Оптимизация параметров карьерных автосамосвалов для повышения их технического уровня

Актуальность темы

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 всё 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 серьёзных качественных изменений в будущем. Энерговооружённость новых горных транспортных машин должна быть повышена, снижена собственная масса карьерных автосамосвалов, повышена надёжность 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 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 1 июля 2005 г. «Исследование и оптимизация рабочих процессов и параметров карьерных автосамосвалов для ОАО Угольная компания «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 оденки 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/тснижение 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 специфическими для карьерных автосамосвалов функциональным критерием, который учитывает особенности автосамосвалов как горнотранспортных машин, и единичными показателями, 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 решенияв 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 уровняв 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 обобщенных 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 математический аппарат оптимизации параметров карьерных автосамосвалов позволяет расширить за счет оптимального согласования параметров функциональные и эксплуатационные возможности машин.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные научные результаты работы внедрены в научно-исследовательских и проектных (НФ «Кузбасс-НИИОГР»), учебных (ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет») институтах, дилерских (ОАО «БелАв-тоСиб») и эксплуатирующих организациях (ОАО УК «Южный Кузбасс»). Материалы диссертации переданы заводу-изготовителю карьерных автосамосвалов (ПО «Белорусский автомобильный завод»). К их числу относятся методические материалы по оценке технического уровня и расчёту оптимальных параметров карьерных автосамосвалов, пакеты прикладных программ, рекомендации по увеличению энерговооружённости 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 ФГБОУ 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 Российской Федерации.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 204 страницах, содержит 23 рисунка, 24 таблицы, список литературы из 110 наименований, 4 приложения.

ВЫВОДЫ.

1. Оптимизируемые показатели технического уровня разделяются на простые, являющиеся одновременно параметрами карьерных автосамосвалов (¿-^ах* и Тр) — и комплексные, зависящие от нескольких параметров, имеющих определенные взаимосвязи (тгруд*, рК*, км*, Ьх*, ЯПр) — Оптимальные значения комплексных показателей должны быть разделены на более простые с учётом существующих оптимальных соотношений последних между собой.

2. Проведённые исследования показали, что для создания карьерных автосамосвалов высокого технического уровня необходимо обеспечить достижение следующих значений их показателей: удельная мощность двигателя (энерговооружённость автосамосвала) Иддд должна составлять не менее 8,308 кВт/ткоэффициент тары кт — не более 0,663 т/твеличина 90%-го ресурса Тр — не менее 0,633 млн. км.

3. Установлено, что на первом этапе повышения технического уровня вновь создаваемой карьерной автотранспортной техники следует обеспечить следующие значения указанных в предыдущем пункте показателей: Идвуд* = 7,086 кВт/ткт*= 0,726 т/тТ* = 0,558 млн. км.

4. Разработанные методики оптимизации показателей технического уровня и синтеза из них оптимальных параметров карьерных автосамосвалов дают возможность не только установить и оптимально согласовать параметры автосамосвала при заданных технических требованиях, но и решать обратную задача: по данным параметрам карьерного автосамосвала установить такие технические требования, при которых эти параметры будут оптимальными.

— 188-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 и управления качеством горных транспортных машин.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Анализом установлено, что техническая политика при создании новых конструкций карьерных автосамосвалов ориентирована на дальнейшую модернизацию машин с сохранением их основных конструктивных особенностей и соотношений параметров, что ведет 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 счет использования научно-обоснованных методов оптимального проектирования, позволяющих определить и оптимально сбалансировать параметры автосамосвалов.

3. Оптимизация параметров осуществляется по ее математической модели, включающей целевую функцию (критерий оптимизации) и ограничения, которые представляются в виде уравнений регрессионного анализа, непосредственно связывающих соответствующие 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 параметровего единичные показатели.

4. Исследованиями установлено, что для создания карьерных автосамосвалов высокого технического уровня необходимо обеспечить достижение следующих значений оптимизируемых показателей: удельная мощность двигателя (энерговооруженность автосамосвала) должна составлять не менее 8,3 кВт/ткоэффициент снаряженной массы (коэффициент тары) — не более 0,663 т/твеличина 90%-го ресурса — не менее 0,633 млн. км. На первом этапе повышения технического уровня вновь создаваемой карьерной автотранспортной техники возможно смягчение требований по указанным показателям: по энерговооруженности — до 7,1 кВт/тпо коэффициенту тары — до 0,726 т/тпо ресурсному пробегу — до 0,550 млн. км.

5. Разработанные методики оптимизации показателей технического уровня и синтеза из них оптимальных параметров карьерных автосамосвалов дают возможность не только установить и оптимально согласовать параметры автосамосвала, но и решать обратную задачу: по данным параметрам автосамосвала установить такие технические требования к нему, при которых эти параметры будут оптимальными.

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