Дорожно-строительные машины. Системное проектирование, моделирование, оптимизация

Введение 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский  федеральный  университет 
 
 
 
 
 
В. П. Павлов, Г. Н. Карасев 
 
 
 
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫЕ   
МАШИНЫ 
 
СИСТЕМНОЕ  ПРОЕКТИРОВАНИЕ,   
МОДЕЛИРОВАНИЕ, ОПТИМИЗАЦИЯ 
 
 
Допущено УМО вузов Российской Федерации по 
образованию в области транспортных машин и 
транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки магистров «Наземные транспортные системы», 10.12.2009 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2011 

Оглавление 

2 

УДК 625.7/8.001.63(07) 
ББК 39.311–06–5(я73) 
         П12 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  Г. В. Кустарев, канд. техн. наук, проф. зав. кафедрой «Дорожно-строительные машины» Московского автомобильнодорожного института (Государственного технического университета); 
кафедра «Строительные машины, эксплуатация и ремонт оборудования» Московского института коммунального хозяйства и строительства 
 
 
 
 
 
 
 
Павлов, В. П. 
П12         Дорожно-строительные машины. Системное проектирование, моделирование, оптимизация : учеб. пособие / В. П. Павлов, 
Г. Н. Карасев. – Красноярск :  Сиб. федер. ун-т, 2011. – 240 c. 
ISBN 978-5-7638-2296-0 
 
В пособии рассмотрены теоретические положения и практические аспекты проектирования дорожных машин. Отражены различные иерархические 
уровни проектирования машин с применением информационных технологий. 
Теоретические модели рабочих процессов и обоснование параметров рабочих 
органов рассмотрены на примере машин для земляных работ. 
Предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки магистров «Наземные транспортные системы».  Также будет полезно 
аспирантам и инженерно-техническим работникам в области проектирования и 
расчета транспортных и технологических машин. 
 
УДК 625.7/8.001.63(07) 
ББК 39.311–06–5(я73) 
 
  
 
ISBN  978-5-7638-2296-0                                                        Сибирский федеральный        
                                                                                                      университет, 2011 

Введение 
 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ……………………………………………………. 
5
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КУРС….……………………………………… 
7
1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ В ПРОЦЕССЕ  
    ПРОГНОЗА И ОЦЕНКИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПУТЕЙ  
    СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ  
    ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ……………………………………. 
7
1.1. Пути повышения эффективности  
       и конкурентоспособности дорожно-строительных машин 
7
1.2. Методы оценки конструкций технических средств……… 
13
1.3. Методические аспекты применения  
       системных оценок……………………………………….. 
27
1.4. Формирование общей задачи проектирования  
       и ее декомпозиция…………………………………………. 
41
1.5. Выбор технических решений на основе нечеткого  
       отношения предпочтения………………………………….. 
52
1.6. Автоматизированный инженерный анализ  
       в проектировании машин…………………………………… 
61
Вопросы и задания для самоконтроля …………………………. 
65
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ  
    ПРИ ОЦЕНКЕ ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ  
    КОНСТРУКЦИИ СТРОИТЕЛЬНОГО  
    ОДНОКОВШОВОГО  ЭКСКАВАТОРА………………………. 
67
2.1. Анализ статистической информации параметров  
       одноковшовых строительных экскаваторов…………..….. 
67
2.2. Конструирование ковша обратной лопаты  
       строительного экскаватора………………………………… 
76
2.3. Определение параметров грейферного ковша…………… 
99
2.4. Расчет производительности экскаватора  
       с оборудованием обратная лопата………………………… 
106
2.5. Оценка адекватности математической модели  
       производительности экскаватора  
       по экспериментальным данным……………………………. 
113
 
 

Оглавление 

4 

2.6. Оценка конкурентоспособности полноповоротных  
       одноковшовых строительных экскаваторов………………. 
122
2.7. Анализ устойчивости экскаватора…………………………. 
141
2.8. Моделирование структуры  и расчет механизмов  
       рабочего оборудования машин……………………………..   150
Вопросы и задания для самоконтроля ………………………….  156
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ОЦЕНКЕ 
    ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ 
    ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН………………… 
158
3.1. Определение максимального объема призмы  
       волочения бульдозера………………………………………. 
158
3.2. Расчет производительности бульдозера…………………... 
166
3.3. Расчет производительности скрепера…………………….. 
172
3.4. Оценка устойчивости самоходного скрепера…………….. 
176
3.5. Расчет производительности автогрейдера  
       при планировке поверхностей…………………………….. 
183
Вопросы и задания для самоконтроля ………………………….  196
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ……………………………….. 
198
Лабораторная работа 1. Исследование  
                                            структурно-компоновочной модели  
                                            одноковшового экскаватора…………. 
198
Лабораторная работа  2. Многокритериальный выбор  
                                             технических решений на основе  
                                             нечеткого отношения предпочтения… 
205
Лабораторная работа 3. Моделирование структуры гидромеха- 
                                            низмов и расчет нагрузок в элементах 
                                            рабочего оборудования машин………. 
210
Лабораторная работа 4. Определение расчетных положений 
                                            элементов рабочего оборудования 
                                            одноковшового экскаватора………… 
215
Лабораторная работа  5. Построение виртуальной модели  
                                             и анализ напряженно-деформирован-  
                                                 ного состояния металлоконструкции 
                                             экскаватора на основе метода  
                                             конечных элементов…………………. 
226
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………….. 
235
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ  СПИСОК…………………………….. 
236

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
Настоящее учебное пособие предназначено для магистрантов 5–
6-го курсов обучения.  В нем изложены материалы, используемые в 
научной работе в области исследования и повышения эффективности 
дорожно-строительных машин (ДСМ). Описаны основы методологии 
системного проектирования  применительно к дорожным машинам, 
которая базируется на анализе процессов взаимодействия машин со 
средой, разработке методологических принципов оптимальной организации системы на начальной стадии ее проектирования.  
Вычислительная техника резко сократила временные и денежные расходы на получение и обработку научной информации. В результате этого современные методы исследования характеризуются 
более активным применением методов математического моделирования рабочих процессов машин. Поэтому в пособии особое внимание 
уделяется проблеме создания математических моделей и использования вычислительной техники для оценки эффективности дорожных 
машин и исследованию путей их  улучшения.  
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 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 долж

Предисловие 

6 

ны быть адекватными усложняющимся задачам и методам машинного анализа. 
Пособие построено на материалах исследований, выполненных 
авторами при решении прикладных задач на кафедрах «Транспортные 
и технологические машины» (кафедра «Строительные и дорожные 
машины» до 2008 г.) СФУ и «Дорожно-строительные машины» Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета) – МАДИ.  
Авторы признательны рецензентам учебного пособия – кандидату технических наук, профессору Г.В. Кустареву и доктору технических наук, профессору А.И. Доценко – за критические замечания.

1.1. Пути повышения эффективности и конкурентоспособности дорожно-строительных машин 
 

7 

 
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КУРС 
 
 
 
 

 
1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ  
В ПРОЦЕССЕ ПРОГНОЗА И ОЦЕНКИ  
ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПУТЕЙ  
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ  
ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ 
 
 
1.1. Пути повышения эффективности  
и конкурентоспособности  
дорожно-строительных машин 
 
Анализ технологии строительства, достижений основных разработчиков технологий выполнения дорожно-строительных работ и 
производителей ДСМ позволил выявить возможные направления исследования, обеспечивающие  повышение эффективности и конкурентоспособности ДСМ. К наиболее перспективным относятся: 
– улучшение традиционных и создание новых видов рабочего 
оборудования и органов ДСМ;  
– создание электро- и гидроприводов управления, сенсорного 
управления рабочими органами;  
– применение ЭВМ, новейших средств расчета и проектирования, мобильных средств связи для передачи информации о разрабатываемых объектах, сроках, характере выполнения дорожно-строительных 
работ;  
– разработка новых энергосберегающих и экологически чистых 
технологий на основе последних достижений фундаментальных наук;  
– создание новых приводов движителей, систем управления 
движением ДСМ, тормозов; 

1. Системный анализ в процессе прогноза и оценки путей совершенствования конструкции технических средств 

8 

– полная компьютеризация производств, создание локальных 
сетей внутри предприятия, повышение качества работ и достижение 
системой качества уровня стандартов серии ИСО 9000.  
Эти направления обусловлены наличием предпосылок, возникших в других отраслях. В частности, создание новых более износостойких материалов для рабочих органов и всего рабочего оборудования; создание новых конструктивных решений, например, 
для движителей базовых машин; разработка и создание двигателей 
с низким уровнем выброса вредных веществ с отработавшими газами и дымностью, ужесточение требований международных норм к 
двигателям внутреннего сгорания;  разработка гидрооборудования с 
малыми габаритами, создающего и  воспринимающего высокое 
давление с повышенными требованиями к утечкам; создание и постоянное совершенствование программного обеспечения для проведения расчетных и проектно-конструкторских работ, создание высокопроизводительных компьютеров на базе более совершенных 
процессоров; создание мобильных средств связи и средств измерения, позволяющих снимать данные и передавать на базу через спутниковую сеть. 
Кроме того, образование объединений различных фирм, в том 
числе и из разных стран, поглощение одних фирм другими дает возможность аккумулировать средства для разработки и реализации 
принципиально новых решений. Развитие международных стандартов, касающихся сертификации систем качества различных фирм и 
заводов, например, серии ИСО 9000, гармонизирует их со стандартами Российской Федерации.  
В ходе анализа зарубежной практики машиностроения установлено, что для развития таких машин, как дорожно-строительные, 
необходимо каждые 3–5 лет ставить на производство новые модели 
машин. Эти сроки выдерживают все ведущие зарубежные фирмы – 
производители ДСМ, такие как Caterpillar, Komatsu, Fiat-Hitachi, 
Liebherr, Wirtgen, Vogele, Вrеining, Cedima, Schmidt и др. К сожалению, в России не всегда выдерживается этот период. В работах отечественных ученых указывается на необходимость разработки и 
реализации федеральной комплексной и отраслевых программ достижения и поддержания конкурентоспособности отечественной 
машиностроительной продукции, в том числе строительно-дорожной 
техники.  

1.1. Пути повышения эффективности и конкурентоспособности дорожно-строительных машин 
 

9 

Ниже представлены основные направления совершенствования 
конструкции ДСМ с целью достижения необходимого уровня конкурентоспособности в современной практике производства машин.  
Улучшение традиционных и создание новых видов рабочего оборудования и органов ДСМ объединяют в себя задачи по совершенствованию традиционных рабочих органов и оборудования и по созданию принципиально новых. Это относится ко всем ДСМ. К совершенствованию традиционных видов рабочего оборудования и органов 
относятся задачи по улучшению структуры и конфигурации рабочего 
оборудования, поиска новых форм и профилей для рабочих органов, 
позволяющие снизить металлоемкость рабочего оборудования, энергозатраты на единицу произведенной продукции и повысить функциональные возможности рабочих органов.  
Создание электро- и гидроприводов управления, сенсорного 
управления рабочими органами подразумевает улучшение органов 
управления за счет достижения максимально возможного удобства 
приведения в рабочее состояние, точности позиционирования рабочих органов, внедрение новых стандартов, как отечественных, так и 
международных (например, предполагается повышение требований к 
вибрации, усилиям и удобству расположения органов управления).  
Применение ЭВМ, новейших средств расчета и проектирования, мобильных средств связи для передачи информации о разрабатываемых объектах, сроках, характере выполнения дорожностроительных работ предполагает решение задач по расчету и проектированию машин с применением новейшего программного обеспечения и новейших компьютеров. В настоящее время все ведущие 
зарубежные производители ДСМ постоянно обновляют свой парк 
компьютеров и программных обеспечений, осуществляют собственные разработки с привлечением ведущих фирм-разработчиков компьютеров и программ. Это позволяет снизить затраты и уменьшить 
сроки получения точных расчетных данных, совместить проектные 
работы с испытаниями пионерных образцов продукции, максимально 
точно сопоставить расчетные и экспериментальные данные. Применение новейших средств микропроцессорной техники позволяет автоматизировать работу ДСМ с получением надежного и быстрого 
управления. В последнее время рядом фирм активно внедряется система постоянного съема текущей информации об объемах выполняемых работ, расчета производительности работ, определения текущих 

1. Системный анализ в процессе прогноза и оценки путей совершенствования конструкции технических средств 

10 

параметров назначения ДСМ, таких, как координаты их расположения и их рабочих органов, скоростные характеристики обработки 
данных и передачи полученных данных посредством спутниковой 
связи на базу. Такие работы ведут, например, фирмы Caterpillar, Komatsu. Это позволяет в кратчайшие сроки получить реальные данные 
о выполненных работах и обеспечить точное автоматическое управление ДСМ. В этой связи возникает необходимость в наличии математических моделей показателей, адекватно отражающих реальную 
эффективность использования ДСМ.  
Разработка новых энергосберегающих и экологически чистых 
технологий на основе последних достижений фундаментальных наук 
подразумевает решение задач, связанных с соблюдением законов Российской Федерации и международных соглашений, направленных на 
улучшение экологии планеты. Присоединение Российской Федерации 
к действующим международным Правилам и Нормам Европейского 
экономического комитета (ЕЭК) ООН, например, 24-ОЗ, регламентирующим параметры выброса вредных веществ с отработавшими газами и дымности, заставляет российских производителей выполнять эти 
нормы. В противном случае отечественную продукцию невозможно 
будет экспортировать в страны, соблюдающие эти нормы и правила. 
Такой подход заставляет производителей совершенствовать применяемые на ДСМ двигатели, развивать технологии дорожно-строительных 
работ и конструкции, применять на ДСМ действенные фильтрацию и 
нейтрализаторы или использовать двигатели, которые соответствуют 
международным норам и правилам. Это также заставляет отечественных производителей добиваться необходимых показателей своих двигателей. Достижение экономичности источников энергии является 
одним из основных путей повышения конкурентоспособности машин. 
В частности, отечественными ГОСТами нормируется удельный расход топлива, и в настоящее время этот параметр считается обязательным при проверке машин, при проведении приемочных и сертификационных испытаний. 
Создание новых приводов движителей предполагает развитие 
новых систем трансмиссии, рулевого управления, тормозов. Это вызвано повышенными требованиями к тормозам и системам рулевого 
управления, так как они подвергаются обязательной проверке при 
проведении приемочных и сертификационных испытаний согласно 
ГОСТ 28769-90 (ИСО 3450-85) и ГОСТ 27254-87 (ПСО 56010-84). 

1.1. Пути повышения эффективности и конкурентоспособности дорожно-строительных машин 
 

11 

Тормоза и рулевое управление напрямую влияют на безопасность 
ДСМ, поэтому разработка новых высокоэффективных систем управления тормозов и рулевого управления является важной задачей. 
Кроме того, возникает необходимость разработки и производства коробок передач, которые могли бы реализовывать оптимальный диапазон крутящих моментов как на рабочих, так и на транспортных режимах ДСМ. Коробки передачи должны обеспечивать удобство их 
управления, что достигается за счет повышенных требований к точности их изготовления и применения гидростатических конструктивных решений. Создание новых приводов движителей предполагает 
совершенствование конечных передач. Например, фирма Caterpillar 
внедрила и использует треугольную форму гусеничных движителей 
на бульдозерах типов Д5–Д11. Такая форма обеспечивает максимальную надежность конечной передачи, так как исключается нагрузка от 
грунта на ведущую звездочку, и максимальную ремонтопригодность, 
поскольку реализован свободный доступ к ведущей звездочке и конечной передаче.  
Полная компьютеризация производств, создание локальных сетей внутри предприятия, повышение качества работ и достижение 
системой качества уровня стандартов серии ИСО 9000 направлены 
на создание максимально возможной стабильности системы качества 
на производстве. Применение высокоточных средств производства, 
улучшение условий труда, максимально полная компьютеризация и 
автоматизация производств дают возможность улучшить качество изделий. Полная компьютеризация производств и создание локальных 
сетей внутри всего предприятия позволяют максимально ускорить 
получение реальных данных о качестве изделий, постоянно проводить статистическую обработку результатов замеров параметров качества. Следует отметить, что работам по повышению уровня систем 
качества уделяется постоянное внимание. Так, зарубежные фирмы 
осуществляют закупку комплектующих изделий только у фирм, 
имеющих сертификат на систему качества, а такие фирмы, как Caterpillar, дополнительно проводят свою сертификацию поставщиков.  
Целью технического совершенствования строительных, дорожных и коммунальных машин является повышение эффективности 
их использования при снижении негативных последствий для человека и окружающей среды. Оно развивается по следующим основным 
направлениям. 

1. Системный анализ в процессе прогноза и оценки путей совершенствования конструкции технических средств 

12 

Повышение комфорта и безопасности реализуется  за счет автоматизации систем контроля и управления, снижения трудоемкости 
управления, оптимизации расположения его органов,  сокращения их 
числа и повышения числа контролируемых ими функций, улучшения 
обзорности, совершенствования и автоматизации работы систем микроклимата, улучшения звуко- и виброизоляции, защиты кабины при 
падении предметов сверху (конструкции FOPS) и опрокидывании 
машины  (конструкции ROPS). 
Повышение надежности обеспечивается улучшением качества 
очистки и увеличением срока службы рабочих жидкостей, расширением 
числа контролируемых параметров технического состояния машины, автоматической диагностикой агрегатов и систем, снижением трудоемкости и увеличением периодичности технического обслуживания. 
Интенсификация использования осуществляется посредством расширения номенклатуры сменных рабочих органов и оснащения машин 
быстродействующими захватами и быстроразъемными гидромуфтами, 
сокращающими время их перестановки, а также путем оптимизации режима работы технических средств в заданных условиях применения. 
Ускорение рабочих процессов достигается вследствие увеличения мощности силовых установок, рабочих и транспортных скоростей, маневренности, заправочных емкостей, тяговых усилий, 
давлений в гидросистемах и оптимизации параметров рабочих процессов. 
Повышение экологической безопасности реализуется за счет 
снижения токсичности выхлопа двигателей внутреннего сгорания, 
изоляции интенсивных источников шума, применения движителей, 
щадящих опорную поверхность (пневмоколеса пониженного давления, резиновые траки гусениц и т.п.), использования биологически 
нейтральных или разлагающихся на открытом воздухе рабочих жидкостей, предотвращения утечек рабочих жидкостей благодаря быстроразъемным гидромуфтам. 
Адаптация к низким температурам требует особо утепленных 
кабин с двойным или тройным остеклением, рабочих жидкостей, смазок 
и топлив пониженной вязкости без ухудшения других свойств и резинотехнических изделий на основе  натурального каучука, сохраняющих 
эластичность и прочность при низких температурах. Металлические 
конструкции этих машин должны изготавливаться из легированных никелем сталей, менее подверженных явлению хладноломкости.