Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Лук’янченко Олександр Юрійович
УДК 629.014.8
РОЗРОБКА МОДЕЛЕЙ І КРИТЕРІЇВ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОЖЕЖНИХ АВТОМОБІЛІВ
Спеціальність 05.22.20 –експлуатація та ремонт засобів транспорту
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ-2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник – доктор технічних наук, професор
Левковець Петро Романович,
Національний транспортний університет, проректор
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Рудзінський Володимир Васильович,
Державне підприємство “Державний автотранспортний науково-дослідний і проектний інститут”Міністерства транспорту України, заступник директора з наукової роботи
кандидат технічних наук, доцент
Левківський Олександр Петрович
Національний транспортний університет, доцент кафедри “Виробництво, ремонт та матеріалознавство”
Провідна установа –Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України, кафедри “Трактори і автомобілі”, “Експлуатація техніки та інженерний менеджмент”, м. Київ.
Захист відбудеться “25” листопада 2005 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, аудиторія 333.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.
Автореферат розісланий “ 23 ”жовтня 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Матейчик В.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Величина втрат від пожеж у значній мірі залежить від того, наскільки швидко й ефективно будуть прийняті заходи для їх ліквідації. Відомо, що значні (за величиною матеріальних збитків) пожежі відбуваються в результаті несвоєчасного гасіння, коли час вільного розвитку пожежі перевершує деяке “критичне”значення.
У таких умовах вирішального значення набуває технічне забезпечення пожежних підрозділів, від досконалості та ефективності функціонування якого залежать часові характеристики гасіння пожеж. І в першу чергу це відноситься до традиційних мобільних сил пожежної охорони, структурний склад яких майже на 95 % представлений пожежними автомобілями.
Однак, більшість автомобілів, що знаходяться на озброєнні пожежної охорони, створювались в основному з позицій накопиченого досвіду та інтуїції розробників, що певним чином зумовило ігнорування деяких взаємозв’язків між елементами складної системи, якою є пожежний автомобіль, а також впливу окремих зовнішніх факторів на якість функціонування системи. А це, в свою чергу, призвело до прагнення поліпшити одні показники якості функціонування пожежного автомобіля за рахунок інших.
Так, на певному етапі відбулось зміщення акцентів в бік поліпшення ефективності роботи пожежного автомобіля в стаціонарному режимі за рахунок вдосконалення кількісного та якісного складу сил і засобів пожежогасіння та їх раціонального розміщення. При цьому задача розробки базового шасі для створення пожежного автомобіля обмежується тільки вибором, серед серійних, такого автомобіля, шасі якого змогло б забезпечити ефективну роботу пожежної надбудови. Між тим, саме базове шасі у значній мірі визначає функціональні можливості пожежного автомобіля, оскільки від його технічних характеристик та можливостей їх реалізації під час руху до місця виклику залежить час подачі першого ствола на вирішальному напрямку, а відповідно, і зменшення часових характеристик, пов’язаних з іншими етапами гасіння пожежі.
Розв’язання зазначеної проблеми головним чином базується на розробці теоретико-методологічних основ, нових інформаційних технологій керування та методів підвищення ефективності використання пожежних автомобілів та їх функціональних систем на всіх етапах життєвого циклу. Основу таких процесів складають методи системного проектування на базі моделювання та системної оптимізації.
Актуальність темиданої дисертаційної роботи полягає в комплексному розгляді процесів функціонування пожежних автомобілів і оптимізації основних показників їх використання за призначенням на основі розробки моделей і критеріїв формування конструктивних і експлуатаційних властивостей.
Розробка зазначених моделей і критеріїв є основою для визначення шляхів підвищення ефективності експлуатації пожежних автомобілів.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов’язана з дослідженнями Національного транспортного університету за темою № К 05-01-1 “Розробка методів, моделей і стратегій розвитку виробництва на базі інвестиційної діяльності”(номер держреєстрації 0101U002017). Особисто автором в контексті даної програми розроблені моделі і критерії формування конструктивних і експлуатаційних властивостей пожежних автомобілів.
Дисертаційні дослідження пов’язані також з “Планом наукових досліджень та розробок з удосконалення діяльності органів і підрозділів внутрішніх справ на 2002 –роки”за темою № 7.3.1 “Дослідження технічних засобів пожежогасіння, протипожежного захисту, пожежно-технічного озброєння та надання науково-методичної допомоги зацікавленим організаціям у розробленні та впровадженні їх у виробництво”.
Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є забезпечення якості формування конструктивних і експлуатаційних властивостей пожежних автомобілів, а також ефективності їх використання у цільовому середовищі функціонування за рахунок розробки відповідних моделей і методів оптимізації та їх реалізації шляхом впровадження певних науково-технічних рішень.
Для досягнення даної мети в роботі поставлені та вирішені такі задачі дослідження:
Об’єктом дослідження є пожежний автомобіль як цільова категорія і процес його експлуатації як категорія засобів досягнення мети.
Предмет дослідження –конструктивні і експлуатаційні властивості пожежних автомобілів і моделі та критерії їх формування та реалізації.
Методологія дослідження. Для вирішення задач дослідження було використано комплекс методів: статистичну обробку інформації, методи оптимізації і математичне моделювання, теорію автомобіля, теоретичні основи двигунів внутрішнього згоряння, основи технічної експлуатації автомобілів, технічну кібернетику, теорію формування конструктивних і управлінських рішень.
Наукова новизна одержаних результатів.
Основний результат дисертаційної роботи полягає у вирішенні теоретичних і практичних завдань щодо розробки методів і критеріїв формування конструктивних і експлуатаційних властивостей пожежних автомобілів та забезпечення їх реалізації у вигляді відповідних організаційно-технічних рішень на етапах проектування, виробництва та експлуатації, зокрема:
Практичне значення отриманих результатів дисертаційної роботи полягає в тому, що одержані в дисертації моделі і критерії формування конструктивних і експлуатаційних властивостей пожежних автомобілів та моделі їх оптимізації доведені до рівня обчислювальних та організаційно-технологічних процедур і можуть бути реалізовані в практичних підрозділах пожежної охорони, на підприємствах пожежного автомобілебудування та в навчальних закладах і наукових установах автомобільного та пожежно-технічного спрямування.
Реалізація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи впроваджені компанією “Тітал”при розробці конструкції пожежної автоцистерни АЦ-20-2,5 (120.14)-100 “Касатка”, в СДПЧ-1 м. Одеса при модернізації пожежних автомобілів, а також в Черкаському інституті пожежної безпеки при підготовці фахівців зі спеціальності “Пожежна безпека”.
Особистий внесок здобувача. Матеріали досліджень опубліковані у фахових виданнях ВАК України та включають особисту розробку основних напрямків підвищення ефективності використання пожежних автомобілів та шляхів забезпечення реалізації заходів щодо поліпшення експлуатаційних властивостей мобільної пожежної техніки.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційних досліджень доповідались і отримали позитивну оцінку на: наукових конференціях професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету (м. Київ, 1999 –р.р.); 4-й українській конференції з автоматичного управління “Автоматика –”(м. Черкаси, 1997 р.); ІІІ науково-практичній конференції “Пожежна безпека”(м. Київ, 1997 р.); науково-практичних конференціях в Черкаському інституті пожежної безпеки (м. Черкаси, 2000 –р.р.); засіданнях семінару “Системні методи керування, технологія та організація виробництва ремонту і експлуатації транспортних засобів”(м. Київ, 1999 –р.р.).
Публікації. Результати дисертації опубліковані в семи статтях в збірниках наукових праць, матеріалах двох конференцій.
Структура та обсяг дисертації. Структура дисертаційної роботи визначена задачами дослідження і включає вступ, чотири розділи, загальні висновки, список використаних джерел (145 найменувань). Загальний обсяг дисертації –сторінки машинописного тексту, 45 ілюстрацій та 14 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, викладено зв’язок обраного напрямку досліджень із планами науково-дослідних робіт, визначено мету дослідження та намічено напрямки для її досягнення, наведено короткий зміст кожного з розділів, подано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.
У першому розділі представлено результати дослідження процесів створення та експлуатації пожежних автомобілів. На основі аналізу життєвого циклу пожежних автомобілів як об’єкта дослідження, визначено основні напрямки поліпшення системних властивостей мобільної пожежної техніки та окреслено комплекс задач, що мають бути розв’язані у дисертаційній роботі.
Встановлено, що вирішальним фактором під час використання є часові характеристики, тому цільову функцію оптимального функціонування пожежного автомобіля можна представити в такому вигляді:
(1)
розг –час бойового розгортання на місці пожежі;
гас –час гасіння.
Проведено системний аналіз процесів функціонування пожежних автомобілів як оперативних транспортних засобів, виділено негативні тенденції при їх створенні та використанні.
Проблема спричинена недостатньою реалізацією системного підходу до формування експлуатаційних властивостей пожежного автомобіля та вирішення задач їх створення як об’єктів нової техніки, а також складністю процесів їх моделювання та оптимізації.
Як наслідок, виникає потреба у створенні нових методів, що базувалися б на системному підході, який дає змогу з єдиних позицій розглядати сучасні підходи до процесів створення та експлуатації пожежних автомобілів (табл. 1).
Таблиця 1
Взаємозв’язок процесів вдосконалення пожежних автомобілів
|
ЖИТТЄВИЙ ЦИКЛ ПОЖЕЖНОГО АВТОМОБІЛЯ |
|
Етапи проектування і виробництва |
Етап експлуатації |
|
ОСНОВНІ ЗАДАЧІ ВДОСКОНАЛЕННЯ ПОЖЕЖНИХ АВТОМОБІЛІВ |
|
|
|
|
|
|
|
Для забезпечення ефективності створення та використання за цільовим призначенням пожежних автомобілів виникає необхідність розробки та впровадження відповідних організаційно-технічних рішень.
Основним завданням розробки та впровадження цих рішень є формування відповідного науково-методичного інструментарію, що і є метою даної дисертаційної роботи.
Зазначено, що розв’язання виділеної проблеми головним чином повинно базуватись на розробці ефективних моделей і критеріїв формування системних властивостей пожежних автомобілів. Саме такий шлях дає змогу підійти до вирішення задачі забезпечення ефективної експлуатації пожежного автомобіля за сучасних умов.
Окрім того, розробка зазначених моделей і критеріїв безпосередньо впливає на досліджуваний об’єкт і стає гарантом підвищення його якості. Таким чином, ув’язуються дві ортогональні категорії: ефективність (експлуатації пожежних автомобілів) і якість (створюваних пожежних автомобілів).
Важливе значення в справі підвищення якості і ефективності пожежних автомобілів відводиться їх адаптації до умов і середовища цільового використання. Пояснюється це тим, що пожежний автомобіль, який надходить на озброєння оперативних підрозділів, має певний рівень якості, заданий при проектуванні і забезпечений при виробництві. Під час експлуатації автомобіля його якість характеризується вже не заданими, а реалізованими показниками, тобто кількісними характеристиками властивостей автомобіля, які розглядаються стосовно конкретних умов його оперативного використання (рис.1).
Реалізовані показники характеризують ефективність використання пожежного автомобіля за призначенням. Однак ці показники можуть суттєво відрізнятися від номінальних, які визначають якість нового автомобіля в стандартних (заданих) умовах експлуатації.
Поняття адаптивності досить широке й охоплює всі сфери оперативного використання і технічної експлуатації автомобіля: бойове чергування, рух за викликом, бойове розгортання, гасіння.
Отримані результати створюють реальну основу для розв’язання проблеми забезпечення необхідного рівня ефективності та якості функціонування пожежних автомобілів у середовищі цільового використання.
У другому розділіпредставлено методичні аспекти побудови системної моделі взаємозв’язку властивостей пожежних автомобілів.
Проведено дослідження основних показників пожежних автомобілів та проаналізовано їх вплив на оптимізацію цільової функції функціонування пожежного автомобіля. Сформульовано системні вимоги та обмеження до процесу моделювання взаємодії між собою основних параметрів пожежних автомобілів.
В умовах, коли відомі параметри, що визначають ефективність використання пожежного автомобіля, але невідомий взаємозв’язок між ними, доцільно використання підходу, в основі якого лежить запропонована Н. Вінером ідея “чорного ящика”. “Чорний ящик”–це об’єкт дослідження, в даному випадку пожежний автомобіль (рис. 2).
Метою моделювання в цьому випадку є опис поведінки пожежного автомобіля як єдиного цілого.
Процес функціонування об’єкта дослідження оцінюється за допомогою змінних, що включають цільові показники, які виступають системними характеристиками пожежного автомобіля. Ці показники, що характеризують ефективність функціонування автомобіля, мають різну природу, описуються відповідними залежностями і характеризуються різними параметрами, однак для оптимізації математичної моделі потрібно мінімізувати їх кількість, обираючи такі, які найбільш повно характеризують складну систему, якою є пожежний автомобіль.
При побудові математичної моделі запропоновано використовувати комплексні показники, які певним чином пов’язують між собою потужнісні, вагові та габаритні параметри пожежних автомобілів (табл. 2).
Таблиця 2
Комплексні показники
|
питома потужність |
коефіцієнт щільності компонування |
коефіцієнт використання габаритної довжини |
|
де Nе –ефективна (максимальна) потужність двигуна; Ga –повна маса автомобіля; Va –габаритний об’єм автомобіля; Lкуз –довжина кузова (пожежної надбудови); L –габаритна довжина автомобіля. |
Також введено узагальнюючий показник “кількість руху”p= μGavmax (де μ –коефіцієнт використання маси базового шасі; vmax –максимальна швидкість автомобіля), що відображає одночасно швидкісні та вагові характеристики пожежного автомобіля, і, відповідно, дає можливість пов’язати часові характеристики процесів руху до місця виклику та гасіння пожежі.
На підставі запропонованих методик, побудована математична модель взаємозв’язку системних властивостей мобільної пожежної техніки, в якій в якості критерію ефективності виступає уже названий показник “кількість руху”:
(2)
Х –питома потужність двигуна (NП);
Х –коефіцієнт щільності компонування (KЩ);
Х –коефіцієнт використання габаритної довжини (kL).
Отримана математична модель дозволяє за параметром визначити рівень пристосованості пожежних автомобілів до умов експлуатації на етапах проектування і виготовлення нових моделей. Вона також може бути використана для визначення потенціалу пристосованості в даний момент часу і, крім того, дозволяє провести його прогнозування.
Оскільки фактори, що входять в модель, мають різне числове значення, на основі коефіцієнтів регресії не можна дати остаточний висновок про те, який із факторів має найбільший вплив, і де знаходиться резерв для поліпшення критерію ефективності. Для вирішення цього питання необхідно провести кодування факторів, тобто переведення натуральних факторів в безрозмірні величини.
В результаті кодування факторів прийнята математична модель набуває вигляду:
(3)
На підставі отриманої моделі зроблено висновок про значний ступінь впливу розглянутих факторів на критерій ефективності та можливості їх оптимізації в процесі модернізації або створення нових моделей пожежних автомобілів під час реалізації відповідних проектів.
Показано необхідність використання побудованої моделі для вирішення практичних задач підвищення ефективності функціонування пожежних автомобілів.
Отримані результати використовуються для побудови номограми (рис. 3), яка дає можливість визначити значення критерію ефективності у залежності від значень факторів та ймовірності їх появи у конкретних реальних умовах створення та функціонування пожежних автомобілів.
У третьому розділі, з метою визначення найбільш важливих напрямків вдосконалення пожежних автомобілів та забезпечення їх реалізації, розглянуто роль факторів середовища цільового використання пожежних автомобілів в процесі їх функціонування. Під час оперативного використання пожежного автомобіля цілком можлива ситуація, коли, за рахунок впливу умов експлуатації, деякі показники, що характеризують технічні можливості пожежних автомобілів, взагалі не можуть бути реалізовані або будуть реалізовані частково.
Визначено, що формування середовища цільового використання пожежних автомобілів здійснюється двома групами факторів – групою дорожніх факторів і групою факторів, що характеризують умови перебування пожежного автомобіля в режимі очікування (температура повітря в місці знаходження автомобіля).
Проведені дослідження підтверджують суттєвий вплив дорожніх факторів на ефективність функціонування пожежних автомобілів. Однак більшість з них не можуть бути пов’язані з конструктивними та експлуатаційними властивостями пожежних автомобілів і, відповідно, не розглядаються як вирішальні при виборі оптимальних значень показників тактико-технічних характеристик. Причому оптимізація більшості з наведених факторів може бути розглянута в якості загальнотранспортної проблеми, вирішення якої в цілому призведе і до поліпшення ефективності використання зокрема пожежних автомобілів.
Інша група факторів, а саме фактори, що характеризують умови знаходження пожежного автомобіля в режимі очікування, зокрема температура повітря в пожежній частині, має значний вплив на процес функціонування саме пожежних автомобілів, агрегати яких під час виїзду та руху на пожежу починають функціонувати з максимальним навантаженням при температурі, що дорівнює температурі навколишнього середовища, а відповідно далекій від оптимальної, тоді як для більшості їх транспортних аналогів цей показник має набагато менше значення.
Оскільки ефективність пожежного автомобіля визначається факторами, що формують середовище цільового використання, опосередковано, тобто через їх вплив на можливості реалізації оперативно-тактичних властивостей, задача дослідження ефективності функціонування пожежних автомобілів в середовищі цільового використання вирішена шляхом побудови відповідних моделей.
Метою моделювання в цьому випадку є визначення закономірностей та величини впливу факторів середовища цільового використання пожежного автомобіля на реалізацію його конструктивних і експлуатаційних властивостей, які, в свою чергу, формують критерії поліпшення ефективності функціонування як окремо взятого пожежного автомобіля, так і парку мобільної пожежної техніки в цілому, що є основою для прийняття відповідних управлінських рішень.
Під час побудови моделі в якості фактора обирається температура рідини в системі охолодження двигуна під час його запуску та в процесі руху автомобіля на пожежу – показник, безпосередньо пов’язаний з умовами перебування пожежного автомобіля в режимі очікування.
Критерієм ефективності слугує питома потужність двигуна, яка безпосередньо впливає на часові характеристики використання пожежного автомобіля за призначенням.
На підставі результатів проведених досліджень для конкретного пожежного автомобіля отримана модель у вигляді:
(4)
Х – температура рідини в системі охолодження двигуна.
Однак, отримана математична модель у представленому вигляді може бути використана тільки для одної марки автомобіля. Це пов’язано з тим, що при створенні моделі враховувались значення критерію ефективності (питомої потужності двигуна), які відповідають технічним параметрам конкретної марки пожежного автомобіля. Проте, проведені дослідження свідчать про абсолютну тотожність характеру залежності величини питомої потужності від температури охолоджуючої рідини для різних типів двигунів та марок і моделей автомобілів.
Для забезпечення універсальності математичної моделі, тобто можливості її застосування для опису поведінки будь-якого пожежного автомобіля в середовищі цільового використання, виникає необхідність у кодуванні критерію ефективності, яке проведено шляхом переведення натуральних значень питомої потужності двигуна у відсоткові.
В результаті кодування критерію ефективності прийнята математична модель набуває вигляду:
(5)