Машины для строительства и содержания дорог и аэродромов. Исследование, расчет, конструирование

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
В. П. Павлов 
В. В. Минин 
В. А. Байкалов 
М. И. Артемьев 
 
МАШИНЫ  ДЛЯ  СТРОИТЕЛЬСТВА 
И  СОДЕРЖАНИЯ  ДОРОГ  И  АЭРОДРОМОВ 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ,  РАСЧЕТ,  КОНСТРУИРОВАНИЕ 
 
 
Под редакцией В. П. Павлова 
 
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных 
машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного 
пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 
магистров «Наземные транспортно-технологические машины и комплексы» 24 декабря 2010 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2011 
1 

УДК 625.8 
ББК 39.311-06-5 
П12 
 
 
 
 
Рецензенты:  
С. Я. Галицков, доктор технических наук, профессор зав. кафедрой 
«Механизация, автоматизация и энергоснабжение строительства» СГАСУ; 
В. И. Баранчик, доктор технических наук, профессор зав. кафедрой 
«Строительные и дорожные машины» ИжГТУ 
 
 
 
Павлов, В. П. 
П12  Машины для строительства и содержания дорог и аэродромов : Исследование, расчет, конструирование : учеб. пособие / В. П. Павлов,  
В. В. Минин, В. А. Байкалов, М. И. Артемьев; под ред. В. П. Павлова. – 
Красноярск : Сибирский федеральный университет, 2011. – 196 c. 
ISBN 978-5-7638-2128-4 
 
 
Рассмотрены теоретические положения и практические аспекты исследования и проектирования приводов, конструкций и рабочих органов машин для 
строительства и содержания дорог и аэродромов. 
Предназначено для студентов направления подготовки магистров 190100.68 – 
«Наземные транспортно-технологические машины и комплексы». 
 
УДК 625.8 
ББК 39.311-06-5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2128-4                             © Сибирский федеральный университет, 2011 
2 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
Стратегия развития страны нацелена на существенное повышение 
производительности труда за счет совершенствования техники и технологии. Освобождение человека от утомительных операций при создании  
и эксплуатации новых технологических машин для строительства и содержания дорог и аэродромов может быть обеспечено реализацией целого 
комплекса мероприятий. Эти вопросы освещены в специальной научной 
литературе и учебных изданиях. 
В учебном пособии нашли отражение вопросы применения компьютерных технологий для выполнения проектно-исследовательских и конструкторских работ применительно к различным подсистемам технологических машин.  
Не все рассмотренные в пособии задачи могут быть сведены к получению единственного замкнутого решения. Авторы и не ставили перед собой такую цель. Представленный материал скорее ориентирован на поиск 
новых вариантов решения задач с другими целевыми установками и иными критериальными функциями, на создание более совершенных алгоритмов расчета и программного обеспечения. 
Авторы исходили из того, что использование вычислительной техники должно быть основано на применении инвариантных к объекту проектирования постановок задач, расчетных схем и современных пакетов автоматизированного инженерного анализа. Методы анализа, опирающиеся 
на теорию размерностей, мультифизичность подхода, матричную форму 
записи уравнений, многокритериальность в принятии решений, иерархичность математических моделей, применение своеобразного математического аппарата в экспертных системах, являющиеся обычными элементами 
современных методологий исследования и проектирования, потребуют определенных усилий со стороны читателя для усвоения материала. Эти элементы методологии должны быть адекватными усложняющимся задачам  
и методам машинного анализа. 
Пособие построено на материалах исследований, выполненных авторами при решении прикладных задач на кафедре «Транспортные и технологические машины» (кафедра «Строительные и дорожные машины»  
до 2008 г.). Предисловие и глава 4, а также п. 1.3 написаны В. П. Павловым; главы 1 и 2 – В. В. Мининым; глава 3 – В. А. Байкаловым; глава 5 – 
М. И. Артемьевым и В. П. Павловым. 
Авторы признательны рецензентам учебного пособия доктору технических наук, профессору С. Я. Галицкову и доктору технических наук, 
профессору В. И. Баранчику за критические замечания. 
 
3 

Глава 1.  МЕТОДЫ  ИССЛЕДОВАНИЯ  И  ОБОСНОВАНИЯ  
ПАРАМЕТРОВ  МАШИН 
 
 
1.1. Машины как объект исследования и проектирования 
 
Машина для строительства автомобильных дорог и аэродромов 
представляет собой агрегат или несколько агрегатов, оборудованных одним или несколькими рабочими органами для выполнения одной или нескольких операций технологического процесса дорожного или аэродромного строительства и дальнейшей эксплуатации коммуникаций в соответствии с производственными требованиями. 
Эта машина состоит, как правило, из следующих основных подсистем: технологической (рабочие органы и движитель), энергетической (двигатель), управления и жизнеобеспечения. Рабочие органы выполняют работы как в циклическом, так и в непрерывном режимах работы. Для размещения рабочих органов применяют раму оригинальной конструкции или 
же стандартные шасси грузового трактора, колесного тягача или автомобиля. Строительство покрытий дорог и аэродромов основано на рациональном сочетании целого ряда машин общестроительного назначения,  
а также специальных дорожных машин, которые преобразуют энергию 
сгорания топлива в полезную работу [1, 2]. Известно (по данным ФГУП 
РОСДОРНИИ), что удельный расход энергии на устройство 1м2 асфальтобетонного покрытия равен 0,125–0,170 ГДж (в среднем около 0,15 ГДж). 
Анализ энергозатрат на устройство асфальтобетонных покрытий показывает, что затраты на транспортные операции составляют с учетом погрузо-разгрузочных работ в среднем около 25–30 % от общей суммы энергозатрат, в том числе непосредственно на транспортирование готовой горячей смеси к месту укладки – около 10–15 %. 
На производство дорожно-строительных материалов, их подготовку 
и транспортирование к месту производства работ расходуется 25–45 %  
от общей суммы энергозатрат [3, 5].  
Энергозатраты на приготовление асфальтобетонной смеси составляют около 40–50 % от общего объема энергозатрат, а непосредственно укладка и уплотнение требуют около 5 % от общего объема энергозатрат. 
Исследования, проводимые магистрами, должны быть направлены 
на определение наиболее эффективных путей снижения расхода энергии 
при строительстве и ремонте дорожных и асфальтобетонных покрытий. 
В соответствии с классификационными признаками производственного назначения машины и комплексы машин принято разделять по видам 
работ. В группу для земляных работ входят следующие машины: 
4 

• рыхлитель предназначен для рыхления грунтов на больших площадях и полосах. Применяется также для удаления из грунта крупных 
камней, взламывания старых дорожных одежд, мерзлого грунта и т. п.; 
• кусторез (навесное оборудование к трактору). Рабочим органом его 
является специальный отвал, который крепится к раме; 
• корчеватель предназначен для корчевки пней диаметром до 50 см, 
расчистки участков от корней и крупных камней, удаления сваленных деревьев и кустарника. Может быть применен также для рыхления плотных 
грунтов; 
• бульдозер предназначен для копания грунта и перемещения его на 
сравнительно небольшие расстояния – до 50–100 м. Применяется для возведения невысоких насыпей, разработки выемок, выравнивания рельефа 
местности, разравнивания грунта и всевозможных сыпучих материалов, 
засыпки рвов и траншей, планировочных работ и т. п.; 
• скрепер (землеройно-транспортная машина) предназначен для послойной разработки грунта и транспортирования его на расстояние до 500 
м, а в случае самоходных машин даже до 5–8 км; 
• автогрейдер (наиболее распространенная дорожная машина) применяется как при строительстве дорог, так и при их содержании. Автогрейдером можно производить профилирование земляного полотна, планировку насыпей, выемок и откосов, устройство корыт, отрывку и очистку 
кюветов и канав, перешивание грунта или гравийных материалов с такими 
вяжущими, как жидкие битумы и цемент, очистку дорог от снега, планировку дорог и площадок и т. п.; 
• грейдер-элеватор (машина непрерывного действия). Он послойно 
срезает грунт и подает его на расстояние в несколько метров либо непосредственно к месту укладки, либо в транспортные средства; 
• экскаватор (землеройная машина) предназначен для разработки 
грунтов и полезных ископаемых с последующим перемещением их и выгрузкой в отвал или в транспорт. 
Для добычи и переработки каменных материалов применяются следующие машины: 
• дробилка служит для измельчения каменных пород, руды и других 
полезных ископаемых. При дроблении преодолеваются внутренние силы 
сцепления каменного материала и образуются новые поверхности. Щековые 
дробилки применяют для крупного и среднего дробления. При переработке 
различных горных пород на всех стадиях дробления широко используются 
конусные дробилки. Для среднего и мелкого дробления, а также для переработки материалов, склонных к налипанию, применяют валковые дробилки.  
В дробилках ударного действия материал разрушается под действием механического удара, при котором кинетическая энергия движущихся тел полностью или частично переходит в энергию их деформации и разрушения; 
5 

• мельница применяется для тонкого измельчения каменных материалов в порошок. Помол осуществляется раздавливанием этого материала 
между частями мельниц; 
• гравиемойка (промывочная машина) предназначена для промывки 
гравия и щебня в целях удаления из них глинистых примесей; 
• перфоратор (бурильный молоток, работающий от сжатого воздуха 
или сжатой жидкости и снабженный механизмом поворота бура или другого инструмента); 
• грохот (машина или оборудование), предназначена для сортирования материалов на плоских или криволинейных поверхностях с отверстиями определенного размера (грохочением). 
Для приготовления цементобетонных смесей применяют бетоносмесители. Бетоносмеситель – машина, предназначенная для приготовления 
(смешивания) цементобетонных смесей. Вибрационный смеситель обеспечивает интенсивное перемешивание жестких бетонных смесей. Гравитационный и лотковый смесители применяются для приготовления смесей  
с наибольшей крупностью заполнителей (до 150–180 мм). 
Для приготовления асфальтобетонных и асфальтовых смесей широко 
применяется асфальтосмесительная установка. 
Для транспортирования строительных материалов и смесей используются следующие машины: 
• автобетоносмеситель применяется как для транспортирования 
готовой бетонной смеси, получаемой на заводах и установках товарного 
бетона, так и для приготовления бетонной смеси из сухих компонентов, загружаемых в его барабан; 
• автобетоновоз применяется для транспортирования смеси. В зависимости от дальности транспортирования имеются автобетоновозы  
с побудителем и без побудителя. 
Для строительства цементобетонных и асфальтобетонных покрытий 
применяются следующие машины: 
• профилировщик дорожных оснований предназначен для разработки корыта в целинном грунте и профилирования его дна, а также для окончательного профилирования и уплотнения песчаного основания или основания из грунта, укрепленного вяжущим материалом; 
• бетонораспределитель принимает смесь из автосамосвалов или 
автоцементобетоносмесителей и распределяет ее по дорожному основанию 
слоем заданной толщины; 
• бетоноукладчик служит для разравнивания, профилирования, уплотнения и отделки бетонной смеси. Бетоноукладчик со скользящими 
формами предназначен для качественной укладки цементобетонных смесей в покрытие и профили ограждения; 
6 

• бетоноотделочная машина предназначена для окончательной 
отделки поверхности покрытия и придания ей требуемой текстуры бетона; 
• распределитель пленкообразующих материалов служит для нанесения материалов и создания на покрытии шероховатой поверхности; 
• асфальтоукладчик предназначен для приема асфальтобетонной 
смеси в бункер из автосамосвалов на ходу без остановки машины, 
транспортирования смеси к уплотняющим органам, дозирования, распределения смеси и предварительного или окончательного уплотнения 
смеси. 
Для строительства дорожных одежд облегченного типа применяют 
следующие машины [2]: 
• ножевые и фрезерные рабочие органы устанавливают на машинах, 
работающих по способу перемешивания на дороге. Лопастные и барабанные рабочие органы имеют машины, работающие в стационарных условиях; 
• катки (прицепные, полуприцепные и самоходные). Для уплотнения грунтов практически применяются только прицепные и полуприцепные катки. Самоходные катки служат для уплотнения дорожных оснований и покрытий; 
• трамбующая машина (трамбовка) уплотняет материал ударом падающего груза по его поверхности; 
• вибрационная машина уплотняет материал энергией импульсов, 
следующих один за другим с короткими промежутками. 
Для содержания дорог и аэродромов применяют ряд машин в зависимости от вида технологии операции и сезона работы. 
Для содержания земляного полотна и полосы отвода это косилки 
(скашивание травы), кусторезы (удаление кустарников), газонокосилки  
и опрыскиватели (уход за зелеными насаждениями), канавоочистители 
(расчистка канав и кюветов), автогрейдеры и дорожные машины со средним и боковыми отвалами (планировка обочин и откосов). 
Для содержания дорожных одежд используются подметальноуборочные и поливомоечные машины (очистка покрытия), распределители, самосвалы и катки (уход за пучинистыми, слабыми и разрушенными 
участками), машины для поверхностей обработки (устройство поверхностей обработки). 
Для содержания обустройства дорог предназначены окрасочная  
и моечная машины (окраска, мойка элементов обустройства), машины для 
разметки (дорожная разметка). 
Для содержания дорожных одежд и земляного полотна применяются 
различные типы снегоочистительных машин (очистка от снега), распределители противогололедных материалов, льдоскалыватели (борьба с зимней 
скользостью). 
7 

1.2. Методы исследований 
 
Задачами теоретического исследования являются: обобщение результатов исследования, нахождение общих закономерностей путем обработки 
и интерпретации опытных данных; расширение результатов исследования 
на ряд подобных объектов без повторения всего объема исследований; изучение объекта, недоступного для непосредственного исследования; повышение надежности экспериментального исследования объекта (обоснование 
параметров и условий наблюдения, точности измерений). Теоретические 
исследования включают: анализ физической сущности процессов, явлений; 
формулирование гипотезы исследования; построение физической модели; 
проведение математического исследования; анализ решения и формулирование выводов. Существует определенная последовательность теоретических исследований: оперативная стадия, синтетическая, постановка задачи, 
аналитическая [12]. 
Математические методы классифицируют по возможности детализации изучаемых процессов. 
Основные методы теории моделирования оказываются незаменимыми 
при малой изученности рассматриваемых сложных объектов техники, или 
при полном отсутствии математического описания. Моделью называется 
некий объект-заменитель, который в определенных условиях может заменять объект-оригинал, воспроизводя интересующие нас свойства и характеристики оригинала, причем он имеет существенные удобства (наглядность, 
обозримость, доступность испытаний и пр.). Модели понимаются широко: 
модели бывают не только материальные, но и идеальные. Например, все 
наши знания представлены моделями. В каждом конкретном случае неизвестно точно, каково же фактическое соотношение истинного и ложного  
в данной модели. Ответ на этот вопрос дает только практика.  
Метод моделирования требует установления критериев подобия  
[10, 11]. Различают абсолютное, полное, неполное и приближенное подобие. Все перечисленные виды подобия подчиняются общим закономерностям (теоремам подобия). Этих теорем три. Первая и вторая получены для 
процессов и машин, подобие которых заранее известно. Они устанавливают соотношения между параметрами явлений. Третья теорема определяет 
условия, необходимые и достаточные для того, чтобы явления казались 
подобными. Модели различают концептуальные, кибернетические и квазианалоговые. Критериальная обработка результатов исследований позволяет сократить число необходимых экспериментов за счет уменьшения 
числа варьируемых факторов, распространить результаты каждого из этих 
экспериментов на ограниченно большой класс подобных процессов. При 
изучении аналогового и цифровального моделирования необходимо обратить внимание на условия подобия, используя методы при сопоставлении 
8 

систем, имеющих различную физическую природу, но описываемых формально одинаковыми дифференциальными уравнениями. 
Математическая модель представляет собой систему математических 
отношений – формул, функций, уравнений, описывающих те или иные стороны изучаемого объекта, явления, процесса. Выбор типа модели осуществляют по оценке сравнения результатов. На этом этапе устанавливают линейность и нелинейность, динамичность или статичность, стационарность 
или нестационарность, а также степень детерминированности исследуемого 
объекта или процесса. Существуют общие подходы к составлению дифференциальных уравнений, базирующиеся на предложениях или знаниях  
о свойствах и структуре объекта. Геометрические или физические задачи 
традиционно приводят к одному из следующих трех видов уравнений: 
уравнения в дифференциалах, уравнения в производных и простейшие интегральные уравнения. Используют следующие виды контроля выбранной 
математической модели: размерностей, порядков, характера зависимостей, 
экстремальных ситуаций, граничных условий, математической замкнутости, 
физического смысла и устойчивости модели [12].  
Метод исследования предопределен видом математической модели. 
Статические системы в виде алгебраических уравнений решают, к примеру, с помощью определителей, методом итераций, методами Крамера  
и Гауса. Для решения дифференциальных уравнений применяют метод 
разделения переменных, метод подстановки, метод качественного анализа; 
для решения задач управления – метод пространства состояния, метод 
компарабельного анализа и информационные методы. Вероятностностатические методы используют в связи с необходимостью анализа связей, 
в которых каждому аргументу соответствует множество значений функций. Несмотря на случайность, рассеивание имеет вполне определенные 
закономерности. Закономерности рассматриваются в теории вероятности  
и математической статистики. При решении задач оптимизации используются методы с математическим программированием: аналитические, градиентные, автоматические с самонастраивающимися моделями. Распространены методы линейного и динамического программирования.  
Метод математического анализа в задачах оптимизации заключается 
в дифференцировании функции эффективности по искомым переменным 
(параметрам) с последующим приравниванием к нулю производных и решением полученной системы уравнений относительно элементов. Применение этого метода не всегда возможно ввиду наличия процессов с неголономными связями. Возможное наличие на интервале неопределенности 
целевой функции ограничений или нескольких максимумов (минимумов), 
т. е. неунимодальных функций, препятствует широкому использованию 
классических методов математического анализа. В таких случаях применяются методы математического программирования. 
9 

Методы линейного программирования заключаются в нахождении 
экстремума линейных целевых функций при условии наличия связывающих искомые переменные ограничений (равенств или неравенств). В итоге 
определяется общий признак оптимальности допустимого решения, с помощью которого можно установить, является ли это решение оптимальным, не прибегая к сравнению его с другими допустимыми решениями. 
Однако эти методы чаще применяются для решения задач технологического характера и не подходят при выполнении технико-экономического анализа. Дело в том, что зависимость полезного эффекта и затрат от элементов конструкции обычно нелинейная, и это требует использования специальных методов оптимизации. 
Методы нелинейного программирования используют для решения 
детерминированных задач. В случае решения задач оптимизации со случайными значениями параметров необходимо заменить их случайными 
значениями, т. е. математическими ожиданиями. Однако этот путь не 
всегда обеспечивает адекватность моделей оптимизации технических 
решений.  
Метод перебора вариантов. Суть его заключается в сравнении технических решений по выбранному критерию эффективности, различающихся 
сочетанием основных элементов. Оптимальным является такое решение,  
у которого этот критерий принимает экстремальное значение и который 
можно определить путем перебора всех возможных сочетаний. Однако высокая трудоемкость этого метода при количестве изменяемых параметров 
свыше четырех–пяти делает его нецелесообразным для применения и приводит к использованию специальных математических методов поиска оптимальных технических решений. 
Методы стохастического программирования. При изучении рабочих 
процессов, зависящих от вероятностных (стохастических) значений параметров, и при решении задач по оптимизации и поиску рационального варианта конструкции машин применяют методы минимизации риска (когда неизвестны функции распределения случайных величин и невозможно задачу 
поиска привести к виду детерминированных методов), а также теорию игр 
со случайным выбором стратегии для решения (при этом определяют верхние и нижние пределы «цены» игры) поставленных целей. Данные методы 
стохастического программирования при сочетании с методами оценки эффективности при простом выборе вариантов конструкции и режимов применения машины в заданных условиях эксплуатации позволяют достаточно 
точно определить искомые параметры в условиях неопределенности. 
В ряде случаев применяют методы экспертных оценок и методы прогнозирования.  
На практике по способу получения выделяют два типа математических моделей [12]. Теоретические модели получают путем изучения 
10