автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Метод выбора рациональных параметров моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика

На правах рукописи

КРИВОШЕЕВ Николай Вячеславович

Метод выбора рациональных параметров моторно-трансмпссионной установки трубоукладчика

05.05.04 - «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005549657

7П11

£ и 1ч

Новочеркасск - 2014

005549657

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, профессор, Шевчук Владимир Петрович

Максимов Валерий Павлович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новочеркасская инженерно-мелиоративная академия имени А.К. Кортунова» (филиал) ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет», профессор кафедры «Машины природообустройства»

Гребенникова Наталья Николаевна кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Волжский институт строительства и технологий»(филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Технологические процессы и машины»

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина»

Защита состоится «26» июня 2014 г. в 9Ш часов на заседании диссертационного совета Д212.304.04, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» по адресу:346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения,! 32, ауд. 149 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова, www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан « \l » 2014 г.

Ведущая организация -

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

B.C. Исаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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 JI.E. 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,

A.JI. 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,

B.C. 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:

1. Математическая модель продолжительности рабочего цикла трубоукладчика, увязывающая параметры его моторно-трансмиссионной установки с технико-экономическими показателями.

2. Двухуровневый расчет технико-экономических показателей заключается в установлении неполноты использования возможностей моторно-трансмиссионной установки (конструктивный фактор) и характера нагрузочного режима (технологический фактор).

3. 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 FP<FT (критерий Фишера расчетный меньше табличного) при уровне значимости 0,05.

Практическая значимость работы заключается в разработке метода выбора рациональных параметров МТУ трубоукладчика, который позволяет на стадии: в проектирования трубоукладчика - создать машину с высокими технико-экономическими показателями;

• проектирования строительства линейных объектов - выбрать трубоукладчик с требуемыми параметрами МГУ;

• 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, XVDI региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области. Направление 2. Машиностроение и транспорт (Волгоград, 2009 - 2013 гт.) (дипломы I, Ш 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность, цель и задачи диссертационной работы, научные положения, новизна научных положений, практическая значимость, внедрение работы, апробация, публикации, структура и объем работы.

В первой главе проведен анализ схем, конструкций и характеристик моторно-трансмиссионных установок отечественных и зарубежных трубоукладчиков; общеизвестные методы и критерии по оценке 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 основе анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе разработан метод выбора рациональных параметров моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика, основанный на математической модели продолжительности его рабочего цикла, алгоритме и методике расчета технико-экономических показателей.

При изучении основных положений работ авторов (В.И. Баловнева, Б.М. Позина, В.М Рогожкина и др.) установлены технико-экономическими показатели (П—»max, Q—>min, Qy?—+n\zx, Сэз.—»min, Се.„—>min, С„—>min - см. стр. 12), по которым можно оценить работу трубоукладчика. Дополнительно для оценки работы МТУ введены показатели (К^г->тах_ Кг-»тах К,—>тах — см. стр. 11), оценивающие неполноту использования возможности МТУ трубоукладчика.

Метод реализуется с помощью математической модели продолжительности его рабочего цикла, алгоритма и методики расчета технико-экономических показателей трубоукладчика.

Разработана математическая модель продолжительности рабочего цикла трубоукладчика на основе представлений о тяговой характеристике, изложенной в теории трактора. Она 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.

В ходе теоретических исследований установлена аналитическая зависимость технико-экономических показателей трубоукладчика от параметров его МТУ. В качестве связывающего и обобщающего показателя предлагается использовать продолжительность рабочего цикла.

Для определения продолжительности рабочего цикла применяется метод В.И. Баловнева применительно к трубоукладчику.

1. Определены его место в технологическом процессе монтажа трубопровода и режимы нагружения (см. рисунок 1).

2. Установлены структурная модель процесса монтажа трубопровода, последовательность выполнения операций в структуре рабочего цикла и возможность их совмещения.

3. Разработаны математические модели продолжительности операции.

Технологический процесс монтажа трубопровода реализуется в несколько

этапов: раскладка труб вдоль трассы; сварка труб в нить трубопровода; укладка трубопровода; очистка и изоляция трубопровода.

Монтаж трубопровода осуществляется тремя способами.

Опускание трубопровода ' в траншею

Опускание трубопровода на землю

Опускание трубопровода в траншсто /Опускание трубопровода ва землю ( Опускание трубопровода ия тумбу

Перемещение трубоукладчика к следующей часта трубопровода I (в случае укладки раздельным \\ споообом методом перехвата)

Р+, кН

-Поднятие Перемещение Опускание Перемещение

трубы трубоукладчика трубы трубоукладчика

\ нла / с трубой или иля к следующей

\ ылети / плетью Уплети трубе ели плети

\

\

Я» 5«.

Рисунок 1. Циклограмма работы трубоукладчика: а-при совмещенном и раздельном способе; б - при раздельном способе (метод переезда); в - при поточно-расчлененном способе

Структурная модель продолжительности рабочего цикла трубоукладчика определяется в виде суммы времени отдельных операций Тц (с):

П п Т1 п И

Тц = ^ | ¿подЛ: + ^^ ^ | £оп.у "I" ^ | ^ххг + ^^ 'кпп.; ¿едли

к=1 (=1 у=1 2=1 ]=1

где время, затраченное на поднятие и опускание трубопровода, с;

- время, затраченное на перемещение трубоукладчика с трубопроводом, с; tкrmJ - время, затраченное на переключение передач, с; ^ о время, затраченное на сварочные, очистные, изоляционные работы, с; ?ххг- время, затраченное на позиционирование (холостой ход трубоукладчика), с.

Общая математическая модель продолжительности рабочего цикла трубоукладчика Тц (с):

а=1

\

0,105 • ту, ■ гбр.

^лб " Плб

II

-I

ч-А-в-

1 1000-п )

.мах • л б ' Ллб I ,

П р. //

V /

0,105 ■ пдв.; ■ гзв,

^тру ' Лтр.у

ч-Л-в-

Лсд - Л2 ■ БШСМ ■ я)

1-

1000-п

■I

У=1

' 'У'' ' ^ - ¿7(3.5 ■ ¿^я • т„,м.т.) • (/ ± зт о)

'ЗВ.

\

лк

0,105 ■ пдв.у • г6р,

Цпб ' Плб

ч-А-Д-V

х ^ 1000-ТТ. |

М,

дв.мах • 1/лб -Ллб I ,

7бр. //

0,105 • пд

Мдв.г • и-

V

^тру ' Л тр./

1-

9 ' "Чр ' (/ ± °0

Ж,

^дв.мах ' ^тр./ ' Птр / _ Гзв.

где ДБ, - интервал пути цикла трубоукладчика с переменной или постоянной нагрузкой, м; ДЬподк, ДЬОДУ - интервал поднимания и опускания трубопровода, м;

- интервал холостого хода трубоукладчика без нагрузки, м; Пд^,^ - частота вращения коленчатого вала двигателя на /, к, у, г-м интервале пути, об/мин; гт -радиус ведущий звездочки, м; г6р- радиус барабана лебедки, м; и^- общее передаточное отношение трансмиссии на ] передаче; - передаточное отношение лебедки; Мт - крутящий момент двигателя на г-м интервале пути, Нм;

максимальный крутящий момент двигателя, Нм; а-параметр

представлен, как функция не только ф,ф.тах, которая может меняться вследствие

)=1

кпп.у

г -д-тгг-(/±5та)1 I

'•ЗВ / '

динамики нагружения, но и как функция ф,ф.тах (постоянный для данного грунта предельный коэффициент сцепления при 100 % буксовании); ф,ф. -

коэффициент сцепления гусеничного движителя; т^— общий КПД трансмиссии нау'-й передаче; / — коэффициент сопротивления передвижению; а— уклон поверхности движения (знак плюс - при подъеме, минус - при спуске); / -коэффициент, усилия при подъеме трубопровода трубоукладчиком; В -

коэффициент выбирается в зависимости от геометрических и прочностных характеристик трубы; п - количество трубоукладчиков, шт.

На общую математическую модель накладываются условия (по совмещению операций), определяющие частные случаи, зависящие от способов монтажа трубопровода:

• совмещенный: первый трубоукладчик - 'под. = *пР=К».= 'мп > средний трубоукладчик - 4р=А>.и. = ^пп> крайний трубоукладчик - =

• раздельный: первый трубоукладчик — > средний трубоукладчик - 'пр^хпп, крайний трубоукладчик-

• поточно-расчлененный:

Работа трубоукладчика тесно связана с тремя группами факторов, характеризующихся многофакторностью и изменчивостью. Условия эксплуатации зависят от территории проведения работ. Так, например, рельеф Волгоградской области сложен грунтами с коэффициентом сопротивления движению равным 0,1 - 0,15 и уклоном поверхности в диапазоне ±5°.

В результате анализа тяговых характеристик ДСПТМ установлено наличие зоны недоиспользования возможностей моторно-трансмиссионной установки. Их появление обусловлено ограниченными возможностями двигателя с локальным максимумом мощности и дискретными значениями передаточных отношений в механической части трансмиссий. Быстрое изменение эксплуатационных нагрузок приводит к рассогласованию характеристик двигателя и трансмиссии и как следствие к ухудшению технико-экономических показателей.

Разработана методика двухуровневого расчета технико-экономических показателей. На первом уровне расчета учитывается неполнота использования возможностей моторно-трансмиссионной установки - конструктивный фактор, на втором уровне расчета учитывается особенность нагрузочного режима -технологический фактор.

На рисунке 2 приведена графическая схема методики расчета технико-экономических показателей трубоукладчика. На схеме представлены тяговая характеристика исследуемого трубоукладчика и его нагрузочная характеристика (циклограмма работы).

На первом уровне дается качественная оценка эффективности работы моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика с помощью критериев, оценивающих неполноту использования тяговой мощности, скорости и топливной экономичности.

Р.* кН;

Тяговая характеристика с механической и гидромеханической трансмиссиями зоны недоиспользования механическая гидромеханическая

Циклограмма работ трубоукладчика при укладке трубопровода большого и малого диаметра

Поднятие Перемещение Опускание трубопровод

Перемещение трубоукладчика к следующей части трубопровода

Тяговая Тяговый удельный Скорость, м/с

мощность, кВт расход топлива, гУкВтч

Рисунок 2. Графическая схема методики расчета технико-экономических показателей

трубоукладчика

Коэффициент использования мощности К^ показывает, насколько полно используется тяговая мощность:

о

где Л^1 - реальные крюковые мощности на передачах;

^роКяИ

потенциально возможная крюковая мощность; - функция распределения

тяговых усилий; /(ПР ) - функция распределения времени работы по передачам.

Коэффициент использования скорости Ку показывает, насколько полно используется скорость:

Ку = ---------'

о

где ^ - реальные скорости на передачах; - потенциально возможная

скорость.

Коэффициент использования удельного расхода топлива Кг„р показывает, насколько полно используется топливная экономичность:

__0_(

где - реальные тяговые удельные расходы топлива на передачах; -потенциально возможный тяговый удельный расход топлива.

Коэффициенты использования изменяются от 0 до 1. Если коэффициенты использования близки к 1 то возможности МГУ используются полнее.

На втором уровне дается количественная оценка работы трубоукладчика с помощью технико-экономических показателей.

Производительность П (м/ч)* трубоукладчика:

п =3600 ^т;,

где Ь - длина уложенного участка трубопровода, м; Тц— время цикла работы трубоукладчика, с. (*- метры трубопровода за час работы).

Часовой расход топлива трубоукладчика Q (кг/ч): 0=3600 о/тц,

где Й, - расход топлива за один цикл работы трубоукладчика, юг.

Удельная экономичность трубоукладчика (2УД (м/кг)*:

<2УД=п/д,

где П - производительность трубоукладчика, м/ч; Q - часовой расход топлива трубоукладчика, кг/ч. ( метры трубопровода, уложенного при расходовании килограмма топлива).

Эксплуатационные затраты при строительстве трубопровода Сэ (руб):

С =С +С +С +С ,

э з э.м. а то3

где С, - заработная плата машиниста трубоукладчика, руб; - стоимость ГСМ, руб; С„ - амортизационные отчисления от стоимости трубоукладчика, руб; Ст0 - затраты на ТО трубоукладчика, руб.

Стоимость нового трубоукладчика Снтр (руб.) определяется по формуле:

4,-п.- - '

где Сби - стоимость базовой машины, руб; т6м- масса базовой машины, т; Кп = 1,3-5-1,5 - поправочный коэффициент к стоимости одной тонны новой машины, он учитывает опытно-конструкторские и экспериментальные работы при создании опытного образца.

Себестоимость работы трубоукладчика Сеп (руб/м):

= С, ^ул уч'

Разработанный метод дает возможность:

© совершенствовать характеристики двигателя и трансмиссии как единого

объекта моторно-трансмиссионной установки; ® провести предпроектный анализ эффективности спецтехники с

известными параметрами в заданных условиях эксплуатации; ® рекомендовать к использованию современные аналоги, отвечающие требованиям технического задания.

©Эксперимент

& Расчет

В третьей главе представлена серия экспериментальных исследований по определению технической производительности трубоукладчика, выполненных в реальных условиях эксплуатации на трех этапах строительства: сварки, укладки, очистки и изоляции трубопровода. Получены экспериментальные данные (см. рисунок 3), на основе которых построены циклограммы работ и уточнена математическая модель. Объектом экспериментального исследования выбран трубоукладчик «Котайи» Б355С с гидромеханической трансмиссией.

Экспериментальные исследования проводились по схеме наблюдения. Трубоукладчик выполнял работы по капитальному ремонту магистрального £ газопровода САЦ-42 диаметром | 1220 мм на участке 252-й - 284-й км | (протяженность 32км), принадлежащего | фирме ООО «ГазпромТрансГаз § Волгоград» г. Волгоград. Проектная § документация разработана фирмой ¡8-ООО «НефтеГазГеодезия» г. Санкт-Петербург. Строительный подрядчик ООО «СтройИнжинирингГрупп» г. Саратов.

21® 2300 2500 2700

Время цикла, с а

Рисунок 3. Техническая производительность трубоукладчика «Котайи» ОЭ55С на этапах: а - сварки, б - укладки, в - очистки и изоляции трубопровода

П-900000ТИ-1

7200 7800 8400 9000 0Й00

Время цикла, с б

® Эксперимент Д Расчет

©Эксперимент & Расчет

' 1 Цюдха !

11,0

60000 62000 64000

Время цикла, с в

66000 68000

В четвертой главе дается сопоставление результатов теоретического и экспериментального анализа зависимостей изменения технико-экономических показателей от параметров моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика. Предложены рекомендации по выбору и сравнению серийно выпускаемых трубоукладчиков с аналогами.

В соответствии с рекомендациями ВНИИСТ (см. таблицу 1) и разработанными нами алгоритмом и методикой двухуровневого расчета технико-экономических показателей проведена оценка работы трубоукладчика с разными типами МТУ. Для анализа были выбраны трубоукладчики «Котайи» Б355С и ТГ-12,5 (на базе трактора ВТ-100Д); проектировавшийся трубоукладчик ТГ-12,5 (на базе трактора ВТ-100Д) предназначался для замены устаревшего ТГ-6,2 (на базе трактора ДТ-75). Для определения рациональных параметров МТУ и выявления их влияния на технико-экономические показатели были рассчитаны варианты трубоукладчиков с различными типами трансмиссий (механической трансмиссией (МТ) -пятиступенчатой и гидромеханической трансмиссией (ГМТ) - трехступенчатой) с гидротрансформатором ЛГ-400-35, устанавливаемым на волгоградском тракторе ДТ-175С) и настройками дизельного двигателя Д-442 (см. рисунок 4).

Таблица 1 - Выбор количества трубоукладчиков в зависимости _от способа монтажа и диаметра трубопровода_

Диаметр трубопровода, мм

530 I 720

820 1020 1 ШО I 1420

Количество трубоукладчиков при совмещенном способе монтажа трубопровода

3 I 3

3 I * Is._I_т_

Количество трубоукладчиков при раздельном способе монтажа трубопровода

2 I 3 i 3 I 3 L——i__á_

Кппичмугвп TnvñnvKпяттциупч пли потпчнп-пао.ч пененном способе монтажа тпубопппвопа

_1_

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.

На рисунке 4 представлена многопараметровая характеристика дизельного двигателя Д-442 (трактора ВТ-100Д) с разными настройками топливной аппаратуры: 1 - Nei - 112 кВт (режим локального максимума мощности); 2 - Ne2 -110 кВт с длиной ППМ (от 1770 об/мин до 1700 об/мин); 3 - N* - 105 кВт с длиной ППМ (от 1770 об/мин до 1500 об/мин); 4-^-100 кВт с дайной ППМ (от 1770 об/мин до 1400 об/мин); 5-N*-95 кВт с длиной ППМ (от 1770 об/мин до 1300 об/мин); 6 -Ne6-90 кВт с длиной ППМ (от 1770 об/мин до 1300 об/мин); 7 -Nel- 85 кВт с длиной ППМ (от 1770 об/мин до 1200 об/мин); 8 -А^- 80 кВт с длиной ППМ (от 1770 об/мин до 1100 об/мин).

Дефорсирование (смещение уровня постояной мощности) двигателя в зону наименьшего удельного расхода топлива - настройки 6, 7, 8 приводит к снижению тяговых удельных расходов топлива трубоукладчика при соответствующих настройках тяговой характеристике. Работа дизельного двигателя в режиме

постояной мощности с МТ приводит к увеличению диапазонов бесступенчатого регулирования тягового усилия

трубоукладчика на 15 - 20 % по сравнению с режимом локального максимума мощности, а также к снижению тяг овых удельных расходов топлива на 6 - 10 %. Работа дизельного двигателя в режиме постояной мощности с ГМТ приводит к увеличению диапазонов бесступенчатого регулирования тягового усилия трубоукладчика на 4 -8 % по сравнению с режимом локального максимума мощности, Но диапазон - ,0» 1200 »00 160« 18оо бесступенчатого регулирования тягового

Частота вращения, об/мин усИЛИЯ СИСТеМЫ ДВИГатеЛЬ —

Рисунок 4. Многопаршетровая гидротрансформатор был в пределах 20 -характеристика да^ателя Д-442 25%_ Сшжение избыт0чной мощности ДО

необходимого уровня снижает расход топлива. Установлено, что у трубоукладчика, в отличие от землеройных машин (бульдозера, скрепера и др.), наиболее экономичен режим, соответствующий максимальному тяговому КПД по потенциальной тяговой характеристике.

Показатель, оценивающий неполноту использования тяговой мощности, выше у ГМТ по сравнению с МТ в среднем на 12,6%. Показатель, оценивающий неполноту использования скорости, выше у ГМТ по сравнению с МТ в среднем на 7%. Показатель, оценивающий неполноту использования топливной экономичности, выше у ГМТ по сравнению с МТ в среднем 120 (от 112 до 100 кВт) на 4,2% и ниже в среднем (от 100 до 80 кВт) на 2,4%.

Сопоставление полученных данных с результатами экспериментальных исследований других авторов (Ю.В. Гинцбург, И.А. Долгов, С.И. Дорменев, В.Г. Кривов, Е.М. Харитончик, В.П. Шевчук и др.) подтвердило вышеизложенные результаты. На первом уровне расчета (по показателям, оценивающим неполноту использования возможностей МТУ) лучшими значениями обладают настройки №6, 7, 8 (см. рисунки 4).

На трех этапах монтажа трубопровода лучшим показателем обладает трубоукладчик (см. рисунки 6):

• по производительности: с двигателем ПМ (настройка №8) и МТ;

с двигателем ПМ (настройка №8) и ГМТ; ® по часовому расходу топлива: с двигателем ПМ (настройка №8) и МТ;

с двигателем ПМ (настройка №8) и ГМТ;

ГМТ

Уровень мощности, кВт Рисунок 5. Коэфициешы использования тяговой мощности, скорости, удельного расхода топлива для трубоукладчика ТГ-12,5 (на базе трактора ВТ-100Д) с разными типами МТУ при монтаже трубопровода.

Н.Г, Кузнецов, Н.И. Кульченко,

Пршпоолнгелыюсгь

• по удельной экономичности: с двигателем ПМ (настройка №8) и МТ;

с двигателем ПМ (настройка №8) и ГМТ.

в по себестоимости работы: с двигателем ПМ (настройка №8) и МТ;

с двигателем ПМ (настройка №8) и ГМТ.

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.

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.

Несколько лучших вариантов трубоукладчика ТГ-12.5 (на базе ВТ-100Д) для сравнения с «КопШБи» Б355С приведены в таблице 2.

Удельная экономичность

70 80 90 100 110 120

Уровень мощности, кВт

Рисунок 5. Технико-экономические показатели трубоукладчика ТГ-12,5 (на базе трактора ВТ-100Д) в сумме на трех этапах монтажа трубопровода

Таблица 2 - Технико-экономических показателей трубоукладчиков

Параметры Этапы строительства

Сварка (1-им трубоукладчиком) Укладка (4-мя трубоукладчиками) Очистка и изоляция (5-ю трубоукладчиками)

Тр> боукладчик

«НотвЬи» 0355С ТГ-12.5 (на базе ВТ-100Д) «Котайи» 0355С ТГ-12.5 (на базе ВТ-100Д) «КотаЬи» Б355С ТГ-12.5 (на базе ВТ-100Д)

сМТ и ДИМ сГМТи ДПМ сМТи ДПМ сГМТи ДПМ сМТи ДПМ сГМТи ДПМ

Числоиые значения технико-экономических показателей трубоукладчика

58 18 18 58 18 18 58 18 18

V. кВт 264 100 112 264 80 264 ,?0 80

<7.т 45 12.5 12.5 45 12.5 12.5 45 . 1?,5 12.5

0.8 0.80 0.76 0.8 0.89 0.95 0.8 0.89 0.95

К„ 0.94 0.86 0.80 0.94 0.92 0.98 0.94 . 0.92 0.98

К. 0.85 0.92 0.86 0.85 0.98 0.94 0.85 0.98 0.94

П. м/ч 17.5 17.74 17.97 110.4 119.57 119.58 11.53 11.38 11.38

27.8 15.68 17.59 42 17.37 19.17 100 44.41

0.63 1.13 1.02 2.63 6.88 6.24 0.11 0.29 0.26

е.. та 7683977 2392746 2476283 1329855 325335 341113 17969722 5781511 Й?Ш?1

240.1 75.25 77.38 41.5 10.17 10.66 561.5 180.67 194,1?

С,„ млилуб от18 5.265 5.346 от 18 5.265 5.346 от 18 5.265 5.346

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе обобщены и получили дальнейшее развитие основные теоретические и практические положения, обеспечивающие решение важной технической задачи: улучшение технико-экономических показателей трубоукладчика при строительстве трубопроводов различных диаметров.

1. Разработанная математическая модель продолжительности рабочего цикла трубоукладчика увязывает параметры его моторно-трансмиссионной установки с технико-экономическими показателями и учитывает влияние конструктивных (тип трансмиссии и характеристика двигателя), технологических (способы укладки трубопровода) и эксплуатационных (уклон поверхности движения и коэффициент сопротивления движению) факторов на технико-экономические показатели.

2. Разработаны алгоритм и методика двухуровневого расчета технико-экономических показателей работы трубоукладчика. На первом уровне учитывается неполнота использования возможностей моторно-трансмиссионной установки (конструктивный фактор), на втором уровне учитываются особенности нагрузочного режима (технологический фактор).

3. 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 установили степень влияния конструктивного (тип трансмиссии и характеристика двигателя) фактора на технико-экономические показатели трубоукладчика.

4. Предложен метод выбора рациональных параметров моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика, основанный на математической модели продолжительности его рабочего цикла, алгоритме и методике двухуровневого расчета Суть метода заключается в совершенствовании

характеристик двигателя и трансмиссии как единого объекта. Учет критериев полноты использования возможностей моторно-трансмиссионной установки подтвердил влияние конструктивных (тип трансмиссии и характеристика двигателя) факторов на технико-экономические показатели.

5. 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;

- проектирования и эксплуатации - выбрать оптимальную модель трубоукладчика для конкретных условий.

6. Выполнена серия экспериментальных исследований по определению продолжительности рабочего цикла и технической производительности трубоукладчика («Котайи» Б355С) в реальных условиях эксплуатации (капитальный ремонт магистрального газопровода диаметром 1220 мм САЦ-42 Антиповского ЛПУ) на трех этапах монтажа трубопровода (сварка, укладка, очистка и изоляция). Построены циклограммы работы трубоукладчика. Установлена гиперболическая зависимость изменения технической производительности от продолжительности рабочего цикла трубоукладчика.

7. Адекватность полученной математической модели продолжительности рабочего цикла трубоукладчика подтверждается выполнением условия (критерий Фишера расчетный меньше табличного) при уровне значимости 0,05.

8. Установлено, что улучшение технико-экономических показателей работы трубоукладчика достигается путем подбора энергетических параметров МТУ за счет перенастройки двигателя с локального максимума мощности на постоянную мощность.

9. Перенастройка двигателя трубоукладчика с механической трансмиссией на режим постоянной мощности снижает суммарную себестоимость работ при монтаже трубопровода на 4%.

10. 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-технологаческие средства», бакалавров и магистров техники и технологии по направлению 190100 «Наземные транспортно-технологаческие комплексы».

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Кривошеее Н.В. Подбор оптимальной моторно-трансмиссионной установки для трактора, работающего в составе машинно-тракторного агрегата промышленного назначения / Н.В. Кривошеев, В.П. Шевчук, В.В. Шеховцов // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 10 / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. -(Серия «Наземные транспортные системы»; вып. 3). - С. 54 - 57.

2. Глебов Е.А. Оценка эффективности работы промышленного трактора с бульдозерным оборудованием / Е.А. Глебов, В.П. Шевчук, Н.В. Кривошеев //

Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. №10 / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. -(Серия «Наземные транспортные системы»; вып. 3). — С. 40 - 42.

3. Кривошеее Н.В. Повышение экологичности многоцелевого трактора путем подбора настроек моторно-трансмиссионной установки / Н.В. Кривошеее, В.П. Шевчук, A.B. Сюньков // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. №12 / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - ( Серия «Наземные транспортные системы; вып. 4). - С. 32 - 35.

4. Кривошеее Н.В. Метод выбора рациональных параметров моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика / Н.В. Кривошеее, В.П. Шевчук // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - Новочеркасск, 2014 г. -№1 (176).- С 61 - 64.

Статьи в других научных изданиях и материалах конференций:

5. Кривошеее Н.В. Анализ параметров производительности многоцелевого трактора - трубоукладчика / Н.В. Кривошеев, В.П. Шевчук // XVII per. конф. молод, исследов. Волгоградской области, Волгоград, 6-9 нояб. 2012 г.: тез. докл. / ВолгГТУ . - Волгоград, 2013. - С. 49 - 50.

6. Кривошеев Н.В. Влияние внешней характеристики двигателя на эффективность работы моторно-трансмиссионной установки гусеничного трактора / Н.В. Кривошеев, В.П. Шевчук // XIV per. конф. молод, исследов. Волгоградской области, Волгоград, 10 - 13 нояб. 2009 г.: тез. докл. / ВолгГТУ . -Волгоград, 2010. - С. 92-93.

7. Кривошеев Н.В. Динамика развития отечественного рынка трубоукладчиков / Н.В. Кривошеев, В.П. Шевчук // Прогресс транспортных средств и систем 2013: матер, междунар. науч.-практ. конф., Волгоград, 24 - 26 сент. 2013 г. / ВолгГТУ . -Волгоград, 2013.-С. 117-118.

8. Кривошеев Н.В. Комплексный подход по подбору и оценке моторно-трансмиссионной установки для трактора, работающего в составе машинно-тракторного агрегата промышленного назначения / Н.В. Кривошеев, В.П. Шевчук // Тез. докл. юбил. Смотра - конкурса науч. конструкт, и технол. работ студентов ВолгГТУ, Волгоград, 11-14 мая 2010 г. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. -С. 143.

9. Кривошеев Н.В. Критерии оценки моторно-трансмиссионной установки гусеничного трактора / Н.В. Кривошеев, В.П. Шевчук // Молодёжь. Наука. Инновации : матер. I междунар. науч.-практ. конф. / Пензен. филиал РГУИТП. -Пенза, 2010. [Электронный ресурс].- С. http://www.rgu-penza.ru.

10. Кривошеев Н.В. Математическая модель определения производительности машинно-тракторного агрегата при трубоукладочных работах / Н.В. Кривошеев, В.П. Шевчук // Современные проблемы транспортного комплекса России: межвуз. сб. науч. тр. молодых ученых, магистрантов и аспирантов. / Магнитогорский гос. техн. ун-т им. Г.И. Носова. - Магнитогорск, 2013 - Вып. 3 .- С. 262-268.

11. Кривошеев Н.В. Математическая модель продолжительности рабочего цикла трубоукладчика / Н.В. Кривошеев, В.П. Шевчук // Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы : матер. I всерос. науч.-техн. конф., 23 - 25 нояб. 2011 г. / Рубцовский индустриальный ин-т (филиал) АлтГТУ. - Рубцовск, 2011. - С. 435 - 438.

12. Кривошеев Н.В. Математическая модель продолжительности рабочего цикла многоцелевой машины трубоукладчика / Н.В. Кривошеев, В.П. Шевчук // XVI региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 8-11 ноября 2011 г. : тез. докл. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - С. 68-70.

13. Кривошеев Н.В. Моделирование параметров эффективности многоцелевой машины (трубоукладчика) при заданных конфигурациях МТУ / Н.В. Кривошеев, В.П. Шевчук // Прогресс транспортных средств и систем 2013: матер, междунар. науч. - практ. конф., Волгоград, 24 - 26 сент. 2013 г. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013.-С. 119-120.

14. Кривошеев Н.В. Подбор оптимальной моторно-трансмиссионной установки для трактора, работающего в составе трубоукладчика / Н.В. Кривошеев, В.П. Шевчук // Молодежь. Наука. Инновации: матер. I междунар. науч.—практ. конф. / Пензен. филиал РГУИТП. - Пенза, 2010. [Электронный ресурс] .- С. http://www.rgu-penza.ru.

15. Кривошеев Н.В. Проверка методики оценки эффективности моторно-трансмиссионной установки гусеничного трактора / Н.В. Кривошеев, В.П. Шевчук // Прогресс транспортных средств и систем — 2009: матер, междунар. н.-пр. конф., Волгоград, 13-15 окт. 2009 г. в 2 ч. Ч. 1 / ВолгГТУ. - Волгоград, 2009.-С. 181-182.

16. Сюньков А.В. Экологичность многоцелевого трактора с экспериментальными настройками моторно-трансмиссионной установки / А.В. Сюньков, В.П. Шевчук, Н.В. Кривошеев // Тез. докл. смотра-конкурса науч., констр. и технол. работ студ. ВолгГТУ, Волгоград, 10 -13 мая 2011 г. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - С. 150 - 152.

Статьи в зарубежных изданиях:

17. Шевчук В,П. The mathematical simulation effectiveness parameters of machine-tractor unit during pipelaying works [Электронный ресурс] / В.П. Шевчук, В.В. Шеховцов, Н.В. Кривошеев // 32nd Seminar of the Studentds' Association for Mechanical Engineering, Warsaw, Poland, 15 - 17.05.2013 / Military University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering. -1 CD-ROM. - Warsaw, 2013. - S. 1-5.

18. Шевчук В.П. The mathematical simulation effectiveness parameters the pipelaying works [Электронный ресурс] / В.П. Шевчук, Н.В. Кривошеев // materials of the conference «Education and science without borders», Munich, Germany, 17-22.11.2013 / International Journal Of Applied And Fundamental Research. - 2013. — № 2 — URL: www.science-sd.com/45S-24175.

Монография:

19. Шевчук В.П. Расчет специального рабочего оборудования для МТА промышленного назначения: монография / В.П. Шевчук, М.В. Ляшенко, В.В. Шеховцов, А.В. Победин, К.О. Долгов, Н.В. Кривошеев; ВолгГТУ. - Волгоград, 2011,- 147 с.

Подписано в печать 22.04.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 250.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201460034

КРИВОШЕЕВ НИКОЛАЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

МЕТОД ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННОЙ УСТАНОВКИ ТРУБОУКЛАДЧИКА

05.05.04 - «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., профессор Шевчук В.П.

Новочеркасск - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

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 165

ПРИЛОЖЕНИЯ 195

Приложение А. Технические параметры машин

для монтажа трубопровода 196

Приложение Б. Список сокращений 206

Приложение В. Протоколы исследований 207

Приложение Г. Акты внедрения 210

ВВЕДЕНИЕ

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. 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 ходоуменынитель.

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 [38, 39], Б.Л. Арав [47], В.И. Баловнева [52, 53], В.Н. Болтинского [65, 66], Ю.В. Гинзбурга [82, 83], С.И. Дорменева [112-117], Ю.К. Киртбая [156], Н.Г. Е.М. Кудрявцева [188 - 190], Кузнецова [191 - 194],

Б.М. Позина [237 - 240], В.М Рогожкина [246], В.П. Шевчука [170 - 185, 280 -

283] и др. Вопросы рационального использования топливно-энергетических ресурсов изложены в работах И.П. Ксеневича [186, 187], Г.М. Кутькова [199, 200] и др. Методологии поиска конструктивных и режимных параметров строительных и дорожных машин посвящены работы В.П. Максимова [289 - 295] и др.

Вклад в развитие проектирования и конструирования трубоукладчиков, механизации, автоматизации изоляционно-укладочных колонн (ИУК) внесли работы Е.А. Аникина [44, 258], В.К. Андриенко [80], И.М. Ващука [73], Р.Д. Габелая [78], А.И. Гальперина [79 - 81], Ю.А. Дудоладова [119 - 121], В.Т. Загороднюка [131,

284], К.И. Калошина [236], Н.Я. Кершенбаума [156 - 158], А.Л. Липовича [158], Н.П. Петрова [235], Ю.Б. Петракова [156, 234], В.Ф. Рааца [243], В.А. Славова [80], Ю.Б. Тихонова [263, 286], В.Д. Тарана [258], В.И. Уткина [73], Б.И. Харкуна [73], М.Э. Шошиашвили [284,285], B.C. Щербакова [286] 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 моторно-трансмиссионной установки 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 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 монтажа 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.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель продолжительности рабочего цикла трубоукладчика, увязывающая параметры его моторно-трансмиссионной установки с технико-экономическими показателями.

2. Двухуровневый расчет технико-экономических показателей заключается в установлении неполноты использования возможностей моторно-трансмиссионной установки (конструктивный фактор) и характера нагрузочного режима (технологический фактор).

3. 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 Рр<Рт (критерий Фишера расчетный меньше табличного) при уровне значимости 0,05.

Практическая значимость работы заключается в разработке метода выбора рациональных параметров моторно-трансмиссионной установки трубоукладчика, который позволяет на стадии:

• проектирования трубоукладчика - создать машину с высокими технико-экономическими показателями;

• проектирования строительства линейных объектов - выбрать трубоукладчик с требуемыми параметрами моторно-трансмиссионной установки;

• эксплуатации трубоукладчика - рекомендовать строительным организациям к использованию трубоукладчики с двигателем постоянной мощности или гидромеханической трансмиссией;

• модернизации трубоукладчика - изменить параметры моторно-трансмиссионной установки для улучшения технико-экономических показателей. »

Внедрение результатов диссертационной работы. Разработанный метод выбора рациональных параметров моторно-трансмиссионной установки 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) имени М.И. Платова.

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 приложен