Машины для земляных работ: синтез технологий, проектирование, эффективность

Оглавление 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
В. П. Павлов, В. А. Пенчук 
 
 
МАШИНЫ  
ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ: 
СИНТЕЗ ТЕХНОЛОГИЙ,  
ПРОЕКТИРОВАНИЕ,  
ЭФФЕКТИВНОСТЬ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2016 

Оглавление 
 

2 

УДК 62187.001.63 
ББК 38.623-02 
         П121 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
В. В. Москвичев, доктор технических наук, профессор, директор 
СКТБ «Наука» ИВТ СО РАН, г. Красноярск; 
В. П. Кондрахин, доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой «Горнозаводской транспорт и логистика» Донецкого национального технического университета, г. Донецк, Украина 
 
 
 
 
 
 
 
Павлов, В. П. 
П121 Машины для земляных работ: синтез технологий, проектирование, 
эффективность : монография / В. П. Павлов, В. А. Пенчук. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2016. – 328 с. 
ISBN 978-5-7638-3546-5 
 
В монографии изложены основные положения механики разрушения 
грунтов рабочими органами землеройных машин. Сформулированы направления повышения эффективности землеройных машин за счет совершенствования 
рабочих процессов и рабочих органов с учетом пространственности и направленности силового воздействия на грунт. Рассмотрены вопросы взаимозависимости технологий выполнения земляных работ и технических решений по рабочему оборудованию машин, технологии автоматизированного проектирования            
и моделирования эффективности машин. 
Предназначена для научных и инженерно-технических работников и специалистов, которые занимаются исследованиями и созданием машин для земляных работ, а также для аспирантов и студентов, обучающихся по программам 
подготовки бакалавров и магистров в области транспортных и транспортнотехнологических комплексов. 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 621.87.001.63 
ББК 38.623-02 
 
ISBN 978-5-7638-3546-5                                                            © Сибирский федеральный  
                                                                                                          университет, 2016 

Оглавление 
 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................... 6 

1. ПРОБЛЕМА  СИСТЕМНОГО  ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
    И  МОДЕРНИЗАЦИИ  ЗЕМЛЕРОЙНЫХ  МАШИН ....................................................... 9 
1.1. Системотехника производственно-технологических объектов  
       при выполнении земляных работ ............................................................................... 9 
1.2. Задачи проектирования землеройных машин  
       с позиций системотехники ........................................................................................ 13 
1.3. Состояние и возможности применения информационных  
       технологий в обеспечении жизненного цикла  
       землеройных машин .................................................................................................. 32 
1.4. Условия реализации рабочих процессов ................................................................. 39  
1.5. Границы функциональных возможностей машины ............................................... 43  
1.6. Модернизация машин в условиях эксплуатации .................................................... 49 
1.7. Совершенствование рабочих процессов землеройных машин ............................. 53  
1.8. Развитие и эффективность землеройных машин .................................................... 57  

2. ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКАЯ  МОДЕЛЬ 
    ПРОЦЕССА  ПРОЕКТИРОВАНИЯ   
    И  МОДЕРНИЗАЦИИ  МАШИН  ДЛЯ  ЗЕМЛЯНЫХ  РАБОТ .................................... 66  
2.1. Информационно-логическая модель процесса проектирования  
       и ее схематизация ....................................................................................................... 66 
2.2. Формализованные процедуры синтеза технических решений.  
       Формирование множества концепций ..................................................................... 78 
2.2.1. Автоматизированный поиск новых технических решений  
          на основе графов синтеза (И-ИЛИ дерева) .................................................. 78 
2.2.2. Выбор технических решений  
          на основе нечеткого отношения предпочтения ........................................... 81 
2.3. Проектные операции, процедуры и модули  
       в системном проектировании МЗР ........................................................................... 87 

3. МОДЕЛИ  ПРОЦЕССОВ  ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ  
    РАБОЧИХ  ОРГАНОВ  ЗЕМЛЕРОЙНЫХ  МАШИН  С  ГРУНТОМ ........................ 102 
3.1. Грунт как среда взаимодействия и объект моделирования ................................. 102 
3.1.1. Нормативные характеристики   
          и базовые модели грунтов ........................................................................... 102 
3.1.2. Упруго-фрикционная модель грунта ......................................................... 110 
3.2. Развитие физических основ взаимодействия рабочих органов  
       с грунтом .................................................................................................................. 120 
3.3. Имитационные модели процессов разрушения грунта  
       рабочими органами землеройных машин ............................................................. 131  
 

Оглавление 
 

4 

4. РЕАЛИЗАЦИЯ  ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ  ПРОЦЕССОВ 
    РАЗРАБОТКИ  ГРУНТА  В  КОНСТРУКЦИЯХ  
    РАБОЧИХ  ОРГАНОВ  ЗЕМЛЕРОЙНЫХ  МАШИН .................................................. 138 
4.1. Конструкции рыхлителей с интенсификаторами напряжений  
       растяжения в массиве грунта .................................................................................. 138 
4.1.1. Рыхлитель с пассивным интенсификатором .............................................. 138 
4.1.2. Конструкция рыхлителя с активным интенсификатором ......................... 141 
4.2. Бульдозерные отвалы с интенсификаторами напряжений 
       растяжения грунта ................................................................................................... 144 
4.2.1. Конструкция бульдозерного отвала  
          с пассивным интенсификатором ................................................................. 144 
4.2.2. Конструктивные особенности  
          активного бульдозерного оборудования .................................................... 146 
4.3. Грейферные рабочие органы  
       с интенсификаторами напряжений растяжения .................................................... 148 
4.4. Специальное оборудование для отрыва крупных элементов 
       прочного грунта с использованием щеленарезных установок ............................ 156 
4.5. Рыхление мерзлых грунтов ..................................................................................... 162 
4.6. Технико-экономические показатели модернизированных  
       рабочих органов землеройных машин ................................................................... 165 

5. МОДЕЛИ  И  ПРОЦЕДУРЫ  ПРОЕКТИРОВАНИЯ   
    РАБОЧЕГО  ОБОРУДОВАНИЯ  И  ПРИВОДНЫХ  СИСТЕМ  
    МАШИН  ДЛЯ  ЗЕМЛЯНЫХ  РАБОТ .......................................................................... 168 
5.1. Математические модели структурно-компоновочного  
       проектирования одноковшового экскаватора ....................................................... 168 
5.2. Математические модели оптимального  
       структурно-параметрического синтеза  
       рабочего оборудования экскаватора ...................................................................... 177 
5.2.1. Формирование описания структуры гидромеханизмов  
           рабочего оборудования ............................................................................... 177 
5.2.2. Кинематический и силовой анализ  
           рабочего оборудования ............................................................................... 180 
5.2.3. Оптимальный структурно-параметрический синтез  
          рабочего оборудования ................................................................................ 189 
5.3. Математические модели и проектные модули  
       автоматизированного анализа динамики приводных систем .............................. 195 
5.3.1. Графы синтеза (схемы замещения) при моделировании 
          физически неоднородных приводных систем ............................................ 195 
5.3.2. Динамические процессы в гидроприводе подъема стрелы ...................... 200 
5.3.3. Исследование динамики гидропневматического молота .......................... 202 
5.3.4. Исследование динамики гидропривода  
          бурильного оборудования ........................................................................... 209 
5.3.5. Математические модели рабочей среды ..................................................... 212 
5.4. Модели эффективности процесса копания грунта  
       по траектории большой кривизны.......................................................................... 217  
5.4.1. Особенности резания грунта по траектории большой кривизны 
          и их учет при расчете силы и работы кривизны ........................................ 217 
 

Оглавление 
 

5 

5.4.2. Определение сопротивлений и энергозатрат на наполнение ковша,  
          движущегося по траектории большой кривизны ....................................... 223 
5.4.3. Метод расчета на ЭВМ силовых и энергетических показателей 
          процесса копания по траектории большой кривизны ............................... 226 

6. РЕШЕНИЕ  СИСТЕМНЫХ  ЗАДАЧ  ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
    МАШИН  ДЛЯ  ЗЕМЛЯНЫХ  РАБОТ  
    В  КОМПЬЮТЕРНОЙ  СРЕДЕ....................................................................................... 228 
6.1. Технологическая схема решения основной задачи  
       проектирования машин в компьютерной среде .................................................... 228 
6.2. Силовой потенциал гидравлического экскаватора  
       и возможности его реализации в различных грунтовых условиях ..................... 230 
6.3. Производительность одноковшового экскаватора  
       с учетом вероятностных факторов эксплуатации ................................................ 238 
6.4. Сравнительный анализ параметров и эффективности машин  
       в компьютерной среде ............................................................................................. 244 
6.5. Задачи оптимального проектирования подсистем экскаватора .......................... 247 
6.5.1. Оптимизация стрелоподъемного гидромеханизма ..................................... 247 
6.5.2. Оптимизация параметров гидромолота ....................................................... 250 
6.6. Оценка эффективности использования экскаваторов  
       в структуре производственной организации......................................................... 251 

7. КОНЦЕПЦИЯ  КОМПЬЮТЕРНОЙ  СРЕДЫ  
    ПРОЕКТИРОВАНИЯ  ЗЕМЛЕРОЙНЫХ  МАШИН .................................................... 256 
7.1. Электронный (виртуальный) макет машины ........................................................ 256 
7.2. Компьютерная среда проектирования и требования  
       по ее реализации для задач проектирования машины ......................................... 261 
7.3. Метод математического моделирования характеристик машины 
       в компьютерной среде под управлением экспертной системы ........................... 267 
7.4. Представление знаний в задачах проектирования машины ................................ 274 
7.5. Структура методологии проектирования машины в ИПИ-среде ....................... 279 
7.6. Организация информационных потоков и поддержка  
       проектных задач в компьютерной среде проектирования ................................... 282 
7.7. Инженерное методическое обеспечение  
       проектирования машины ......................................................................................... 288 
7.8. Управление конфигурацией машины  
       в распределенной среде проектирования .............................................................. 294 
7.9. Применение разработанных методов, программного обеспечения  
       и методологии в практике проектирования .......................................................... 301 
7.10. Экономическая эффективность проектирования машины 
         в интегрированной среде ....................................................................................... 304 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................................... 309 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................................................... 310

Введение 
 

6 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Вопросы снижения энергоемкости разработки грунта и эффективного использования землеройной техники всегда занимали умы производственников, ученых и конструкторов. Этой проблеме посвящены работы 
видных ученых: В. Д. Абезгауза, И. Я. Айзенштока, Т. В. Алексеевой,                
К. А. Артемьева, В. Л. Баладинского, В. И. Баловнева, В. А. Баумана, 
Ю. И. Белякова, Е. И. Берестова, И. Л. Беркмана, Б. А. Бондаровича,                  
А. А. Вайнсона, Ю. А. Ветрова, В. М. Владимирова, Д. П. Волкова, Н. С. Галдина, М. И. Гальперина, З. Е. Гарбузова, Н. Г. Гаркави, В. П. Горячкина, 
Н. Г. Домбровского, А. М. Завьялова, А. Н. Зеленина, С. В. Кравца, Е. М. Кудрявцева, Э. Н. Кузина, В. Н. Кузнецовой, В. А. Мещерякова, В. В. Москвичева, В. А. Назарова, И. А. Недорезова, В. В. Ничке, А. В. Раннева, Д. И. Федорова, Н. Я. Хархуты, Л. А. Хмары, А. М. Холодова, В. С. Щербакова,            
В. А. Яркина и др. Именно они заложили основы проектирования рабочих 
процессов и органов землеройных машин, выявили основные факторы           
и системные связи, определяющие эффективность машин для земляных работ. 
Несмотря на достигнутые успехи в вопросах разработки грунта, 
энергоемкость силового метода разработки грунта, который традиционно 
реализуется в конструкциях рабочих органов землеройных машин,               
пока остается значительной. При разработке талого грунта она равна                
0,1–0,4 кВт·ч/м3, мерзлого – 1,3–5,4 кВт·ч/м3.  
Эффективным направлением повышения производительности землеройной техники и, соответственно, снижения энергоемкости разработки 
грунта является совершенствование процессов разработки грунта при относительно малых затратах на модернизацию рабочих органов. Это объясняется тем, что рабочие органы по массе и стоимости составляют не более 
5 % от массы и стоимости машины. Дальнейшее совершенствование этих 
процессов возможно только при более глубоком проникновении в механику взаимодействия рабочих органов с массивом грунта. 
За счет совершенствования традиционных и создания новых энергосберегающих процессов такого взаимодействия можно быстро и с минимальными материальными затратами провести техническое перевооружение парка землеройной техники. 
Конкурентоспособность создаваемой техники в определяющей степени зависит от оперативности и качества ее разработки. Особенно остро 
эти вопросы стоят при проектировании многоцелевых роботизированных 
землеройных машин с устройствами автоматики, имеющими сложные ал

Введение 
 

7 

горитмы функционирования, обладающие повышенной надежностью,            
высокими удельными показателями и т. п. 
Характерным свойством многих землеройных машин является многоцелевая ориентация, которая проявляется на всех уровнях ее иерархии – от 
деталей до дорожно-строительных комплексов. Она определяется многообразием выполняемых техникой задач, условий ее функционирования, 
наличием нескольких показателей эффективности. Это порождает ряд специфических черт многоцелевых систем: достаточно сложно определить,  
по каким правилам получить целостную оценку эффективности системы, 
выполняющей заданный диапазон задач; при нескольких показателях эффективности возникают несравнимые варианты в задачах выбора и др. 
Конкурентоспособность и качество вновь создаваемых землеройных 
машин во многом зависят от применения информационных технологий на 
всех этапах жизненного цикла машин. При этом главную роль играет этап 
проектирования, который не только отличается большой длительностью, 
но и связан с формированием основной части информации об изделии.  
Для создания землеройных машин с высокими показателями технического уровня необходима разработка научных основ комплексного             
математического моделирования разнородных физических процессов, протекающих в приводах и конструкциях машин как в математическом, так              
и в методологическом планах, а также их интеграция с ИПИ-технологиями 
(информационная поддержка изделий) в соответствии с CALS-стандартами (Continuous Asquisitionand Lifecycle Support – «непрерывность поставок продукции и поддержки ее жизненного цикла») [170]. Непрерывность 
поставок требует и подразумевает оптимизацию процессов непрерывного 
взаимодействия заказчика и поставщика в ходе разработки, проектирования 
и производства сложной продукции. Базирующиеся на стандартизованном 
едином электронном представлении данных и коллективном доступе к нему, 
эти технологии позволяют повысить производительность труда согласно 
западному опыту как минимум на 30 % [65]. 
Информационные технологии вывели большинство областей науки 
на новый этап осмысления полученных результатов, приведения их в систему. Чаще всего понятие «система» используется на интуитивном уровне 
и служит обозначением таких общих понятий, как целое, составленное из 
частей; множество элементов, образующих некое единство; или даже порядок, объединяющий множество элементов. 
Неполноту объективной информации можно компенсировать максимальным использованием творческих возможностей человека-проектировщика с учетом индивидуальных особенностей решения творческих задач 
системного проектирования. Поэтому решение проблем проектирования зем

Введение 
 

8 

леройных машин следует искать путем объединения логико-математических  
и эвристических методов.  
Исследование процессов проектирования экскаваторов, разработки 
сложных проектов позволило обратить внимание на особую роль человека, 
являющегося носителем целостного восприятия, сохранения целостности 
при расчленении проблемы, системы ценностей и критериев принятия решений. Однако человек не всегда справлялся с этой ролью, поэтому для 
организации процесса проектирования начали создавать системы организации проектирования, системы управления разработками и т. п.  
Такие задачи трудно решить в рамках одного предприятия – требуется 
кооперация со смежниками и партнерами. Однако организация взаимодействия партнеров в новых условиях становится делом не менее сложным. 
Задача кооперации переходит на новый уровень: вчерашний производственный консорциум должен превратиться в виртуальное предприятие – 
крупную территориально распределенную структуру, состоящую из независимых (не входящих в единый холдинг и имеющих разных владельцев) 
компаний и организаций, которые вместе трудятся над разработкой и выпуском сложных изделий. 
Отличные по своей природе физические процессы, протекающие                
в землеройных машинах, описываются различными уравнениями математической физики, что осложняет проведение комплексных исследований 
физических процессов. Современные землеройные машины включают            
в себя большое количество комплектующих элементов, каждый из которых 
представляет сложный объект, характер протекания физических процессов 
в котором в значительной степени определяет функциональные и эксплуатационные свойства проектируемого образца машины. В монографии развивается подход к проектированию приводов, конструкций и рабочих процессов на основе синтеза математических моделей физически              
неоднородных подсистем, структурно-компоновочных моделей машины, 
моделей рабочих процессов и моделей эффективности в единой компьютерной среде. 
При написании книги работа между авторами была распределена 
следующим образом: введение, гл. 2, 5–7 написаны д. т. н. проф. В. П. Павловым; гл. 3 и 4 – д. т. н. проф. В.А. Пенчуком; гл. 1 написана совместно. 
Авторы выражают признательность проф. В. В. Москвичеву и проф. 
В. П. Кондрахину за ценные замечания при подготовке рукописи книги. 

1.1. Системотехника производственно-технологических объектов при выполнении земляных работ 
 

9 

 
1. ПРОБЛЕМА  СИСТЕМНОГО  ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
И  МОДЕРНИЗАЦИИ  ЗЕМЛЕРОЙНЫХ  МАШИН 
 
 
1.1. Системотехника  
производственно-технологических объектов 
при выполнении земляных работ 
 
Рассматривая 
техноэволюцию 
производственно-технологических 
систем (машины для земляных работ могут быть отнесены к таковым, так 
как в известном смысле реализуют установки рациональности, эффективности и совершенствования), можно утверждать, что основным компонентом такой системы, ее «клеточкой» является технология. Это положение 
фундаментально, оно развито в основополагающих работах А. Н. Зеленина, В. И. Баловнева, Ю. А. Ветрова, Н. Г. Домбровского, Д. И. Федорова          
и др. [12, 14, 28, 43, 60, 61, 159]. 
Машины для земляных работ (МЗР) являются, с одной стороны, продуктом труда, а с другой – средством труда. Поэтому технология выступает 
двояко: как первопричина заложенных в машину конструкторских решений и как конструкторская реализация решений в условиях эксплуатации 
машины.  
Системный анализ проблем создания и повышения эффективности 
МЗР показывает, что для ее успешного решения необходимо в первую 
очередь разработать единый комплекс мероприятий по обеспечению эффективности на стадиях конструирования, производства и эксплуатации на 
основе интеграции различных методов исследования и проектирования. 
Системотехника должна обеспечить максимальный контакт между наукой 
и практикой создания и применения машин, сократить разрывы во времени 
между научными достижениями и их приложениями [101]. 
При описаниях условий эксплуатации землеройных машин используют такую обобщенную характеристику, как эксплуатационный фон,            
к которому относят грунтовые условия (грунтовый фон), виды, сосредоточенность и совмещенность работ, технологические характеристики объектов, 
климатические и другие условия. Рассмотрим отдельные характеристики 
эксплуатационного фона, которые определяют конструктивно-технологические параметры одноковшовых экскаваторов и область их рационального 
использования. 

1. Проблема системного проектирования одноковшовых экскаваторов на основе компьютерных технологий 
 

10 

Характеристики эксплуатационного фона машин для земляных работ 
исследовались в ЦНИИОМТП, НИИСП, ЦНИИЭПсельстрое, ВНИИстройдормаш, ЦНИИС, МАДИ. Для получения необходимых сведений изучались типовые проекты зданий и сооружений, сметы и другие документы,            
а также производились непосредственные замеры и наблюдения. 
Основной объем земляных работ в строительстве выполняется                
в промышленном, водохозяйственном, транспортном и сельском строительстве. Ведущее положение занимает водохозяйственное (49 % общего 
объема земляных работ) и промышленное (24 %) строительство [101]. Отмечается тенденция к увеличению удельного веса водохозяйственного 
строительства до 55 %. 
Основной объем земляных работ, выполняемый одноковшовыми 
экскаваторами в водохозяйственном строительстве (89 %), приходится на 
отрывку траншей, устройство каналов и осушительных систем. В связи           
с этим представляется важной количественная оценка распределения параметров выемок. Выполненный анализ данных ЦНИИОМТП позволил 
нам установить характеристики распределения в виде закона Вейбулла: 

f(H) = 0,23H0,84exp(0,126H1,84),                        (1.1) 

где Н  глубина траншеи, м. 
В промышленном строительстве наиболее вероятными условиями 
работы землеройных машин является разработка котлованов (41,8 %)          
и траншей (50 %) глубиной 48 м. Одноковшовые экскаваторы выполняют 
основной объем работ по отрывке котлованов (45,7 %) и траншей (23,6 %). 
Распределение объемов земляных работ по глубине котлованов в промышленном, жилищно-гражданском и сельском строительстве может быть 
также представлено в виде закона Вейбулла: 

f(H) = 0,107H0,7exp(0,0316H1,7).                         (1.2) 

Формулы (1.1)–(1.2) используют для обоснования конструктивнотехнологических параметров землеройных машин, в том числе одноковшовых экскаваторов с оборудованием обратная лопата. 
Мелиоративные сооружения имеют, как правило, относительно небольшую глубину (до 34 м) и пологие откосы. Это определяет значительные 
размеры требуемой площади разработки на уровне стоянки экскаватора. 
Гидравлическими экскаваторами такие работы можно выполнять рабочим 
оборудованием обратная лопата, имеющим большую длину рукояти или 
стрелу с изменяемой геометрией. 
Важнейшей характеристикой эксплуатационного фона является 
грунтовый фон. Под грунтовым фоном понимают наиболее представительные по трудности экскавации грунты [14, 67]. Широкие исследования