автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Выбор плужного снегоочистителя для скоростной очистки автомобильных дорог от снега в зависимости от условий эксплуатации и определение его оптимальных параметров

На правах рукописи

Трофимова Ирина Федоровна

ВЫБОР ПЛУЖНОГО СНЕГООЧИСТИТЕЛЯ ДЛЯ СКОРОСТНОЙ ОЧИСТКИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ОТ СНЕГА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Специальность: 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные

машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з 1 окт 1т

Москва-2013

005536596

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре «Сервиса дорожно-строительных машин».

доктор технических наук, профессор Баловнев Владилен Иванович

доктор технических наук, профессор Николаев Сергей Николаевич генеральный директор ООО "Фирма МС КОНСАЛТИНГ"

кандидат технических наук, доцент Павлов Алексей Петрович доцент кафедры Производства и ремонта автомобилей и дорожных машин ФГБОУ ВПО

«МАДИ»

Ведущая организация: ЗАО «ВНИИстройдормаш»

Защита состоится ноября 2013 г. в УО. ОО на заседании

диссертационного совета Д.212.126.02 ВАК РФ при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу:

125319, ГСП А-47, Москва, Ленинградский пр., д.64, ауд. 42,

Телефон: (499) 155-93-24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета, а копии отзывов присылать по электронной почте: uchsovet@madi.ru

Автореферат разослан октября 2013 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Рост автомобильного парка, увеличение объема грузооборота и перевозок пассажиров, предъявляет высокие требования к содержанию автомобильных дорог и улиц, и обеспечению безопасности движения. В зимний период появление на дорожных покрытиях снежно-ледяных отложений приводит к снижению скорости и производительности транспортных средств, увеличивая себестоимость перевозок и количество ДТП. В связи с этим, необходимо максимально использовать эффективные и экономичные способы борьбы со снегом и льдом на дорогах и улицах.

Скоростная снегоочистка городских территорий - наиболее быстрый и эффективный способ снегоочистки автомобильных дорог с использованием плужных снегоочистителей. В настоящее время на рынке представлены различные марки снегоуборочной техники. Эксплуатирующим организациям необходимо выбирать оптимальные снегоуборочные машины и их количество в зависимости от технико-эксплуатационных условий эксплуатации для достижения максимальной прибыли от выполненных работ и очистки дорог с высокой степенью эффективности.

В работе предложена методика выбора оптимального снегоочистителя для патрульной снегоочистки дорог в зависимости от условий эксплуатации.

Цель работы: разработка методики для выбора плужного снегоочистителя с оптимальными параметрами для выполнения работ в заданных условиях эксплуатации и определение необходимого количества снегоочистителей, обеспечивающей снегоочистку с максимальной эффективностью по основным показателям. Задачи исследования:

• проведение анализа рабочего процесса плужного снегоочистителя;

• составление математической модели показателя эффективности - общего времени цикла;

• анализ изменения показателей эффективности в зависимости от технических параметров плужного снегоочистителя и параметров условий эксплуатации;

• решение задачи оптимизации показателей эффективности работы снегоочистителя;

• анализ изменения оптимальных параметров машины в зависимости от условий эксплуатации;

• исследования эффективности разработанной методики расчета показателей и сопоставление с экспериментальными данными. Объект исследования: основные параметры и показатели

эффективности плужного снегоочистителя.

Предмет исследования: влияние изменения основных показателей эффективности плужного снегоочистителя в зависимости от условий эксплуатации.

Научная новизна:

- предложена методика выбора оптимального плужного снегоочистителя

в зависимости от технико-эксплуатационных условий;

- получена зависимость основных технических и экономических показателей эффективности от параметра массы снегоочистителя в зависимости от условий эксплуатации;

- разработана математическая модель процесса удаления снега плужными снегоочистителями с дорожного полотна, отличающаяся тем,- что она учитывает основные технико-эксплуатационные параметры.

Практическая ценность работы: выполнение патрульной снегоочистки с высокой эффективностью, увеличение экономического эффекта при использование оптимальной машины, снижение затрат на использование оптимальной машины.

Реализация результатов работы: Результаты диссертационных исследований могут использоваться на предприятиях занимающихся, эксплуатацией дорожной, строительной и коммунальной техники и в учебных заведениях для подготовки специалистов автомобильно-дорожной отрасли. Они могут найти применение при оценке эффективности каждой машины из парка снегоуборочной техники или представленной производителями на рынке.

На защиту выносятся:

-методика выбора оптимального плужного снегоочистителя в заданных условиях эксплуатации, основанный на минимизации времени цикла;

-математическая модель общего времени цикла плужного снегоочистителя, учитывающая основные параметры условий эксплуатации; - результаты исследования и сравнения

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов: В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Решения задач базируются на теоретических положениях математического моделирования, теории подобия и экспериментальных данных. Обоснованность рекомендаций, научных положений и выводов определяется корректным использованием современных математических моделей и методов, предварительным статистическим анализом процессов рабочего цикла снегоуборочных машин, согласованностью результатов аналитических расчетов показателей эффективности снегоуборочных машин и полученных экспериментальных данных.

Апробация работы: Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено и получило одобрение на 71-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ, (Москва, 2013г.), 69-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ, (Москва, 2011г.), 68-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ, (Москва, 2010г.).

Публикации: По теме диссертационного исследования опубликовано 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и общих выводов. Опубликована на 168 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 18 таблиц, список использованной литературы из 95 наименований и 4 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель и определены задачи диссертационного исследования, научная новизна и значимость результатов. Дана кратная характеристика рассматриваемых проблем и вопросов и методы их решения.

Несвоевременная уборка городских территорий от свежевыпавшего снега может спровоцировать множественные дорожные заторы и дорожно-транспортные происшествия. Все эти факторы ведут к серьезным финансовым потерям для компаний, чьи доходы напрямую связаны с грузо- или пассажироперевозками. Кроме того, неблагоприятные погодные условия могут спровоцировать травмоопасную обстановку для пешеходов.

Основной задачей зимнего содержания автомобильных дорог является проведение комплекса мероприятий по обеспечению бесперебойного и безопасного дорожного движения на автомобильных дорогах и улицах с максимальным использованием эффективных и экономичных способов борьбы со снегом и льдом на дорогах и улицах. Методики выбора снегоочистителей чаще всего предлагаются заводами изготовителями и сводятся к выбору машин в пределах своей продукции. Значения показателей эффективности снегоуборочных машин в различных условиях эксплуатации можно определить аналитическим методом расчета, исключая проведение экспериментов в реальных условиях. Данный метод расчета дает возможность получения более точных результатов. Он учитывает противоречивые требования ряда рабочих операций к техническим параметрам снегоуборочных машин.

В первой главе проведен обзор конструкции современных плужных снегоочистителей, удельных параметров плужных снегоочистителей, физико-механических свойств снега, анализ существующих методик определения оптимального количества плужных снегоочистителей.

Показано, что проблема зимнего содержания автомобильных дорог возникает из-за неправильной эксплуатации коммунальными предприятиями парка снегоуборочной техники, недостатка количества машин, а также несоответствия имеющихся моделей снегоочистителей по своим техническим характеристикам условиям эксплуатации. Задача предприятий, занимающихся содержанием автомобильных дорог и автомагистралей, состоит в выборе снегоуборочных машин и их количества с оптимальными параметрами. Данные машины смогут выполнять работу за минимальное количество времени и с заданной эффективностью.

Определение необходимого количества снегоуборочных машин при патрульной снегоочистке проводили Федеральное дорожное агентство Росавтодор, ГУЛ «Доринвест», немецкая компания по производству техники «SCHMIDT». Выявлены достоинства и недостатки рассмотренных методик. В основе расчетов данных методик лежат основные технические данные машин и дорожные условия эксплуатации, однако ни в одной из них не учтены физико-механические свойства снега. Кроме того, сделан вывод, что в настоящее время нет методик для определения снегоочистителя с оптимальными

параметрами для выполнения работ в заданных условиях. Сформированы основные цели и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе определены по аналитическим зависимостям технико-эксплуатационные показатели эффективности, в которые входят производительность, удельная энергонасыщенность, удельная энергоемкость, удельная материалоемкость; а также технико-экономические показатели эффективности: себестоимость машино-часа, коммерческий эффект от использования машины, удельная себестоимость единицы продукции и др.

Установлено влияние показателя времени цикла на основные технико-экономические показатели, т.к. время цикла входит во все основные технико-экономические показатели машин. Таким образом, оказывая влияние на изменение общего времени рабочего цикла машины можно изменять значения основных показателей ее эффективности.

Согласно технологии снегоуборки, разработана математическая модель времени цикла плужного снегоочистителя, которая включает в себя все основные составляющие затрат времени: выполнение рабочей операции и холостого хода. При разработке математической модели учитывался опыт моделирования и копания грунтов.

? =1 +1 ,

1)икла ро хх

где г - суммарное время выполнения рабочей операции машиной, с;

г - суммарное время холостого хода, затраченное машиной на

перебазировку к месту выполнения работ и обратно на стоянку, с.

Учитывая тот факт, что в момент снегоочистки на отвал машины действуют силы сопротивления со стороны снежной массы, тем самым влияя на скорость движения машины и качество очистки, составлена схема действия сил сопротивления на рабочий орган машины в момент выполнения работы.

Рис. 1. Схема действия сил сопротивления на отвал машины.

Лобовое сопротивления складывается из двух типов сил: сил касательного (тангенциального) трения направленных вдоль поверхности отвала машины, и сил давления, направленных по нормали к поверхности Сила сопротивления является диссипативной силой и всегда направлена против вектора скорости тела в среде. Каждая составляющая сил сопротивления

характеризуется своим собственным коэффициентом сопротивления и определённой зависимостью от скорости движения:

w ^ =W +w ,

р 1 рн рк

где WpH - сила сопротивления резанию нормальная, Н; WpK - сила сопротивления резанью касательная, Н; WP£ - суммарная сила сопротивления движению машины, Н.

W =B-h-g-k . рн уд.сопр.

где В — ширина отвала снегоочистителя, м; h - высота срезаемого снега, м; kyd сопр ~ К0ЭФФициепт удельного сопротивления снега.

W =W ■tga, рк рн °

W v- = W cosa + W sina ■ tga, РЪ рн рн ь

W ^ = В ■ Л • g ■ k . (cosa + sina) ■ p¿* уд.сопр.

Сопротивление призмы волочения определяется произведением:

W =q -у -tga, пр пр ' сн

где ц — объем призмы волочения, м ; ~1С]— удельная масса снега, н/м3.

Сила сопротивления базовой машины снегоочистителя рассчитывается по формуле:

IV =т •/ -я, м мм

где т - масса машины без учета навесного оборудования (отвала), кг; /^-коэффициент сопротивления перекатыванию; 8 - ускорение свободного падения, м/с2.

Сила сопротивления движению отвала снегоочистителя рассчитывается

как:

W =т •/ -g, от от от

где т - масса отвала машины, кг;

от ' '

1от ~ коэффициент трения отвала и поверхности дороги.

Формулу работы сил сопротивления при выполнении рабочей операции можно представить в виде суммы сил сопротивления призмы волочения и суммарной силы сопротивления резанию:

ро пр р2м м отв'

где I — расстояние перемещения снегоочистителя при выполнении рабочей операции, м.

Математическая модель рабочей операции учитывает работу сил сопротивления движению мощность машины:

А

/

ро N

ро

)

где N - мощность снегоуборочной машины, н-м/с.

ро

Мощность снегоочистителя в момент выполнения рабочей операции рассчитывается по формуле:

N У (<р -f ±0(1-6 ),

ро оюзд роугсц ро " сн'

где т — общая масса снегоочистителя, включая навесное оборудование, кг;

^ро - скорость резания снега в процессе выполнения рабочей операции,

м/с.

В формуле определения мощности, затрачиваемой снегоочистителем на

уборку дорожного полотна, учтены основные физико-механические свойства

снега, влияющие на тяговые характеристики машины. Данные свойства снега

можно объединить в безразмерный коэффициент условий эксплуатации:

к = (<р -/ ±Щ1-д)т]к ро гсц пер 1 '' зд

где 9 - коэффициент сцепления, характеризует отношение максимальной

касательной силы, развиваемой колесным движителем к нормальной нагрузке на движитель (на его ведущие колеса);

/- - касательная сила сопротивления движению в зависимости от

пер

нормальной нагрузки на движитель;

' - угол естественного откоса, определяющийся способностью снега под действием своего веса сползать по наклонной плоскости;

(5 - угол внешнего трения снега, характеризующий отношение силы его трения о рабочий орган снегоочистителя к силе нормального давления на поверхность рабочего органа машины;

- коэффициент загрузки двигателя при работе снегоочистителя;

т] - КПД трансмиссии.

Выявлена зависимость между коэффициентом условий эксплуатации и физико-механических свойств снега: коэффициент условий эксплуатации тем выше, чем сложнее в данные момент дорожные условия за счет выпавшего снега, тем больше мощности затрачивает машина на выполнение рабочей операции.

Операция холостого хода также учитывает работу сил сопротивления движению машины и мощность:

А

/ =-22-, хг дг

XX

где а - работа, совершаемая снегоочистителем на холостом ходу, нм;

N - мощность холостого хода, т.е. мощность базовой машины

XX

снегоочистителя, заданная заводом изготовителем, нм/с.

Работа сил сопротивления на холостом ходу:

А =т-я•/ Ь ,

XX XX XX

где путь снегоочистителя, в течение которого снегоочистка не

производится, м;

т - масса снегоочистителя, кг; в - ускорение свободного падения, м/с2;

/ - коэффициент сопротивления перекатыванию машины на холостом

ходу.

Мощность на холостом ходу затрачивается только на перемещение машины, а значит влияние условий эксплуатации минимально и им можно пренебречь.

В общем виде формула времени цикла снегоочистителя имеет следующий

вид:

. IV Ь „£ г

, =1( С°"Р ) +

цикла ткУек N

рез° ро хх

На основе выражения _ 0 определяется формула для расчета

с1т

оптимальной массы машины для работы в заданных условиях эксплуатации:

№ I

сопр_.

г2* V / л ро реэ хх хх

Анализ работы плужного снегоочистителя при параллельном протекании операций резания и отбрасывания снежной массы дает тождественную структуру для определения оптимального значения массы машины. В данном случае операции по резанию и отбрасыванию снега протекают одновременно: время каждой операции равны друг другу.

Машины для зимнего содержания автомобильных дорог составляют обширную номенклатуру техники, их параметры являются подобными. Критерии подобия характеризуют отношения физических эффектов системы «машина-снег». Критерии подобия для подобных машин равны. Из равенства критериев подобия получены коэффициенты связи между входящими в состав величинами технических параметров машины, таких как мощность и геометрические параметры отвала и масса машины. Таким образом, установлена целесообразность выбора машины с рациональными параметрами исходя из рассчитанной оптимальной массы машины.

Зависимость времени цикла от массы машины представлена на рисунке 2.

Рис.2. График зависимости времени цикла от массы машины

Из графика видно, что для группы машин, имеющих различные технические характеристики, можно рассчитать общее время цикла для каждой модели. Основываясь на представленной зависимости, сделан вывод, что из всего множества моделей, только небольшая группа имеет близкую к оптимальной или оптимальную массу и минимальное время цикла выполнения работ при постоянной рабочей скорости. Чаще всего предприятия не располагают таким широким модельным рядом снегоуборочной техники и возможностью ее приобретения, поэтому если в парке машин предприятия снегоочиститель с параметрами, равными оптимальным параметрам, рассчитанным по методике, отсутствует, то выбор снегоочистителя производится по массе, максимально приближенной по значению к оптимальной массе т = т

маш опт

Снегоочистители работают в вероятностных условиях эксплуатации, т.е. параметры, характеризующие свойства среды, не являются постоянными и способны изменяться случайным образом. Оптимальные технико-эксплуатационные параметры машин следует определять для наиболее вероятных условий эксплуатации.

Максимальная производительность в конкретных условиях эксплуатации будет рассчитываться исходя их определенного ранее времени цикла. У оптимальной машины время цикла будет минимальным 'ткла = 'ц.тт-

max t

tf.min

При выборе оптимальной машины для выполнения работ в заданных условиях эксплуатации можно достичь роста экономического эффекта при использовании снегоочистителя и снижения затрат на его использование.

ю

Для определения экономического эффекта используется формула:

с ,-я -г

,,2 тах ч _ 1м_

см 3600

где Т^ - число часов работы машины, ч.

Экономический эффект позволяет оценить рациональность использования предприятием экономического ресурса - плужного снегоочистителя или группы машин. При увеличении производительности снегоочистителя за счет сокращения времени цикла уборки возможно увеличить экономический эффект для предприятия и снизить стоимость единицы продукции для потребителя.

Оценка затрат на удаления снега с дорожного полотна по рыночной цене машино-часа включает в себя затраты на использование машины на

о

предполагаемом участке дороги ™ за период выполнения работ. При выполнении работ оптимальной машиной поэтому затраты на

использование машины так же можно снизить:

С -I .

^ _ мч цтт

с" ~ 3600

Затраты на снегоочистку позволяют оценить эффективность использования данного снегоочистителя для эксплуатирующего предприятия и потребителя. При снижении данного вида затрат можно регулировать стоимость машино-часа при выполнении работ. График зависимости затрат при использовании оптимальной снегоуборочной машины в заданных условиях эксплуатации представлен на рисунке 3.

оптимальной массы машины.

В третьей главе рассмотрены основные положения, которые были использованы при разработке методики определения оптимальных параметров машин. Определение оптимальных параметров для конкретных условий эксплуатации снегоуборочной техники основывается на анализе показателей эффективности и времени технологического цикла выполнения работ по очистке дорожного полотна от снега. Продолжительность операций является одним из важнейших показателей эффективности.

При анализе выполнения работ плужным снегоочистителем, установлено, что показатели эксплуатационной и экономической эффективности зависят от продолжительности цикла снегоочистителя.

Общее время цикла 'цикла и время отдельных рабочих операции * ро

определяют величину ряда коммерческих и рыночных показателей.

На основании возможности снижения общего времени цикла выполнения работ с использованием снегоуборочных машин при неизменных других основных технико-эксплуатационных параметрах, можно установить оптимальные параметры основных технико-эксплуатационных показателей. Для снегоуборочных машин анализ минимизации производительности по величине оптимальной массы тОПт дает такой же результат, как при

МИНИМИЗаЦИИ 'цикла-

Технологическое время цикла 'цикла определяется путем сложения

времени отдельных операций. При определении минимального времени рабочего цикла снегоочистителей как техническо-транспортных машин для уборки территорий при заданных условиях, исходим из технологической последовательности операций. Операции по очистке дорог от снега у плужных снегоочистителей делятся на операции отделения снега и отбрасывания и протекают последовательно-параллельно. Вначале происходит процесс отделения снега от снежного массива отвалом машины. Далее за счет массы машины, движущейся с определенной скоростью, кинетическая энергия передается снежному массиву, и снег отбрасывается в сторону.

Технологическое время цикла включает в себя все основные составляющие затрат времени на выполнение операции по удалению снега и льда: время рабочих операций I^ и время холостого хода/^ . Математическая

модель времени рабочего цикла машины:

? = — -А + т-В цикла т

Ж Ь ёЬ /

где А =-——, В = —** хх - обобщенные показатели условий эксплуатации

V як N

рез° ро хх

машины.

Определение оптимальной массы плужного снегоочистителя выражается из формулы общего времени цикла путем взятия первой производной и имеет следующий вид:

г

цикла т

т т

А = 0

дт

В упрощенном виде формула оптимальной массы имеет следующий вид:

Оптимальная масса снегоочистителя определяется исходя из конкретных условий эксплуатации и нормативного времени уборки дорожного полотна.

Оценку эффективности снегоочистителя необходимо определять по технико-эксплуатационным показателям при одинаковой надежности сравниваемых машин. Кроме того, предприятиям, занимающимся снегоуборочными работами, необходима техника с обеспеченным сервисным обслуживаем.

Представленная далее методика будет целесообразна при определении оптимальных технических параметров машин в зависимости от условий эксплуатации. Установленные параметры являются базовыми для выбора из большого числа представленной на рынке дорожно-строительной техники той, которая способна не только выполнять в срок заданную работу с надлежащим качеством, но и с минимальными финансовыми затратами.

Для определения оптимальных параметров показателей эффективности машины используется следующая последовательность:

1. Формирование математической модели рабочего цикла плужного снегоочистителя.

2. Формирование математических моделей показателей эффективности.

3. Оптимизация основных технических параметров машины в зависимости от основного показателя эффективности.

4. Определение максимальных и минимальных значений показателей эффективности.

Методика определения оптимальных параметров плужных снегоочистителей для патрульной снегоочистки дорог в заданных условиях эксплуатации основана на минимизации времени продолжительности рабочего цикла.

Получены аналитические зависимости для определения предельных значений показателей эффективности при оптимальной массе плужного снегоочистителя (Таблица 1).

Таблица 1

Предельные значения показателей эффективности в зависимости от условий _эксплуатации__

Показатель Единица измерения

Минимальная продолжительность цикла: А + Вт2 tmin _ опт цикла т опт с

Максимальная производительность: В Lm jj _ отвала опт А + Вт2 м2/с

Минимальная удельная материалоемкость: т -(А + Вт2 ) _тт _ опт опт т . =- Уд В Lm отвала опт кг-с/м2

Минимальная удельная энергоемкость: N-(A + Bm2 ) Armin _ 4 опт " В Lm отвала опт Вт-ч/м

Минимальные затраты на использование снегоочистителя: С •(А + Вт2 ) 3 _мч опт с" 3600 -т опт руб-ч

Коммерческий эффект за смену: С , Т -В Lm !м2 ч отвала опт СМ 3600 -(А + Вт2 ) опт руб

Минимальная себестоимость единицы продукции: С (А + Вт2 ) q _ мч опт ' "»» В Lm отвала опт руб-м2/ч

В четвертой главе представлена методика определения машины с оптимальными параметрами и произведено сопоставление результатов теоретического анализа с экспериментальными данными. Основной целью экспериментальных исследований было определение рациональные условий эксплуатации для выбранных машин при совместном анализе рассчитанных теоретических зависимостей оптимальных параметров снегоочистителей с техническими характеристиками базовых машин, установленных заводом-изготовителем.

Расчет оптимальных параметров снегоуборочных машин проводится на основании анализа и оптимизации продолжительности рабочего цикла снегоочистителей. В результате представлены математические зависимости изменения технических параметров рассматриваемых машин в зависимости от условий эксплуатации.

В процессе выполнения рабочих операций объемная масса снега может изменяться за счет уплотнения снежной массы колесами автомобилей. Это изменение может оказывать влияние на оптимальные параметры машин. Учитывая разность плотностей снежной массы по всей ширине дороге, для определения оптимальных параметров снегоочистителей берется максимально возможная плотность на данном участке.

Коэффициент удельного сопротивления резанию снега выбирается из области наиболее вероятных значений. При расчете используются максимально возможные значения удельных сопротивлений:

Для максимального значения удельного сопротивления резанию снега рассчитывается оптимальное значение параметра массы машины.

Исходные значения параметров массы снегоочистителей, представленные в технических характеристиках различных заводов-изготовителей машин, при сопоставлении с результатами теоретического расчета должны быть близкими или равными оптимальному значению.

Рассчитанное значение оптимального параметра массы машины сопоставлены с исходными данными технических паспортов базовых машин.

В работе рассмотрена номенклатура современной плужной снегоуборочной техники, представленной на российском рынке. Рассмотренные в работе машины имели различные массы, мощности и размеры, что позволяет применять их в различных условиях эксплуатации. Сравнение полученных результатов проводилось по расчетным максимально приближенным значениям оптимальной массы и максимальной производительности, сопоставленных с техническими параметрами, определенными заводом-изготовителем.

В результате исследования сделан вывод, что из большого разнообразия представленных на рынке плужных снегоуборочных машин при ограничении области их применения физико-механическими свойствами снега с конкретным объемом работ смогут справиться без потери эффективности в минимально короткий срок только определенные модели.

Последовательность выбора оптимального снегоочистителя:

1. Определяется область применения снегоуборочной техники - категория предполагаемой для снегоуборки дороги. Если один снегоочиститель должен удалять снег с различных категорий дорог, то необходимо остановиться на категории с максимально высокими требованиями.

2.Определяется максимально возможное значение удельного

сопротивления снега резанию для заданных условий эксплуатации: ктах.

уд

Данное значение определяется исходя из особенностей региона эксплуатации машин.

3. Согласно разработанной методике рассчитывается оптимальная масса снегоочистителя: «„„_,.

4. Рассчитывается минимальное время цикла, за которое снегоочиститель

г

с оптимальными параметрами способен эффективно выполнить работу: Чикла.

5. По графику и таблицам, содержащим результаты расчетов, выбираем

по массе снегоочиститель с параметрами, близкими к оптимальным: т = т°пт .

Для сравнения машин одного назначения и оценки их технического уровня определена производительность конкретного характера. Для снегоуборочных машин в зависимости от технических характеристик на основе опыта эксплуатации определена продолжительность выполнения операцией каждой машиной и по этим показателям оценивают их производительность.

Парк снегоуборочной техники представляет собой совокупность снегоуборочных машин и оборудования, предназначенных для очистки дорожного полотна в зимний период, обеспечивающего выполнение технологического процесса по снегоочистке в заданных условиях эксплуатации.

Количество плужных снегоочистителей необходимо подбирать исходя из тяжелых условий эксплуатации: максимально широкой предполагаемой под очистку дороги, удельного сопротивления резанию снега, высоте снежного покрова. Можно выбирать машины, используя сразу несколько условий.

Анализ полученных результатов показал, что при расчете необходимого количества плужных снегоочистителей для данных условий эксплуатации по оптимальным параметрам и расчет количества машин по методикам, не учитывающим рациональные параметры машин, отличаются друг от друга в большие и меньшие стороны.

Если при расчете количество снегоочистителей будет меньше оптимального, то дорожное полотно будет очищено недостаточно эффективно. Это приведет к образованию снежных валов, которые в процессе контакта с колесами автомобилей, либо уплотнится до образования снежно-ледяного наката, удаление которого в последствие будет более трудоемким, либо при температурах близких к нулю в виде воды растечется по дороге, что также может привести к опасным ситуациям для автомобилистов случае понижения температуры.

Если количество снегоуборочных машин будет больше оптимального, то лишние машины будут создавать дополнительные трудности для движения потока автомобилей, а также холостые пробеги данным машин приведут к дополнительным финансовым потерям предприятия.

В заключении представлены общие выводы по работе.

Приложения содержат документы об использовании результатов исследований и программного обеспечения, основные направления дальнейших исследований проблем выбора снегоуборочной техники в зависимости от условий эксплуатации.

Выбор оптимального снегоочистителя с заданными параметрами эффективности осуществляется с использованием логической структурной схемы выбора оптимальных параметров машины в зависимости от условий эксплуатации (рис. 4).

Информация о плужных снегоочистителей от производителях: стоимость машины, возможность установки дополнительного оборудования, ремонтопригодность, гарантийные условия, стоимость запасных частей.

Информация о технических параме' геометрические параметры отвала (Ь,Н, рах машин: масса т, мощность N,

*

Информация об условиях эксплуатации снегоочистителя: • Физико-механические параметры снега (удельное сопротивление резанью куд, объемная масса снега хсн, угол внешнего трения снега 8 и пр.) • Объем V или площадь предполагаемых работ Я, расстояния рабочих Ь и холостых перемещений Ь .

1Г

Определение оптимальной массы машины т по минимальной опт продолжительности цикла / цикла

Выбор машины с массо? ------ т ——-----маш 1 г I, близкой к оптимальной: = т __——- опгп^.——■—

Определение показателей эксплуатационной эффективности: продолжительности цикла 1цикла> производительности ^тах-> удельной

N

энергонасыщенности — и пр.

_топт_

Рис.4. Логическая структурная схема выбора оптимального плужного снегоочистителя в зависимости от условий эксплуатации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Предложена методика выбора плужного снегоочистителя с оптимальными параметрами для выполнения работ в заданных условиях. Данная методика может быть использована как на существующих предприятиях в качестве рекомендаций по использованию имеющейся техники или для предприятий, которые только планируют начать деятельность, связанную со снегоочисткой.

Из проведенного исследования сделаны следующие выводы:

1) Проведен анализ работы плужного снегоочистителя, разработана методика выбора оптимального плужного снегоочистителя в зависимости от условий эксплуатации. Оптимальный плужный снегоочиститель для заданных условий и значения его основных параметров определяются методами аналитического расчета показателей эффективности.

2) Методика аналитического расчета позволяет установить зависимость показателей эффективности от параметров машины и параметров условий эксплуатации. Показано, что продолжительность времени цикла является важным показателем, определяющим эффективность работы машины.

3) Установлено влияние основных технических параметров машины и параметров условий эксплуатации на эффективность работы плужного снегоочистителя. В заданных условиях эксплуатации параметр массы машины определяет значение продолжительности времени цикла и других технико-эксплуатационных показателей.

4) Оптимальная снегоуборочная машина выбирается по параметру массы, значение которого определяется методами минимизации показателя эффективности - общего времени цикла. Установлено зависимость между параметрами условий эксплуатации и значением оптимальной массы машины. Доказано, что при минимальной продолжительности рабочего цикла с использованием машины с рациональными параметрами достигается максимальная производительность и минимальная стоимость уборочных работ.

5) В случае вероятностного изменения параметров условий эксплуатации необходимо определить область оптимальных значений массы снегоочистителя для вероятных условий эксплуатации.

6) Выполнено сопоставление и анализ результатов аналитического расчета показателей эффективности. В результате установлено, что машины с оптимальной массой выполняют работу с более высокой производительностью и эффективностью.

7) Разработана программа выбора плужного снегоочистителя с использованием алгоритмов определения оптимальных параметров. Выбор снегоочистителя по предложенной методике гарантирует максимальную эффективность выполняемых работ, снижение затрат и увеличение прибыли. Целесообразность использования машины с оптимальными параметрами определяется с учетом требований к производственному процессу.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Трофимова И.Ф. Механизированная очистка городских магистралей и аэродромов от свежевыпавшего снега // Вестник МАДИ. - 2010. - №4 (23). — с.94-100.

2. Трофимова И.Ф. Определение оптимального количества плужных снегоочистителей для механизированной очистки городских магистралей и аэродромов от свежевыпавшего снега // Вестник МАДИ. - 2011. - №1 (24). -с.91-94.

3. Трофимова И.Ф. Экономическое обоснование эффективности методики определения оптимального количества снегоуборочных машин для очистки городских территорий от снега и наледи // Вестник МАДИ. - 2011. - №2 (25). -с.50-53.

Заказ № 59-Р/10/2013 Подписано в печать 17.10.2013 Тираж 75 экз. Усл. пл. 1,0

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-таИ: zak@cfr.ru

московским автомобильно-дорожный государственный технический университет (мади)

9и0 3^3 правах ру—

ТРОФИМОВА ИРИНА ФЕДОРОВНА

ВЫБОР ПЛУЖНОГО СНЕГООЧИСТИТЕЛЯ ДЛЯ СКОРОСТНОЙ ОЧИСТКИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ОТ СНЕГА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъёмно-

транспортные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Баловнев в.и.

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 5

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ ПЛУЖНЫХ СНЕГООЧИСТИТЕЛЕЙ ПРИ ПАТРУЛЬНОМ УДАЛЕНИИ СНЕГА И НАЛЕДИ С ПОВЕРХНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И МАГИСТРАЛЕЙ.......................... 13

1.1 Плужные снегоочистители. Параметры машин и условий 13 эксплуатации..........................................................................

1.2 Анализ существующих методик выбора параметров и оптимального количества снегоочистителей в зависимости от условий

эксплуатации.......................................................................... 17

Выводы. Цель и основные задачи исследования.............................. 33

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ПЛУЖНОГО СНЕГООЧИСТИТЕЛЯ........................................... 35

2.1 Методика формирования показателей эффективности плужного снегоочистителя..................................................................... 35

2.1.1 Определение продолжительности времени рабочего цикла плужного снегоочистителя....................................................... 35

2.1.2 Определение последовательности и структурной модели выполнения рабочих операций................................................... 40

2.1.3. Формирование математической модели

продолжительности цикла плужного снегоочистителя..................... 52

2.1.4 Ограничительные условия задачи математического

моделирования показателя эффективности................................... 66

2.1.5. Определение оптимальной массы и основных технико-эксплуатационных показателей эффективности плужного снегоочистителя..................................................................... 67

2.2 Формирование зависимостей связи между основными параметрами плужных снегоочистителей........................................................ 71

2.2.1 Обобщение результатов анализа работы снегоочистителя

на подобные условия эксплуатации и виды машин........................... 71

2.2.2 Формирование зависимостей связи между основными

параметрами плужных снегоочистителей...................................... 75

2.3 Анализ изменения показателей эффективности в зависимости от технических параметров снегоуборочных машин............................ 83

2.3.1 Анализ изменения продолжительности времени цикла плужного снегоочистителя в зависимости от основных технических параметров базовой машины................................................... 83

2.3.2 Анализ изменения показателей эффективности в

зависимости от технических параметров снегоочистителей............... 93

Выводы по II Главе.................................................................. 103

ГЛАВА 3: ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СНЕГОУБОРОЧНЫХ МАШИН............................ 105

3.1 Основные положения, определяющие эффективную работу плужного снегоочистителя....................................................... 105

3.2 Выбор оптимального снегоочистителя в зависимости от конкретных условий эксплуатации.............................................. 109

3.3 Определение предельных значений показателей эффективности

плужных снегоочистителей с оптимальной массой.......................... 117

Выводы по III Главе............................................................... 121

ГЛАВА 4. СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРИТЕЧЕСКОГО АНАЛИЗА С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ................. 123

4.1 Сопоставление результатов по массе и времени цикла. Выбор оптимального снегоочистителя в зависимости от условий эксплуатации......................................................................... 123

4.2 Сопоставление результатов по мощности машин....................... 134

4.3 Сопоставление результатов по производительности. Выбор оптимального снегоочистителя по производительности.................... 136

4.4 Сопоставление полученных результатов по необходимому и

достаточному количеству машин..................................................................................................140

Выводы по IV Главе..................................................................................................................................145

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..................................................................................................147

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................149

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................................158

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы:

Рост автомобильного парка, увеличение объема грузооборота и перевозок пассажиров, предъявляет высокие требования к содержанию автомобильных дорог и улиц, а также обеспечению безопасности движения. Особенно неблагоприятные условия для движения автомобилей возникают в зимний период, когда на покрытии автомобильных дорог образуются снежно-ледяные отложения.

Появление на дорожных покрытиях снежно-ледяных отложений в зимних условиях является неизбежным природным явлением, которое во многих регионах наблюдается в течение 2...4 месяцев, а в отдельных регионах до 6...8 месяцев в году. На скользких дорогах снижаются скорость движения и производительность транспортных средств, увеличиваются себестоимость перевозок и количество ДТП.

Несвоевременная уборка городских территорий от свежевыпавшего снега может спровоцировать множественные дорожные заторы, возникающие в результате снижения скорости движения автомобильных потоков по скользкому дорожному полотну, а также мелкие дорожно-транспортные происшествия. Эти факторы ведут к серьезным финансовым потерям для компаний, чьи доходы напрямую связаны с грузо- или пассажироперевозками. Кроме того, неблагоприятные погодные условия могут спровоцировать травмоопасную обстановку для пешеходов.

Основной задачей зимнего содержания автомобильных дорог является проведение комплекса мероприятий ' по обеспечению бесперебойного и безопасного дорожного движения на автомобильных дорогах и улицах, включая очистку дорог от снега и борьбу с зимней скользкостью. При этом необходимо максимально использовать эффективные и экономичные способы борьбы со снегом и льдом на дорогах и улицах.

Уборка снега представляет собой проблему для эффективного

функционирования бизнеса. К примеру, для торгового предприятия существенно важной является скорейшая очистка от снега территории, прилегающей к входу в здание. Это исключит сокращение количества покупателей. Очистка территории от снега является жизненно важной для нормального проведения строительных работ, для функционирования складских предприятий и др. Недостаточно оперативные работы по уборке снега могут привести к снижению количества клиентов и, как результат -снижению количества прибыли. Уборка снега должна отличаться не только высоким качеством, но и оперативностью, только что выпавший рыхлый снег при изменениях температуры и с течением времени покрывается слоем наста, а затем превращается в лед, что существенно затрудняет его уборку. Поэтому очисткой территорий от снега и льда занимаются специализированные государственные и коммерческие предприятия с применением снегоуборочных машин, технологий и противогололедных материалов.

Эти фирмы содержат свой собственный парк машин и, как правило, способны предоставлять на рынок одновременно несколько услуг (например, комплексная очистка территорий от снега, его вывоз и утилизация, и механизированная уборка городских территорий в летний период). Уборка территории от снега - важная задача, стоящая перед коммунальными службами города в зимний период года. В последнее десятилетие нормы оценки и критерии качества уборки территории от снега повысились. В связи с переходом с плановой централизованной экономики на рыночную, появилась необходимость предприятий самостоятельно проводить уборку прилегающей территории от снега. В соответствии с большим количеством сложных задач, стоящими перед этими предприятиями, правильно спланированная работа является основой для успешного функционирования.

Патрульная снегоочистка городских территорий - быстрый и эффективный способ снегоочистки автомобильных дорог. При этом снегоочистка выполняется преимущественно плужными снегоочистителями и

проводится как можно быстрее с момента превышения допустимого уровня снега на поверхности дороги, в частности, во время снегопада или метели. Интенсивность очистки снега во время патрульной снегоочистки дороги зависит от толщины уже выпавшего снега, интенсивности снегопада, загруженности и значения очищаемой от снега дороги [82].

Современные плужные снегоуборочные машины - это мощная снегоочистительная техника, в основе которой, как правило, лежат конструкции грузовых автомобилей, дополненные специальными приспособлениями для снегоочистки. Поэтому снегоочистительные машины могут быть сконструированы путем усовершенствования обычных грузовиков с помощью замены металлических частей антикоррозийными, изоляцией проводов и добавлением механизмов для уборки снега.

На российском рынке представлены различные виды плужной снегоуборочной техники. Среди отечественных производителей следует выделить ОАО «Мценский завод коммунального машиностроения» (г.Мценск, Орловская область), ОАО «ПО ЕлАЗ» (г.Елабуга, республика Татарстан), ОАО «Ряжский авторемонтный завод» (г.Ряжск, Рязанская область). Среди зарубежных производителей широкое применение на российской рынке нашли такие производители снегоочистителей, как «Aebi Schmidt Deutschland GmbH» (Германия), «Минский автомобильный завод» (Белоруссия). Кроме того, широко применяются различные виды навесного оборудования.

В условиях рыночной экономики целью выполнения фирмой конкретной задачи является получение максимальной прибыли при минимальных затратах. В связи с этим, существующие методики и рекомендации по выбору техники сводятся к минимизации себестоимости единицы продукции и увеличение прибыли.

Существующие методики имеет ряд недостатков. Нет четкого указания на условия эффективной эксплуатации снегоуборочной машины. При экспериментальном определении производительности необходимо провести

ряд экспериментов с плужным снегоочистителем и рабочим оборудованием каждого вида в различных условиях эксплуатации. Такие опыты в реальности занимают много времени, а также ведут к значительным финансовым затратам. Кроме того, опыты необходимо проводить в идеальных условиях для получения максимально точных данных о производительности. Плотность снега и природно-климатическое факторы учитываются экспериментальными коэффициентами. Полученные показатели используются для расчета показателя себестоимости единицы продукции - 1 м очищенной от снега поверхности.

Методики выбора снегоочистителей чаще всего предлагаются заводами изготовителями и сводятся к выбору машин в пределах своей продукции. Возможность выбора плужного снегоочистителя по данным методикам другого производителя отсутствует в связи с неимением общей экспериментальной базы данных.

Расчет показателей эффективности снегоуборочных машин в различных условиях эксплуатации можно установить аналитическим методом расчета, сокращая проведение экспериментов в реальных условиях. Метод расчета дает возможность получения более точных результатов. Он учитывает противоречивые требования ряда рабочих операций к техническим параметрам снегоуборочных машин. Теоретические зависимости, полученные методами математического моделирования, учитывают влияние различных условий эксплуатации и параметров снегоуборочных машин на показатели эффективности.

На основе анализа производительности машины, себестоимости 1 м очищенной от снега и льда поверхности, а также других показателей эффективности, можно установить области наиболее эффективного применения снегоуборочных машин и разработать методику выбора снегоочистителей в зависимости от условий эксплуатации. Параметры плужного снегоочистителя,

обеспечивающего максимальную эффективность в заданных условиях эксплуатации, можно определить методами оптимизации.

Процесс выбора плужного снегоочистителя для патрульной уборки дорожного полотна от снега и льда требует создания определенного алгоритма и реализующей их компьютерной программы определения оптимальных параметров. Использование методики и программы выбора снегоуборочной техники в зависимости от условий эксплуатации может привести к повышению эффективности работ и к увеличению прибыли.

Цель работы: разработка методики для выбора плужного снегоочистителя с оптимальными параметрами для выполнения работ в заданных условиях эксплуатации и определение необходимого количества снегоочистителей, обеспечивающей снегоочистку с максимальной эффективностью по основным показателям.

Задачи исследования:

• проведение анализа рабочего процесса плужного снегоочистителя;

• составление математической модели показателя эффективности — общего времени цикла;

• анализ изменения показателей эффективности в зависимости от технических параметров плужного снегоочистителя и параметров условий эксплуатации;

• решение задачи оптимизации показателей эффективности работы снегоочистителя;

• анализ изменения оптимальных параметров машины в зависимости от условий эксплуатации;

• исследования эффективности разработанной методики расчета показателей и сопоставление с экспериментальными данными.

Объект исследования: основные параметры и показатели эффективности плужного снегоочистителя.

Предмет исследования: влияние изменения основных показателей

эффективности плужного снегоочистителя в зависимости от условий эксплуатации.

Практическая ценность работы: выполнение патрульной снегоочистки с высокой эффективностью, увеличение экономического эффекта при использование оптимальной машины, снижение затрат на использование оптимальной машины.

Реализация результатов работы: Результаты диссертационных исследований могут использоваться на предприятиях занимающихся, эксплуатацией дорожной, строительной и коммунальной техники и в учебных заведениях для подготовки специалистов автомобильно-дорожной отрасли. Они могут найти применение при оценке эффективности каждой машины из парка снегоуборочной техники или представленной производителями на рынке.

На защиту выносятся:

-методика выбора оптимального плужного снегоочистителя в заданных условиях эксплуатации, основанная на минимизации времени цикла;

-математическая модель общего времени цикла плужного снегоочистителя, учитывающая основные параметры условий эксплуатации;

- результаты исследования и сравнения.

Для сопоставления теоретических зависимостей при определении оптимальной массы использованы значения технических параметров существующих снегоуборочных машин.

Для сопоставления данных о мощности, производительности, необходимого количества плужных снегоочистителей аналитически рассчитаны значения показателей для существующих снегоуборочных машин, а также для машин с оптимальными параметрами.

На основе полученных данных представлены графики производительности, мощности, времени цикла снегоуборочных машин различной мощности, ширины захвата плуга, типоразмера для различных площадей, очищаемых от снега поверхностей дорожного полотна.

Сформирована экспериментальная зависимость минимального времени цикла снегоочистителя от его массы. Выполнено сопоставление результатов теоретического расчета оптимальной массы снегоочистителей с экспериментально полученными данными.

Сравнение результатов теоретического анализа с экспериментальными данными позволило сделать выводы, что применение методики определения оптимальных параметров плужных снегоочистителей при выборе наиболее эффективной машины для выполнения работы в заданных условий эксплуатации дает существенный положительный результат.

Научная новизна:

- предложена методика выбора оптимального плужного снегоочистителя в зависимости от технико-эксплуатационных условий;

- получена зависимость основных технических и экономических показателей эффективности от параметра массы снегоочистителя в зависимости от условий эксплуатации;

- разработана математическая модель процесса удаления снега плужными снегоочистителями с дорожного полотна, отличающаяся тем, что она учитывает основные технико-эксплуатационные параметры.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов: обоснованность рекомендаций, научных положений и выводов определяется корректным использованием современных математических моделей и методов, предварительным статистическим анализом процессов рабочего цикла снегоуборочных машин, согласованностью результатов аналитических расчетов показателей эффективно