Автоматизация строительных и дорожных машин

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А.Ф. Тихонов, С.Л. Демидов, А.Н. Дроздов 

АВТОМАТИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ 
И ДОРОЖНЫХ МАШИН 

Учебное пособие 

Москва 2017 __________________________________ 

2-е издание (электронное)

УДК 69.002(07) 
ББК 38.6-5я73 
 Т 46 

Р е ц е н з е н т ы: 
доктор технических наук А. В. Илюхин, 
профессор Московского автомобильно-дорожного государственного технического 
университета (МАДИ), зав. кафедрой автоматизации производственных процессов; 
зам. генерального директора ЗАО «Интерскол» Ю. В. Богатырев

 Тихонов, А.Ф. 
Т 46      Автоматизация строительных и дорожных машин [Электронный ресурс] : учебное пособие / А. Ф. Тихонов, С. Л. Демидов, 
А. Н. Дроздов ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. 
гос. строит. ун-т. — 2-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл 
pdf : 256 с.). — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2017. — Систем. 
требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; 
экран 10".

ISBN 978-5-7264-1710-7

Изложены теоретические вопросы создания и внедрения современных средств и систем автоматизации строительных и дорожных 
машин, обеспечивающих повышение технико-экономической эффективности капитальных вложений, снижение эксплуатационных затрат и улучшение качества строительно-монтажных работ. 
Рассмотрены способы алгоритмизации процессов управления.

Для студентов бакалавриата, обучающихся по дисциплинам 
«Автоматизация машин и механизмов» и «Автоматизация механического оборудования и комплексов (МоиК)».

УДК 69.002(07) 
ББК 38.6-5я73

ISBN 978-5-7264-1710-7 

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: Автоматизация строительных и дорожных машин : учебное пособие / А. Ф. Тихонов, С. Л. Демидов, А. Н. Дроздов ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2013. — 
256 с. — ISBN 978-5-7264-0772-2.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

©  Национальный исследовательский

Московский государственный 
строительный университет, 2013

ВВЕДЕНИЕ 

Строительные и дорожные машины (СДМ) и оборудование 
используются для механизации работ на строительной площадке, 
производимых в разнообразных и быстроменяющихся условиях. 
Производительность и качество работы определяется знаниями, 
навыками, утомляемостью и другими личными особенностями 
машинистов, управляющих машинами. 
Непрерывный количественный и качественный рост парка 
машин происходит быстрее увеличения численности машинистов 
высокой квалификации. Поэтому и вследствие ряда других причин все более актуальной становится задача автоматизации 
управления рабочими технологическими процессами строительных и дорожных машин и оборудования. 
Автоматизация — одно из направлений дальнейшего развития 
и повышения эффективности производственных процессов. Автоматизация освобождает человека от выполнения монотонных и 
утомительных операций, снижает зависимость эффективности 
работ от физического развития, производственных навыков и состояния здоровья машиниста. И главное, автоматизация позволяет 
внедрять в управление рабочими процессами машин передовые 
методы и неуклонно их использовать. Тем самым автоматизация 
позволяет повысить и поддерживать постоянный уровень эффективности работы машин, в частности их производительности. 
При этом открывается и ряд других возможностей, например 
осуществления оптимизации динамических режимов работы машины, в результате чего снижается износ машин, а следовательно, уменьшаются потери времени и сокращается расход горючесмазочных материалов. 
Сложность рабочих процессов, выполняемых машинами, 
неоднозначность и изменчивость условий их работы, связанных с 
различными возмущающими воздействиями, определяют значительные трудности автоматизации, так как создаваемая система 
автоматического 
управления 
как 
заместитель 
человекамашиниста должна обладать соответствующими сложности процессов функциональными возможностями, достаточно развитой 
логикой действий. В том, что этому ранее не придавалось должного значения, заключается одна из причин низкого уровня автоматизации строительных и дорожных машин. Поэтому основное 
внимание необходимо уделять вопросам алгоритмизации процес

сов управления и логического проектирования систем автоматического управления (САУ). 
Кроме того, в настоящее время у нас в стране и за рубежом автоматизация технологических процессов и машин в строительстве определяется широчайшим использованием современных 
средств микропроцессорной и микроэлектронной техники, в том 
числе и бортовых систем управления и диагностики основных 
узлов СДМ на базе микропроцессоров. 
Поэтому современному инженеру, работающему в области автоматизации любых технологических процессов и машин в строительной отрасли, а тем более в условиях рыночной экономики, 
необходимо знать: 
 
технологические процессы и классификации СДМ как 
объектов автоматического контроля, управления и регулирования; 
 
принципы построения САУ СДМ; 
 
элементную базу САУ СДМ: первичные преобразователи, 
технические средства, алгоритмы и микропроцессоры, регулирующие органы и исполнительные механизмы; 
 
динамические процессы, происходящие в САУ СДМ с математическим описанием в виде передаточных функций; 
 
математическое моделирование кинематических звеньев 
машин и элементов САУ; 
 
техноэкономическую 
эффективность 
внедрения 
САУ 
СДМ; 
 
отечественный и зарубежный опыт развития автоматизации СДМ; 
 
концепцию дальнейшего развития автоматизации СДМ. 
Автоматизация технологических процессов и строительных 
машин — один из основных путей интенсификации производства.  
Бурное развитие новых средств автоматики и вычислительной 
техники заставляет специалиста по автоматизации технологических процессов и машин в строительстве непрерывно совершенствоваться. Созданы факультеты повышения квалификации специалистов при вузах. Серьезное внимание должно уделяться 
дальнейшей самостоятельной подготовке студентов, особенно 
изучению новых разработок и принципов их внедрения в строительную отрасль. В этом основа успешной практической деятельности специалиста по автоматизации СДМ. 

Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ  
И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

1.1. Классификация CДМ  
как объектов автоматизации 

Для определения функций систем автоматического контроля и 
управления строительными дорожными машинами необходимо 
их классифицировать как объекты автоматизации. 
СДМ подразделяются по видам выполняемых работ и назначению машин, используемых в строительстве,  на следующие  
типы: 
1) машины для земляных работ: скреперы, бульдозеры, автогрейдеры, одноковшовые и многоковшовые экскаваторы; 
2) машины для непрерывного производства уплотнения 
грунта: виброкатки, вибротрамбовки; 
3) машины для производства строительных материалов: пескоземлеройные снаряды и земснаряды для углубления речных 
протоков; 
4) землеройные машины для строительства тоннелей; 
5) бурильные машины для скважин и ям, бурорыхлители. 
Строительная и дорожная машина в своем составе имеет: ходовую часть для передвижения; опорную раму; рабочий орган 
(РО) и приводы машины для приведения в движение отдельных 
элементов. 
При рассмотрении задач автоматизации эти машины классифицируются следующим образом. 
1. По типу РО (как пример — машины для землеройных работ): автогрейдеры, скреперы, бульдозеры, экскаваторы (одноковшовые и многоковшовые), буровые машины, канавокопатели, 
трамбовочные машины. 
2. По способу передвижения: 
 
передвижные (мобильные); 
 
сборно-разборные (БСУ, АБЗ, ДСУ). 
Характерной особенностью передвижных машин является то, 
то разработка грунта осуществляется с перемещением машины с 
помощью ходовой части. Стационарные отличаются тем, что разработка грунта осуществляется на одной площадке. 

3. По характеру работы РО: 
 машины непрерывного действия; 
 машины циклического действия. 
В машинах непрерывного действия разработка грунта осуществляется одновременно с его транспортировкой. В машинах 
циклического действия разработка грунта осуществляется периодически, так как РО одновременно является устройством для 
транспортировки грунта. 
4. По типу привода различают машины с: 
 дизельным приводом; 
 дизель-гидравлическим; 
 дизель-электрическим; 
 электрическим; 
 электромеханическим. 
Первые три типа приводов обеспечивают работу машин без 
источников электроэнергии и обладают наибольшей маневренностью. Электрические приводы – для мощных машин (например, 
шагающий экскаватор). 
5. По способу перемещения: 
 на гусеничном ходу; 
 на пневмоколесном ходу. 
Каждый из упомянутых признаков оказывает влияние на разработку системы автоматизации и выбор технических средств систем управления. На рис. 1.1 в качестве примера приведена классификация землеройно-транспортных машин (ЗТМ) и пути автоматизации управления РО при копании грунта. 
Классификация СДМ позволяет выделить следующие задачи 
для автоматизации планировочных ЗТМ: 
1) разработка САУ РО машины для обеспечения заданного 
продольного профиля (угол )  и поперечного профиля (угол β); 
разработка САУ РО машины для обеспечения заданного только 
поперечного профиля (угол β); 
 
 
 

Рис. 1.1. Классификация ЗТМ и пути автоматизации управления РО 
при копании грунта 

 
 

2) разработка САУ курсом движения машины (угол  и β) (автономные или копирные по световому потоку, лазеру, тросу); 
3) разработка системы САР скорости Vm, а значит, и производительности ЗТМ. 
Если рассмотреть технологию разработки траншей, то нетрудно заметить, что для ЗТМ характерны те же самые задачи автоматизации, что и для планировочных машин, т.е. задача выдерживания заданного продольного уклона () траншеи, курса, 
производительности, поперечного уклона (β). 
В целом любая мобильная машина цикличного действия имеет следующие режимы работы: копание (забор грунта — tк), 
транспортировка грунта в заданную точку — tт,  возврат в забой — tв,  что составляет время цикла: T к =  tк +  tт +  tв.  
Процессы работы мощных одноковшовых и многоковшовых 
экскаваторов отличаются от режима работы бульдозеров тем, что 
транспортирование грунта и возврат в забой осуществляется с 
помощью РО, но задачи автоматизации те же. 
Общей задачей для всех грунтоуплотняющих машин является 
автоматический непрерывный контроль качества уплотнения 
грунтов. С появлением микропроцессорных средств появилась 
реальная возможность создания таких приборов. 
В целом важное значение имеет глубокое технологическое и 
технико-экономическое обоснование разрабатываемых автоматических систем строительных машин. Вопрос повышения качества 
строительства необходимо решать и с помощью средств оперативного контроля. Поэтому создание и внедрение средств оперативного контроля (информационные системы) работы машины 
нужно рассматривать как первоочередную задачу, учитывая, что 
автоматизированные системы управления на строительных и дорожных машинах не высвобождают машиниста из процесса производства строительных работ. Оперативные информационные 
системы (глубиномер, работомер, плотномер и т.д.) намного дешевле, просты в эксплуатации и облегчают работу машиниста, 
функции которого сводятся к введению корректировки работы 
машины при отклонении от заданных технологических строительных параметров. 
 
 

Автоматизация строительных машин позволяет обеспечить: 
 
расширение функциональных возможностей машин с 
применением программного и дистанционного управления для 
работы в недоступных, опасных или вредных для человека условиях;  
 
упрощение труда машинистов за счет автоматического 
управления при выполнении отдельных технологических опе- 
раций;  
 
регулирование скорости рабочих движений, позиционирование РО;  
 
экономию топлива за счет оптимального регулирования 
гидропривода в зависимости от рабочей нагрузки, позволяющего 
максимально использовать механическую работу двигателя;  
 
повышение надежности машин (с помощью бортовых 
ЭВМ упрощаются диагностика и обнаружение неполадок);  
 
повышение безопасности работы с применением автоматической сигнализации и отключения привода в опасных ситуациях, что позволяет работать в условиях повышенной опасности. 

В информационных системах автоматического контроля ре
зультат должен выражаться в виде регистрации или сигнализации 
об основных параметрах, характеризующих работу двигателя и 
гидропривода: выдаче сигналов о приближении фактических 
(контролируемых) параметров к предельным значениям, получении прогнозирующей информации о работе систем, а также контроле технологических параметров при работе машин. 

Первостепенной задачей автоматизации является также и 

наладка системы безопасной работы обслуживающего персонала. 

Оценка работы экскаваторов, оснащенных информационными 

системами, по данным зарубежных специалистов, положительна: 
производительность повышается на 8–10 % при одновременном 
снижении расхода топлива на 5–7%. 

Микропроцессорная система управления экскаватором позво
ляет в автоматическом режиме контролировать техническое состояние экскаватора и управлять его технологическими параметрами. Она состоит из четырех подсистем: диагностирования технического состояния экскаватора; определения производительности; определения глубины копания; определения угла поворота 

платформы экскаватора. Применение микропроцессорной системы позволит повысить выработку экскаваторов и их срок службы, 
улучшить качество производства работ и условия труда машинистов, сократить долю ручного труда на зачистных операциях и 
определить сменную, месячную и годовую производительность. 
Основу исследований составили технологические разработки. 
При анализе на первом этапе учитывались существующая технология, применяемые средства механизации и автоматизации и 
уровень ручного труда, стоимостные показатели и трудозатраты; 
на втором этапе составлялась перспективная технология с учетом 
всех изложенных факторов; и на третьем этапе проводилась 
сравнительная оценка.  
Автоматизация отечественной строительно-дорожной техники 
идет по трем основным направлениям: управление пространственным положением РО машин, оптимизация наиболее энергоемких 
режимов работы машины, создание комплексной автоматизированной системы управления технологическим процессом строительства дорог и мелиоративных сооружений па основе лазерной 
техники. 
Первое направление автоматизации машин связано с повышением их планирующих свойств при обеспечении заданных профиля и уклона поверхности. Именно эти отделочные операции 
представляют наибольшие трудности для машиниста, поскольку 
отличаются значительной трудоемкостью и требуют больших затрат времени. Отклонение от нормативных требований при выполнении этих операций крайне негативно сказывается на качестве сооружений и вызывает перерасход материалов. 
Второй путь развития систем управления работой мобильных 
строительных и дорожных машин связан с автоматизацией 
наиболее энергоемких технологических операций — копания и 
транспортирования грунта, позволяющей более полно использовать тяговые возможности машин, снизить расход топлива, износ 
ходовой части, облегчить труд машиниста за счет снижения его 
психофизических нагрузок. 
Третье направление обеспечивает кардинальное совершенствование технологии и организации строительства дорог, мелиоративных и других сооружений. Его развитие базируется на последних достижениях лазерной и микропроцессорной техники,