На правах рукописи

Басманов Сергей Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ КАРЬЕРНЫХ

АВТОСАМОСВАЛОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ

ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ

Специальность 05.05.06 – Горные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Кемерово 2012 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачёва».

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Воронов Юрий Евгеньевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Захаров Александр Юрьевич кандидат технических наук, доцент Донцова Татьяна Валентиновна

Ведущая организация – новационная фирма «Кузбасс-НИИОГР»

Защита диссертации состоится 20 июня 2012 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачёва» по адресу:

650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, Факс: (3842) 36-16-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачёва».

Автореферат разослан «10» мая 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Г. Захарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Решение задач технического перевооружения предприятий открытой угледобычи неразрывно связано с дальнейшим развитием и совершенствованием карьерной автотранспортной техники. От качества выполнения транспортных работ зависят технико-экономические показатели добычи в целом, поскольку транспортные затраты составляют сегодня свыше половины общих затрат на добычу полезного ископаемого.

Рост грузоподъёмности автосамосвалов, что является основной тенденцией развития карьерного автотранспорта, не сопровождается, однако, соответствующим ростом производительности машин и улучшением других качественных показателей их использования. Техническая политика при создании карьерных автосамосвалов все большей грузоподъёмности, ориентированная лишь на дальнейшую модернизацию уже имеющихся конструкций без существенных качественных изменений, себя изжила. Эволюционный путь развития карьерного автотранспорта, принятый разработчиками, а также эмпирический подход при проектировании не даст серьезных качественных изменений в будущем. Энерговооруженность новых горных транспортных машин должна быть повышена, снижена собственная масса карьерных автосамосвалов, повышены надежность и долговечность, сбалансированы параметры, повышен технический уровень. Повышение технического уровня вновь создаваемой автотранспортной техники для открытых горных разработок (ОГР) может быть достигнуто, прежде всего, за счёт оптимального согласования параметров, характеризующих взаимодействие узлов, агрегатов и систем карьерных автосамосвалов как между собой, так и с окружающей горной средой. Для этого карьерный автосамосвал при проектировании следует рассматривать как сложный технический комплекс в составе общей горнотранспортной системы ОГР.

Этот круг вопросов по существу связан с проблемой повышения технического уровня и качества промышленной продукции, решению которой в настоящее время уделяется большое внимание.

Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.

Диссертационная работа выполнена по результатам НИР «Повышение технического уровня и качества машин для подземных и открытых горных работ», тема № 984-98, по единому заказ-наряду, утвержденному Государственным комитетом по высшей школе России в рамках Головного Совета «Горные науки», а также хоздоговорных работ с горнодобывающими предприятиями Кузбасса (например, договор № 401-2005 от 01 июля 2005 г. «Исследование и оптимизация рабочих процессов и параметров карьерных автосамосвалов» для ОАО «Южный Кузбасс»).

Цель работы – разработка теоретических методов оптимизации параметров карьерных автосамосвалов для повышения их технического уровня.

Идея работы заключается в оптимальном согласовании показателей технического уровня и параметров автосамосвалов посредством системного анализа существующих взаимосвязей между ними.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Разработка методики комплексной оценки технического уровня карьерных автосамосвалов.

2. Сравнительная оценка технического уровня существующих машин и выявление перспективных направлений и методов его повышения.

3. Разработка на базе системного подхода и методов комплексной оценки методики оптимизации показателей технического уровня по критерию качества.

4. Оптимизация единичных показателей технического уровня и синтез из них оптимальных параметров карьерных автосамосвалов.

Методы исследований. При выполнении работы использовались как общенаучные, так и специальные методы исследований, включая научное обобщение, методы комплексной оценки технического уровня, математическое моделирование и аппарат линейного программирования. Для отыскания зависимостей математической модели оптимизации в качестве основных приняты методы статистической обработки параметров больших групп карьерных автосамосвалов, математического экспериментирования, анализа и синтеза.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель оптимизации параметров карьерных автосамосвалов в виде уравнений регрессионного анализа, непосредственно связывающих выходные эксплуатационные показатели с оптимизируемыми параметрами, отличающаяся тем, что в качестве критерия оптимизации использованы обобщённые оценки технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров – его единичные показатели.

2. Регрессионные модели взаимосвязей между обобщённым и единичными показателями технического уровня, а также между параметрами карьерных автосамосвалов являются линейными, причём наибольший рост качества дает увеличение удельной мощности двигателя (энерговооружённости автосамосвала), снижение коэффициента тары, увеличение ресурсного пробега.

3. Увеличение энерговооруженности карьерного автосамосвала не менее чем до 8,3 кВт/т; снижение коэффициента тары не менее чем до 0,660; увеличение величины 90%-го ресурсного пробега не менее чем до 630 тыс. км. позволяет достигнуть максимальных значений обобщённого показателя технического уровня.

4. Синтез оптимальных параметров производится исходя из условия обеспечения оптимальности функционирования карьерного автосамосвала в целом с учётом существующих оптимальных взаимосвязей параметров между собой.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается выбором представительных критериев, обусловливающих технический уровень карьерных автосамосвалов, достаточным объёмом теоретических исследований, выполненных с применением апробированных методов математической статистики, системного анализа, элементов теории множеств, планирования и объёмом математических экспериментов, что позволяет делать выводы с доверительной вероятностью не ниже 95%.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

- впервые разработана методика комплексной оценки технического уровня, отличающаяся специфическим для карьерных автосамосвалов функциональным критерием, который учитывает особенности автосамосвалов как горнотранспортных машин, и единичные показатели, номенклатура которых определена степенью влияния их на производительность автосамосвала;

- впервые разработан алгоритм выбора приоритетных направлений повышения технического уровня карьерной автотранспортной техники, основанный на сравнительном анализе его единичных показателей;

- впервые установлены регрессионные модели взаимосвязей между показателями технического уровня и параметрами карьерных автосамосвалов;

- на базе методов комплексной оценки технического уровня и элементов системного анализа впервые разработаны математические модели оптимизации показателей технического уровня карьерных автосамосвалов;

- создан метод синтеза оптимальных параметров карьерных автосамосвалов, основанный на обеспечении оптимальности функционирования автосамосвала в целом с учётом оптимальных взаимосвязей их между собой.

Личный вклад автора заключается: в определении цели и постановке задач исследования и разработке методов их решения; в разработке методик комплексной оценки технического уровня и оптимизации параметров карьерных автосамосвалов. В рамках отдельных разделов диссертации личный вклад автора состоит в установлении закономерностей формирования и регрессионных моделей взаимосвязей между параметрами карьерных автосамосвалов, а также между обобщённым и единичными показателями технического уровня; в разработке алгоритма выбора перспективных направлений его повышения.

Научное значение работы состоит в разработке нового подхода к оптимизации параметров карьерных автосамосвалов, который базируется на использовании в качестве критерия оптимизации обобщённых оценок технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров – его единичных показателей.

Научные положения, разработанные в диссертации, способствуют созданию и совершенствованию эффективных методов оптимизации не только карьерного автотранспорта, но и горных машин другого технологического назначения.

Практическая ценность заключается в разработке механизма объективной оценки принимаемых решений на самых ранних стадиях проектирования карьерных автосамосвалов и комплекса методик для его реализации. Разработанный аппарат оптимизации параметров карьерных автосамосвалов позволяет расширить за счёт оптимального согласования параметров функциональные и эксплуатационные возможности машин.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные научные результаты работы внедрены в научно-исследовательских, проектных (НФ «Кузбасс-НИИОГР») и учебных (ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет») институтах, дилерских (ООО «БелАвтоСиб») и эксплуатирующих (ОАО УК«Южный Кузбасс») организациях. Материалы диссертации переданы заводу-изготовителю карьерных автосамосвалов (ПО «БелАЗ»). К их числу относятся методические материалы по оценке технического уровня и расчету оптимальных параметров карьерных автосамосвалов, пакеты прикладных программ, рекомендации по увеличению энерговооруженности вновь создаваемой автотранспортной техники семейства БелАЗ, разделы лекционных курсов.

Апробация работы. Работа и её отдельные части докладывались и получили одобрение на ежегодных научно-технических конференциях ФБГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет» (г. Кемерово, 2006 – 2011 гг.), на IV Всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы» (г. Красноярск, 2006 г.), на Международной научно-практической конференции по карьерному транспорту (г. Екатеринбург, 2007 г.), на Международной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин» (г. Тюмень, 2007 г.), на I Всероссийской научно-технической конференции «Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса» (г. Кемерово, 2007 г.), на 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (г. Бийск, 2008 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 работы – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 204 страницах, содержит 23 рисунка, таблицы, список литературы из 110 наименований, 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Современное состояние и проблемы карьерного Большие объёмы горной массы на разрезах, транспортируемой карьерным автомобильным транспортом, непосредственное влияние процесса транспортирования на темпы открытой угледобычи и его высокая трудоёмкость обусловливают постоянное ведение широкомасштабных работ по совершенствованию средств карьерного автомобильного транспорта.

Значительный вклад в развитие теории и практики использования автомобильного транспорта на открытых горных разработках (ОГР) внесли М.В.

Васильев, А.А. Кулешов, А.Н. Казарез, Н.В. Мельников, М.Г. Потапов, В.В.Ржевский, В.П. Смирнов, И.М. Циперфин, В.Д. Штейн, Б.Я. Яковенко и др.

Они в своих работах определили область рационального использования автомобильного транспорта на ОГР, обобщили опыт его работы, отразили вопросы технико-экономического анализа эффективности применения автосамосвалов на открытых горнодобывающих предприятиях.

Одной из крупнейших в мире фирм, выпускающих карьерные автосамосвалы, является производственное объединение «Белорусский автомобильный завод» (ПО «БелАЗ», Республика Беларусь). Основной объём производства составляют карьерные автосамосвалы грузоподъёмностью от 30 до 360 т. За всё время существования ПО «БелАЗ» его специалисты постоянно работают над совершенствованием конструкции выпускаемых самосвалов. В этой связи следует назвать фамилии П.А. Пархомчика, А.Н. Егорова, С.И. Коростелёва, О.Г.

Степука, М.М. Заболоцкого, В.В. Загорского, Н.В. Бигеля, Г.В. Разумова, П.И.

Тарасова, А.С. Урбановича, Е.В. Яцевича и др. Их проектно-конструкторские разработки создали хорошие условия для оснащения карьеров высокопроизводительной автотранспортной техникой.

Однако в последние годы проектировщики столкнулись с тем, что рост грузоподъёмности карьерных автосамосвалов уже не сопровождается пропорциональным ростом производительности и улучшением других качественных показателей. Не снижается коэффициент тары, недостаточной является энерговооружённость автосамосвалов, остаётся достаточно низким ресурсный пробег, не повышается технический уровень. Неуклонно растут только затраты на производство и эксплуатацию машин. Связано это с тем, что теория проектирования горных машин (в том числе и карьерных автосамосвалов) в настоящее время разработана недостаточно. Основы такой теории заложены в работах Б.А.

Александрова, В.Д. Буткина, Ю.Е. Воронова, Б.Л. Герике, В.Д. Елманова, Л.И.

Кантовича, А.Н. Коршунова, Б.Н. Кутузова, Л.Е. Маметьева, В.И. Нестерова, В.А. Перетолчина, Р.Ю. Подэрни, Я.М. Радкевича, М.С. Сафохина, Н.М. Скорнякова, В.И. Солода, Г.И. Солода, Г.Ш. Хазановича и др., однако в аппарате проектирования карьерных автосамосвалов отсутствуют процедуры синтеза оптимальных решений. Лежащий в основе такого синтеза системный подход при проектировании карьерных автосамосвалов и оптимизации их параметров до настоящего времени практически не использовался.

2. Комплексная оценка технического уровня карьерных Для оценки технического уровня и качества горных машин, в том числе и карьерной автотранспортной техники, наиболее приемлемым аналогом является методика безэкспертной оценки, позволяющая оценивать функциональнооднородные машины различных типов, моделей и конструктивных исполнений, получившая название методики Г.И. Солода. При этом под техническим уровнем понимается уровень качества автосамосвала на стадии разработки технического задания на его проектирование.

Являющийся основой этой методики функциональный критерий, исходя из системного подхода, представляется как произведение производительности автосамосвала ПТ на удельную энергию транспортирования горной массы W:

Удельная энергия транспортирования может быть определена по впервые полученной автором зависимости (кДж/т.км):

где fc – коэффициент сопротивления качению автосамосвала по дороге; imax – предельный уклон преодолеваемого карьерным автосамосвалом подъёма;

kT = та / тгр – коэффициент тары (тгр, та – грузоподъёмность и собственная масса автосамосвала, т); g гравитационное ускорение, м/с2.

Для оценки технического уровня существующих автосамосвалов и при проектировании новой техники при определении функционального критерия следует использовать значения расчётно-теоретической производительности.

Кроме этого, для получения сопоставимых результатов необходимо исключить влияние грузоподъёмности на функциональный критерий. Поэтому целесообразно использовать производительность одной авто-тонны (удельную производительность автосамосвала) (т.км/т.ч):

где Nдвуд = Nдв / (та + тгр) – удельная мощность двигателя (энерговооружённость автосамосвала), кВт/т.

Окончательная зависимость для расчёта функционального критерия имеет вид (кВт/т):

Другим важным вопросом оценки является обоснованный выбор необходимой и достаточной номенклатуры показателей, определяющих технический уровень карьерных автосамосвалов. Номенклатура показателей, в наибольшей степени определяющих технический уровень автосамосвалов, выбирается из исходной номенклатуры в результате детального анализа его рабочих процессов с дальнейшей проверкой их на согласованность (прямую взаимозависимость) и представительность (степень влияния на технический уровень в зависимости от цели его оценки). В итоге получен следующий комплекс показателей технического уровня карьерных автосамосвалов (рис.1).

Представленные показатели доступны для определения на самых ранних стадиях проектирования автосамосвала. Как и требуют принципы квалиметрии, в зависимости от конкретных условий и требований, возможно введение дополнительных показателей. Комплексная оценка технического уровня осуществляется по единичным (qij) и суммирующему их обобщённому (ki) показателям по формулам методики Г.И. Солода.

Таким образом, основой для научно-обоснованного выбора приоритетных направлений повышения технического уровня карьерных автосамосвалов являются: специфический функциональный критерий, отражающий взаимодействие элементов системы «горная масса – автосамосвал – дорога», и специфический комплекс показателей, выбираемых в зависимости от степени влияния Рис.1. Комплекс показателей технического уровня – функциональный критерий, кВт/т; тгруд = тгр / Ек – удельная грузоподъёмность автосамосвала, т/м3; kМ = М / тб – коэффициент массы (сравнительная материалоёмкость) автосамосвала; к = та / Vг – плотность компоновки, т/м3; Lx = 100Еб / gT – запас хода по топливу, км; Rпр = Rmin / lб – приведённый радиус поворота; Jmax – максимальная скорость движения автосамосвала, км/ч; Тр – установленный ресурс (пробег) автосамосвала, км; тгр – грузоподъёмность автосамосвала,т; Ек – вместимость кузова, м3; та – снаряженная масса автосамосвала, т; Vг – габаритный объём (произведение длины, ширины и высоты) автосамосвала, м3; Еб – ёмкость топливных баков, л; gТ – линейный расход топлива, л/ км; Rmin – минимальный радиус поворота, м; lб – база автомобиля, м; М = та + тгр – полная масса автосамосвала, т; тб = (0,212Nдв - 8,4), т – средневзвешенная (базовая) масса автосамосвала (масса, соответствующая установленной мощности двигателя Nдв).

их на производительность карьерного автосамосвала.

Разработанная методика позволяет оценивать технический уровень карьерных автосамосвалов, на основе чего выбирать наиболее перспективные модели, а также иметь на стадии проектирования объективные количественные оценки принимаемых решений. В этом качестве она принята к практическому использованию новационной фирмой «Кузбасс-НИИОГР», ООО «БелАвтоСиб», ОАО УК«Южный Кузбасс» и передана РУПП «БелАЗ».

По выбранным показателям в работе произведена сравнительная оценка технического уровня 22 моделей карьерных автосамосвалов, 14 из которых – Белорусского автозавода, восемь – зарубежные фирм «Caterpillar» (шесть), «Komatsu» (один) и «Unit Rig» (один). Эта группа охватывает весь диапазон грузоподъёмностей автосамосвалов, выпускающихся в мире (от 30 до 320 т).

Сравнение автосамосвалов при этом производится в сопоставимых условиях.

Общий анализ результатов расчёта обобщённого показателя технического уровня карьерных автосамосвалов показывает, что у всех 22 машин он выше значения 0,5 (рис. 2). Это свидетельствует об общем достаточно высоком техническом уровне всех карьерных автосамосвалов. Средний технический уровень рассматриваемой группы машин составляет 0,695. Следует отметить такБелАЗ-75499 (0,886);12 – БелАЗ-7548А (0,649);

же, что технический уровень автосамосвалов БелАЗ и машин зарубежных фирм практически одинаков. Средняя величина обобщённого показателя технического уровня для рассмотренных зарубежных машин составляет 0,698, что лишь на 0,7% выше, чем для автосамосвалов БелАЗ. Это означает, что с точки зрения совершенства конструктивных схем, наличия новых идей и решений автосамосвалы Белорусского завода практически не отличаются от зарубежных машин.

Анализ расчёта единичных показателей показывает, что автосамосвалы БелАЗ опережают зарубежные машины по четырём из семи показателей, а именно: по удельной грузоподъёмности тгруд (на 6,4%), по плотности компоновки rк (на 11,2%), по сравнительной материалоёмкости kМ (на 9,8%) и по приведённому радиусу поворота Rпр (на 8,7%); и отстают по запасу хода по топливу Lx (на 6,7%), максимальной скорости движения Jmax (на 8,7%) и, особенно, по надёжности (ресурсному пробегу) Тр (на 27,5%).

Анализ показал также, что из дв ух модификаций автосамосвалов одной и той же модели, то есть имеющих одну и ту же грузоподъёмность, технически более совершенной оказывается та, которая обладает большей энерговооружённостью и меньшей собственной массой (меньшим коэффициентом тары).

Кроме этого, автосамосвалы большой грузоподъёмности, несмотря на то, что прямое её влияние при определении показателей технического уровня было исключено, имеют меньшие значения обобщённого показателя, чем автосамосвалы меньшей грузоподъёмности. Объясняется это тем, что бесконечно увеличивать размеры машины без качественных изменений нельзя. При постоянном увеличении размеров машины во все большей степени начинают проявлять себя масштабный фактор и системные эффекты. Однако сегодня при проектировании карьерных автосамосвалов это не учитывается. Эволюционный путь развития карьерного автотранспорта, принятый разработчиками, а также эмпиризм при проектировании не даст серьёзных качественных изменений в будущем.

Как показывает анализ, энерговооружённость новых машин должна быть повышена, должна быть снижена собственная масса, повышена надёжность и долговечность, оптимально сбалансированы параметры. Причём всё это должно рассматриваться во взаимосвязи и взаимозависимости. Всё это говорит о необходимости системного подхода к вопросам проектирования новой автотранспортной техники для ОГР.

3. Разработка методики оптимизации показателей технического уровня Математическая модель оптимизации параметров карьерных автосамосвалов представляется в виде уравнений регрессионного анализа, непосредственно связывающих выходные эксплуатационные показатели с оптимизируемыми параметрами.

В настоящее время нет достаточных методических и нормативнотехнических материалов, регламентирующих такое важнейшее направление повышения качества изделий, как их оптимальное проектирование. Основой оптимального проектирования является системный подход, позволяющий удерживать машину как целое, когда проектируются её отдельные элементы.

Системный подход при определении параметров машины заключается в том, что они, во-первых, должны соотноситься друг с другом оптимальным образом, и, во-вторых, получаемые на их основе выходные эксплуатационные показатели – отвечать регламентированным нормативными документами значениям.

Карьерный автосамосвал, как система, характеризуется структурой и параметрами. Структура автосамосвала определяет его составные части и связи между ними и должна обеспечивать его оптимальное функционирование, для чего характеризующие автосамосвал параметры должны быть оптимизированы.

В качестве критерия оптимизации целесообразно использовать обобщённые оценки технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров – его единичные показатели. Такой подход позволяет понизить размерность задачи и упростить её решение, а также иметь в процессе проектирования объективные оценки принимаемых решений.

Анализ регламентированных нормативными документами (межгосударственный ГОСТ 30537-97) выходных эксплуатационных показателей (коэффициент тары kТ и 90%-ый ресурс (пробег) автосамосвала Тр), а также удельной производительности ПТу, как основного технико-эксплуатационного показателя для карьерных автосамосвалов, с учётом взаимосвязей между ними:

позволил установить необходимую и достаточную номенклатуру оптимизируемых параметров. Она приведена на рис.3.

Задача установления степени влияния каждого из этих параметров на обобщённый показатель технического уровня, выбранный в качестве критерия оптимизации, и формирования на этой основе модели целевой функции отновнешней среды Исходные данные Проектирование автосамосвала сится к задачам аппроксимационного типа и может быть решена с использованием теории планирования эксперимента. Проведённый корреляционный анализ взаимосвязей показателей, выбранных в качестве оптимизируемых, на предмет их независимости (табл. 1), позволил сократить их число с восьми (рис.3) до трёх (Nдвуд, kT и Тр).

При решении задачи оптимизации параметров карьерных автосамосвалов имеют место следующие ограничения.

1. Ограничения по соответствию фактических значений выходных эксплуатационных показателей ПТ у, kT, Тр регламентированным ГОСТ 30537ПТ, kT0, Тр0 (рис.3). Модели этих ограничений, как и модель целевой функу ции, устанавливаются в результате реализации математического эксперимента, под которым понимается расчёт обобщённого показателя технического уровня k и выходных эксплуатационных показателей при определённых сочетаниях Результаты корреляционного анализа взаимосвязей параметров карьерных Nдв = а + bmгр 70, Rmin = а + bМ gT = a + bNдв imax = a + bNдв imax = a + bkT kT = a + bтгр Тр = a + bтгр переменных согласно матрице планирования эксперимента.

2. Ограничения по соотношению показателей kT, Tp и грузоподъёмности автосамосвала тгр. Указанные взаимосвязи приведены в табл.1. Граничные условия, отражающие диапазон изменения оптимизируемых параметров. Анализ показывает, что для всех них может быть задано только нижнее граничное условие – и это условие их неотрицательности, то есть Nдвуд 0; kT 0; Тр 0.

В результате получена математическая модель оптимизации (ММО) показателей технического уровня и параметров карьерных автосамосвалов, представляющая собой задачу линейного программирования.

Разработанная методика базируется на технических требованиях, регламентированных ГОСТ 30537-97, однако она может быть использована для оптимизации параметров карьерных автосамосвалов и для других внешних условий, задаваемых заказчиками. Методика предлагает качественно новый подход к формированию основных параметров технической характеристики карьерных автосамосвалов и принята к использованию НФ «Кузбасс-НИИОГР», ООО «БелАвтоСиб», ОАО УК«Южный Кузбасс» и передана в РУПП «БелАЗ».

4. Оптимизация параметров и её влияние на технический уровень Регрессионные модели взаимосвязей между обобщённым и единичными показателями технического уровня, а также между параметрами карьерных автосамосвалов являются линейными, причём наибольший рост качества даёт увеличение энерговооружённости автосамосвала, снижение коэффициента тары, увеличение ресурсного пробега.

Для установления параметров модели целевой функции и ограничений был проведён математический эксперимент по плану ПФЭ 23. В результате получена ММО (6) в следующем виде:

Эксперимент подтвердил линейность моделей целевой функции и всех ограничений. Линейность обусловлена тем, что все взаимосвязи и между обобщённым и единичными показателями технического уровня, и между параметрами автосамосвала с достаточной степенью точности можно считать линейными, о чём свидетельствуют высокая значимость параметров регрессии и надёжность коэффициентов корреляции (см. табл.1 и табл.2).

Кроме того, анализ модели целевой функции позволяет сделать вывод о том, что чем больше значения энерговооружённости автосамосвала Nдвуд и ресурсного пробега Tp, и чем меньше значение коэффициента тары kT, тем выше значение обобщённого показателя технического уровня (критерия оптимизации) k.

При этом оптимальным решением системы (7) будет следующее сочетание оптимизируемых параметров и значения критерия оптимизации:

Nдвуд* = 8,308 кВт/т; kT* = 0,663 т/т; Тр* = 0,633 млн. км; k* = 1,227, (8) из чего следует, что для достижения максимального значения обобщенного показателя технического уровня необходимо увеличение энерговооруженности автосамосвала не менее чем до 8,3 кВт/т; снижение коэффициента тары не менее чем до 0,660; увеличение величины 90%-го ресурсного пробега не менее чем до 630 тыс. км. Это даёт возможность повысить технический уровень на 38,5% по сравнению с лучшим из группы рассмотренных автосамосвалов, и на 76,5% - в среднем по всей группе машин.

В результате исследования модели (7) получены оптимальные значения энерговооружённости Nдвуд*, коэффициента тары kT * и ресурсного пробега Тр*, а также обобщённого показателя технического уровня k* (8). Из этих значений комплексных показателей можно синтезировать конкретные оптимальные параметры карьерных автосамосвалов, входящие в его техническую характеристику. Синтез оптимальных параметров основан на обеспечении оптимальности функционирования карьерного автосамосвала в целом с учётом существующих оптимальных взаимосвязей их между собой.

Алгоритм синтеза оптимальных параметров следующий:

– по табл.2 устанавливаются регрессионные зависимости единичных показателей технического уровня q1, q2, …, q7 от обобщённого показателя k;

Результаты корреляционного анализа взаимосвязей обобщённого и единичных показателей технического уровня взаимосвязи визначение критезначение критеЗначимость паотклонение, S Исследуемые по данным регрессионным зависимостям определяются оптимальные значения единичных показателей q1 тгруд*, q2 к*, q4 Lx* и q6 Rпр*;

по полученным значениям единичных показателей с учётом их эталонных (базовых) значений хб1, хб2, хб4, хб6 и оптимального значения функционального критерия * по формулам методики Г.И. Солода рассчитываются оптимальные значения тгруд*, к*, Lx* и Rпр*;

по полученным значениям рассчитываются оптимальные параметры карьерных автосамосвалов, входящие в их техническую характеристику.

В качестве примера реализации методики оптимизации параметров был выбран автосамосвал класса грузоподъёмности 80 т (аналог – БелАЗ-75499), а также машина одной из наибольших на сегодняшний день грузоподъёмностей – 320 т (аналог БелАЗ-75600). Сравнительная техническая характеристика автосамосвалов грузоподъёмностью 80 т и 320 т с оптимальными параметрами и существующих машин этих классов приведена в табл.3.

Сравнительная техническая характеристика карьерных автосамосвалов Грузоподъёмность, т Снаряженная масса, т Габаритные размеры, м База автосамосвала, м Минимальный радиус поворота, м Двигатель Мощность двигателя, кВт при частоте вращения, об/мин Максимальная скорость движения, км/ч Максимальное преодолеваемое дорожное сопротивление, % Шины Расход топлива, л/100 км Ёмкость топливного бака, л Разработанные на основе проведённых исследований рекомендации по оптимальным параметрам вновь проектируемых автосамосвалов, а также материалы по оценке технического уровня карьерной автотранспортной техники переданы ПО «Белорусский автомобильный завод». Таким образом, можно утверждать, что поставленная в работе цель достигнута.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится новое решение актуальной научной задачи оптимизации параметров карьерных автосамосвалов, позволяющее создавать машины нового, более высокого технического уровня, что имеет существенное значение для развития теории и практики проектирования горных транспортных машин.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Анализом установлено, что техническая политика при создании новых карьерных автосамосвалов ориентирована на дальнейшую модернизацию машин с сохранением их основных конструктивных особенностей и соотношений параметров, что ведёт лишь к количественному росту парка карьерных автосамосвалов без существенного улучшения их технического уровня. Методических разработок, дающих объективную оценку карьерным автосамосвалам, и рекомендаций по повышению их технического уровня недостаточно. Необходим системный подход к вопросам проектирования новой карьерной автотранспортной техники.

2. Предложенная методика комплексной оценки технического уровня карьерных автосамосвалов позволила оценить технический уровень существующей техники, выявить пути его повышения и реализовать их на стадии проектирования. Повышение технического уровня вновь создаваемой карьерной автотранспортной техники достигается за счёт использования научнообоснованных методов оптимального проектирования, позволяющих определить и оптимально сбалансировать параметры автосамосвалов.

3. Оптимизация параметров осуществляется по её математической модели, включающей целевую функцию и ограничения, которые представляются в виде уравнений регрессионного анализа, непосредственно связывающих выходные эксплуатационные показатели с оптимизируемыми параметрами, что позволяет использовать для решения задачи оптимизации математический аппарат линейного программирования. В качестве критерия оптимизации целесообразно использовать обобщенные оценки технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров – его единичные показатели.

4. Исследованиями установлено, что для создания карьерных автосамосвалов высокого технического уровня необходимо обеспечить достижение следующих значений оптимизируемых показателей: удельная мощность двигателя (энерговооружённость) автосамосвала должна составлять не менее 8,3 кВт/т;

коэффициент снаряженной массы (коэффициент тары) – не более 0,660 т/т; величина 90%-го ресурса – не менее 0,630 млн. км.

5. Реализация научно-методических рекомендаций диссертационной работы позволяет повысить технический уровень вновь создаваемой карьерной автотранспортной техники на 76,5% по сравнению со средним техническим уровнем существующего парка машин, и на 38,5% - по сравнению с лучшим из существующих автосамосвалов.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах автора:

– в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Басманов, С.В. Математическая модель оптимизации параметров карьерных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал / Екатеринбург, 2007. № 8 – С. 58-62.

2. Басманов, С.В. Оптимизация параметров карьерных автосамосвалов по критерию качества [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов, А.Ю. Воронов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал / Екатеринбург, 2008. № - С. 61-65.

3. Басманов, С.В. Синтез оптимальных параметров карьерных автосамосвалов [Текст]/Ю.Е. Воронов, А.Ю. Воронов, С.В. Басманов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал / Екатеринбург, 2011. № 1 - С. 28-32.

– в прочих изданиях:

4. Басманов, С.В. К вопросу оценки технического уровня карьерных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов // Вестник Кузбасского государственного технического университета / Кемерово, КузГТУ, 2006. № 1 – С.

129-131.

5. Басманов, С.В. Обоснование и определение показателей технического уровня карьерных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов // Вестник Кузбасского государственного технического университета / Кемерово, КузГТУ, 2006. № 4 – С. 53-59.

6. Басманов, С.В. О функциональном критерии оценки технического уровня карьерных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов // Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы». Часть 2. / Красноярск, КГТУ, 2006 – С. 37-39.

7. Басманов, С.В. Направления повышения технического уровня карьерных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов Ю.Е., С.В. Басманов // Вестник Кузбасского государственного технического университета / Кемерово, 2007. № 1 – С. 37-40.

8. Басманов, С.В. Разработка оптимизационной модели параметров карьерных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов Ю.Е. С.В. Басманов // Вестник Кузбасского государственного технического университета / Кемерово, 2007.

№3 – С. 51-53.

9. Басманов, С.В. Моделирование оптимальных параметров карьерных автосамосвалов [Текст] / С.В. Басманов // Материалы Международной научнотехнической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин» 11-12 апреля 2007 г. Часть 1 / Тюмень: Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2007 – С. 32-35.

10. Басманов, С.В. К вопросу о повышении энерговооруженности карьерных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов, А.Ю. Воронов // Труды I Всероссийской научно-технической конференции «Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса» 24-25 октября 2007 г. / Кемерово, КузГТУ, 2007 – С. 419-423.

11. Басманов, С.В. Рост энерговооруженности карьерных автосамосвалов как средство повышения их технического уровня [Текст] / Ю.Е. Воронов, В.Г.

Ромашко, С.В. Басманов // Материалы 9-й Международной научно-практической конференции «Проблемы карьерного транспорта» 09-12 октября 2007 г. / Екатеринбург, 2007 – С. 57-59.

12. Басманов, С.В. Технический уровень как критерий оптимизации параметров карьерных автосамосвалов [Текст] / Ю.Е. Воронов, С.В. Басманов, А.Ю. Воронов // Материалы 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды»

25-26 сентября 2008 г. / Бийск, БТИ, 2008 – С. 141-147.

Подписано в печать 26.04.2012.

Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе.

Объём 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 446.

КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Типография КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.