и перспективы развития конструктивной схемы пневмоколесных погрузчиков, и в частности универсальных малогабаритных погрузчиков с бортовым поворотом.
Вопросами совершенствования процессов работы, повышения эффективности, методами расчета и оптимизации параметров фронтальных пневмоколесных погрузчиков различных конструктивных схем занимались Абрамов С.В.. Агиенко Д.М.. Алексеенко В.Г., Базанов А.Ф., Виноградов С.Г., Забегалов Г.В., Казаринов В.М.. Каня В.А., Климов А.А.. Корытов М.С., Лесковец И.В., Лукин А М., Михерев П.А., Моисеев В.Н., Подсвиров А.Н., Полетайкина В.Ф., Рябикова И.М., Тарасов В.Н., Фисенко Н.И., Фохт Л.Г., Шемелев А.М. и др.
Эффективность и методы совершенствования погрузочного оборудования в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства рассмотрены в работах Докторова А.В., Маштакова А.П., Никулина К.С., Сметнева А.С., Старцева А.С., Толкалова А.А., Тулупова В.П. и др.
Фронтальные пневмоколесные погрузчики имеют несколько конструктивных схем рабочего оборудования, как правило, включающее в себя стрелу, ковшовый рабочий орган, гидравлические механизмы подъема стрелы и поворота ковша. Совершенствование идет в направлении улучшения параметров операций рабочего цикла: автоматизация совмещенного способа наполнения ковша; варианты энергосберегающего гидропривода рабочего оборудования и т. д.
В области совершенствования конструктивной схемы и разработки методов оптимизации параметров УМП известны работы Брянского Ю.А., Мирзояна Г.С., Минина В.В., Большакова А.А., Смоляк А.Н., Трояновской И.П. и др.
Для УМП малой эксплуатационной массы и размерами актуальны технические решения, уменьшающие напорное усилие и максимальный вылет рабочего оборудования (опрокидывающий момент) при подъеме ковша. Примером может служить четырехзвенное рабочее оборудование, обеспечивающее более высокую грузоподъемность УМП за счет спрямления траектории и уменьшения вылета стрелы при подъеме рабочего органа.
Одно из направлений развития конструктивной схемы малогабаритных погрузчиков - оснащение их рабочим оборудованием безнапорного типа.
Вариант рабочего оборудования безнапорного типа показан на рисунке 1. Оборудование состоит из приводного грейферного ковша 1, гидроцилиндров (ГЦ) 2 привода челюстей, четырех ГЦ З подъема, попарно установленных с каждой стороны УМП и устройства для присоединения сменных рабочих органов. Каждая пара ГЦ З соединена в треугольник, а концы штоков шарнирно закреплены. На этих шарнирах между парами ГЦ З закреплен грейферный ковш 1. Для предохранения ГЦ подъема от боковых нагрузок предусмотрена разгружающая металлоконструкция (МК), которая на рисунке не показана
Усилие на режущих кромках грейферного ковша не зависит от массы машины. Геометрическое соединение ГЦ подъема в виде треугольника с наличием шарнирных связей позволяет рассматривать представленную конструкцию в виде «жесткой фигуры», в которой элементы нагружены растягивающими и сжимающими усилиями.
Схема включения обеспечивает одновременное изменение длины верхних и нижних ГЦ в каждой паре. Рабочий орган поднимается с минимальным увеличением вылета. При этом осевое усилие на штоке одного ГЦ используется для создания давления в полости другого. Насос в схеме без редукционного клапана работает в режиме более низкого давления
Наиболее близкими к рассматриваемому
рабочему оборудованию являются манипуляторы, в которых используются пространственные приводные механизмы
в виде треугольной пирамиды с гидроцилиндрами
в качестве ведущих звеньев. Различные аспекты проектирования и расчета таких механизмов
широко представлены в
работах Пындак В.И.
В указанных работах не описывается использование усилия в одном из
ГЦ для создания рабочего давления в полости другого и не рассматриваются вопросы оптимального проектирования таких устройств с учетом взаимосвязи технологических и энергетических параметров.
Математическим методам оценки технических систем посвящены работы Андрейчикова А.В., Андрейчаковой О.Н., Брахман Т.Р., Ильичева А.В. и др. Здесь анализируются традиционные (классические) методы, основанные на
дифференцированном подходе. Общий показатель рассматривается как произведение (или сумма) ряда частных показателей, рассчитанных изолированно друг от друга. Расчет производят в виде отношения: числитель содержит параметры, требующие увеличения, а знаменатель - параметры. требующие уменьшения.
Особую ценность представляют методы оценки эффективности новых конструктивных решении строительных и дорожных машин, сходных по функциональному назначению с УМII, опубликованные в работах Баловнева В.И.,
Хмарьт Л.А., Немировского П.И., Станевского В.П.
Недостатками этих показателей является априорное определение понятия оптимального качества или эффективности, так как выбор факторов и способа их сведения в один коэффициент достаточно субъективны. В действительности факторы влияют друг на друга, образуя сложную систему. Кроме того, если учитывается большое количество групп параметров (показатели назначения, надежности, эксплуатационные и т.д.), то количественно второстепенные параметры могут оказать большее влияние на оценочный показатель, чем их существенно важные свойства. В показателе в виде дроби при соответствующем изменении числителя и знаменателя его значение остается постоянным. Вследствие этого нет однозначно объективного отражения изменений, произведенных в машине.
Основным недостатком методов расчета и оценки на основе дифференцированного подхода является отсутствие или не изученность эмерджентности
(еmегgепсе (англ.), возникновение из ничего), как неотъемлемого свойства любой системы.
Во второй главе проведено математическое моделирование параметров технологического цикла УМII с рабочим оборудованием безнапорного и напорного типов.
В обобщенной форме для машин циклического действия, к которым относится УМП функция оценки эффективности записывается в виде:
I = F(Z, H, Q, N, G), (1)
где Z - вес поднимаемого груза (грузоподъемность), H; Н- показатель назначения (высота подъема ковша УМП), м; Q - вес груза, перемещаемого в единицу времени (далее по тексту производительность), Н/с; N - мощность двигателя, Вт; G — эксплуатационная масса, кг.
Используя теорию размерностей и подобия, имеем функции двух безразмерных комплексов:
, (2)
После преобразований получен критерий:
, (3)
Данный критерий предложено применять для оценки эффективности универсальных малогабаритных машин. Достоинства данного показателя: безразмерный вид, позволяющий наглядно видеть качественный характер взаимосвязи параметров и возможность расчета с одновременной оптимизацией на стадии проектирования, а также минимально возможная погрешность при расчетах.
Для поиска рациональных путей конструктивного совершенствования УМП исследована чувствительность (степень изменения) критерия 3 в зависимости от изменения значений параметров. Функция чувствительности принята в виде:
, (4)
Здесь 3(РF) - значение критерия при изменении одного из основных параметров УМП; 3M - значение критерия для базовой модели.
Значение параметра в зависимости от его степени изменения определено следующим образом:
Pj = PM (f + 1), (5)
где PM - параметр базовой модели; f - кратность изменения параметра в относительных единицах/
Для выявления резервов увеличения грузоподъемности УМП определялись экстремальные значения вылета ковша. Расчетная схема представлена на рисунке 2.
Максимальный вылет ковша определялся в соответствии с требованиями стандартов SАЕ J 818 и ГОСТ 16391-80 (номинальная грузоподъемность не должна превышать половины опрокидывающей нагрузки).
Для минимального вылета ковша в зависимости от параметров УМП напорного типа разработано уравнение:
, (6)
где МB - минимальный радиус поворота; LB - максимальный габарит по ширине; IB - колесная база; REPR - параметр перераспределения массы по осям (отношение нагрузки на заднюю ось к нагрузке на переднюю) при пустом ковше; КB - максимальный габарит по длине; JN - длина без ковша.
Моделирование массы рабочего оборудования УМП напорного типа проводилось с использованием результатов исследований Минина В.В. и Мирзояна Г.С.
Материалоемкость рабочего оборудования предлагается оценивать удельными коэффициентами:
kMRO - доля массы рабочего оборудования в общей массе машины;
kMROZ - доля массы рабочего оборудования, приходящегося на единицу
грузоподъемности машины.
Предложена схема для расчета производительности УМП поворотным способом (рисунок 3). Цикл работы состоит из следующих операций: набор материала (точке OI);
отъезд от штабеля на расстояние необходимое для разворота; разворот УМП по направлению к кузову транспортного средства (ТрС); движение по прямой к ТрС до расстояния, зависящего от максимального вылета ковша при подъеме или от радиуса поворота машины; разворот перпендикулярно борту ТрС; подъем рабочего оборудования; наезд на ТрС; опорожнение ковша; отъезд от Трс; опускание рабочего оборудования; разворот по направлению к точке набора грунта; движение по прямой к точке набора материала до расстояния позволяющего осуществить разворот; разворот УМП перпендикулярно штабелю; подъезд УМП к точке набора грунта.
Теоретическая производительность УМП напорного типа без учета вида транспортируемого груза:
, (7)
Здесь TSB – математическое ожидание времени цикла УМП напорного типа; ZB – номинальная грузоподъемность УМП
Математическое ожидание времени цикла:
, (8)
где nSB – общее количество подъездов УМП к ТрС; ip – порядковый номер текущего подъезда УМП к ТрС; tBj – составляющие градации времени цикла.
Полная загрузка транспортного средства осуществляется за несколько подъездов. Их количество определяется грузо подъемностью ТрС.
Время копания (набора) грунта, время подъема стрелы, время опорожнения ковша и время опускания стрелы принимались по данным предыдущих исследований.
Время отъезда от штабеля:
, (9)
где UB - расстояние ог передней кромки ковша до центра тяжести УМП напорного типа; МB - максимальная скорость передвижения УПМ напорного типа.
Суммарное время разворотов у штабеля и ТрС:
, (10)
Время прямолинейного движения УМП к ТрС при текущем подъезде:
, (11)
где ХI, УI - координаты штабеля (системы XIOIYI) в глобальной системе координат ХОY проходящей через геометрический центр кузова ТрС; Хрip, Yрip - координаты погрузчика в системе ХОY перед наездом на ТрС.
Время наезда на ТрС:
, (12)
где LPDB - расстояние подъезда УМП напорного типа к ТрС.
Время подъезда УМП к штабелю:
, (13)
Моделирование параметров грейферного ковша УМП безнапорного типа проведено на основе методики расчета канатных грейферов, с учетом условий работы УМП. Допущения и ограничения: ось крепления грейфера при зачерпывании материала остается неподвижной; силы сопротивления распределены равномерно по длине кромки ковша; увеличение массы грейферного ковша по сравнению с массой основного ковша УМП учитывается поправочным коэффициентом.
Геометрические параметры грейферного ковша представлены на рисунке 4. для грейферного ковша УМП предложено определять начальный угол раскрытия челюстей kmax, обеспечивающий отделение от штабеля необходимого объема материала (объема материала «с шапкой»).
Геометрическая вместимость ковша:
, (14)
где BBUC - ширина ковша; - радиус челюсти ковша; - угол между наружными ребрами ковша в закрытом состоянии.
Максимальный угол между внутренними кромками в раскрытом состоянии, показанный на рисунке 4, б, обеспечивает отделение материала объемом, определяемым по зависимости:
, (15)
Угол kmax предложено определять из условия равенства объемов рассчитанных по формулам (14) и (15) путем численного решения уравнения:
, (16)
Расчетная схема для определения энергетических параметров привода ковша показана на рисунке 5.
Расстояние ]Иьшт при котором гидроцилиндр ковша полностью реализует свой ход с учетом минимального усилия на штоке предложено определять в зависимости от параметра B;
, (17)
где B – отношение хода ГЦ ковша к его минимальному размеру.
Математическая модель массы металлоконструкции рабочего оборудования безнапорного типа имеет допущения и ограничения:
труба рассматривается как консольно закрепленная балка; боковое усилие на свободном конце балки возникает при упоре ковша УМП в непреодолимое препятствие во время поворота машины; величина бокового усилия ограничена силами сцепления колес с опорной поверхностью, приложенными по внешней стороне шин; для расчета используется значение массы УМП напорного типа; коэффициент сцепления постоянный; силы инерции учитываются поправочным коэффициентом.
Для расчета бокового усилия на металлоконструкцию рабочего оборудования безнапорного типа предложена следующая зависимость:
, (18)
где kDN - коэффициент динамичности нагрузки;GB - эксплуатационная масса УМП напорного типа; коэффициент сцепления шин с опорной поверхностью; Smin - минимальный вылет ковша; ХC - координата центра тяжести PB - колея машины по внешней поверхности шин.
Расчет усилий на штоках гидроцилиндров рабочего оборудования принята осуществлялся при следующих допущениях и ограничениях: на каждую пару ГЦ действуют одинаковые по величине и знаку нагрузки; силы инерции учитываются поправочным коэффициентом; силы трения в шарнирах не учитываются; машина находится на горизонтальной опорной поверхности; масса ГЦ сосредоточена в их центре тяжести. Расчетная схема рабочего оборудования представлена па рисунке б.
Условие равновесия одной пары ГЦ в текущий момент времени определяется системой уравнений:
, (19)
Здесь Rby,,Rbx, Rcy, Rcx - осевая и изгибающая нагрузка на ГЦ АВ и АС;, - углы наклона ГЦ АВ и АС; Rx, Ry - горизонтальная и вертикальная результирующие нагрузки на рабочее оборудование; АВ, АС — длина ГЦ АВ и АС; MB, Mc - результирующий момент относительно оси А для ГЦ АВ и АС.
Результатом решения системы (19) являются выражения для моделирования реакций в шарнирах А и В (усилий на штоках ГЦ):
На ось подвеса ковша действует веса груза, ковша и МК, а при движении МК еще и осевая сила трения в шарнире F. При определении нагрузок на рабочее оборудование от МК приняты следующие ограничения и допущения: вес
МК сосредоточен в ее центре тяжести; силы инерции не учитываем. Расчетная схема для определения усилий на рабочее оборудование от МК показана на рисунке 7.
Получены выражения для нагрузок на рабочее оборудование от МК:
где Rafx, Rafy - горизонтальная и вертикальная реакции в шарнире А; В — реакция в шарнире F; - угол наклона МК; GAF - вес МК; АF— расстояние между шарнирами А и F; АG – расстояние от шарнира А до центра тяжести МК.
С учетом силы трения в шарнире F предложены зависимости для результирующих нагрузок и моментов на рабочее оборудование:
где fSB - коэффициент трения между МК и направляющей втулкой; MBUC - масса грейферного ковша; ZN - номинальная грузоподъемность УМП безнапорного типа; GAB, GAC - вес ГЦ АВ и АС; ВD и СЕ— координаты центра тяжести ГЦ АВ и АС.
В крайнем нижнем положении рабочего оборудования ГЦ АВ имеет максимальную длину, а в верхнем наоборот ГЦ АС. Гидроцилиндрs принимаются равными по типоразмеру.
Подъем рабочего оборудования осуществляется в два этапа. На первом этапе поршневая полость ГЦ АС соединяется со штоковой полостью ГЦ АВ, а рабочая жидкость подается насосом в штоковую полость ГЦ АС. На втором
этапе поршневая полость ГЦ АВ соединяется со штоковой полостью ГЦ АС, а рабочая жидкость подается насосом в поршневую полость ГЦ АС.
После окончания первого этапа оба ГЦ принимают минимальную длину. Поэтому параметр (отношение площади поршневой полости ГЦ к штоковой) должен иметь строго определенное значение. Для его определения получена зависимость:
где d - расстояние между осями крепления ГЦ; Hmax - высота разгрузки.
Кинематические параметры рабочего оборудования определялись с использованием известных методов теоретической механики и теории машин и механизмов. Текущие координаты оси А подвеса ковша в системе X0O0Y0:
Задача расчета и оптимизации рабочего оборудования безнапорного типа (предполагает определение параметров d и HS) решена с использованием безразмерных критериев взаимосвязи параметров. При этом целевая функция оптимизации подсистемы рабочего оборудования записывается в виде:
Здесь ZNOM - грузоподъемность исследуемого варианта; NE - максимальная мощность, затрачиваемая на подъем; GE - масса одной пары ГЦ; QE - производительность рабочего оборудования, H/с; НE - параметр, характеризующий траекторию оси подвеса ковша.
Составляющие в выражении целевой функции для первого этапа:
Здесь X0, Xmin, Xmax - начальное, минимальное и максимальное значение координаты Х траектории оси подвеса ковша; VAC— скорость штока ГЦ АС; (RbX)0, (RcX)0 — осевая нагрузка на ГЦ АВ и АС в начальный момент времени; HS — гидромеханический КПД ГЦ; tUP, tDW - время подъема и опускания рабочего оборудования.
Схема для расчета давления в гидроприводе рабочего оборудования УМП безнапорного типа показана на рисунке 8.
Для давления в напорной магистрали на двух этапах подъема с учетом эффекта мультипликации получены зависимости:
Здесь Е1, Е2 площадь поршневой и штоковой полости ГЦ; PSL, PS - давление слива и давление настройки переливного клапана.
Расчет технических характеристик УМП безнапорного типа производился по исходным данным, в качестве которых использовались параметры УМП, серий но выпускающихся зарубежными фирмами.
Основные условия, которые должны выполняться при переоснащении УМП рабочим оборудованием безнапорного типа:
где GN - эксплуатационная масса УМП безнапорного типа.
Математическая модель теоретической производительности УМП безнапорного была сформирована на основе модели производительности УМП напорного типа с учетом следующих допущений и ограничений: УМП безнапорного типа с груженым ковшом движется между ТрС и штабелем со скоростью, принимаемой по техническим данным фирмы производителя УМП, а с пустым ковшом скорость увеличивается вследствие меньшей эксплуатационной массы машины; при развороте, УМП безнапорного типа проходит путь равный пути, который проходит аналогичная модель УМП напорного типа.
В третьей главе проведены вычислительные эксперименты для получения регрессионной зависимости теоретической производительности УМП от эксплуатационной массы и пути передвижения.
Объектом исследования являлись математические модели теоретической производительности УМИ напорного и безнапорного типов. Вычислительный полный факторный эксперимент был реализован в среде МаthСАD Tгiаl.
При исследовании математической модели производительности УМП безнапорного типа параметры машины определялись по зависимостям вида:
PRN = f(PRB), (43)
где PRN - параметр УМП, изменяющийся при оснащении рабочим оборудованием безнапорного типа; PRB - параметр базовой машины.
На рисунке 9, а представлены результаты вычислительного эксперимента и полученные регрессионные зависимости для УМП двух типов.
Регрессионная зависимость теоретической производительности (Н/с) от эксплуатационной массы УМП (кг) и пути передвижения (м) для двух типов
машин:
где LD - путь передвижения УМП.
Сравнение результатов расчета, выполненного по зависимости (44), с опубликованными данными замеров производительности УМП на испытаниях позволяет считать зависимость (44) достоверной и использовать ее для расчета теоретической производительности УМП с погрешностью расчета не превышающей 10...15%.
В четвертой главе приведены результаты оценки эффективности и оптимизации параметров УМП. Расчет технических характеристик УМП, при переоснащении его рабочим оборудованием безнапорного типа, проводился на
примере модели 3410 фирмы GЕНL Со. Параметр d варьировался в пределах от 0,2 до 0,8 м. Результаты оптимизации и расчета параметров УМП безнапорного типа представлены на рисунке 10. Были получены оптимальные значения HSOPT =1б64 и dOPT = 0,525 м.
Сравнение параметров машин различных конструктивных схем проводилось на основе анализа апостериорной информации по параметрам УМП, выпускаемых 8-ю ведущими зарубежными фирмами и расчетных значений для погрузчиков безнапорного типа. Результаты представлены на рисунке 11.
По результатам исследований можно сделать следующие выводы: масса рабочего оборудования УМП напорного типа больше чем у машины безнапорного типа при одинаковой грузоподъемности; доля массы безнапорного рабочего оборудования в массе машины составляет 28% при 21% у машин напорного типа; на один килограмм грузоподъемности приходится 0,6 кг массы рабочего оборудования безнапорного типа, при 0,8 кг для УМП традиционной конструктивной схемы.
а – масса рабочего оборудования; б- грузоподъемность; в – производительность УМП при различных значениях пути передвижения.
Рисунок 11 – Результаты анализа основных параметров и эффективности УМП напорного и безнапорного типов.
Переоборудование традиционных моделей УМП рабочим оборудованием безнапорного типа повышает их номинальную грузоподъемность в среднем на 15%. При этом эксплуатационная масса машины снижается в среднем на 4%.
При одинаковой эксплуатационной массе УМП с рабочим оборудованием безнапорного типа имеют в 1,17...1,28 раза большую грузоподъемность. Степень увеличения грузоподъемности зависит от типоразмера машины. Наибольшее ее значение наблюдается у машин малого типоразмера, а для УМП с эксплуатационной массой от 2500 до 3000 кг он имеет минимальное значение.
С увеличением пути передвижения степень увеличения производительности УМП при оснащении их безнапорным рабочим оборудованием снижается в среднем с 1,14 до 0,93 (путь LD от 5 до 50 м).
Погрузчики с рабочим оборудованием идентичные по параметру эксплуатационной массы имеют в 0,49... 1,79 раз большую производительность. При разных значениях пути передвижения существуют значения массы УМП, для которых наблюдается максимальный прирост производительности.
Увеличение производительности УМП с безнапорным рабочим оборудованием отмечается для большинства значений эксплуатационной массы. Исключение составляют машины массой более 3500 кг при пути передвижения около 5 м и УМП массой до 2500 кг при 50 м.
Переоборудование существующих моделей УМI 1 рабочим оборудованием безнапорного типа увеличивает показатель эффективности, определяемый по зависимости (3) в среднем на 13...21% в зависимости от значения пути передвижения.
На основании оценки значимости коэффициента корреляции сделан вывод о том, что значение показателя эффективности УМП не зависит от типоразмера машины.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1.Разработаны безразмерные критерии взаимосвязи конструкционных параметров УМП. Обосновано применение в качестве показателя эффективности УМП критерия, включающего грузоподъемность, эксплуатационную массу, установочную мощность, эквивалент теоретической производительности и показатель назначения.
2. Сформирована система математических уравнений отражающих процесс работы УМП безнапорного типа. Разработана методика оптимального синтеза механизма рабочего оборудования с применением в качестве целевой функции безразмерного критерия. Составлена расчетная схема и предложена методика расчета параметров рабочего оборудования безнапорного типа с учетом эффекта мультипликатора.
3. Предложена математическая модель параметров УМП безнапорного типа на основе апостериорной информации (по опыту проектирования УМП напорного типа). Разработаны расчетная схема и методика расчета теоретической производительности УМ1I учитывающая особенности конструкции.
4. Переоборудование традиционных моделей УМП рабочим оборудованием безнапорного типа повышает их номинальную грузоподъемность в среднем на 15%. При этом эксплуатационная масса машины снижается в среднем на 4%. При одинаковой эксплуатационной массе УМП с рабочим оборудованием безнапорного типа имеют в 1,17...1,28 раза большую грузоподъемность.
5. С увеличением пути передвижения степень увеличения производительности УМП при оснащении их безнапорным рабочим оборудованием снижается в среднем с 1,14 до 0.93 (путь LD. от 5 до 50 м). Погрузчики с рабочим оборудованием идентичные по параметру эксплуатационной массы имеют в 0,49...1,79 раз большую производительность для всех типоразмеров машины.
6. При переоборудовании УМП напорного типа рабочим оборудованием безнапорного типа показатель эффективности повышается на 13...21% в зависимости от пути передвижения. При этом значение показателя не зависит от типоразмера машины.
7. Прогнозируемый чистый дисконтированный доход за срок службы УМП с рабочим оборудованием безнапорного типа, рассчитанный на примере
УМII модели 3410 фирмы “Gehl” составляет 2.6 млн. руб.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Минин В. В. Моделирование конструктивной схемы малогабаритных погрузчиков нового поколения/ В. В. Минин, Г.С. Гришко// Транспортные средства Сибири: Межвузовский сборник научных трудов с международным участием. - Красноярск: КГТУ, 1998. - С. 16-20.
2. Минин В. В. Прогнозирование развития универсальных малогабаритных погрузчиков/ В. В. Минин, Г. С. Гришко// Транспортные средства Сибири:
Межвузовский сборник научных трудов с международным участием. — Красноярск: КГТУ, 1998. - С. 304-306.
3. Гришко Г. С. Выбор критериальной зависимости для оценки технического уровня машин/ В. В. Минин, Г. С. Гришко// Транспортные средства Сибири: Межвузовский сборник научных трудов с международным участием. Вью. 5. - Красноярск: КГТУ, 1999. -С. 174 - 176.
4. Гришко Г. С. Оценка технического уровня универсальных малогабаритных погрузчиков с бортовым поворотом! В. В. Минин, Г. С. Гришко!! Транспортные средства Сибири: Межвузовский сборник научных трудов с международным участием. Вып. 5. - Красноярск: КГТУ, 1999.- С. 177- 183.
5. Гришко Г. С. Исследование влияния параметров малогабаритных машин на их технический уровень/ В. В. Минин, Г. С. Гришко// Транспортные средства Сибири: Межвузовский сборник научных трудов с международным участием. Вып. 5. - Красноярск: КГГУ, 1999. - С. 184 - 186.
6. Минин В. В. Моделирование и оптимизация параметров грузоподъемного оборудования универсального малогабаритного погрузчика/ В. В. Минин, Г. С. Гришко// Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов: Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием: В З ч. - Красноярек: КГТУ, 1999.-Ч. 3.-С. 10-11.
7. Минин В. В. Результаты оценки эффективности применения рабочего
оборудования малогабаритного погрузчика напорного и безнапорного типов/ В.В. Минин, Г. С. Гришко// Подъемно-транспортные машины - на рубеже веков. Программа и тезисы докладов юбилейной научно-технической конференции. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999.-С. 69.
8. Гришко Г. С. Оптимизация параметров механизма подъема грейфера малогабаритного погрузчика/ Г. С. Гришко, В. В. Минин// Вестник Красноярского государственного технического университета. Выпуск 20. - Красноярск:
КГТУ, 2000.
9. Гришко Г. С. Анализ и расчет производительности универсальных малогабаритных погрузчиков напорного и безнапорного типов// Транспортные средства Сибири: Межвузовский сборник научных трудов с международным участием. Вып. 6. - Красноярск: КГТУ, 2000. - С.276-283.
10. Гришко Г. С. Определение области рационального использования универсальных малогабаритных погрузчиков напорного и безнапорного типов/
Г. С. Гришко, В. В. Минин// Транспортные средства Сибири: Межвузовский
сборник научных трудов с Международным участием. Вып, 6. - Красноярск:
КГТУ, 2000. - С. 284-289.
11. Гришко Г. С. Моделирование параметра вылета ковшовых рабочих органов малогабаритных погрузчиков/ Г. С. Грйшко, В. В. Минин// Транспортные средства Сибири: Межвуз. сб. научи. тр. Вып. 7. - Красноярск: ППЦ КГГУ. 2001.-С. 408-412.
12. Гришко Г. С. Расчет давления в гидроприводе рабочего оборудования универсального малогабаритного погрузчика безнапорного типа/ Г. С. Гришко, В. В. Минин С. И. Васильев// Транспортные средства Сибири: Межвуз. сб. научи, тр. Вып. 7.- Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2001. С. 470-471.
13. Гришко Г. С. Возможные пути уменьшения вылета рабочего оборудования универсального малогабаритного погрузчика/ Г. С. Гришко, В. В. Ми-
НИИ// Механики ХХI веку. Межрегиональная научно-техническая конференция с Международным участием: Сборник докладов. - Братск: БрГТУ, 2002 г. - с. 12 1-123.
14. Гришко Г. С. Моделирование параметров грейферного ковша универсального малогабаритного погрузчика безнапорного типа/ Г. С. Гришко, В. В. Минин// Транспортные средства Сибири: Межвуз. сб. науч. тр. с междун. уч. Вып. 8. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. - С. 445-454.
15. Гришко Г. С. Основы методики расчета параметров рабочего оборудования безнапорного типа/ Г. С. Гришко, В. В. Мини// Вестник Красноярского государственного технического университета. Вып. 30. Транспорт. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. - С. 67- 75.
16. Гришко Г. С. Основные ограничения при расчете параметров универсальных малогабаритных погрузчиков с рабочим оборудованием безнапорного типа/ Г. С. Гришко, В. В. Миiiин// Транспортные системы Сибири: Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. - С. 55 - 57.
17. Гришко Г. С. Совершенствование рабочего оборудования универсальных малогабаритных погрузчиков безнапорного типа// Транспортные средства Сибири: Межвуз. сб. научн. тр. с Международным участием. Вып. 9. - Красноярск: ИПЦ КГТУ. 2003. С. 449-459.
18. Гришко Г. С. Расчет производительности универсальных малогабаритных погрузчиков методом вычислительного эксперимента// Вестник Крас- ноярского государственного технического университета. Вып. 34. Транспорт.
Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004. - С. 63-75.
Изд. лиц. №021253 от 31.10.97. Подписано в печать
Формат 60х90/16. Бумага офсет. Гарнитура Тайме, печать офс.
Уч.-изд. л. 2. Тираж 100 экз. Заказ №374
Изд-во ТГАСУ, 634003. г. Томск, пл. Соляная, 2.
Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ.
634003. г. Томск, ул. Партизанская, 15.
