В инженерной практике под оптимизацией понимают поиск наилучшего решения из множества возможных вариантов [20]. При проектировании экскаваторов инженеры сталкиваются с широким спектром задач, связанных с определением оптимальных параметров, используя для этого различные критерии оценки. Наиболее универсальным и комплексным критерием является эффективность выполнения главной функции машины — добычи полезного ископаемого с минимальными совокупными затратами. Исходя из этого критерия, определяются ключевые параметры: вместимость ковша, габариты рабочего оборудования и время рабочего цикла. При этом обязательно учитывается взаимодействие экскаватора с другими звеньями горного предприятия. Целевая функция в таком случае включает все расходы на добычу, в том числе и на транспортировку.
Помимо этого комплексного подхода, при проектировании отдельных узлов и систем применяются более частные критерии, такие как минимизация массы, снижение энергопотребления или сокращение времени цикла. Например, при разработке металлоконструкций рабочего оборудования основной целью часто является достижение минимальной массы при соблюдении всех требований по надежности и безопасности. Для решения этих оптимизационных задач активно используются компьютерные технологии — как универсальные программные пакеты (например, российский АРМ WinMachine для расчета напряжений), так и специализированное программное обеспечение, созданное для конкретных инженерных проблем.
Оптимизация параметров поворотного механизма одноковшового экскаватора
Проектирование механизма поворота включает два ключевых этапа: структурную и параметрическую оптимизацию.
Структурная оптимизация заключается в выборе принципиальной схемы механизма: типа привода (электрический постоянного или переменного тока, гидравлический вращательного или поступательного действия), количества двигателей и типа передаточного механизма (например, с редуктором или без него).
Параметрическая оптимизация направлена на определение численных значений ключевых характеристик: максимального движущего момента, предельной скорости поворота и передаточного отношения.
Важно понимать, что механизм поворота не работает изолированно, а является частью сложной технической системы, куда также входят подъемный, тяговый или напорный механизмы. Это накладывает существенные ограничения. Во время рабочего цикла все основные механизмы функционируют согласованно: перемещение ковша к месту разгрузки и обратно к забою обеспечивается их совместной работой. Поэтому, например, для сокращения времени полного цикла необходимо синхронно изменять параметры всех задействованных механизмов. Таким образом, задача определения оптимальной мощности привода поворота не может решаться автономно. Однако такие задачи, как выбор количества и типа двигателей или оптимизация передаточного отношения, могут решаться самостоятельно при фиксированной мощности привода. Именно оптимизация передаточного числа часто выделяется как самостоятельная и важная инженерная проблема [20].
Оптимизация передаточного числа механизма поворота
Изменение передаточного числа (i) напрямую влияет на ключевые характеристики поворотного движения. Во-первых, изменяется движущий момент, передаваемый на поворотную платформу.
Во-вторых, поскольку номинальная скорость двигателя постоянна, скорость установившегося движения платформы также становится функцией передаточного числа: 
На рисунке 3.6.23 показаны возможные графики изменения скорости во времени.
С увеличением передаточного числа ускорения на этапах разгона и торможения растут, а установившаяся скорость — падает. При этом общее время поворота на заданный угол может как увеличиться (кривая 1), так и уменьшиться (кривая 2), что зависит от величины этого угла и момента инерции поворотной части. Следовательно, необходима процедура поиска такого значения i, при котором время поворота будет минимальным.
При оптимизации также необходимо учитывать дополнительные факторы. Изменение i влияет на длительность фаз разгона и торможения, когда через обмотки двигателя протекают максимальные токи, что может привести к его перегреву. Поэтому в алгоритм оптимизации обязательно включается проверка по коэффициенту загрузки и расчет допустимого максимального момента привода.
Поскольку изменение передаточного числа в разумных пределах слабо влияет на стоимость механизма, но напрямую определяет продолжительность цикла и, как следствие, производительность машины, в качестве основного критерия оптимальности выбирается именно время рабочего цикла.
Целевая функция в этой задаче представляет собой математическую модель, связывающую время цикла с передаточным отношением и максимальным моментом привода. Полное время цикла (T_цикла) можно представить как сумму времени поворота (t_пов) и постоянной составляющей — времени на погрузку-разгрузку (t_п-р):
Включение постоянного слагаемого t_п-р необходимо, так как для корректного расчета коэффициента загрузки привода требуется учитывать полный цикл, включая паузы, во время которых двигатель охлаждается. Формулы для расчета продолжительности поворота представлены ранее.
Важную роль играют параметры статической характеристики привода (см. рис. 3.6.19), такие как момент отсечки, стопорный момент, скорости отсечки и холостого хода. Эти параметры определяются через номинальные значения момента и скорости с использованием заданных коэффициентов. Для начального цикла расчетов при оптимизации они могут быть найдены по следующим зависимостям:
Выражения для приведения параметров и расчета времени поворота приведены выше. Общая структурная схема программного обеспечения для проведения такой оптимизации показана на рисунке 3.6.24.
Алгоритмы расчета коэффициента загрузки, максимального момента и продолжительности цикла детализированы на рисунках 3.6.20 и 3.6.21.
Разработанная программа была апробирована на примере экскаватора ЭКГ-12 при варьировании передаточного числа в диапазоне от 200 до 600. Результаты расчетов, демонстрирующие влияние передаточного числа на время цикла, представлены в виде графика на рисунке 3.6.25.
Таким образом, применение специализированного программного обеспечения позволяет инженерам определять оптимальное значение передаточного числа механизма поворота, которое обеспечивает минимальную продолжительность рабочего цикла для выбранной конфигурации двигателей.
