автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование состава землеройно-транспортных комплексов с учетом измерения условий работы и возраста машин

¿У

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА (ЦНИИС)

ТУНСКИЙ ВЛАДИМИР ИЛЬИЧ

ОБОСНОВАНИЕ СОСТАВА ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ КОМПЛЕКСОВ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯ УСЛОВИЙ РАБОТЫ И ВОЗРАСТА

МАШИН

(на примере нефтедобывающего предприятия

Специальность: 05.05.04 - " Дорожные и строительные машины"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Сибири)

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор И.А. Недорезов

Москва, 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ОЦЕНКА 8

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МАШИН ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ КОМПЛЕКСОВ

1.1. Особенности эксплуатации землеройно-транспортных 8 комплексов (ЗТК) в условиях нефтегазодобывающих предприятий Западной Сибири

1.2.Состояние вопроса разработки систем управления работой 15 ЗТК

1.3 .Оценка производительности машин ЗТК 19

1.4.Связь производительности машин с энергоемкостью 29 разработки и транспортирования грунта

1.5.Выводы по главе. Цель и задачи исследования 34 Глава 2. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ 38

РАБОТЫ МАШИН ЗТК НП

2.1.Состав машинного парка V '''' 38

2.2.Изменение коэффициентов технического использования 43 машин в зависимости от их возраста

2.3.Влияние срока эксплуатации машин на величины 49 коэффициентов использования их по времени

2.4.Изменение производительности машин ЗТК по годам их 55 эксплуатации

2.5.Выводы по главе 61 Глава 3. АЛГОРИТМ, МОДЕЛИРУЮЩИЙ РАБОТУ ЗТК 62

3.1.Исходное условие согласованной работы комплекса 62 "экскаватор-автосамосвалы"

3.2.Условия согласованной работы ЗТК с учетом технического 68 состояния машинного парка

3.3. Алгоритм определения необходимого количества 70 автосамосвалов

3.4.Оценка технологической согласованности главных 75

параметров экскаватора и автосамосвалов ЗТК

3.5.Выводы по главе 85 Глава 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ЗТК НА ОСНОВЕ 87

ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

4.1 .Имитационное моделирование работы ЗТК 87

4.2.Модель расчета производительности экскаватора. 94

4.3.Мод ель расчета производительности автосамосвала. 98

4.4.Примеры расчетов 101

4.5 .Методика расчета состава ЗТК и рекомендации 106

по ее использованию

4.6.К оценкам стоимости экскавации и транспортирования 107

грунта при сооружении кустовых площадок НП

4.7.Выводы по главе 114

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 116

ЛИТЕРАТУРА 119

ПРИЛОЖЕНИЯ 128

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. При производстве земляных работ широкое применение находят землеройно-транспортные комплексы (ЗТК), в составе которых основными грунторазрабатывающими машинами являются одноковшовые экскаваторы, а транспортными средствами - автосамосвалы. При этом дальность транспортирования грунта может достигать значительных величин (15-50 км), а условия работы ЗТК под влиянием природно-климатических и других факторов существенно изменяться. Большие дальности транспортирования грунта приводят к значительному количеству автосамосвалов в составе ЗТК, в результате чего в стоимости земляных работ 90% и более составляют затраты на транспортирование грунта. Эффективность работы ЗТК, кроме обеспечения рационального взаимодействия транспортных средств с ведущей машиной - экскаватором во многом зависит от надежности функционирования машин, входящих в состав ЗТК. Как подтверждает практика, показатели надежности машин во многом зависят от их возраста. Указанные особенности условий работы и состав ЗТК характерны для нефтегазодобывающих предприятий (НП) Западной Сибири, где выполняются большие объемы земляных работ по отсыпке подъездных автомобильных дорог и рассредоточенных кустовых площадок из насыпного грунта для размещения буровых установок и нефтепромыслового оборудования.

Поскольку типоразмеры машин ЗТК действующих НП определились формированием и развитием их машинных парков, основными путями повышения эффективности работы ЗТК является рациональное его количественное комплектование транспортными средствами и оперативное управление составом ЗТК при изменении условий работы с учетом технического состояния (возраста) машин. Однако получение необходимых исходных данных для обоснования методики расчета состава ЗТК требуют проведения исследований влияния указанных факторов на их количественный состав и эффективность работы.

Цель исследования - обосновать методику расчета состава ЗТК с

учетом возраста машин и изменения условий их работы на примере НП, а

также разработать предложения по созданию системы оперативного

управления работой ЗТК.

Задачи исследования:

• получить аналитические зависимости производительности машин ЗТК от их технического состояния (возраста), выраженные через временные интервалы показателей надежности и коэффициенты технического использования машин Кти;

• определить закономерности изменения величин Кти и производительности машин ЗТК в зависимости от их возраста на основе статистического анализа показателей работы ЗТК в условиях НП;

• разработать алгоритм определения состава ЗТК с учетом условий работы и возраста машин, а также разработать программное обеспечение расчетов;

• выполнить имитационное моделирование работы ЗТК с учетом изменения факторов, влияющих на состав ЗТК;

• произвести ранжирование факторов условий работы ЗТК по их значимости;

• дать методику расчета состава ЗТК и предложения по созданию системы оперативного управления работой ЗТК.

Научная новизна работы заключается :

• в оценках производительности экскаваторов, дорожно-строительных машин и автосамосвалов с учетом их технического состояния (возраста);

• в статистических зависимостях коэффициентов технического использования машин ЗТК и их производительности от сроков эксплуатации;

• в математических моделях работы ЗТК и результатах их анализа.

Практическая значимость работы заключается:

• в методике расчета состава ЗТК с учетом условий их работы и возраста машин, а также предложениях по созданию системы оперативного управления работой ЗТК;

• в программном обеспечении моделирования работы ЗТК и расчета их состава.

Реализация результатов работы.

Работа выполнялась на базе анализа производственной деятельности ДОАО "Пурнефтеспецстрой" ОАО "Роснефть-Пурнефтегаз" (г.Губкинский, ЯНАО) за период 1991-1998 г.г. Результаты работы приняты к реализации фирмой "Нова-Север" ОАО "Самарское народное предприятие" и ОАО "Роснефть-Пурнефтегаз"

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции "Повышение эффективности работы колесных и гусеничных машин в суровых климатических условиях эксплуатации" (г. Тюмень, 1996г.), на международной научно-практической конференции "Развитие транспортно-технологических систем в современных условиях" (г. Нижний Новгород, 1997г.), на заседаниях секции механизации транспортного строительства, строительных машин и оборудования Ученого совета ОАО "ЦНИИС" (г. Москва, 1999г.).

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 4-х печатных работах.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Объем основного текста 157 стр. с рисунками и

таблицами.

На защиту выносятся:

• математические модели работы ЗТК;

• результаты статистического анализа показателей работы машин ЗТК в зависимости от их возраста в условиях НП Западной Сибири;

• методика расчета состава ЗТК и предложения по созданию системы оперативного управления работой ЗТК.

ГЛАВА 1. УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МАШИН ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ КОМПЛЕКСОВ.

1.1. Особенности эксплуатации землеройно-транспортных комплексов (ЗТК) в условиях нефтегазодобывающих предприятий Западной Сибири.

В настоящее время в нашей стране до 70% добычи нефти приходится на Западную Сибирь, преимущественно Тюменскую область. К 2005 году прогнозируется довести добычу нефти до 370 млн.т [1] , что потребует по оценкам специалистов уже в 1999г. ввести в эксплуатацию более 6000 новых нефтяных скважин.

Одним из перспективных нефтегазодобывающих предприятий России является ОАО "Роснефть-Пурнефтегаз", входящее в НК "Роснефть" [2] . ОАО "Роснефть-Пурнефтегаз" ежегодно стабильно добывает 8 млн.т нефти и газового конденсата и по оценкам специалистов занимает 8-е место в мире по запасам нефти (без учета других российских компаний). Предприятие ведет добычу нефти и газа в Ямало-Ненецком автономном округе.

Обустройство новых месторождений и связанная с этим необходимость развития их инфраструктуры приводят к крупномасштабным строительным работам.

Земляные работы имеют наибольший удельный вес в общей стоимости строительства различных объектов, что обусловлено заболоченностью территории и развитой системой рек и озер Западно-Сибирской низменности.

Основными видами работ, выполняемых ЗТК, являются отсыпка автомобильных дорог и устройство кустовых площадок под буровые установки и нефтепромысловое оборудование (рис.1.1), а также рекультивация нарушенных земель, строительство внутрипромысловых дорог и подготовка площадок под сооружение производственных комплексов сбора, подготовки и

Водяная с к нажина

Л - Л I -

Рис. 1.1. План кустовой площадки для буровой установки и нефтепромыслового оборудования

транспортирования нефти, временных вахтовых поселков для нефтяников. Наиболее специфичными являются земляные работы по устройству кустовых площадок, рассредоточенных на значительных расстояниях друг от друга и от ремонтной базы (рис.1.2).

В состав ЗТК входят экскаваторные комплексы, включающие одноковшовые экскаваторы 4-й и 5-й размерных групп, автосамосвалы грузоподъемностью до 15т, а также бульдозерно-рыхлительные агрегаты на базе тракторов мощностью 125-367 МВт и тяжелые автогрейдеры. Центральным звеном в этом комплексе являются землеройно-транспортные машины, включающие одноковшовые экскаваторы и автосамосвалы. Подготовку мерзлых грунтов к экскавации обеспечивают бульдозерно-рыхлительные агрегаты, а подготовку и содержание транспортных путей -автогрейдеры и бульдозеры. Возрастной состав машинного парка различный, наряду с новой техникой имеются машины, отработавшие более 10 лет [24].

Природно-климатические условия, влияющие на режимы работы машин ЗТК, оцениваются по материалам Омского территориального управления по гидрометеорологии и контролю природной среды и по данным метеостанции Харампур за период 1970-85г.г. для рассматриваемого региона следующими показателями (рис.1.3)

Климат района работ резко континентальный, характеризуется холодной зимой и прохладным летом.

Среднегодовая температура воздуха отрицательная и составляет - 6,2°С.

Самая низкая средняя температура воздуха приходится на январь-февраль месяцы и равна -25,1°С и -24,5°С. Абсолютный минимум температуры зарегистрирован -57,1°С (1973г.). Число дней с температурой воздуха равной и ниже 0°С от 214 до 246 (в среднем 231).

Сумма годовых осадков в среднем составляет 534мм (максимум 52 мм в сутки наблюдался в августе 1976г.).

Средняя многолетняя дата образования устойчивого снежного покрова -

..........

< 'V *

К-721

,....... /

М -

К-69Б

г •

¡ш \\'•./*■>

1

-■■.у-.'-;

К-68Б " /

У.'

V-

га

г%.щ п <Г : ^ ■

* -К ! • • ■ 1.1. ■ V »«М . Л ......

У I

^ ,......л д..........- У *

_ _!__.<!■ .. г Г Ч

Чу. ¡. л

а Л

! с

Ш. /

? ср^Ч '1'' >........

тВ

Автодорога Кустовая площадка

дне

Рис.

1.2. Схема размещения кустовых площадок и внутрипромысловых автодорог Харампурского месторождения

Обзорная карта района работ ОАО «Роснефть-Пурнефтегаз»

ю

■ РУССКО-РЕЧЕНСКОЕ

I

ВЕРХНЕЙАСЕЛЬСКОЕ

ВЕРХНЕПУРПЕИСЖОЕ НОВОПУРПЕИСКО

ВОСТОЧНО-ЯНГ^ИНСКШ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 1

- Мкторождещш «1 1 "пчоШ1)е^абат!зГваюицш замд Ш «••()

Сучой газ 1 'а:? газовой шапки КшлеЩз! Гранины линцензиоимых участков # СЭ Ком1 ]рессШ1 !Эй с ¡ акция IК 1С е$тцествуюнщй 1 и [С предаодогаемый Ашхщдрош Д1ГС существующие ЛИС пре;ишлогаемыс I а юпро.чоды . нефюмрояоды су.'жсгнуюище Га »провода , - - - ■ нефтепроводы предполагаемой:

ХАРАмпуретсоё' ^ \ ~ СРЕ ДНЕ-ХАРАМПУРСКОЕ

ю. харампурское

ТЕКТО-ХДРАМПУРСКОЕ ФЕСТИВАЛЬНОЕ

ЧАТЫЛЬКИНСКОЕ ХОЛМИСТОЕ -ч

РАВНИННОЕ

¡■о

11 октября. Продолжительность снежного покрова от 188 до 248 дней. Средняя величина снежного покрова достигает 91см (конец марта). Средняя дата разрушения снежного покрова - 24 мая (поздняя - 5 июня).

Число дней с туманом колеблется от 3 до 24 при средней суммарной продолжительности туманов 42 ч.

Число дней с метелью в среднем составляет 46, иногда достигая 99, при средней продолжительности метелей 337 часов в год.

Гололед - явление редкое (1-8 дней в году) и чаще всего наблюдается в октябре.

Средняя скорость ветра 1,8м/с, максимальная - до 25м/с.

По скорости резко выделяются ветры с градацией 1-6м/с (97,8%).

Район характеризуется довольно сложной гидрологической обстановкой вызванной присутствием ряда ручьев, затапливающих отдельные участки производства строительных работ во время весеннего половодья. Пологоволнистые формы рельефа с многочисленными замкнутыми понижениями способствуют скапливанию и длительному застою вод атмосферных осадков.

Наличие сезонной мерзлоты (до 3 м глубиной по данным ТюменНИИгипрогаза) препятствует просачиванию воды в грунт, что приводит к образованию временных озер и ручьев. После оттаивания сезонной мерзлоты (конец июля - середина августа) вода быстро инфильтрует в грунт.

Глубина залегания грунтовых вод от 0 до 6,5 м.

Геологическое строение района характеризуется глинами повсеместно перекрытыми в основном переслаивающимися мелкими пылеватыми песками, супесями и суглинками.

Показатели физико-механических свойств этих грунтов, определенные по результатам лабораторных испытаний проб, взятых из скважин, и данным статического зондирования, приведены в табл. 1.1. Они позволяют дать оценки трудности разработки указанных грунтов землеройными машинами. Для этого можно использовать следующую зависимость [25], полученную на основе

известных соотношений А. Н. Зеленина [11] между показателями прочности грунтов по числу ударов С плотномера ДорНИИ и их влажностью СР.

„ 13со„ + 0,5

С =-(1-1)

со-1,1

где соп - число пластичности грунта (в %). Определенные таким образом величины числа С приведены в последней графе табл. 1.1, откуда следует, что представленные грунты в незамерзшем состоянии имеют прочность С=2 — 12, относясь в основном к I и II, а иногда к Ш категориям трудности разработки по классификации А. Н. Зеленина (ГОСТ 17343-71).

Отмеченные выше особенности природно-климатических и грунтовых условий рассматриваемого района, значительная рассредоточенность объектов работ и удаленность их от баз ремонта техники, а также ее простои, в итоге приводят к пониженной выработке ЗТК (экскаватор-автосамосвалы). Так по результатам эксплуатации ЗТК в 1993-95г.г. получены следующие показатели:

Годы 1993 1994 1995

Выработка ЗТК, тыс. м3 2,202 1,287 2,296

Среднесменная* производительность экскаватора IV-V размерных групп, м 689 366 587

* Рабочее время смены 11 часов (работа экспедиционно-вахтовым методом).

Из таблицы видно, что средняя эксплуатационная производительность экскаваторов не превышает 63м3/ч, т.е. почти в 3 раза ниже их конструктивно-технических возможностей, и в 2 раза ниже возможной технической производительности при работе в грунтах II категории (см. § 1.3). Это позволяет заключить, что имеющийся производственный потенциал ЗТК и их ведущих машин - экскаваторов еще полностью не реализован. Наряду с

оптимизацией состава ЗТК, повышением уровня технической эксплуатации машин и сокращением их простоев, резервы технических возможностей ЗТК могут быть наиболее полно реализованы за счет совершенствования оперативного управления их работой, например, на базе компьютерных систем. Создание подобных систем должно позволить также повысить уровень проектирования организации и эффективности работ на новых строительных объектах. Разработка алгоритмов для таких систем применительно к реальным условиям использования ЗТК, кроме знания фона эксплуатации машин, должна исходить из теоретических положений производительности землеройных и транспортных машин, определяющих зависимости производительности от условий и организации работы техники, ее параметров и технического состояния, которое в свою очередь связано не только с уровнем технической эксплуатации машинного парка, но и во многом зависит от его состава по истории комплектации и возраста машин.

1.2. Состояние вопроса разработки систем управления работой ЗТК

К настоящему времени в области землеройно-транспортных машин и комплексов отечественными исследователями и за рубежом выполнены многочисленные теоретические и экспериментальные работы, результаты которых отражены в обширной научной, учебной и технической литературе. К ним относятся в первую очередь работы, посвященные расчетам, п