Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7085| Назва: | Покращення паливної економічності автомобілів спеціального призначення |
| Автори: | Солтус , Анатолій Петрович Яценко, Олексій Сергійович |
| Дата публікації: | 2025 |
| Короткий огляд (реферат): | Об'єкт дослідження - технологічний процес збору і транспортування твердих комунальних відходів (ТКВ). Предмет дослідження – спеціальний автомобіль для збору та транспортування ТКВ. Мета дослідження: підвищення ефективності перевезення твердих комунальних відходів спеціальними автомобілями за рахунок оперативного коригування норм споживання палива. Для досягнення поставленої мети слід вирішити наступні задачі: 1) Провести дослідження сучасних проблем при експлуатації спеціальних автомобілів для збору і транспортування ТКВ; 2) провести аналіз факторів, які впливають на витрату палива в технологічному режимі експлуатації; 3) розробити математичну модель зміни навантаження на колінчастому валу двигуна спеціального автомобіля для збору та транспортування ТКВ в технологічному режимі експлуатації під впливом маси вантажу, який піднімається, з урахуванням специфіки роботи спеціального обладнання; 4) провести експериментальні дослідження і встановити закономірності впливу маси завантажуваних відходів і оборотів двигуна базового шасі на витрату палива спеціальних автомобілів в технологічному режимі експлуатації; 5) розробити методику диференційованого коригування норм витрат палива і алгоритми практичного використання розробленої методики на автотранспортному підприємстві. Кваліфікаційна робота магістра складається з 77 сторінок, 4 розділів, вступу, висновків та 18 посилань на літературні джерела. |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7085 |
| Розташовується у зібраннях: | 274 Автомобільний транспорт (Автомобільний транспорт) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| Яценко.pdf Restricted Access | 4.32 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460, тел./факс (0472) 71 00 92
ЗАТВЕРДЖУЮ
зав. кафедри автомобілів та
технологій їх експлуатації, доцент
______________ Л.А. Тарандушка
«___» __________________2025 р.
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА МАГІСТРА
«ПОКРАЩЕННЯ ПАЛИВНОЇ ЕКОНОМІЧНОСТІ
АВТОМОБІЛІВ СПЕЦІАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ»
Керівник роботи:
Професор, д.т.н. _______________ А.П. Солтус
(посада) (підпис) (Ініціали, прізвище)
Виконавець:
студент 2 курсу, гр. мАВ-49
спеціальності 274 – Автомобільний
транспорт _______________ ________ О.С. Яценко
(підпис) (Ініціали, прізвище)
2025
2
РЕФЕРАТ
«ПОКРАЩЕННЯ ПАЛИВНОЇ ЕКОНОМІЧНОСТІ АВТОМОБІЛІВ
СПЕЦІАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ».
Об'єкт дослідження - технологічний процес збору і транспортування твердих
комунальних відходів (ТКВ).
Предмет дослідження – спеціальний автомобіль для збору та транспортування
ТКВ.
Мета дослідження: підвищення ефективності перевезення твердих
комунальних відходів спеціальними автомобілями за рахунок оперативного
коригування норм споживання палива.
Для досягнення поставленої мети слід вирішити наступні задачі:
1) Провести дослідження сучасних проблем при експлуатації спеціальних
автомобілів для збору і транспортування ТКВ;
2) провести аналіз факторів, які впливають на витрату палива в технологічному
режимі експлуатації;
3) розробити математичну модель зміни навантаження на колінчастому валу
двигуна спеціального автомобіля для збору та транспортування ТКВ в
технологічному режимі експлуатації під впливом маси вантажу, який піднімається, з
урахуванням специфіки роботи спеціального обладнання;
4) провести експериментальні дослідження і встановити закономірності впливу
маси завантажуваних відходів і оборотів двигуна базового шасі на витрату палива
спеціальних автомобілів в технологічному режимі експлуатації;
5) розробити методику диференційованого коригування норм витрат палива і
алгоритми практичного використання розробленої методики на автотранспортному
підприємстві.
Кваліфікаційна робота магістра складається з 77 сторінок, 4 розділів, вступу,
висновків та 18 посилань на літературні джерела.
3
ЗМІСТ
РОЗДІЛ 1. СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ПРИ ЕКСПЛУАТАЦІЇ І ОБЛІКУ ПАЛИВНО-
МАСТИЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ПІДПРИЄМСТВАХ КОМУНАЛЬНОГО
ТРАНСПОРТУ ..................................................................................................................... 8
1.1 Загальна характеристика функціонування системи поводження з твердими
комунальними відходами у великих містах ..................................................................... 8
1.2 Особливості експлуатації та нормування витрат палива для спеціальних
автомобілів при транспортуванні твердих комунальних відходів ............................... 13
1.3 Методи визначення витрати палива на автомобілях ............................................... 18
1.4 Вибір об'єкта дослідження .......................................................................................... 23
1.5 Опис роботи спеціального автомобіля для збору та транспортування ТКВ в
технологічному режимі експлуатації. ............................................................................. 25
1.6 Висновки до розділу 1 ................................................................................................. 29
РОЗДІЛ 2. РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ ЗМІНИ ВИТРАТИ ПАЛИВА
СПЕЦІАЛЬНОГО АВТОМОБІЛЯ В ТЕХНОЛОГІЧНОМУ РЕЖИМІ
ЕКСПЛУАТАЦІЇ ............................................................................................................... 30
2.1 Цілі і задачі математичного моделювання ................................................................ 30
2.2 Вибір і обґрунтування підходу до математичного моделювання........................... 31
2.3 Математичне моделювання підсистеми «гідравлічний насос – гідроциліндр» .... 34
2.3.1 Розрахунок гідравлічного приводу автомобіля ..................................................... 34
2.3.2 Розрахунок просторового положення підйомного пристрою спеціального
автомобіля .......................................................................................................................... 36
2.4 Математичне моделювання підсистеми «двигун внутрішнього згоряння –
гідравлічний насос» ........................................................................................................... 41
2.5 Висновки до розділу 2 ................................................................................................. 44
РОЗДІЛ 3. МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ......................... 45
3.1. Цілі і завдання експериментальних досліджень ...................................................... 45
3.2 Методи експериментальних досліджень ................................................................... 45
Аналіз факторів, що впливають на витрату палива спеціального автомобіля для збору
та транспортування ТКВ при роботі в технологічному режимі експлуатації. ............ 46
4
3.3 Методика планування експерименту ........................................................................ 47
3.4 Обладнання для проведення експериментальних досліджень ................................ 51
3.5 Методика оцінки адекватності математичної моделі .............................................. 54
3.6 Висновки до розділу 3 ................................................................................................. 57
РОЗДІЛ 4. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ...................................................................... 58
4.1 Результати експериментальних досліджень впливу досліджуваних факторів на
витрату палива в технологічному режимі ....................................................................... 58
4.2 Результати аналітичного дослідження витрати палива на спеціальному автомобілі
для збору і транспортування ТКВ.................................................................................... 65
4.3 Оцінка адекватності математичної моделі................................................................ 67
4.4 Рекомендації щодо коригування норм витрат палива в технологічному режимі
експлуатації спеціальних автомобілів для збору і транспортування ТКВ .................. 69
4.6 Висновки до розділу 4 ................................................................................................. 73
ВИСНОВКИ ....................................................................................................................... 75
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ......................................................................... 76
5
ВСТУП
Проблема поводження з відходами виробництва і споживання постає все
гостріше. З розвитком ринкової економіки і збільшенням конкуренції на ринку
транспортування твердих комунальних відходів (ТКВ), кожне автотранспортне
підприємство, що експлуатує спеціальні автомобілі, змушене боротися за
конкурентоспроможність пропонованих послуг. Оптимізація і скорочення
матеріальних витрат на експлуатацію рухомого складу (РС) є найбільш пріоритетним
напрямом для підвищення ефективності діяльності автотранспортного підприємства
(АТП). Однією з основних статей витрат на транспортування ТКВ є витрати на
пально-мастильні матеріали, зокрема, на паливо. Для ведення статистичної і
оперативної звітності, визначення собівартості перевезень та інших видів
транспортних робіт, планування потреб підприємства в забезпеченні
нафтопродуктами та ін. на АТП необхідно визначати норму витрати палива
автомобілем. Спеціальні автомобілі для збору та транспортування ТКВ
експлуатуються в двох режимах: транспортному (транспортування ТКВ) та
технологічному (збір ТКВ). Діючі методичні рекомендації щодо визначення норми
витрати палива не враховують усі умови експлуатації спеціальних автомобілів при
роботі в технологічному режимі, тому на АТП, норми, як правило, розраховуються
по верхній межі, що не дозволяє оперативно виявити перевитрата палива і визначити
його причину. Таким чином, дослідження спрямовані на коригування діючих
методичних рекомендацій з визначення норми витрати палива є актуальними.
Рішення важливої науково-практичної задачі підвищення ефективності
перевезення твердих комунальних відходів можливо шляхом оперативного
коригування норм витрат палива в технологічному режимі експлуатації спеціальних
автомобілів для збору і транспортування ТКВ.
6
Проблемам підвищення ефективності і безпеки перевезень ТКВ присвячені
роботи Іщенко, В.А. Дудар, І.Н. Яворовська О. В., Дудар І. Н., Яворовська О.В. [2-5]
та ін.
Дослідженнями витрати палива бензиновими і дизельними двигунами
автотранспортних засобів займалися вчені Колодницька Р.В., Scora G. and Barth M.,
Shang R., Zhang Y, Shen Z-J. M., Zhang Y., Ericsson E., Abdelli, I.S. [6-10] та ін.
Впливу різних умов експлуатації на паливну економічність автомобілів
присвячені наукові праці Волков В.П., В. В. Біліченко, О. Л. Добровольський, В. О.
Огневий, Є. В. Смирнов, Бажинова Т.О., Яворовська О.В. [11-14].
Питання визначення маси відходів, що завантажуються спеціальним
автомобілем для збору і транспортування ТКВ в місцях збору, присвячена робота
Мальцева Д. В. [15].
Проте, залишаються не дослідженими питання впливу маси завантажених
відходів на витрату палива спеціальних автомобілів для збору і транспортування ТКВ
при експлуатації в технологічному режимі.
Мета дослідження: підвищення ефективності перевезення твердих
комунальних відходів спеціальними автомобілями за рахунок оперативного
коригування норм споживання палива.
Для досягнення поставленої мети слід вирішити наступні завдання:
1. Провести дослідження сучасних проблем при експлуатації спеціальних
автомобілів для збору і транспортування ТКВ;
2. Провести аналіз факторів, які впливають на витрату палива в технологічному
режимі експлуатації;
3. Розробити математичну модель зміни навантаження на колінчастому валу
двигуна спеціального автомобіля для збору та транспортування ТКВ в
технологічному режимі експлуатації під впливом маси вантажу, який піднімається, з
урахуванням специфіки роботи спеціального обладнання;
4. Провести експериментальні дослідження і встановити закономірності впливу
маси завантажених відходів і оборотів двигуна базового шасі на витрату палива
спеціальних автомобілів в технологічному режимі експлуатації;
7
5. Розробити методику диференційованого коригування норм витрат палива і
алгоритми практичного використання розробленої методики на автотранспортному
підприємстві.
Об'єктом дослідження є технологічний процес збору і транспортування ТКВ, а
предметом дослідження – спеціальний автомобіль для збору та транспортування ТКВ.
Наукова новизна:
1. Розроблена математична модель зміни навантаження на колінчастому
валу двигуна спеціального автомобіля для збору та транспортування ТКВ, яка за
багатопараметричної характеристики двигуна встановлює кількісні показники
витрати палива в технологічному режимі експлуатації в залежності від маси вантажу,
який піднімається, з урахуванням специфіки роботи спеціального обладнання;
2. Отримано закономірність зміни витрати палива в технологічному режимі
експлуатації спеціального автомобіля для збору та транспортування ТКВ від маси
вантажу, що піднімається і оборотів двигуна базового шасі.
Практична значимість. Застосування методики диференційованого
коригування норм витрат палива, дозволить скоротити експлуатаційні витрати
автотранспортних підприємств за рахунок коректного обліку паливно-мастильних
матеріалів, а також дозволить оперативно виявляти перевитрату палива і визначати
причини її появи.
Достовірність результатів забезпечується прийнятою методологією
дослідження, що включає в себе сучасні наукові методи: кореляційно- регресійний
аналіз, планування експерименту, активний натурний експеримент. Це дозволило
забезпечити доказовість і обґрунтованість розроблених підходів та отриманих
результатів.
8
РОЗДІЛ 1. СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ПРИ ЕКСПЛУАТАЦІЇ І ОБЛІКУ
ПАЛИВНО-МАСТИЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ПІДПРИЄМСТВАХ
КОМУНАЛЬНОГО ТРАНСПОРТУ
1.1 Загальна характеристика функціонування системи поводження з
твердими комунальними відходами у великих містах
На сьогоднішній день найбільш гостро стоїть проблема управління відходами,
утвореними від діяльності населення і підприємств. За даними статистики, кожен
житель країни утворює в середньому 15 т твердих комунальних відходів (ТКВ)
щорічно. Система утилізації та переробки в країні знаходиться на дуже низькому
рівні, як наслідок, кількість накопичених відходів на полігонах розміщення ТКВ
постійно збільшується, що неминуче погіршує екологічну та санітарно–
епідеміологічну обстановку в країні, веде до збільшення витрат на транспортування
ТКВ і на обслуговування звалищ і полігонів розміщення ТКВ.
В основному, у всіх містах країни існує змішана система збору ТКВ, оскільки
відсутня культура розділення відходів на різні компоненти. На сьогоднішній день
тільки в деяких державних і приватних установах застосовується роздільна система
збору відходів – на етапі збору відбувається сортування за видами: папір (картон),
пластмаси, скло, метал, харчові відходи та ін.
В країні в цілому практично не розвинений ринок по обробці і знешкодження
промислових та комунальних відходів, а також їх переробки у вторинну сировину.
Отже, розвиток роздільної системи збору ТКВ призупиняється відсутністю
рентабельності даної галузі, а також досить низькою екологічною культурою
населення. Проведені експериментальні дослідження щодо впровадження
селективного збору відходів від населення в різних містах показали, що до розвитку
в даному напрямку не готові і існуючі спеціалізовані автотранспортні підприємства,
що експлуатують комунальну техніку [9].
Система збору ТКВ функціонує наступним чином. На першому етапі ТКВ
потрапляють в пункти збору ТКВ – спеціально обладнані контейнерні майданчики.
9
Накопичення ТКВ проводиться в баках або контейнерах різної місткості. На
сьогоднішній день використовуються спеціальні контейнери об'ємом 0,75-1,1 м3
(баки), контейнери закритого типу об'ємом 6-8 м3, підземні (заглиблені) контейнери
об'ємом 5 м3 і контейнери відкритого типу об'ємом від 15 до 27 м3 [15].
Аналіз зарубіжного досвіду показав, що більшість застосовуваних на
сьогоднішній день контейнерів для збору ТКВ від населення виготовляються з
пластмас. Вони, у порівнянні з контейнерами, виготовленими з листової сталі, мають
ряд переваг: менша маса контейнера, менше прилипання відходів до контейнера,
більш легке очищення контейнерів після використання. Також при використанні
пластмасових контейнерів при негативних температурах, відходи не примерзають до
стінок і дна контейнера, оскільки коефіцієнт зчеплення пластмаси з льодом
мінімальний.
У більшості міст для збору ТКВ від населення досі застосовують сталеві
контейнери. Вони більш надійні і безпечні при загорянні в них сміття, мають більший
ресурс, однак, більш дорогі, ніж пластмасові контейнери. Але, слід зазначити, що, з
збільшенням екологічної культури населення та економічною обстановкою в країні,
спостерігається тенденція переходу на пластмасові контейнери («Євроконтейнери»).
Також перехід на «Євроконтейнери» обумовлюється, в деяких випадках,
необхідністю використання мобільних, невеликих спеціальних автомобілів для збору
та транспортування ТКВ. Низький рівень очищення дворових проїздів від снігу в
зимовий період і відсутність організованих паркувальних просторів не дозволяє
автомобілям з великою вантажопідйомністю здійснювати збір твердих комунальних
відходів на контейнерному майданчику.
В даний час, транспортування ТКВ здійснюється спеціально обладнаним
автомобільним транспортом, що виключає втрати відходів по шляху проходження та
забруднення навколишнього середовища.
Збір і видалення ТКВ в містах і населених пунктах здійснюється
спеціалізованими автотранспортними підприємствами (АТП) в строки, передбачені
санітарними правилами прибирання населених місць. Періодичність вивозу твердих
комунальних відходів встановлюється з урахуванням сезонів року, кліматичної зони,
10
епідеміологічної ситуації.
Перевантаження ТКВ з контейнерів проводиться шляхом механізованого
спорожнення в кузов спеціального автомобіля. Після завантаження ТКВ
доставляються до пункту переробки або до місця їх розміщення.
При виборі спеціальних автомобілів для збору та транспортування ТКВ АТП
враховують такі критерії, як місткість кузова, необхідна ступінь ущільнення ТКВ в
залежності від їх початкової середньої щільності, дальність вивезення ТКВ,
розвиненість дорожньої мережі та її пропускна здатність, експлуатаційні витрати та
ін.
Для організації збору та транспортування ТКВ від місць накопичення до місць
використання, знешкодження або розміщення (полігона ТКВ) застосовують пряму
(одноетапну) або двоетапну системи. Пряма система передбачає транспортування
ТКВ в один етап від виробника до споживача відходів. При двоетапній організації
системи збору і транспортування ТКВ застосовуються сміттєперевантажувальні
станції (СПС).
У першому випадку, транспортування ТКВ здійснюється спеціальними
автомобілями малої і середньої вантажопідйомності безпосередньо на полігони
розміщення відходів або до переробників.
При двоетапній організації вивезення відходів застосовується наступна
система: збір і транспортування ТКВ від виробника відходів до СПС здійснюється
спеціальними автомобілями малої та середньої вантажопідйомності; на СПС
відбувається часткова попередня сортування відходів та їх перевантаження в
транспортні автомобілі з великою вантажопідйомністю, які здійснюють
транспортування ТКВ на кінцевий пункт розміщення.
Система із застосуванням двоетапного збору відходів економічно і екологічно
більш ефективна.
Вибір маршрутів руху спеціального автомобіля для збору та транспортування
ТКВ в загальному вигляді виглядає наступним чином. Відомі розташування
вантажовідправників і вантажоодержувачів, дислокація парку рухомого складу,
обсяги вивезення, характеристики транспортної мережі та умов руху на ній.
11
Необхідно знайти оптимальний маршрут руху, який задовольняє певним вимогам
АТП. Аналіз зарубіжних досліджень показав, що у світі гостро стоїть проблема
оптимізації маршрутів руху спеціальних автомобілів для збору та транспортування
ТКВ з метою економії ресурсів, підвищення паливної економічності автомобілів і
поліпшення екологічної ситуації [11]. За кордоном для цих цілей активно
застосовуються різні ГІС-системи моніторингу транспорту [14].
На сьогоднішній день в Україні процес визначення оптимального маршруту на
АТП не систематизований і найчастіше визначається самим водієм-оператором
автомобіля з урахуванням нагальних потреб замовника. Однак, ведуться
дослідження, спрямовані на оптимізацію планування маршрутів спеціальних
автомобілів [5].
Причому, при дослідженні даного питання, були виявлені деякі суперечності в
нормативних документах [1, 3, 14, 15]:
- небезпечні відходи та небезпечні вантажі мають різну класифікацію
(відходи – по ступеню небезпеки, небезпечні вантажі – по фізико-хімічним і
біологічним властивостям);
- транспортування небезпечних відходів підлягає обов'язковому
ліцензуванню, в відміну від перевезення небезпечних вантажів;
- відсутні чіткі критерії віднесення небезпечних відходів до небезпечних
вантажів, і, як наслідок, межі регулювання процесу перевезення ТКВ транспортним
законодавством.
У зв'язку з відсутністю технічної можливості контролю маси відходів у місцях
завантаження ТКВ від населення і виробників (контейнерних майданчиках) збір
здійснюється за обсягом, пропорційно кількості вивезених баків. В результаті,
відбувається неузгодженість даних в обліку руху відходів, збільшується ризик
розвантаження автомобіля в непередбачених місцях і, як наслідок, утворення
несанкціонованих звалищ.
В умовах зростаючої конкуренції транспортних компаній на перший план
виходять завдання створення й удосконалення методів оперативного управління
перевезеннями відходів автомобільним транспортом. Ефективність функціонування
12
автомобільного транспорту оцінюється системою техніко-експлуатаційних
показників, що характеризують кількість і якість виконаної роботи. Процес
управління перевезеннями є складною і багатокритеріальної завданням, від
вирішення якої залежить один з основних показників – якість перевезень.
На сьогоднішній день, у регіональних операторів відсутня можливість
отримання актуальної інформації про рух відходів в регіонах, що значно ускладнить
процес організації системи поводження з відходами і знизить її ефективність.
Необхідна розробка інтелектуальної системи управління перевезеннями ТКВ, яка
дозволить контролювати та керувати транспортним процесом, визначати оптимальні
маршрути руху спеціальних автомобілів і знизить екологічний збиток від
неефективної та некваліфікованої транспортування відходів.
З розвитком ринкової економіки і збільшенням конкуренції на ринку
транспортування ТКВ, кожне з спеціалізованих автотранспортних підприємств
змушене боротися за конкурентоспроможність пропонованих їм послуг. Існує кілька
способів підвищення ефективності діяльності спеціалізованого АТП [15]:
1. Скорочення матеріальних витрат (на технічне обслуговування, поточний
ремонт, ПММ, шини, накладних витрат та ін);
2. Поліпшення техніко-економічних показників (коефіцієнта використання
вантажопідйомності і пробігу, коефіцієнта випуску та ін.);
3. Розширення переліку пропонованих послуг (закриття люків контейнерів, їх
санітарна обробка, ремонт та ін.);
4. Впровадження власних СПС (збільшення продуктивності роботи ПС,
ущільнення вантажу).
Оптимізація і скорочення матеріальних витрат на експлуатацію рухомого
складу бачиться найбільш пріоритетним для підвищення ефективності діяльності
автотранспортного підприємства.
Витрати на експлуатацію вантажних комерційних автомобілів визначаються
наступною сукупністю витрат: витрати на шини, податки, разові витрати, пов'язані
з введенням АТЗ в експлуатацію, витрати на оплату праці ремонтних робітників і
водіїв, амортизація, інші витрати.
13
Згідно з раніше проведеними дослідженнями [16] була складена структура
витрат на експлуатацію рухомого складу АТП (рис. 1.1). Однією з основних статей
витрат на транспортування ТКВ є витрати на паливо, які можуть досягати 30% у
структурі загальних витрат.
На підставі проведеного дослідження визначено, що найбільш дієвим і
раціональним способом підвищення ефективності діяльності АТП є визначення
шляхів зниження витрат на паливо.
Витрати на
мастильні
Інші витрати Заробітна плата матеріали
Витрати на 21% 22% 5%
сплату
податкі
в 7%
Витрати на
амортизацію
13% Витрати на
паливо
27%
Витрати на шини
5%
Рисунок 1.1 - Структура експлуатаційних витрат АТП
1.2 Особливості експлуатації та нормування витрат палива для спеціальних
автомобілів при транспортуванні твердих комунальних відходів
Однією з основних статей витрат на транспортування ТКВ є витрати на паливо.
В даний час зниження фактичної витрати палива не призведе до реальної економії.
Причиною є відсутність об'єктивного, науково обґрунтованого нормативу. Навіть
застосування спеціалізованого устаткування – засобів інструментального контролю
фактичного витрати палива не дозволяє досягти високої паливної економічності без
об'єктивно встановленого ліміту споживання палива [7].
На автомобільному транспорті нормативний витрата палива застосовується для
14
ведення статистичної і оперативної звітності, визначення собівартості перевезень та
інших видів транспортних робіт, планування потреб підприємств у забезпеченні
нафтопродуктами, здійснення розрахунків по оподаткуванню підприємств,
здійснення режиму економії та енергозбереження споживаних нафтопродуктів,
проведення розрахунків з користувачами транспортних засобів, водіями і т. д. [7].
Проблема коригування норм витрат палива на автомобільному транспорті
досить широко розроблена. Вченими проведені дослідження, спрямовані на
встановлення закономірностей зміни витрати палива автомобілів в різних умовах
експлуатації [13]. Однак, у проведених дослідженнях практично не зачіпалася
експлуатація спеціальних автомобілів та їх робота у технологічному режимі.
Спеціальний автомобіль для збору та транспортування ТКВ працює в двох
основних режимах: транспортний режим (вивезення ТКВ) і технологічний режим
(збір ТКВ). У транспортному режимі він переміщається між контейнерними
майданчиками і полігоном розміщення ТКВ, а в роботі задіяно тільки базове шасі. В
технологічному режимі здійснюється завантаження/розвантаження кузова з
допомогою спеціального обладнання.
На автотранспортному підприємстві «УПРАВЛІНСЬКА КОМПАНІЯ НОВА
ЯКІСТЬ» в м. Черкаси були зібрані статистичні дані за експлуатаційними
показниками найбільш поширеного спеціального автомобіля для збору та
транспортування ТКВ з заднім завантаженням БМ-53229-1 на базі шасі КамАЗ-65115.
Дані про пробіг, про витрату палива і кількість повних циклів
завантаження/розвантаження за 2023-2024 рік наведено на рис. 1.2.
Встановлено, що у серпні 2023 р., червні, жовтні, листопаді 2024 р.
спостерігалося зниження кількості циклів повної завантаження/розвантаження,
однак, експлуатаційний витрата палива в ці місяці збільшувався, у порівнянні з
попереднім. Це пов'язано з тим, що, при повному завантаженні кузова автомобіля,
маса завантажуваних відходів може відрізнятися в кілька разів на різних рейсах.
Таким чином, необхідні додаткові дослідження, спрямовані на встановлення
залежності експлуатаційного витрати палива від інших параметрів, наприклад, від
маси завантажених відходів.
15
7000 120
6000 100
5000
80
4000
60
3000
40
2000
1000 20
Пробіг, км Витрата палива, л Кількість циклів розвантаження,
Рисунок 1.2 - Зміна пробігу, витрати палива, кількості циклів
завантаження/розвантаження за місяцями
Для визначення реального значення експлуатаційних витрат палива при
виконанні транспортної роботи спеціальним автомобілем для збору і транспортування
ТКВ був проведений натурний експеримент на сміттєвозі БМ-53229-1 на базі шасі
КамАЗ-65115.
У відповідності з вимогами ДСТУ EN 15940:2022 для дизельного палива
«Автомобільні засоби. Паливна економічність» досліджуваний автомобіль
знаходився в повністю справному стані, укомплектований і заправлений ПММ у
відповідності з нормативно-технічною документацією. Двигун, агрегати та шини
пройшли належну обкатку згідно з інструкцією підприємства-виробника і мали
пробіг (включаючи обкатку) не менше 3000 км.
Шини автомобіля не мали пошкоджень і зносу протектора понад 50%, тиск в
них відповідало нормі. Застосовувалися мастильні матеріали, рекомендовані
заводом-виробником транспортного засобу. Вікна та вентиляційні люки при
Пробіг, км
Витрата палива, л
Липень 2022
Серпень 2022
Вересень 2022
Жовтень 2022
Листопад
2022
Грудень 2022
Січень 2023
Лютий 2023
Березень 2023
Квітень 2023
Травень 2023
Червень 2023
Липень 2023
Серпень 2023
Вересень 2023
Жовтень 2023
Листопад
2023
Грудень 2023
Січень 2024
Лютий 2024
Березень 2024
Квітень 2024
Кількість циклів розвантаження, шт
16
проведенні випробувань були закриті.
Перед випробуваннями агрегати і вузли автомобіля прогрівалися пробігом не
менше 30 км при швидкості руху 60 км/год. Випробування проводилися при
температурі +20..+23 °С і тиску 743-749 мм. рт. ст., швидкість вітру не перевищувала
3 м/с.
Для проведення випробувань були обрані досвідчені водії зі стажем водіння не
менше 5 років.
Вимірювання витрати палива проводилося методом «наповнення бака до
повного». Порожній автомобіль виїжджав на маршрут. На заправній станції
заповнювався паливний бак до кришки. Після цього він слідував за маршрутом. Після
закінчення маршруту на тій же колонці заливалося паливо в бак до кришки. Таким
чином, визначалося кількість витраченого пального [7]. В якості вимірювальної
дорожньої ділянки був обраний кільцевий маршрут. Дорога, на якій проводився
експеримент, мала гладке, сухе і чисте асфальтобетонне покриття. При проведенні
випробувань спеціальний автомобіль для збору та транспортування ТКВ рухався в
одному напрямку. Експеримент проводився протягом 3 змін. За цей час автомобіль
виконав 8 рейсів.
В ході експерименту в журналі спостережень додатково фіксувалися маса
завантажених відходів, об'єм і кількість порожніх баків, час роботи спеціального
обладнання і час руху між контейнерними майданчиками. Вимірювання маси ТКВ
проводилося в процесі завантаження бортовим вимірювальним пристроєм [16]. При
в'їзді на полігон розміщення ТКВ автомобіль проходив контрольне зважування на
стаціонарних платформних вагах, з похибкою до 10 кг. Досліджуваний автомобіль
проходив процедуру зважування двічі: при в'їзді та при виїзді з полігону. Проводився
аналіз даних, отриманих з допомогою бортової системи зважування і визначених на
стаціонарних платформних вагах. Відхилення даних не перевищувало 3 %.
Завдання проведення експерименту полягало у визначенні кількості палива,
необхідного для здійснення транспортної роботи, та порівняння його з нормативним.
Також необхідно було визначити вплив маси перевезених відходів на витрату палива.
За діючим методичним рекомендаціям була розрахована нормативна витрата
17
палива автомобіля на кожному рейсі і проведено порівняння з експериментальними
даними (рис. 1.3). З отриманих даних видно, що нормативна витрата палива може
перевищувати реальний експлуатаційний на 40%.
Маса відходів на досліджуваних рейсах змінювалася від 3880 до 7220 кг, обсяг
вивезених відходів – від 69,5 до 101,5 м3, а щільність ТКВ варіювалася від 46,3 до 74,6
кг/м3.
Було встановлено, що виконана робота і кількість палива, необхідна для
виконання одного циклу завантаження/розвантаження автомобіля, змінювалися в
залежності від маси вивезених відходів та кількості завантажених баків, а витрата
палива в технологічному режимі експлуатації Q1 складає до 25-30% від загальної
витрати палива. Існуючі надбавки не відображають і не обліковують усі умови
експлуатації спеціальних автомобілів для збору та транспортування ТКВ в
технологічному режимі роботи, тому на АТП норми, як правило, розраховуються по
верхній межі, що не дозволяє оперативно виявити перевитрату палива і визначити
причину цієї перевитрати: поганий технічний стан спеціального устаткування, витік
в гідравлічній системі, некваліфіковане водіння, розкрадання та ін.
6
5
4
3
Норматив
Експеримент
2
1
Рейс
Рисунок 1.3 - Порівняння даних нормативної та експериментальної витрати
палива
Таким чином, дослідження спрямовані на коригування діючих методичних
рекомендацій по визначенню норми витрати палива для спеціальних автомобілів для
збору і транспортування ТКВ в залежності від маси та обсягу вивезених відходів є
Витрата палива, л
18
актуальними.
1.3 Методи визначення витрати палива на автомобілях
Існують різні методи визначення витрати палива. На автомобільному
транспорті для визначення експлуатаційної витрати палива набули поширення
наступні методи:
1. Об'ємний, за рівнем палива в баку;
2. Об'ємний, з використанням витратомірів палива;
3. З використанням бортових систем контролю;
4. «Доливанням до повного баку»;
5. Масовий (ваговий).
Обсяг палива в баці автомобіля визначається за допомогою датчика рівня
палива (рис. 1.4). Може застосовуватися як штатний датчик покажчика рівня палива,
так і додатковий – в системах контролю витрати палива і моніторингу транспорту
[16].
Існує кілька видів датчиків рівня палива: поплавковий резисторний – штатний;
і позаштатні – поплавковий магнітострикційні, ємнісний та ультразвуковий.
За способом перетворення сигналу розрізняють аналогові, частотні і цифрові.
Аналогові датчики рівня палива прості по конструкції і надійні в експлуатації, але
схильні до впливу перешкод і стрибків напруги. Частотні – краще захищені від
зовнішніх впливів і видають більш стабільні показники. Цифрові датчики рівня
палива є найбільш точними. Вони захищені від зовнішніх факторів. Їх вартість значно
перевищує вартість частотних або аналогових.
Точність методу визначається в основному метрологічними характеристиками
вимірювального засобу – датчика рівня.
Вимір фактичної витрати палива на автомобілі здійснюється з допомогою
системи, що складається з двох основних підсистем – датчика рівня палива і модуля
реєстрації, обробки, зберігання і передачі даних.
19
Рисунок 1.4 - Датчики рівня палива в баку
Основна складність при використанні даного методу – це апаратна реалізація
другої підсистеми, тобто апаратури реєстрації, зберігання та дистанційної передачі
даних.
На сьогоднішній день існує досить велика кількість різних за принципом
роботи, формі і технічним здібностям витратомірів палива. Більшість витратомірів,
що продаються на вітчизняному ринку, є імпортними виробами або частково, або
повністю. Вітчизняні витратоміри, на жаль, поступаються імпортним, крім того їх
кількість на ринку скорочується.
Датчик витрати палива є проточним приладом обліку загального обсягу палива,
що проходить через камеру згоряння під час роботи транспортного засобу.
Існує 2 виду витратомірів: однокамерні і диференціальні. Однокамерні датчики
витрати палива встановлюються на магістраль подачі палива в двигун (рис. 1.5).
При цьому для коректного підрахунку палива на дизельному двигуні необхідно
перенести зворотну магістраль, по якій паливо, що не витрачене, буде надходити в
бак, до витратоміра. Такі датчики коштують дешевше диференціальних і їх можна
встановлювати на автомобілі, де конструкція двигуна дозволяє перенести зворотну
паливну магістраль без наслідків, інакше необхідна установка диференціального
датчика витрати палива.
20
Рисунок 1.5 - Однокамерний витратомір палива
Диференціальний датчик витрат палива – це двокамерний виріб, складається
з двох відкаліброваних однокамерних витратомірів, один з яких встановлюється на
канал подачі палива, а інший — на канал «обратка» палива (рис. 1.6). Вбудована
електроніка враховує різницю між прямим і зворотним потоками палива і видає
показник фактичних витрат.
Схема підключення витратоміра з двома датчиками на дизельний двигун
представлена на рис. 1.7 [12].
Рисунок 1.6 - Диференціальний витратомір палива
Існує досить багато нюансів, пов'язаних з роботою витратомірів з двома
датчиками, наприклад: проведення дослідів по енергетичній оцінці з лопатевими
витратомірами на двигунах з системою Common Rail в більшості випадків не дає
позитивних результатів. При роботі на холостому ходу розкручується більше датчик
зливу палива в бак, і до початку досвіду витратомір більше часу показує нуль.
21
Рисунок 1.7 - Схема підключення витратоміра з двома датчиками
З усього вищевикладеного можна зробити висновок, що перераховані вище
прилади для вимірювання витрати палива мають такі недоліки, як незручність
експлуатації, відсутність обліку зливу палива з форсунок і ТНВД, невеликий діапазон
вимірювань та ін. Мобільні витратоміри мають низьку точність вимірювання
споживання палива двигунами внутрішнього згоряння, а стаціонарні витратоміри,
володіють досить високою точністю вимірювань, непридатні при дорожніх
експериментальних дослідженнях. Частіше за все, вони використовуються при
стендових випробуваннях при відсутності впливу дорожніх факторів (вібрацій і
коливань автомобілів).
Вимір поточної витрати палива і обчислення на її основі сумарного обсягу
витраченого палива за допомогою даного методу, характеризується високою
вартістю, вимогами до чистоти палива, залежністю показань від фізико-хімічних
властивостей палива і поруч інших факторів, які стримують поширення даного
способу контролю витрати палива.
Одним з можливих способів виміру є використання бортових систем контролю
витрати палива автомобіля [12]. Досить велика кількість сучасних транспортних
засобів мають на борту шину CAN (англ. Controller Area Network). Ця шина служить
22
для передачі інформації між різними пристроями і датчиками автомобіля, у тому
числі і інформації по витраті і рівня палива в баку.
Перевагою даного методу є відсутність необхідності додаткових датчиків.
Основний недолік цих систем у високій похибки вимірювань, так як вони
призначені, в першу чергу, для вимірювання миттєвої витрати палива на основі
показань датчика рівня палива в баку і датчиків системи керування подачею палива.
Також, застосування цього методу неможливо на транспортних засобах, в яких
відсутня шина CAN, тобто на більшості спеціальних автомобілів для збору і
транспортування ТКВ.
Суть методу «доливання до повного» зводиться до вимірювання кількості
палива, яке доливається в бак автомобіля до заповнення по закінченню виконання
якої-небудь кількості транспортної роботи. Даний метод передбачає необхідність
повністю заправити паливний бак пальним перед початком виконання транспортної
роботи. Таким чином, кількість палива, що доливається, буде відповідати витраті
пального для виконання попередньої транспортної роботи. Доливання до і після
транспортної роботи повинно здійснюватися на одній і тій же площадці, що дозволить
виключити вплив нахилу автомобіля.
Однак, істотний недолік даного методу – це неприпустимо велике значення
відносної похибки при певних (малих) величинах пробігу, тобто при малій витраті
палива. Також при даному методі випробувань виникають випадкові похибки,
пов'язані з неточністю наповнення бака і визначення рівня заповнення бака.
Масовий (ваговий) метод заснований на вимірі фактично витраченого палива
автомобілем шляхом зважування вимірювальної ємності з паливом, при цьому робота
двигуна здійснюється з даної вимірювальної ємності. Даний метод досить дешевий,
не вимагає впровадження змін і додаткових пристроїв в конструкцію автомобіля,
також володіє високою точністю.
За результатами аналізу були сформульовані критерії порівняння методів:
точність, при малих змінах кількості палива; універсальність; простота
впровадження; вартість. Дані аналізу методів вимірювання витрати палива в
технологічному режимі експлуатації спеціального автомобіля для збору та
23
транспортування ТКВ були структуровані і представлені в табл. 1.1.
Таблиця 1.1 - Результати аналізу методів визначення витрати палива автомобілів.
Критерії порівняння
Метод Точність при Простота
малих змінах Універсальність впровадження Вартість
Об'ємний, за
рівнем палива вб аку Низька Так Складно Середня
Об'ємний, з використанням
витратомірів Низька Немає Складно Висока
палива
З використанням бортових
систем контролю Низька Немає Просто Низька
«Доливанням до Низька Так Просто Низька
Повного баку»
Масовий Висока Так Просто Низька
(ваговий)
За результатами проведеного аналізу було встановлено, що масовий (ваговий)
метод вимірювання витрати палива при проведенні експериментальних досліджень
на спеціальному автомобілі для збору та транспортування ТКВ при роботі в
технологічному режимі експлуатації є найкращим.
1.4 Вибір об'єкта дослідження
На прикладі міста Черкаси була розглянута система поводження з твердими
комунальними відходами. На території міста діють 3 полігони розміщення відходів.
На цих полігонах протягом декількох днів проводилося спостереження за
активністю спеціальних автомобілів для збору та транспортування ТКВ. Під час
спостережень фіксувалися наступні параметри: порядковий номер, час прибуття,
марка базового шасі, державний реєстраційний знак, вид завантаження, додаткові
відомості. Для усунення повторень автомобілів в списку проводилося порівняння
державних реєстраційних знаків. Аналіз даних проводився за кількістю автомобілів і
увазі завантаження. Також було проведено порівняння з раніше отриманими даними
24
аналогічного дослідження.
Дані щодо розподілу комунальних машин з полігонів м. Черкаси представлені
на рис. 1.8.
60 52 52
50
40 33
30 26
22
20 15
10
З Сбмоікттоєввиомзи з за бвоакнотваижме нням ІзС мзаітдтєнвімоз зиа зв заандтнаімж енняКмо, нтейКноенртнеій снмеітртєнві ози
завантаженням завантаженням
2020 2024
Рисунок 1.8 - Розподіл спеціальних автомобілів за типом завантаження
У м. Черкаси була зафіксована активність 78 спеціальних автомобілів для збору
та транспортування ТКВ. За даними досліджень за три роки парк м. Черкаси значною
мірою змінився. У 2024 р. частка автомобілів із заднім завантаженням збільшилася з
33% до 52% в порівнянні з 2020 р. Дані зміни зумовлені впровадженням більш
ефективної системи збору та транспортування відходів, більш досконалою та
універсальною конструкцією спеціальних автомобілів із заднім завантаженням, їх
пристосованість до контейнерів різних типів, в тому числі «Євроконтейнерам».
Для проведення експериментальних досліджень було вибрано найбільш
поширений автомобіль із заднім завантаженням СВ - 903.1 на шасі КрАЗ 5401Н2
виробництва НВК «Комунальні машини» м. Кременчук (рис. 1.9).
Рисунок 1.9 – Об'єкт досліджень спеціальний автомобіль СВ - 903.1
Співвідношення
автомобілів
25
Спеціальний автомобіль для збору та транспортування ТКВ СВ - 903.1
виготовлений на базі шасі КрАЗ використовується з метою навантаження ТКВ, які
знаходяться в спеціальних контейнерах. У задній частині машини розміщені
завантажувальні пристрої, призначені для контейнерів різного обсягу від 0,8 м3 до 7,5
м3. Об'єм кузова – 18,5 м3. Маса завантажених ТКВ – не більше 11000 кг [17]. На шасі
КрАЗ 5401Н2 встановлений дизельний двигун об'ємом 11760 см3, максимальною
потужністю 176 кВт (при 1900 хв-1), максимальний крутний момент 980 Нм (при 1300
хв-1) [23].
1.5 Опис роботи спеціального автомобіля для збору та транспортування
ТКВ в технологічному режимі експлуатації
Режими роботи спеціальних автомобілів для збору та транспортування ТКВ,
основні вузли, бортові системи і їх властивості, що впливають на паливну
економічність автомобіля, представлені на рис. 1.10.
Транспортний режим обумовлюється роботою базового шасі для виконання
транспортної роботи по перевезенню вантажу.
Технологічний режим роботи можна розділити на п'ять основних етапів
роботи:
1. Підйом/опускання бака з ТКВ;
2. Пресування ТКВ в кузові;
3. Розвантаження кузова;
4. Відкриття заднього борту;
5. Робота системи в режимі холостого ходу.
Робота машини в технологічному режимі здійснюється наступним чином.
Двигун працює на постійних обертах, коробка передач знаходиться у нейтральному
положенні. Оператор включає коробку відбору потужності, яка приводить в дію
гідронасос гідравлічної системи автомобіля. Коробка відбору потужності
управляється дистанційно з кабіни водія з допомогою електропневматичного
клапана.
26
Рисунок 1.10 - Режими роботи спеціальних автомобілів для збору і транспортування
ТКВ
Оператор автомобіля управляє важелями гідророзподільника і приводить в дію
виконавчі механізми. При нейтральному положенні важелів управління
гідророзподільника напірна лінія з'єднана зі зливною магістраллю і робоча рідина
(РР) з насоса надходить у бак. При переміщенні важелів управління
гідророзподільником, золотники гідророзподільника переходять в крайні положення,
і РР під тиском надходить до виконавчих пристроїв. На кожному етапі в якості
виконавчого пристрою, що здійснює роботу, виступають гідравлічні циліндри
двосторонньої дії, що відрізняються геометричними параметрами.
Процес завантаження і розвантаження спеціального автомобіля для збору та
27
транспортування ТКВ здійснюється наступним чином. Автомобіль під'їжджає на
контейнерний майданчик, на якій встановлені заповнені відходами контейнери.
Водій-оператор встановлює автомобіль в положення зручне для завантаження
контейнерів. Заповнений контейнер фіксується в завантажувальному пристрої, з
допомогою якого здійснюється підйом і розвантаження контейнера в
завантажувальний ковш. З ковша відходи переміщуються ущільнюючої плитою в
кузов та ущільнюються. Для підвищення ступеня ущільнення відходів виштовхуючу
плиту встановлюють на відповідному положенні від задньої кришки і нею
підтискають відходи, що переміщуються ущільнюючої плитою. Розвантаження
відходів відбувається при відкритій задній кришці з допомогою виштовхувальної
плити або самосвально при підйомі кузова.
Процеси завантаження, розвантаження, пресування твердих комунальних
відходів залежать, перш за все, від маси завантажуваних відходів. При підйомі
перевантаженого контейнера з ТКВ, зусилля, що виникає в гідравлічному циліндрі,
зростає, відповідно збільшується навантаження на валу насоса і колінчастому валу
двигуна базового шасі автомобіля. Таким чином, при постійній частоті обертання
двигуна, збільшується подача палива для подолання заданої навантаження.
Аналогічно витрата палива змінюється при ущільненні і розвантаження відходів в
залежності від маси завантажених відходів.
Маса завантажених відходів не впливає на витрату палива при відкритті
заднього борту і роботи системи в режимі холостого ходу. Витрата палива при даних
операціях приймається постійною.
Таким чином, необхідно розробити математичну модель, яка пов'язувала б
витрата палива автомобіля з процесами завантаження/розвантаження ТКВ, і методику
диференційованого коригування норм витрат палива для спеціальних автомобілів для
збору та транспортування ТКВ для оптимізації роботи і коректного обліку паливно-
мастильних матеріалів на АТП.
При роботі автомобіля в технологічному режимі задіяне наступне обладнання:
двигун, коробка передач і спеціальне обладнання. Спеціальне обладнання включає:
коробку відбору потужності, гідравлічне обладнання і виконавчі механізми. В склад
28
гідравлічного обладнання автомобіля входять: гідравлічний насос,
гідророзподільник, запобіжні клапани, гідроциліндри, фільтри, масляний бак,
трубопроводи. До складу виконавчих механізмів входять: маніпулятор, що штовхає,
плита, подаюча плита, пресуюча плита, задня кришка.
Устаткування, задіяне у технологічному режимі експлуатації, розглянуто на
прикладі об'єкта дослідження. На автомобілі СВ - 903.1 на шасі КрАЗ 5401Н2
встановлена десятиступінчаста коробка передач моделі 154, що складається з
основної п'ятиступінчастою коробки передач і переднього двоступінчастого
редуктора дільника передач. На правий інсталяційний люк картера коробки передач
встановлюється коробка відбору потужності (КВП). Відбір потужності відбувається
при стоянці автомобіля.
Гідросистема автомобіля СВ - 903.1 на шасі КрАЗ 5401Н2 складається з двох
контурів, з'єднаних з одним баком. Перший контур гідросистеми складається з
насоса, гідророзподільників, гідроциліндрів пресувальної плити і подаючої плити,
дроселя, запобіжних клапанів. Другий контур гідросистеми складається з насоса,
всмоктувального фільтра, крана кульового, гідророзподільника, гідроциліндрів
перекидача з дроселями, гідроциліндрів заднього борту з дроселями і зворотним
клапаном, гідроциліндра виштовхувальної плити. Для забезпечення необхідного
ступеня ущільнення сміття в кузові виштовхувальна плита надає відповідний опір
зусилля пресування за рахунок установки в зливний магістралі гідроклапана тиску,
налаштованого на 0,8 МПа.
Регулювання оборотів холостого ходу в режимі відбору потужності може
здійснюватися як педаллю подачі палива, так і важелем регулювання обертів
холостого ходу, розташованим на рульовій колонці. Функції важеля регулювання
обертів холостого ходу (в окремих комплектаціях автомобілів) можуть здійснювати
перемикач регулювання холостих обертів. Також регулювання на деяких моделях
автомобілів може здійснюватися з допомогою пневматичного циліндра,
розташованого під капотом автомобіля.
29
1.6 Висновки до розділу 1
На основі проведеного аналізу були зроблені наступні висновки:
1. Підвищення ефективності діяльності АТП найбільш дієво і раціонально
реалізувати за рахунок зниження витрат на паливо, які можуть досягати 30% від
загального обсягу експлуатаційних витрат;
2. Дослідження, спрямовані на диференційоване корегування діючих норм
витрат палива в технологічному режимі експлуатації спеціальних автомобілів для
збору і транспортування ТКВ, є актуальними;
3. Обраний метод вимірювання витрати палива при проведенні
експериментальних досліджень. На основі проведеного аналізу встановлено, що
ваговий (масовий) метод є найбільш кращим. Вибрано об'єкт дослідження –
найбільш поширений спеціальний автомобіль із заднім завантаженням СВ - 903.1 на
базі шасі КрАЗ 5401Н2.
4. Встановлена необхідність розробки математичної моделі зміни
навантаження на колінчастому валу двигуна спеціального автомобіля для збору та
транспортування ТКВ і визначення закономірності зміни витрат палива в
технологічному режимі експлуатації спеціального автомобіля для збору та
транспортування ТКВ від зовнішніх факторів.
5. Для практичного застосування результатів дослідження необхідна розробка
методики диференційованого коригування норм витрат палива для спеціальних
автомобілів для збору і транспортування ТКВ для оптимізації роботи і коректного
обліку паливно-мастильних матеріалів на АТП.
30
РОЗДІЛ 2 РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ ЗМІНИ ВИТРАТИ
ПАЛИВА СПЕЦІАЛЬНОГО АВТОМОБІЛЯ В ТЕХНОЛОГІЧНОМУ РЕЖИМІ
ЕКСПЛУАТАЦІЇ
2.1 Цілі і задачі математичного моделювання
Метою моделювання процесу витрати палива в технологічному режимі
експлуатації спеціальних автомобілів для збору і транспортування ТКВ є
прогнозування експлуатаційних витрат палива при здійсненні технологічних
операцій із завантаження та розвантаження кузова, з урахуванням маси ТКВ і частоти
обертання двигуна базового шасі.
При моделюванні процесу витрат палива доцільно використовувати
раціональну математичну модель. Раціональні моделі (формули) суворо логічно
випливають із законів фізики, відображають закономірність розвитку досліджуваного
явища, пояснюють зв'язку з внутрішніми і зовнішніми факторами. Вони носять
загальний характер і дозволяють теоретичнод ослідити всі сторони явища.
Завдання розробки математичної моделі:
• вибір параметрів, залежностей і змінних, що характеризують роботу
спеціального обладнання;
• вибір припущень при створенні математичної моделі;
• формалізація процесів, що відбуваються в гідросистемі і двигуні
автомобіля, і отримання математичних співвідношень;
• розробка комп'ютерної програми на основі математичної моделі;
• перевірка адекватності моделі реальному об'єкту.
При моделюванні необхідно враховувати наступні параметри:
• величину навантаження на виконавчому механізмі;
• час операції;
• тип двигуна;
• частота обертання двигуна базового шасі;
• ККД гідравлічної системи, гідравлічного насоса, гідроприводу;
31
• геометричні характеристики гідросистеми і виконавчих механізмів;
• температуру робочої рідини;
• просторове положення завантажувального пристрою.
На наступному етапі необхідно вибрати підхід і математичне опис моделі, що
найбільш повно задовольняє заданим вимогам.
2.2 Вибір і обґрунтування підходу до математичного моделювання
Система приводу спеціального обладнання автомобіля для збору та
транспортування ТКВ складається з набору взаємозалежних елементів. Тому
математична модель такої системи повинна відображати як динаміку функціонування
окремих елементів, так і системи в цілому.
Модель зміни витрати палива для спеціальних автомобілів для збору і
транспортування ТКВ в технологічному режимі експлуатації була представлена
сукупністю роботи двох підсистем (рис. 2.1):
- підсистема «двигун внутрішнього згоряння – гідравлічний насос» (позиції 1-
4, рис. 2.1);
- підсистема «гідравлічний насос – гідроциліндр» (позиції 4-6, рис. 2.1).
Рисунок 2.1 - Структурна схема моделі
1 – двигун, 2 – коробка передач, 3 – коробка відбору потужності, 4 –
гідравлічний насос, 5 – гідророзподільник, 6 – гідроциліндр
Двигун внутрішнього згоряння (1) через коробку передач (2) і коробку відбору
потужності (3) приводить в рух вал гідравлічного насоса (4). Насос нагнітає робочу
рідину в гідророзподільник (5). Рідина під тиском надходить у робочий гідроциліндр
32
(6). У випадку, коли одночасно працюють кілька гідроциліндрів, потік рідини
ділиться.
Для кожного елемента структурної схеми моделі необхідно скласти
математичний опис.
Підсистему «гідравлічний насос – гідроциліндр» необхідно розглядати як
гідропривід, що складається з елементів: гідравлічний насос, гідророзподільник,
гідроциліндр. На сьогоднішній день математичне моделювання гідроприводів і
процесів, що протікають в них, широко розроблено дослідниками.
Для математичного моделювання гідроприводу спеціального автомобіля для
збору та транспортування ТКВ досить вважати рідину стиснутою в зосередженому
обсязі, так як в завдання не входить вивчення гідравлічних ударів, швидкості
відкриття/закриття клапанів, тому значно ускладнювати модель урахуванням
хвильових процесів немає необхідності.
Розроблена математична модель дозволить прогнозувати зміну тиску,
температури і щільності робочої рідини (РР) в залежності від режиму роботи
спеціального обладнання, маси вантажу і просторового положення маніпулятора.
У моделі прийняті наступні допущення: рідина стискається в зосередженому
обсязі, хімічний склад взаємодіючих речовин і матеріалів гідросистеми постійний,
зміна температури враховується для кожного замкнутого контуру окремо (тобто при
постійному об'ємі), процес подачі РР відбувається практично миттєво, впливом
хвильових явищ в трубопроводах нехтуємо, подача насоса постійна.
При моделюванні підсистеми «двигун внутрішнього згоряння – гідравлічний
насос» був обраний підхід побудови паливної характеристики автомобіля з
допомогою багатопараметричної характеристики двигуна (БПХ). Даний підхід
ґрунтується на наступному. При моделюванні підсистеми «гідравлічний насос –
гідроциліндр» визначається залежність потужності Nн, необхідної для роботи
спеціального обладнання, від навантаження на штоку гідроциліндра (маси відходів,
що піднімаються при навантаженні). Крім того, відомі передавальні числа привода
насоса від колінчастого валу двигуна ηпр і робоча частота обертання двигуна n. Тоді
для ряду вибраних значень маси відходів, що піднімаються можна визначити
33
потужність двигуна Nн:
NH = Nнасос /ηпр (2.1)
За цим даними знаходяться на БПХ двигуна (в координатах Ме - n) відповідні
точки перетину ординати частоти обертання з лініями постійної потужності або
обчислюється крутний момент, виходячи з отриманих значень потужності і частоти
обертання. Таким чином, визначається характеристика моменту опору споживача,
приведеного до валу двигуна. Перетин цієї характеристики з лініями постійних
питомих витрат палива дозволяє побудувати залежності ge=f1(mo) і Gт=f2(mo). Потім з
урахуванням щільності палива (ρт) і часу роботи спеціального обладнання (t)
будується залежність витрати палива в технологічному режимі експлуатації Qтехн від
маси завантажуваних відходів (mo), тобто Qтехн=f3(mo) в літрах.
На рис. 2.2 показаний спосіб визначення питомої витрати палива на прикладі
багатопараметричної характеристики дизеля КрАЗ 5401Н2.
Рисунок 2.2 - Визначення питомої витрати палива за багатопараметричної
характеристики дизельного двигуна КрАЗ 5401Н2
Аналізуючи зміни, можна відзначити, що зниження навантаження на
колінчастому валу двигуна при всіх частотах обертання призводить до зростання
34
питомої витрати палива. Ступінь зростання витрат залежить від частоти обертання
двигуна. На високих і низьких обертах спостерігається погіршення паливної
економічності. Існує область мінімальних витрат палива, до якої і слід прагнути
при дослідженні процесу витрати палива.
У моделі прийняті наступні допущення: частота обертання двигуна постійна;
двигун повністю справний і прогрітий до робочих температур; процеси, що
протікають в системі паливоподачі, розглядаються як ізотермічні; теплообмін з
навколишнім середовищем не враховується.
Розглянутий підхід задовольняє вимогам даного дослідження і дозволяє
повністю вирішити поставлені завдання. Застосування більш складних підходів, що
враховують газодинамічні і гідромеханічні процеси в двигуні, не доцільно, зважаючи
на невиправдано великі трудовитрати при моделюванні.
Далі необхідно провести математичне моделювання роботи розглянутих
підсистем.
2.3 Математичне моделювання підсистеми «гідравлічний насос –
гідроциліндр»
2.3.1 Розрахунок гідравлічного приводу автомобіля
Підсистему «гідравлічний насос – гідроциліндр» необхідно розглядати як
гідропривід, що складається з елементів: гідравлічний насос, гідророзподільник,
гідроциліндр.
Математичний опис функціонування насоса складається їх двох підсистем
рівнянь:
а) підсистема, що описує зміну стану робочого тіла, включає
• рівняння швидкості зміни щільності (питомої обсягу) робочого тіла;
• рівняння швидкості зміни тиску робочого тіла;
• швидкість зміни температури отримана з допомогою рівняння стану Ван-
дер-Ваальса;
35
б) підсистема, що описує рух твердих ланок, включає:
• рівняння переміщення поршня насоса:
D
X n = sin (γ ) ⋅ (1− cos(β )) (2.2)
2
• рівняння швидкості поршня насоса:
D
Vn = Ω ⋅sin (γ ) ⋅sin (β ) , (2.3)
2
де Xn – координата переміщення поршня насосу, м;
Vn – швидкість переміщення поршня насосу, м/с;
D – діаметр диску насосу, м;
Ω - кутова швидкість обертання валу насосу, м/с;
γ - кут нахилу диска, град;
β - кут повороту диску, град.
Математичний опис функціонування гідроциліндрів аналогічний по структурі
опису насосу і складається з двох підсистем рівнянь:
а) підсистема, що описує зміну стану робочого тіла, включає:
• швидкість зміни температури отримана з допомогою рівняння стану Ван-
дер-Ваальса.
б) підсистема, що описує рух твердих ланок, включає:
• рівняння руху поршня:
dV
g 1
= ⋅ (S p ⋅ ∆p − Rn −ν ⋅Vg ) , (2.4)
dt mp
• рівняння руху переміщення поршня гідроциліндра:
36
dX g =Vg , (2.5)
dt
mp – маса штока з поршнем гідроциліндра, кг; Sp – площа поршня, м2;
Rn – навантаження на штоку, Н; ν – коефіцієнт тертя;
Δp – перепад тисків в лівій і правій порожнинах (щодо поршня)
гідроциліндра, Па.
Гідророзподільник не має рухомих частин, являє собою проточну порожнину
постійного обсягу, тому математичний опис його функціонування базується тільки
на зміну стану робочого тіла. Навантаження на штоку гідроциліндра Rn слід ставити
з урахуванням просторового положення підйомного пристрою, тому необхідно
провести розрахунок просторового положення завантажувального порталу
автомобіля.
2.3.2 Розрахунок просторового положення підйомного пристрою
спеціального автомобіля
Розрахунок просторового положення підйомного пристрою проводиться з
метою визначення зміни миттєвої витрати палива при підйомі контейнера з ТКВ.
На рис. 2.3 представлена кінематична схема підйомного пристрою
спеціального автомобіля із заднім завантаженням СВ - 903.1.
Піднімальний пристрій є складною механічною системою, тому визначення
реакцій зв'язків з допомогою рівнянь рівноваги є, занадто громіздким і
малопридатним.
37
Рисунок 2.3 - Розрахункова схема підйомного пристрою спеціального автомобіля
СВ - 903.1
В даному випадку доцільніше використовувати принцип можливих
переміщень, згідно з яким умовою рівноваги системи сил, прикладених до
підйомного пристрою, що підпорядковується стаціонарним двостороннім і ідеальним
зв'язкам, полягає у рівності нулю суми елементарних робіт навантаження на штоку
гідроциліндра зламу стріли і ваги вантажу на будь-якому можливому переміщенні
системи з розглянутого положення:
m ⋅ g ⋅dh + Rn ⋅dx = 0, (2.6)
де Rn – сила, що діє на шток гідроциліндру, Н;
dх – можливе переміщення поршня гідроциліндра портального завантаження,
m, м;– маса контейнеру з ТКВ, кг;
g – прискорення вільного падіння, м/с2;
dh – можливе переміщення контейнеру з ТКВ, м.
Тоді з формули (2.6), маса контейнеру з ТКВ буде дорівнює:
38
m Rn ⋅dx
= − , (2.7)
g ⋅dh
Для того, щоб зв'язати можливе переміщення поршня гідроциліндра dх з
можливим кутом переміщення порталу, необхідно скористатися теоремою косинусів:
AC 2 = (x + L)2 + AB2 − 2(x + L)AB ⋅cosγ , (2.8)
де x – переміщення штока гідроциліндра портального завантаження, м;
L – довжина гідроциліндра портального завантаження, м;
γ – кут між віссю гідроциліндра і прямою, що з'єднує точки кріплення
рами порталу та гідроциліндра до кузову, град.
АВ є гіпотенузою в прямокутному трикутнику АОВ і знаходиться як
квадратний корінь з суми квадратів катетів:
AB = X 2 +Y 2
1 1 , (2.9)
де Х1, Y1 – відстань між точками кріплення рами порталу та гідроциліндра
портальної завантаження до кузова, м;
Аналогічно, з трикутника ACD знаходимо відстань між кріпленням порталу
до кузова і шарніром гідроциліндра AC і кут β:
AC = AD2 +CD2 , (2.10)
CD
β = arctg , (2.11)
AD
Перетворивши рівняння (2.8):
39
2(x + L)AB ⋅cosγ = (x + L)2 + AB2 − AC 2 , (2.12)
Відобразивши осі гідроциліндра портальної завантаження і порталу на
пряму АВ, виходить співвідношення:
(x + L)cosγ = AB + AC cos(α + β ) (2.13)
Підставляючи вираз (2.13) в (2.12):
2AB[AB + AC ⋅cos(α + β )] = (x + L)2 + AB2 − AC 2 . (2.14)
Отримане рівняння (2.14) записується в диференціалах відносно х і α:
−2AB ⋅ AC sin(α + β )dα = 2(x + L)dx . (2.15)
Таким чином, переміщення поршня гідроциліндра dх можна знайти за
виразом:
dx AB ⋅ AC sin(α + β )
= − dα (2.16)
x + L
Необхідно зв'язати можливе переміщення контейнера dh з можливим кутом
переміщення порталу dα:
dh = AE cosδdδ . (2.17)
Оскільки dδ=dα, рівність (2.17) можна записати в наступному вигляді:
dh = AE cosδdα (2.18)
40
Підставляючи отримані співвідношення у формулу (2.7), масу контейнера з
ТКВ можна визначити з виразу:
mgAE cosδdα R AB ⋅ AC sin(α + β )
= n dα (2.19)
x + L
Таким чином, масу контейнеру з ТКВ при підйомі можна визначити за
формулою:
m R AB ⋅ AC sin(α + β )
= n (2.20)
AE cosδ (x + L)g
Визначити навантаження на шток гідроциліндра в залежності від просторового
положення порталу можна з рівняння (2.20):
R m ⋅ AE cosδ (x + L)g
n = (2.21)
AB ⋅ AC sin(α + β )
Коефіцієнт kман можна представити у вигляді відношення геометричних
характеристик підйомного пристрою (формула 2.21). Таким чином, вираз 2.21 можна
представити у вигляді:
Rn = kман ⋅m ⋅ g (2.22)
Тиск в штокової порожнини гідроциліндра портальної завантаження p1
можна представити у вигляді:
p R
1 =
n , (2.23)
Sп − Sшт
де Sп - площа поршня гідроциліндра, м2;
41
Sшт - площа штоку гідроциліндра, м2.
Підставляючи рівняння (2.22) в (2.23), можна визначити залежність тиску в
штокової порожнини гідроциліндра від маси контейнера з ТКВ в будь-який момент
часу:
p kман ⋅m ⋅ g
1 = (2.24)
Sп − Sшт
У розробленій математичній моделі моделювання динаміки підсистеми «двигун
внутрішнього згоряння – гідравлічний насос» не проводилося. Таким чином, для
визначення впливу зовнішніх факторів на витрату палива, модель необхідно
доповнити відповідним розрахунком.
2.4 Математичне моделювання підсистеми «двигун внутрішнього згоряння
– гідравлічний насос»
При розробці математичної моделі витрати палива повинні бути використані
основні теоретичні залежності з теорії двигунів і експериментальні багатопараметрні
характеристики по конкретному двигуну.
Для розрахунку годинної витрати палива необхідно питому витрату палива ����е
помножити на потужність N H :
���� = ��������⋅�������� ⋅ 10−3Т (2.25)
����палив
де ����Т – годинна витрата палива при виконанні робіт в технологічному режимі
експлуатації, л/год;
����е - питома витрата палива, кг/(кВт∙год);
����н - навантаження на колінчастому валу двигуна, кВт;
����палив - густина палива, кг/м3.
При моделюванні підсистеми «двигун внутрішнього згоряння – гідравлічний
насос», потужність двигуна необхідна для переміщення робочого гідроциліндра і
42
підйому вантажу масою mo:
���� = ����1⋅����
���� (2.26)
����пр⋅����Н⋅����гс
де ����пр– об'ємний ККД привода насоса від двигуна через коробку передач і
коробку відбору потужності;
����гс– об'ємний ККД гідросистеми;
����Н - об'ємний ККД насоса;
Q - подача насоса, м3/с.
Подача насоса розраховується:
���� = ����0 ⋅ �������� = ����0 ⋅ ����дв ⋅ ����дв−н (2.27)
де ����0 - робочий обєм насосу, м3;
�������� - частота обертання двигуна базового шасі, с-1;
����дв−н- передавальне ставлення від двигуна до насосу.
Таким чином, навантаження на двигуні базового шасі визначатиметься
виходячи з формули (2.24) і (2.26):
m ⋅n ⋅ g ⋅V ⋅ z ⋅ k
N дв 0 дв−н ман −3
H = ⋅10 (2.28)
(Sп − Sшт ) ⋅ηпр ⋅ηн ⋅ηгс
Для досліджуваного двигуна визначається питома витрата палива ���� при
заданій частоті обертання двигуна і розрахованої навантаженні.
Кількість фактично витраченого палива при завантаженні контейнера з ТКВ
визначається за формулою:
����завтехн = ����⋅�������� ⋅ ����зав ⋅ 10−3 , (2.29)
����палив
43
де Q зав
техн - кількість витраченого палива при завантаженні контейнеру
з ТКВ, л;
����зав - час завантаження контейнера з ТКВ, год.
Час роботи автомобіля в технологічному режимі можна представити як
сумарний час виконання кожної технологічної операції:
����техн = ����зав + ����п.з.зав. + ����роз + ����прес , (2.30)
де ����зав - середній час по завантаженню кузова, годин;
����п.з.зав. - час на підготовчо-заключні операції по захвату контейнера, годин;
����роз - середній час по розвантаженню кузова, годин;
����прес - середнє час операції пресування відходів, год.
Аналіз тривалості робочого циклу дозволяє виділити основну операцію
робочого циклу машини в технологічному режимі експлуатації:
����зав – тривалість завантаження контейнера в кузов. Інші операції циклу є
допоміжними, мають імовірнісний характер і можуть бути враховані у вигляді
коефіцієнта [16].
Тривалість підготовчо-заключних операцій при завантаженні контейнера і
розвантаженні кузова може бути врахована коефіцієнтом допоміжних операцій ����доп.оп
Цей коефіцієнт слід віднести до операції завантаження кузова tзаг. Величина
коефіцієнта ����доп.оп встановлюється на підставі аналізу сумарного часу робочого циклу
машини.
Математичну модель пропонується представити у вигляді нової залежності
зміни витрат палива в технологічному режимі експлуатації спеціального автомобіля
для збору та транспортування ТКВ від маси завантажених відходів і оборотів двигуна
базового шасі.
���� і
���� = ∑���� ��������⋅���� дв⋅����⋅����0⋅����дв−н⋅��������⋅����ман⋅����зав
техн ����=1 ⋅ ���� , (2.31)
(����п−����шт)⋅����пр⋅����н⋅���� доп.оп
гс⋅����палив⋅106
де ����техн – норма витрати палива в технологічному режимі експлуатації, л;
44
k – кількість завантажених контейнерів з ТКВ;
����доп.оп.– коефіцієнт, враховує допоміжні операції при завантаженні кузова
спеціального автомобіля.
Отриману модель пропонується використовувати в якості розрахункової при
визначенні норми витрати палива за рейс на автотранспортному підприємстві.
2.5 Висновки до розділу 2
1. Вибрані параметри та математичні залежності, що характеризують зміну
витрати палива спеціального автомобіля для збору та транспортування ТКВ при
роботі спеціального обладнання.
2. Розроблена математична модель зміни витрати палива спеціального
автомобіля для збору та транспортування ТКВ в технологічному режимі експлуатації,
в якій вперше враховано фактори: маса вантажу і обороти двигуна базового шасі.
Модель дозволяє визначати витрату палива в технологічному режимі експлуатації
спеціальних автомобілів.
45
РОЗДІЛ 3. МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
3.1. Цілі і завдання експериментальних досліджень
Мета експериментальних досліджень – це перевірка адекватності математичної
моделі реальному об'єкту, а також визначення чисельних значень параметрів
математичної моделі.
Завданнями експериментальних досліджень є:
1. Оцінка впливу факторів на витрату палива в технологічному режимі
експлуатації;
2. Перевірка закономірностей впливу роботи виконавчих механізмів на
витрату палива спеціальних автомобілів для збору і транспортування ТКВ в
технологічному режимі експлуатації;
3. Оцінка чисельних значень параметрів математичної моделі.
3.2 Методи експериментальних досліджень
Для отримання досвідчених даних проводився активний натурний експеримент.
При ньому, дослідник управляє рівнем незалежних змінних (факторів) і вивчають
безпосередньо об'єкт досліджень.
Таким чином, при підготовці експерименту необхідно:
4. Розробити план експерименту;
5. Визначити число рівнів кожного фактору, при яких змінюється параметр
оптимізації;
6. Скласти матрицю плану експерименту і визначити кількість вимірювань у
кожній точці матриці;
7. Визначити перелік необхідного обладнання та оцінити похибку вимірювань;
8. Вибрати методики обробки результатів натурних випробувань. На основі
активного натурного експерименту вирішувалися завдання 1-3.
46
Аналіз факторів, що впливають на витрату палива спеціального автомобіля для збору
та транспортування ТКВ при роботі в технологічному режимі експлуатації.
Аналіз літературних джерел і раніше виконаних досліджень дозволив
сформувати перелік факторів, що мають вплив на витрату палива спеціального
автомобіля для збору та транспортування ТКВ в технологічному режимі
експлуатації: маса завантажених відходів – Х1; частота обертання двигуна базового
шасі – Х2; температура робочої рідини – Х3; технічний стан систем та обладнання
автомобіля – Х4; природно-кліматичні умови – Х5.
Фактори Х1 і Х2 – керовані, таким чином, впливаючи на них можна впливати
для зміни фактичної витрати палива при роботі автомобіля в технологічному режимі
експлуатації. На сьогоднішній день на більшості автотранспортних підприємств діє
система планово-попереджувального ремонту, це означає, що автомобіль,
виїжджаючи на лінію, повністю справний. Отже, фактор Х4 – не буде чинити впливу
на витрату палива при експлуатації. Навіть при експлуатації в зимовий період,
гідравлічна система спеціального автомобіля прогрівається до робочої температури
вже при завантаженні перших двох контейнерів з ТКВ, відповідно, суттєвого впливу
на витрату палива при роботі в технологічному режимі фактор Х3 чинити не буде.
Таким чином, експеримент доцільно проводити при прогрітій гідравлічній системі
до робочої температури. Природно-кліматичні умови (Х5) – некерований фактор, але
він справляє значний вплив на процес сумішоутворення в двигуні базового шасі.
Тому даний фактор необхідно враховувати при розрахунку норм витрат палива на
підприємстві.
До початку планування експерименту необхідно вибрати область визначення
факторів, тобто верхній і нижній межі зміни кожного фактору при роботі
спеціального автомобіля для збору та транспортування ТКВ в технологічному
режимі експлуатації. Далі в області визначення виділити локальну підобласть для
планування експерименту на реальному об'єкті. Вибір цієї підобласті складається з
вибору основного рівня і вибору інтервалів варіювання.
Частота обертання двигуна (Х2) має область визначення від 600 до 2200 об/хв.
Нижня межа обумовлена оборотами холостого ходу двигуна, а верхня – режим
номінальної потужності. Для проведення експериментальних досліджень кордону
47
локальної підобласті визначалася з умови можливості функціонування гідравлічної
системи спеціального автомобіля в нормальному режимі. Даній умові відповідає
частота обертання двигуна від 1200 до 1600 об/хв. Нульове значення було прийнято
– 1400 об/хв.
Область визначення маси вантажу (X1) лежить в діапазоні від 500 кг до 3000
кг. Верхня межа обумовлена вантажопідйомністю навантажувального обладнання і
є гранично допустимою масою вантажу [17]. Нижня межа обумовлена масою
порожнього контейнера. При виборі локальної підобласті для натурних досліджень
верхня межа вибиралась з урахуванням обсягу контейнера і максимальної щільності
ТКВ і склала 2000 кг. В якості нульового рівня був обраний центр підобласті – 1250
кг.
Інформація з керованим факторів X1 і Х2 для реальних умов експлуатації
(область визначення) і для експериментальних досліджень (підобласть визначення)
представлена в табл. 3.1.
Таблиця 3.1 - Області і підобласті визначення чинників.
Область визначення Підобласть визначення
Фактор Нижня Верхня Нульовий Інтервал
межа межа рівень варіювання
Частота обертання двигуна 600 2200 1400 ±200 об/хв
базового шасі (X1) об/хв об/хв об/хв
Маса вантажу (X2) 500 кг 3000 кг 1250 кг ±750 кг
Обидва фактори незалежні, оскільки існує можливість установки кожного
фактору на будь-який рівень поза залежності від рівнів інших факторів і
сумісні, тобто їх комбінації здійсненні і безпечні. Таким чином, виконуються
основні вимоги до сукупності факторів при плануванні експерименту.
3.3 Методика планування експерименту
Була прийнята гіпотеза про те, що вихідна величина має лінійну залежність
від факторів, тобто рівняння регресії двофакторної моделі буде мати вигляд:
48
���� = ����(����1,����2) = ����0 + ����1 ⋅ ����1 + ����2 ⋅ ����2, (3.1)
де ����0, ����1, ����2– параметри лінійного рівняння;
����1, ����2 – фактори, впливають на значення величини ����.
Для оцінки параметрів лінійного рівняння множинної регресії необхідно
перейти до рівняння в стандартизованому масштабі.
Представляємо змінні ����, ����1 і ����2 як центровані і нормовані, тобто виражені
як відхилення від середніх величин, поділені на стандартне відхилення:
���� = ����1����−?̄?��1 ; ���� = ����2����−?̄?��2 ;���� = ��������−?̄?��
1 2 (3.2)
��������1 ��������2 ��������
Тоді рівняння множинної регресії прийме вигляд:
���� = ����1 ⋅ ����1 + ����2 ⋅ ����2 , (3.3)
де ����1 і ����2 - стандартизовані коефіцієнти регресії (бета коефіцієнти).
Рівняння 3.3 не має вільного члена, оскільки всі змінні виражені через
відхилення від середніх величин, а, як відомо:
a0 =Y − a1 ⋅ X1 − a2 ⋅ X 2 (3.4)
Стандартизовані коефіцієнти знаходяться методом найменших квадратів:
m
∑(y 2
i − yˆi ) → min (3.5)
i=1
Або:
m 2
∑( yi − (β1 ⋅ x1 + β2 ⋅ x2 )) → min , (3.6)
i=1
де m - кількість дослідних точок.
Точка мінімуму знаходиться із системи рівнянь:
49
∂f
= 0
∂β
1
(3.7)
∂f
= 0
∂β2
Отримуємо систему нормальних рівнянь, рішення яких дає значення
параметрів рівняння множинної регресії:
m m m
∑ yi x1 − β1∑ x1x1 −β2∑ x1x1 = 0
i=1 i=1 i=1
(3.8)
m m m
∑ yi x − β
2 1∑ x1x2 −β2∑ x2x2 = 0
i=1 i=1 i=1
Тоді параметри β1 і β2 рівняння множинної регресії визначаються по формулам
Крамера:
∆
β = β1 ∆
1 ;β2 =
β 2 (3.9)
∆ ∆
Далі необхідно перевірити значимість кожного із знайдених параметрів β1 і β2.
З цією метою може використовуватись t-статистика Стьюдента, дослідне значення
якої визначається за формулою:
����оп���� = �������� , (���� = 0,1. . .����) (3.10)
і ������������
де mβі - середньоквадратична помилка коефіцієнта βі:
���������1−����2��������1����2
������������ = ⋅ 1 (3.11)
���� 2 √����−����−1
���������1−����������������1����2
де �������� - середнє квадратичне відхилення значень змінної y;
������������ - середнє квадратичне відхилення для значень xi;
50
����2��������1����2 - коефіцієнт множинної детермінації для рівняння регресії в
цілому;
����2������������1����2 - коефіцієнт множинної детермінації, що характеризує залежність між
фактором xi та іншими факторами рівняння регресії.
Дослідне значення критерію ����оп���� порівняти з його критичним значенням -
точкою розподілу Стьюдента tкр(α, k ) при заданому рівні значущості α і числі
ступенів свободи k=m-n-1. Значення рівня значимості було прийнято α=0,05.
Гіпотеза про значущість коефіцієнта ����i не відкидається якщо , а
відповідний фактор xi залишається в рівнянні.
Від стандартизованої регресії можна перейти до рівняння регресії в
натуральному масштабі, тобто отримати рівняння регресії:
Y = a0 + a1⋅X1 + a2 ⋅ X 2 (3.12)
Коефіцієнти регресії в натуральному масштабі знаходяться на основі ����-
коефіцієнтів:
a σ 0
1 = β1 ;a σ 0
2 = β1 , (3.13)
σ1 σ 2
де σ 0 =σY ,σ1 =σ X ,σ 2 =σ X .
1 2
Далі необхідно перевірити адекватність знайденого рівняння регресії
дослідним даним. Для перевірки значущості рівняння регресії в цілому можна
використовувати F-статистику Фішера. Дослідне значення ����оп обчислюється за
формулою:
���� ����
оп = (∑����=1[����(���� ,���� ) − ?̄?��]2����1 ����2 /∑����
����=1[�������� − ����(��������1,���� 2 (����−����−1)
����2)] ) (3.14)
����
де Y - середнє дослідних значень випадкової величини Y.
Отримане значення порівнюється з критичним значенням Fкр(α;(m-n- 1);n)
критерію Фішера. Рівняння регресії в цілому вважається значущим у разі виконання
51
нерівності ����оп >����кр. В іншому випадку вважають, що рівнянням можна
користуватися як підставою для прийняття рішень.
Перевірка рівняння регресії на адекватність проводиться по середній
помилці апроксимації :
1 m Y − f (X , X )
ε = ∑ i i1 i2 100% (3.15)
m i=1 Yi
Рівняння регресії вважається адекватним, якщо середня помилка апроксимації
не перевищує 12...15%.
3.4 Обладнання для проведення експериментальних досліджень
Обладнання, необхідне для проведення експерименту можна розділити на три
основні групи:
• обладнання для визначення маси вантажу;
• обладнання для визначення витрати палива;
• обладнання для визначення частоти обертання двигуна.
Для визначення маси завантажуваних відходів раніше була розроблена
автоматична бортова система зважування, заснована на методі вимірювання маси
відходів за величиною тиску робочої рідини в гідросистемі [8].
Пристрій складається з компактного персонального комп'ютера (КПК),
терміналу, датчики тиску, датчики температури і дроти.
Термінал розроблений на основі аналого-цифрового перетворювача (АЦП) і
додатково включає GSM модуль, GPRS модуль GPS модуль для визначення
маршруту руху, швидкості руху на маршруті, пробіг, кількість рейсів (рис. 3.1).
52
Рисунок 3.1 - Термінал
Сумарна похибка терміналу не перевищує 0,3% [8].
Для вимірювання тиску робочої рідини (РР) у гідросистемі спеціального
автомобіля із заднім завантаженням використовувався датчик тиску DMP 330L (рис.
3.2). Датчик призначений для використання в системах автоматичного контролю,
регулювання і управління технологічними процесами в різних галузях
промисловості [16]. Похибка датчика тиску склала не більше 0,9% [8].
Рисунок 3.2 - Датчик тиску DMP 330L
Датчик тиску встановлювався в напірну магістраль гідроциліндра підйому
завантажувального порталу автомобіля. Місце установки датчика тиску вказано на
рис. 3.3.
53
Рисунок 3.3 - Місце установки датчика тиску
Для вимірювання температури РР в масляний бак встановлюється датчик
DS18B20 – цифровий термометр з програмованим дозволом, від 9 до 12– bit, який
може зберігатися в пам'яті приладу. Діапазон вимірювань від -55°C до +125 °C і
точністю 0.5°C. DS18B20 може харчуватися напругою лінії даних ("parasite power"),
при відсутності зовнішнього джерела напруги, при цьому максимальна вимірювана
температура становитиме +100°C, що цілком достатньо. Прилад являє собою
температурний датчик, з цифровим перетворювачем температури і оперативної
пам'яттю. Похибка датчика температури DS18B20 склала 0,4% [12].
При підйомі контейнера з відходами в пам'яті КПК створюється файл, в який
зберігаються дата і час підйому, координати місця підйому (GPS- модуль),
показання датчиків зафіксовані за допомогою АЦП. Зібрана інформація про файл
масі ТКВ зберігається в пам'яті КПК і відправляється через Інтернет (GSM/GPRS-
модуль) на віддалений сервер. Для кожного нового місця збору створюється новий
файл для запису даних. Одночасно, можливо графічне відображення зміни тиску в
гідроциліндрі на екрані КПК. Після закінчення завантаження ТКВ на борт
автомобіля запис у файл припиняється, і він зберігається в пам'яті термінала і, при
необхідності, передається через Інтернет на віддалений сервер.
Частота обертання двигуна базового шасі фіксувалася за даними штатного
електронного тахометра 251.3813 з діапазоном показань 0-4000 об/хв.
Для визначення витрати палива застосовувався ваговий метод, розглянутий у
розділі 1.4. Для проведення експериментальних досліджень була розроблена схема
підключення вимірювального обладнання для дизельного двигуна (рис. 3.4).
Для перемикання напрямку подачі і зливу палива в напірну і зливну магістралі
54
паливної системи були встановлені трипозиційні крани, які дозволяли здійснити
роботу двигуна з вимірювальної ємності.
Рисунок 3.4 - Схема підключення вимірювального обладнання
Маса витраченого палива фіксувалася на вагах фірми «МІДЛ», найбільшим
межею зважування 60 кг і похибкою 0,2%. При проведенні вимірювань ваги
працювали від вбудованого акумулятора. Регулювання ваг по рівню здійснювалася
за допомогою спеціальних ніжок, які регулюються по висоті.
Час вчинення окремих операцій визначалося по цифровому секундоміром з
ціною поділки 0,01 с. Таким чином, сумарна похибка системи вимірювання не
перевищувала 3,15%.
3.5 Методика оцінки адекватності математичної моделі
Перевірка адекватності математичної моделі реальному об'єкту полягає в
порівнянні даних, отриманих розрахунковим та експериментальним шляхом.
Створена математична модель повинна як можна більш точно описувати процеси,
для того, щоб її можна було використовувати для аналітичних досліджень.
Для кожного фактору (X1, X2) необхідно оцінити середнє розсіювання
розрахункових і експериментальних значень вихідної величини Y відносно лінії
регресії. Простіше всього вирішити дану задачу можна за залишковим сумами
квадратів, тобто шляхом порівняння дисперсій. Перевірка однорідності дисперсій
здійснювалася за допомогою критерію Фішера (F-критерій). Критерій Фішера являє
55
собою порівняння відношення більшої дисперсії до меншої з табличною величиною
F-критерію, при заданому рівні значущості α.
Нехай генеральні сукупності, отримані розрахунковим і експериментальним
шляхом, розподілені нормально. Тоді з незалежних вибірках для кожної точки
експериментальних даних були розраховані дисперсія відтворюваності S 2
{ } і
y
дисперсія адекватності S 2
ад .
Дисперсія в кожному досліді, що складається з n повторних спостережень,
визначається за формулою:
2
2 ∑q =1(y − yˆ)
S = q (3.16)
n −1
де у - середнє значення вихідної величини;
уq - значення вихідної величини при q-тому спостереженні в досліді;
n - кількість повторних спостережень.
Дисперсія відтворюваності S 2
{ } була отримана за формулою:
y
N q =1(y − yˆ)2
S 2 = ∑ i=1 ∑ iq
{y} (3.17)
N (n −1)
де N - кількість точок досліду, що досліджуються.
Дисперсія адекватності, що характеризує розкид розрахункових і
експериментальних даних, визначалась за формулою:
∑���� (���� −�������� 2
����2 = ����=1 ���� ���� )
ад (3.18)
����−����
де ���� - кількість коефіцієнтів, що визначаються;
�������� - і-те значення вихідної величини в експерименті;
������������ - і-те розрахункове значення вихідної величини.
За отриманими дисперсіями при заданому рівні значущості α=0,05 потрібно
56
перевірити нульову гіпотезу Н0, складається в тому, що дисперсії рівні між собою.
Зрозуміло, дисперсії відрізняються, але завдання формулюється саме таким чином,
оскільки потрібно визначити, значиме чи незначуще відрізняються дисперсії. Якщо
нульова гіпотеза підтвердиться, тобто дисперсії відрізняються незначно, то
математична модель зміни витрати палива в технологічному режимі роботи
спеціального автомобіля для збору та транспортування ТКВ адекватна реальним
процесам. Якщо нульова гіпотеза буде відкинута, тобто дисперсії неоднакові, то
відмінність дисперсій значимо, отже, математична модель має потребу в
доопрацюванні.
У якості критерію перевірки нульової гіпотези про рівність дисперсій
приймається відношення більшої дисперсії до меншої:
S 2
F = {y} , якщо S 2
2 { }⟩S
2
ад (3.19)
S y
ад
або
2
F S
= ад
2 , якщо S 2 2
{ }⟨Sад (3.20)
S y
{y}
Величина F має розподіл Фішера-Снедекора зі ступенями свободи n- 1 і N-K.
Для перевірки нульової гіпотези про рівність дисперсій необхідно розрахункове
значення F порівняти з табличним значенням критичної точки розподілу Фішера-
Снедекора при таких же ступенях свободи n-1 і N-K і заданому рівні значущості α.
Був обраний рівень значущості α=0,05.
Нульова гіпотеза підтверджується при умові:
F ⟨Fкр (α ,n −1, N − K ) (3.21)
При невиконанні умови (3.15) математична модель має потребу в
доопрацюванні.
57
3.6 Висновки до розділу 3
1. Проведено аналіз факторів, що впливають на вихідну величину витрату
палива в технологічному режимі експлуатації спеціальних автомобілів. Визначено
значимі фактори та межі їх зміни. Встановлено, що маса завантажуваних відходів і
обороти двигуна базового шасі надають найбільший вплив на витрату палива в
технологічному режимі експлуатації спеціальних автомобілів. Для проведення
експериментальних досліджень обрані інтервали зміни маси – від 500 кг до 2000 кг
і оборотів двигуна базового шасі – від 1200 об/хв до 1600 об/хв.
2. Обрані план проведення експериментальних досліджень та методика
перевірки надійності отриманих даних, обрана методика перевірки адекватності
математичної моделі зміни витрати палива спеціального автомобіля для збору та
транспортування ТКВ при роботі в технологічному режимі експлуатації.
3. Розроблено та створено обладнання, необхідне для проведення
експериментальних досліджень, і схема його підключення. Розрахована похибка
системи вимірювань.
58
РОЗДІЛ 4 РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ
4.1 Результати експериментальних досліджень впливу досліджуваних
факторів на витрату палива в технологічному режимі
Експериментальні дослідження складалися з визначення годинної витрати
палива при роботі в технологічному режимі експлуатації. Експеримент проводився
на базі підприємства УК «Нова Якість», м. Черкаси.
Експериментальні дослідження проводилися на об'єкті дослідження –
спеціальний автомобіль для збору та транспортування ТКВ СВ - 903.1. Була
отримана оцінка впливу кожного з факторів (маси вантажу, оборотів двигуна
базового шасі) на величину годинної витрати палива при підйомі контейнерів з ТКВ
різної маси. Експеримент проводився з класичного плану, тобто одна змінна
покладалася постійною, а інша – змінною. Змінна величина змінювалася у всьому
інтервалі значень. Результатом дослідження стала залежність годинної витрати
палива від маси вантажу, що піднімається при трьох рівнях обертів двигуна. В
даному випадку класичний експеримент був незбалансованим. Для залежності
годинної витрати палива від маси вантажу було отримано чотири рівня, від оборотів
двигуна базового шасі – три рівня. Експеримент проводився для найбільш значущої
операції в технологічному режимі роботи: підйом/опускання бака з ТКВ.
У ході планування експерименту, була прийнята гіпотеза про те, що вихідна
величина – годинна витрата палива, має лінійну залежність від факторів, тобто
рівняння регресії має вигляд:
���� = ����0 + ����1 ⋅ ����1 + ����2 ⋅ ����2 (4.1)
де ����0, ����1, ����2– параметри лінійного рівняння;
����1 - маса контейнера з
вантажем, кг;
����2 – частота обертання двигуна базового шасі, хв-1.
На спеціальний автомобіль в напірну і зворотні паливні магістралі були
59
встановлені трипозиційні крани, для забезпечення роботи двигуна з вимірювальної
ємності (рис. 4.1, а, поз.1). Маса витраченого палива фіксувалася для кожного
режиму завантаження контейнера на вагах фірми «МІДЛ» (рис. 4.1, а, поз.2).
Для навантаження контейнера використовувалися еталонні вантажі – мішки з
сипучим матеріалом (рис. 4.1, б). Мішки до проведення експерименту були зважені
і промарковані. Маса мішків становила від 20 до 25 кг.
У журналі спостережень фіксувалися: маса вантажу, маса витраченого палива
окремо при кожній операції, частота обертання двигуна, час операції і температура
робочої рідини.
Рисунок 4.1 - Експериментальні дослідження на спеціальному автомобілі СВ -
903.1: а, поз. 1 – місце установки трьохпозиційних кранів;
а, поз. 2 – місце установки вимірювальної ємності та ваги; б – процес завантаження
контейнера еталонними вантажами
У ході проведення експерименту здійснювалося за три повторення на кожному
рівні факторів. Одне повторення включало п'ятикратний підйом контейнера з ТКВ,
в ході якого фіксувався час підйомів і кількість витраченого палива. При проведенні
експерименту маса змінювалася на чотирьох рівнях від 500 кг – маса порожнього
контейнера, до 2000 кг – граничне паспортне навантаження на порталі. Обороти
двигуна змінювалися на трьох рівнях від 1200 до 1600 об/хв.
Маса вантажу фіксувалася з допомогою раніше розробленої бортової системи
зважування, яка ґрунтується на визначенні маси по тиску робочої рідини в
гідросистемі. Дані, отримані з бортової системи зважування, представлені на рис.
4.2.
60
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
Час операції, с
Рисунок 4.2 - Зміна тиску в гідросистемі під час завантаження контейнера
з ТКВ
Одночасно, було проведене тарування бортової системи зважування для
об'єкта дослідження – спеціального автомобіля СВ - 903.1.
Тарувальний графік представлений на рис. 4.3.
7000
6500
6000 y = 1,8894 x + 1933,6
5500
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
500 1000 1500 2000
Маса вантажу, який піднімається, кг
Рисунок 4.3 - Залежність тиску робочої рідини від маси вантажу
Дані, отримані в ході експерименту, представлені на рис. 4.4. На основі
отриманих даних була підтверджена первісна гіпотеза про лінійну залежність
вихідної величини від кожного з параметрів.
Тиск РР в гідроциліндрі, кПа
Тиск РР в гідроциліндрі, кПа
61
20
y = 0,0044 x +
18 9,01
16
14
12 y = 0,0034 x + 7,755
R2 = 0,9923
10
y = 0,0024 x + 4,59
6 R2 = 0,9863
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
Маса контейнера з ТПВ, кг
1200 хв-1 1400 хв-1 1600 хв-1
Лінійна (1200 хв-1) Лінійна (1400 мін-1) Лінійна (1600 хв-1)
Рисунок 4.4 - Зміна годинної витрати палива на об'єкті дослідження
Для побудови множинного рівняння регресії, отримані значення оброблялися
за методикою з розділу 3.3, при цьому визначалася значущість кожного з двох
факторів, значущість рівняння регресії в цілому і адекватність отриманого рівняння
експериментальним даним.
Для оцінки параметрів лінійного рівняння множинної регресії необхідно
перейти до значень в стандартизованому масштабі (табл. 4.1).
Таблиця 4.1. Матриця експерименту в стандартизованому масштабі.
Годинна витрата палива, y Маса, x1 Оберти двигуна, x2
-1,00 -1 -1
-0,40 -1 0
-0,09 -1 1
-0,76 -0,33 -1
-0,04 -0,33 0
0,31 -0,33 1
-0,54 0,33 -1
0,20 0,33 0
0,71 0,33 1
-0,41 1 -1
0,46 1 0
1,00 1 1
Погодинна витрата палива,
62
Таким чином, стандартизоване рівняння регресії прийме вигляд:
y = 0,424x1 + 0,580x2 (4.2)
Для визначення значимості кожного фактору рівняння, були розраховані
коефіцієнти кореляції змінних і побудована матриця коефіцієнтів парної
кореляції. Основні показники кореляційного аналізу наведено в табл. 4.2.
Таблиця 4.2. Основні показники кореляційного аналізу.
Дослідний
Фактори критерій tкр (0,05;9)
Стьюдента
Маса вантажу 8,69 2,26
Обороти двигуна 13,03 2,26
Розраховані значення критерію Стьюдента ����вп (стовпець 2) по модулю
виявилися більше критичних точок розподілу Стьюдента при заданому рівні
значущості α=0,05 (стовпець 3). Це означає, що обидва чинники значущі. Найбільш
значущим чинником, що впливає на годинну витрату палива, є обороти двигуна
базового шасі. Маса вантажу чинить менший вплив на вихідну величину.
Для визначення годинної витрати палива в технологічному режимі
експлуатації спеціального автомобіля для збору та транспортування ТКВ в
залежності від маси вантажу і оборотів колінчастого двигуна базового шасі було
отримано рівняння регресії в натуральному масштабі:
����теор = −17,09 + 0,0033����0 + 0,017���� (4.3)
де ����теор – годинна витрата палива теоретична, л/год;
����0 – маса
контейнера з вантажем, кг;
���� – частота обертання двигуна базового шасі, хв-1.
63
При перевірці адекватності отриманого рівняння регресії був проведений
порівняльний розрахунок експериментальної і теоретичної годинної витрат палива,
визначена помилка апроксимації на кожному рівні факторів (табл. 4.3.).
Таблиця 4.3 - Порівняння експериментальної і теоретичної годинної витрат
палива
Маса Обороти Середня Теоретична Помилка
���� , кг двигуна ����, хв-1 експеримен тальна годинна витрата апроксимації, %
годинна витрата палива, л/год
палива, л/год
500 1200 5,65 5,37 5,01
500 1400 9,25 8,83 4,57
500 1600 11,08 12,29 10,92
1000 1200 7,06 7,07 0,14
1000 1400 11,36 10,53 7,33
1000 1600 13,44 13,99 4,09
1500 1200 8,37 8,77 4,78
1500 1400 12,81 12,23 4,55
1500 1600 15,83 15,69 0,90
2000 1200 9,18 10,47 14,05
2000 1400 14,35 13,93 2,95
2000 1600 17,58 17,39 1,10
Середня помилка
апроксимації 5,03
Основні критерії оцінки значущості рівняння наведені в табл. 4.4.
Таблиця 4.4 - Критерії оцінки значущості рівняння регресії
Коефіцієнт детермінації R2 Критерій Фішера ����вп ���� (0,05;9;2)
0,945 122,6 19,38
Оскільки дослідне значення ����вп перевищує критичне ����, то рівняння регресії є
статистично значимим. Таким чином, перевірка значущості моделі за F-критерієм
64
Фішера показала, що рівняння статистично значиме з вірогідністю понад 0,95.
Середня помилка апроксимації склала 5,03%, отже, отримане рівняння адекватно
описує існуючий процес.
Технічною документацією на комунальну техніку не регламентуються оберти
двигуна базового шасі, на яких необхідно проводити технологічні операції. Нерідко
водій-оператор встановлює підвищені оберти двигуна для збільшення швидкості
виконання операції, що також призводить до збільшення кількості витраченого
палива.
Аналіз експериментальних даних щодо часу роботи спеціального обладнання
(рис. 4.5) показав, що зниження оборотів двигуна до мінімальних, призводить до
збільшення часу здійснення операції в середньому на 13,5 %, що в масштабах рейсу,
є несуттєвим, при цьому витрата палива знижується в середньому на 1,5 л за рейс.
24,08 25,00
20,41 21,43
20,00 21,43 20,00
17,55
15,00
15,51 16,94
18,16 10,00
5,00
0,00
Маса ТПВ 2000 кг
Маса ТПВ 1500 кг
1600 Маса ТПВ 1000 кг
1400
1200
Оберти двигуна, хв-1
Маса ТПВ 1000 кг Маса ТПВ 1500 кг Маса ТПВ 2000 кг
Рисунок 4.5 - Час здійснення операції підйому/опускання контейнера з ТКВ в
технологічному режимі експлуатації
Таким чином, для підвищення паливної економічності доцільно здійснювати
роботу на мінімально можливих обертах двигуна, що забезпечують нормальне
функціонування гідросистеми.
Час операції завантаження, с
65
За отриманими результатами можна зробити наступні висновки: первісна
гіпотеза про лінійної залежності вихідної величини від кожного з параметрів
підтвердилася; обидва чинники є значущими, тобто їх необхідно враховувати при
визначенні теоретичної годинної витрати палива; для підвищення паливної
економічності, роботу в технологічному режимі доцільно проводити на мінімально
можливих обертах двигуна, що забезпечують нормальне функціонування
гідросистеми.
4.2 Результати аналітичного дослідження витрати палива на спеціальному
автомобілі для збору і транспортування ТКВ
Моделювання процесів, що відбуваються при роботі навантажувального
обладнання спеціального автомобіля для збору та транспортування ТКВ,
проводилося з допомогою комп'ютерної програми (розділ 2.5), розробленої на
основі математичної моделі, описаної в розділах 2.3-2.4.
Комп'ютерна програма під час розрахунку дозволяє керувати процесом роботи
гідроциліндра – відкривати/закривати золотники гідророзподільника, а також
навантаженням і оборотами двигуна.
Результатом аналітичного дослідження процесів, що відбуваються під час
підйому вантажу, стала залежність годинної витрати палива від маси вантажу і
обертів двигуна. На рис. 4.6 наведена аналітична залежність годинної витрати
палива від маси завантажених відходів при роботі автомобіля на рекомендованих
обертах двигуна (1200 об/хв). На рис. 4.7. наведена аналітична залежність годинної
витрати палива від оборотів двигуна базового шасі автомобіля при максимальному
заповненні контейнера з ТКВ (2000 кг).
За отриманими даними можна зробити висновок, що графік залежності
годинної витрати палива від оборотів двигуна має більший кут нахилу, і, отже, даний
чинник більш істотно впливає на розрахункову величину.
66
9,00
8,00
7,00
6,00
5,00
4,00
500 1000 1500 2000 2500 3000
Маса ТПВ в контейнері, кг
Рисунок 4.6 - Зміна годинної витрати палива від маси вантажу (оберти
двигуна - 1200 об/хв)
50
45
40
35
30
25
20
15
10
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Оберти двигуна, хв-1
Рисунок 4.7 - Зміна годинної витрати палива від обертів двигуна
(маса контейнера з ТКВ 2000 кг)
Наступним етапом в роботі необхідно було перевірити адекватність
розробленої математичної моделі реальному об'єкту.
Годинна витрата палива, л/год Годинна витрата палива, л/год
67
4.3 Оцінка адекватності математичної моделі
Адекватність математичної моделі зміни годинної витрати палива автомобіля
реальному об'єкту перевірялася шляхом порівняння даних, отриманих
розрахунковим та експериментальним шляхом.
На рис. 4.8 представлено порівняння розрахункових і експериментальних
даних.
18
16
14
12
10
500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900
Маса контейнера з ТПВ, кг
1200 хв-1 (експ.) 1400 хв-1 (експ.) 1600 хв-1 (експ.)
1200 хв-1 (мод.) 1400 хв-1 (мод.) 1600 хв-1 (мод.)
Рисунок 4.8 - Порівняння розрахункових і експериментальних даних
Методика оцінки адекватності моделі реальному об'єкту описана в розділі 3.5.
Порівняння розрахункових і експериментальних даних проводилось за допомогою
критерію Фішера (F-критерій), тобто порівнювалися відношення більшої дисперсії
до меншої і табличне значення F-критерію, при заданому рівні значущості α=0,05.
Результати розрахунків представлені в табл. 4.5.
Таблиця 4.5 - Оцінка адекватності математичної моделі
Дисперсія Дисперсія Критерій
відтворюваності адекватності Фішера Табличне значення
(F) критерію Фішера(Fкр)
0,0513 0,0825 1,60 4,30
Розрахункове значення критерію Фішера виявилося менше табличного
значення, тобто умова (3.21) виконується, таким чином, розроблена
математична модель значимо описує результати експериментальних
Годинна витрата палива, л/год
68
досліджень, тобто адекватна реальним процесам. Математична модель може
бути використана для аналітичних досліджень і визначення витрат палива в
залежності від маси завантажуваних відходів.
На розробленій математичній моделі були проведені аналітичні
дослідження. Була спрогнозована годинна витрата палива спеціальних
автомобілів з дизельними двигунами КрАЗ 5401Н2 з боковим завантаженням і
ЯМЗ-238 при завантаженні ТКВ і роботі на рекомендованих обертах двигуна
(1200 об/хв). Дані отримані в ході аналітичного дослідження наведено на рис.
4.9.
8,00
6,00
4,00
500 1000 1500 2000 2500 3000
Маса ТПВ, кг
КрАЗ 5401Н2 ЯМЗ-238
Рисунок 4.9 - Зміна годинної витрати палива від маси вантажу
(оберти двигуна - 1200 об/хв)
За результатами аналітичного дослідження, за формулою (1.2) можна
спрогнозувати норму витрати палива за добу для спеціальних автомобілів на
базі шасі з дизельними двигунами КрАЗ 5401Н2 і ЯМЗ-238.
Годинна витрата палива, л/год
69
4.4 Рекомендації щодо коригування норм витрат палива в технологічному
режимі експлуатації спеціальних автомобілів для збору і транспортування ТКВ
Для практичного застосування результатів досліджень була розроблена
«Методика диференційованого коригування норм витрат палива» з урахуванням
завантаження автомобілем різної маси вантажу.
В даний час всі підприємства, організації, підприємці та інші, для списання
палива та податкового обліку повинні розраховувати нормоване значення витрат
палива згідно з Методичними рекомендаціями [24].
На сьогоднішній день парк автотранспортних підприємств, які виконують
роботи в житлово-комунальному секторі, постійно оновлюється. З'являються нові,
більш досконалі і адаптовані до сучасних умов експлуатації транспортні засоби.
Методичні рекомендації, розроблені в 2004 році, не включають весь перелік
рухомого складу, що експлуатується на автотранспортних підприємствах. У зв'язку
з цим, на автотранспортних підприємствах виникають складнощі і розбіжності з
податковою інспекцією при списанні пального. Діючі нормативні документи
допускають введення юридичною особою або ІП базових норм витрат палива на дані
ТЗ, за індивідуальними заявками в установленому порядку науковими
організаціями.
Одночасно з цим, діючі методичні рекомендації не враховують усі умови
експлуатації, а саме вплив різних факторів на витрату палива в технологічному
режимі експлуатації спеціальних автомобілів для збору та транспортування ТКВ, як-
то: масу завантажених відходів і обороти двигуна базового шасі. Норми, як правило,
розраховуються по верхній межі, із-за чого виникає проблема коректності оцінки
кількості фактично витраченого палива і наявності перевитрати.
В основу розроблюваної методики покладено методичні рекомендації щодо
визначення норми витрати палива. Запропонована методика відрізняється тим, що
дозволяє визначати норму витрати палива в технологічному режимі експлуатації в
залежності від маси завантажених відходів і оборотів двигуна базового шасі:
Q = (0,01HS ⋅ S +Qтехн (m0;nдв )) ⋅ (1+ Д ) + 0,25 (4.4)
70
де Q - норма витрати палива, л; Hs - лінійна норма витрати палива, л/100 км; S
- пробіг машини, км; Д - сумарна відносна надбавка до лінійних витрат палива;
Qтехн(����0; ����дв) - витрата палива при роботі спецобладнання, розраховані за
розробленою математичною моделлю, л.
З метою оперативного коригування норм витрат палива на підприємстві
необхідно отримувати та обробляти дані про кількість і масі завантажених
контейнерів з ТКВ. На рис. 4.10 представлений алгоритм визначення норми витрати
палива за зміну на основі розробленої математичної моделі.
З допомогою автоматичної бортової системи зважування здійснюється збір,
обробка і передача даних про дату, час і місце завантаження ТКВ, кількості і масі
завантажених контейнерів з ТКВ, а також часу здійснення операції завантаження і
роботи в технологічному режимі.
На основі отриманих в рамках дослідження залежностей і математичної
моделі, визначається витрата палива при завантаженні контейнера з ТКВ:
g k ⋅N k
Q e H
техн (k) = ⋅ tзаг.k (4.5)
1000 ⋅ ρпалив
Таким чином, кількість палива, витраченого на завантаження кузова
автомобіля, визначається за формулою:
k
∑Qтехн (i) =Qтехн (1) +Qтехн (2) + ...+Qтехн (k) (4.6)
i=1
де k - кількість завантажених контейнерів.
З урахуванням допоміжних операцій, витрата палива в технологічному режимі
роботи визначається за формулою:
Qтехн =∑Qтехн (k) ⋅Kвсп.оп. (4.7)
71
На підставі отриманих даних, за формулою 4.4 визначається норма витрати
палива за рейс. Отримане значення порівнюється з кількістю фактично витраченого
палива. При значному розходженні даних, співробітник інженерно-технічної служби
(ІТС) АТП з'ясовує його причину.
Рисунок 4.10 - Алгоритм визначення норми витрати палива спеціального
автомобіля для збору та транспортування ТКВ
Співробітник ІТС підприємства вводить у вікно програми вихідні дані: водія-
оператора, марку і модель автомобіля, пробіг, кількість фактично витраченого
палива, вибирає із запропонованого списку поправочні коефіцієнти, і здійснює
вивантаження даних в програму з бортової системи зважування (кількість
завантажених контейнерів, масу кожного контейнера, час завантаження
72
контейнерів, час роботи в технологічному режимі).
Програма в автоматичному режимі розраховує норму витрати палива в
технологічному режимі роботи автомобіля та норму витрати палива за рейс,
порівнює її з кількістю фактично витраченого палива. При розходженні даних більш
ніж на 5%, виводиться повідомлення про необхідність усунення причин цієї
розбіжності. За результатами роботи за встановлений період формується звіт про
роботу водія-оператора, про можливі несправності елементів і систем автомобіля,
що призводять до зниження паливної економічності.
На основі запропонованої методики, був розроблений алгоритм реалізації
розробленої методики на АТП (рис. 4.11).
Рисунок 4.11 - Алгоритм реалізації розробленої методики на АТП
По поверненню транспортного засобу в парк після закінчення роботи,
механік виконує приймання ТЗ і збір даних про роботу автомобіля (кількість рейсів,
73
кількість і маса завантажених контейнерів з ТКВ, пробіг, фактична кількість
витраченого палива). На підставі отриманих даних за допомогою розробленої
методики та програмного продукту, механік визначає норму витрати палива ТЗ за
рейс [18]. Якщо фактична вартість витраченого палива відрізняється від
розрахункового в межах похибки, то закривається зміна водія з урахуванням
фактичної витрати палива. При істотній економії палива, механік може
рекомендувати водія до преміюванню. В іншому випадку, при значному
перевищенні фактично витраченого палива розрахованої норми, необхідно виявити
причину перевитрати. На першому етапі проводиться діагностика елементів і систем
спеціального обладнання. При виявленні несправностей, необхідно їх оперативно
усунути. У разі повністю справного спеціального обладнання, необхідно провести
діагностику елементів і систем базового шасі ТЗ. При виявленні несправностей,
також необхідно їх оперативно усунути. Якщо за результатами комплексної
діагностики автомобіль перебувати в повністю справному стані, то вина за
перевитрату палива лягати на водія. За результатами додаткової перевірки
документації, механік може рекомендувати накласти штраф на водія. Заключним
етапом, необхідно надати всю отриману інформацію керівництву для прийняття
остаточного рішення.
Застосування розробленого алгоритму дозволить в оперативному режимі
виявляти наявність перевитрати палива транспортного засобу та визначати його
причину. При наявності повністю справного парку ТЗ, це значно знизить
ймовірність розкрадання палива і некваліфікованого керування ТЗ, а також
дозволить істотно підвищити паливну економічність і зменшити витрати
підприємства.
4.6 Висновки до розділу 4
1. Отримані експериментальні залежності зміни витрати палива
спеціального автомобіля для збору та транспортування ТКВ від маси
завантажених відходів і оборотів двигуна базового шасі при підйомі
74
контейнерів з ТКВ.
2. Проведено аналітичне дослідження. Проведена оцінка адекватності
розробленої математичної моделі реальному об'єкту. Встановлено, що
математична модель адекватно описує результати експериментальних
досліджень.
3. Встановлені експериментальні закономірності зміни витрат палива в
технологічному режимі експлуатації автомобіля від маси завантажених
відходів і обертів двигуна. Робота на рекомендованих обертах двигуна
дозволить знизити кількість фактично витраченого палива при здійсненні
операції з підйому і опускання контейнерів з ТКВ до 1,5 л за рейс.
4. На основі встановлених закономірностей розроблено методику
диференційованого коригування норм витрат палива з урахуванням
завантаження автомобілем різної маси вантажу. Застосування розробленої
методики дозволить знизити питомі приведені річні витрати до 4,4 %, що
дозволить, при існуючій завантаженні автомобіля, економити на експлуатації
до 50 тис. грн. в рік.
75
ВИСНОВКИ
1. На основі розроблених експериментально-розрахункових залежностей
вирішена важлива науково-практична задача підвищення ефективності перевезення
твердих комунальних відходів шляхом оперативного коригування норм витрат
палива в технологічному режимі експлуатації спеціальних автомобілів для збору та
транспортування ТКВ.
2. Аналіз факторів, що впливають на зміну витрат палива для спеціальних
автомобілів для збору і транспортування ТКВ в технологічному режимі
експлуатації, показав, що маса завантажуваних відходів і обороти двигуна базового
шасі надають найбільший вплив на витрату палива. Встановлено, що найбільш
значущим чинником є обороти двигуна базового шасі.
3. Розроблена математична модель зміни навантаження на колінчастому
валу двигуна спеціального автомобіля для збору та транспортування ТКВ в
технологічному режимі експлуатації, в якій вперше враховано фактори: маса
вантажу і обороти двигуна базового шасі. Доведено адекватність розробленої
математичної моделі реальному об'єкту. Модель дозволяє теоретично визначити
витрата палива в технологічному режимі експлуатації спеціальних автомобілів.
4. Встановлені експериментальні закономірності зміни витрат палива в
технологічному режимі експлуатації автомобіля від маси завантажених відходів і
обертів двигуна. Робота на рекомендованих обертах двигуна дозволить знизити
кількість фактично витраченого палива при здійсненні операції з підйому і
опускання контейнерів з ТКВ до 1,5 л за рейс.
5. З урахуванням отриманих закономірностей, розроблена методика
диференційованого коригування норм витрат палива для спеціальних автомобілів
для збору і транспортування ТКВ в технологічному режимі експлуатації.
Застосування розробленої методики дозволить знизити питомі наведені річні
витрати на 4,4 %, що дозволить, при існуючому завантаженні автомобіля,
економити на його експлуатації до 50 тис. грн. в рік.
76
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Іщенко, В.А. Дорожня карта впровадження оптимального сценарію
поводження з ТПВ у малих містах України [Текст] / В.А. Іщенко // Вісник ЛДУ
БЖД. -2014. -№ 9. -С. 137-142.
2. Дудар, І.Н. Діагностика стану системи поводження з твердими побутовими
відходами [Текст] / І.Н. Дудар // Сучасні технології, матеріали і конструкції в
будівництві. -2017. -№ 21(2). -С. 41-49.
3. Яворовська О. В. Організаційно – економічне забезпечення поводження з
твердими побутовими відходами у малих містах України на прикладі м. Тульчин.
Сучасні проблеми архітектури та містобудування. 2014. Вип. 35. С. 308-313.
4. Дудар І. Н., Яворовська О.В. Аналіз методів отримання альтернативної
енергії у житлово – комунальному секторі. Сучасні технології, матеріали і
конструкції в будівництві. 2014. № 1 (16). С. 105-109.
5. Дудар І.Н., Яворовська О.В. Розробка екологічної карти розташування
приватних пунктів прийому вторсировини у місті Вінниця. Енергоефективність в
будівництві та архітектурі. 2017. Том.9. С. 64-68.
6. Колодницька Р.В. Моделювання витрати дизельного біопалива для
автомобільного транспорту. Сучасні технології та перспективи розвитку
автомобільного транспорту: матеріали ХІV Міжнародної науково-практичної
конференції (Вінниця, 25 – 27 жовтня 2021 р.). Вінниця. 2021. С.
7. Scora G. and Barth M. Comprehensive modal emissions model (CMEM), version
3.01, user’s guide. Univ. California, Riverside, CA, USA, Tech. Rep., 2006.
URL:https://www.cert.ucr.edu/sites/g/files/rcwecm1251/files/2019-
07/CMEM_User_Guide_v3.01d.pdf (дата звернення: 15.01.2022).
8. Shang R., Zhang Y, Shen Z-J. M., Zhang Y. Analyzing the Effects of Road Type
and Rainy Weather on Fuel Consumption and Emissions: A Mesoscopic Model Based
on Big Traffic Data. IEEE Access. VOLUME 9, 2021. P. 62298-62315.
9. Ericsson, E. Optimizing route choice for lowest fuel consumption – potential
effects of a new driver support tool / Ericsson E., Larsson H., Brundell-Freij K. //
Transportation Research Part C. № 14. – 2006 – p. 369–383.
77
10. Abdelli, I.S. GIS-based approach for optimized collection of household
waste in Mostaganem city (Western Algeria) / Abdelmalek F., Djelloul A., Mesghouni
K. and Addou A. // Waste Management & Research Vol. 34(5) – 2016 – p. 417– 426.
11. Волков В.П. Теорія руху автомобіля: підручник / В.П. Волков, Г.Б.
Вільковський – Суми: університетська книга, 2015 . – 320 с.
12. Автомобілі. Теорія експлуатаційних властивостей : навчальний
посібник / В. В. Біліченко, О. Л. Добровольський, В. О. Огневий, Є. В. Смирнов –
Вінниця : ВНТУ, 2017. – 163 с.
13. Бажинова Т.О. Експлуатаційні властивості гібридних автомобілів:
монографія/ Т.О. Бажинова, А.О. Борисенко. – Х.: ФОП Бровін О.В., 2016. – 104с.
14. Яворовська О.В. Закордонний досвід формування містобудівної
інфраструктури санітарного очищення: огляд. Містобудування та територіальне
планування. 2020. Вип. 73. С. 288-300.
15. Про оцінку впливу на довкілля (2017). Закон України від 23.05.2017 р.
№2059-VIII. Джерело http://zakon5.rada.gov.ua/laws/show/2059-19 8. Положення
про участь громадськості у прийнятті рішень у галузі охорони навколишнього
середовища: Наказ Міністерства охорони навколишнього середовища України від
18.12.2003. № 168. (2004). Офісний вісник України, 6, 357.
16. Яворовська О.В. Розміщення об’єктів інфраструктури санітарного
очищення у планувальній структурі міста. Містобудування та територіальне
планування. 2020. Вип. 74. С. 382-395.
17. Київ спец тех. Каталог техніки
https://kievspecteh.com/catalog/musorovozy-s-zadney-zagruzkoy/smittievoz-iz-
zadnim-zavantazhennyam-na-shasi-kraz-
5401n2?srsltid=AfmBOop8Ql0c3ZiSu4131QqdpQy8YAfSyL7b8bEzl0ZTT27JJM3o
DeKs.
18. Яценко О.С., Солтус А.П. Вдосконалення паливної економічності
автомобілів спеціального призначення / Збірник тез доповідей студентської
науково-практичної конференції ЧДТУ: 22–24 квітня 2025 р. м. Черкаси С. 160-
161.