Методология инновационного проектирования наземных транспортно-технологических комплексов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

В. В. Минин
Г. С. Гришко

В. Ю. Клешнин

МЕТОДОЛОГИЯ 

ИННОВАЦИОННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

НАЗЕМНЫХ 

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 

КОМПЛЕКСОВ

Учебное пособие

Под общей редакцией доктора технических наук 

В. В. Минина

Красноярск

СФУ
2021

УДК 629.3.001.63(07)
ББК 39.94-022я73

М618

Р е ц е н з е н т ы:
В. И. Баловнев, доктор технических наук, профессор кафедры «Дорож
но-строительные машины» Московского автомобильно-дорожного государственного университета, заслуженный деятель науки и техники Российской 
Федерации, академик Российской академии транспорта, почетный профессор 
Сианьского университета транспорта и связи (КНР);

А. Г. Савельев, доктор технических наук, профессор кафедры «РК-4» 

Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана

Минин, В. В.

М618
Методология инновационного проектирования наземных 

транспортно-технологических комплексов : учеб. пособие / 
В. В. Минин, Г. С. Гришко, В. Ю. Клешнин ; под общ. ред. 
В. В. Минина. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2021. – 108 с.

ISBN 978-5-7638-4457-3

Рассмотрены теоретические положения и практические аспекты инно
вационного проектирования наземных транспортно-технологических комплексов и их подсистем для строительства и содержания дорог и аэродромов, а также освоения северных территорий и Арктики.

Предназначено для магистрантов направления подготовки 23.04.02 «На
земные транспортно-технологические комплексы».

Электронный вариант издания см.:

http://catalog.sfu-kras.ru

УДК 629.3.001.63(07)
ББК 39.94-022я73

ISBN 978-5-7638-4457-3
© Сибирский федеральный университет, 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие............................................................................................... 4

Введение...................................................................................................... 6

Глава 1. Взаимосвязи параметров машин
и их системная оценка на первых стадиях
инновационного проектирования......................................................... 7
1.1. Методика определения структуры математической модели.......... 7
1.2. Критериальные функции для оценки эффективности
и технического уровня машин ................................................................ 17
1.3. Оптимизация параметров привода малогабаритного 
погрузчика................................................................................................. 22
1.4. Метод оптимизации параметров машин по аддитивному 
критерию.................................................................................................... 32

Глава 2. Инженерный анализ и общие подходы
к инновационному проектированию.................................................. 35
2.1. Структурный анализ объекта исследования................................... 37
2.2. Функциональный анализ объекта исследования ........................... 38
2.3. Диагностический анализ объекта исследования............................ 44
2.4. Свертывание элементов.................................................................... 46
2.5. Эволюционные исследования конструктивной схемы машин..... 47

Глава 3. Экономическое обоснование 
инновационных проектов..................................................................... 51

Глава 4. Практические аспекты инновационног
о проектирования машин для освоения северных территорий
и Арктики................................................................................................. 69
4.1. Машины и их основные узлы........................................................... 70
4.2. Гидросистемы машин ....................................................................... 79
4.3. Опорно-поворотные устройства ...................................................... 96

Заключение ............................................................................................ 106

Библиографический список ............................................................... 107

Посвящается 65-летию 
со дня образования Красноярского 
политехнического института

Предисловие

Государственные программы развития страны нацелены на фор
мирование опережающего научно-технического задела технологий 
для создания перспективной и высокоэффективной техники, что будет способствовать обеспечению национальной безопасности. В современных реалиях кардинальные сдвиги в технологической сфере 
жизни общества обусловлены постепенным сокращением возможностей традиционных ресурсов повышения экономического роста предприятий.

Для создания и эксплуатации новых наземных транспортно
технологических комплексов и оборудования для строительства 
и восстановления дорог и аэродромов необходима реализация целого 
комплекса мер. Эти вопросы освещены в научной литературе и учебных изданиях. Падение эффективности и целесообразности проводимых разработчиками техники мероприятий привело к тому, что критерий «инновационность» стал наиболее востребованным. Создание 
высокотехнологичных и инновационных машин задает стандарты качества и соответствия всем современным требованиям рынка. Инновация представляет собой использование научных достижений с целью получения экономического, социального или экологического эффектов.

В учебном пособии нашли отражение вопросы практического 

применения компьютерных технологий для выполнения инновационных проектно-исследовательских и конструкторских работ к различным подсистемам машин.

Не все рассматриваемые в пособии задачи могут быть сведены 

к получению единственного варианта инновационного решения. Авторы и не ставили перед собой такую цель. Материал пособия ориентирован на методы поиска новых вариантов решения проектных задач, зачастую с другими целевыми установками и иными критериаль-
ными функциями, а также на создание более совершенных методов, 
включая оптимизацию конструктивных параметров проектируемой 
техники на основе безразмерных комплексов их взаимосвязи.

Методы анализа, опирающиеся на теорию размерностей, муль
тифизичность подхода и многокритериальность в принятии решений, 
иерархичность математических моделей, являющихся обычными составляющими современных методологий исследования в проектировании, потребуют определенных усилий со стороны читателя для усвоения материала. Эти элементы методологии должны быть адекватны усложняющимся задачам.

Основными учебниками по вопросу инновационного проектиро
вания наземных транспортно-технологических комплексов являются 
книги профессора В. И. Баловнева (МАДИ) [1, 2, 4], где вводится новое понятие – четвертая координата времени, позволяющая проводить 
прогнозные оценки возможностей совершенствования технологий 
эксплуатации и конструирования машин.

При написании учебного пособия стояла цель – подтолкнуть бу
дущего магистра к самостоятельному освоению практических навыков, для этого даны примеры из опыта изысканий инновационного 
проектирования подсистем машин по предлагаемой авторами методологии. Пособие построено на материалах исследований, выполненных 
авторами при решении инновационных прикладных задач на кафедре 
транспортных и технологических машин СФУ (до 2008 г. – кафедра 
«Строительные и дорожные машины» КГТУ). Предисловие, введение, 
главы 1, 4, заключение написаны В. В. Мининым; глава 2, п. 4.1 –
Г. С. Гришко; глава 3 – В. Ю. Клешниным.

Материалы пособия направлены на усвоение компетенций, 

имеющих практическое значение в инновационном проектировании, 
в соответствии с которыми магистрант должен быть способен:

– осуществлять критический анализ проблемных ситуаций 

на основе системного подхода и вырабатывать стратегию действий;

– применять инструментарий формализации научно-техничес
ких задач, использовать прикладное программное обеспечение для 
моделирования и проектирования наземных транспортно-технологических комплексов;

– анализировать и прогнозировать технико-экономические по
казатели машин.

Введение

Практика проектирования фирмами-производителями наземных 

транспортно-технологических средств и опыт развития их конструкций базируются на основных положениях и прикладных принципах 
инноваций. Технический уровень сложных систем, каковыми являются данные машины, принято оценивать по условным критериям – путем относительного сопоставления параметров пары объектов. 
В учебном пособии на практических примерах рассмотрены методы 
определения достигнутого технического уровня за счет объективности экспертизы на основе безразмерных критериев взаимосвязи технико-эксплуатационных параметров. Данный метод является залогом 
конкурентоспособности проектируемой техники на мировом рынке.
Инженерная прикладная ориентация на компьютерные технологии 
в проектировании позволяет определить технический уровень на ранних стадиях проведения работ, когда затраты на создание машин не 
столь велики. В ряде случаев для описания рабочих процессов транспортно-технологических комплексов магистранты не имеют математической постановки задачи. Применение теории размерностей позволяет в данном случае свести к минимуму многие несущественные 
факторы в процессе моделирования. С целью определения рациональных направлений поиска инновационных конструктивных схем 
машин рекомендуется применение функционально-стоимостного анализа, который повсеместно используется фирмами-производителями 
техники. Для повышения эффективности поиска новых технических 
решений в пособии на конкретных примерах применяется современная методика автоматизированного эволюционного анализа патентной информации.

Экономическую целесообразность инновационного проекта или, 

наоборот, его нецелесообразность предлагается оценивать по хорошо 
себя зарекомендовавшей методике мониторинга и контроля рисков
с учетом потенциальной доходности.

Опыт инновационного проектирования на примерах отдельных 

подсистем транспортно-технологических комплексов для освоения 
северных территорий и Арктики наглядно показывает эффективность 
предлагаемой к изучению методологии.

Глава 1 

Взаимосвязи параметров машин 

и их системная оценка на первых стадиях 

инновационного проектирования

Оптимальность технического решения при инновационном про
ектировании наземных транспортно-технологических комплексов означает наилучший вариант по значению критерия оценки при множестве допущений и ограничений в постановке задачи моделирования. 
Задача выбора конструктивной схемы вновь создаваемых образцов 
техники, представляемой в виде сложной системы с большим количеством взаимосвязей технико-эксплуатационных и конструктивных 
параметров, осуществляемого на основе безразмерных комплексов их 
взаимосвязей, обеспечивает требуемую точность расчета значений 
и приводит к повышению производительности машин при рациональном использовании материальных и энергетических ресурсов.

1.1. Методика определения структуры 

математической модели

При изучении механических явлений вводится ряд таких поня
тий, как энергия, скорость, напряжение и т. п., которые характеризуют рассматриваемое явление и могут быть заданы с помощью чисел. 
Все вопросы о движении и равновесии формулируются как задачи 
об определении некоторых функций и численных значений для величин, характеризующих явление, причем при решении таких задач законы природы и различные геометрические соотношения представляются в виде функциональных уравнений − обычно дифференциальных. Однако в случае определения эффективности работы машины 
математическая постановка задачи не сводится к описанию названных уравнений и задач линейного и нелинейного программирования. 

При этом мы имеем дело как с детерминированными, так и со стохастическими рабочими процессами.

В этом случае на практике для определения рациональных пара
метров хорошо себя зарекомендовали статистические методы и метод 
размерностей. Анализ размерностей конструктивных и эксплуатационных параметров, входящих в целевую функцию (критерий) оценки 
степени совершенства (эффективности), позволяет определить структуру математической модели в виде зависимости между безразмерными комбинациями, составленными из этих параметров.

Под размерностью величины понимают произведение степеней 

независимых единиц измерения физических величин, принятых в качестве основных. В Международной системе единиц СИ приняты 
следующие единицы измерения: длины – метр, массы – килограмм, 
времени – секунда.

Согласно теории подобия сформулированы хорошо зарекомен
довавшие себя в практике моделирования теоремы.

Первая теорема подобия. Явления, подобные в том или ином 

смысле (математическом, физическом и т. д.), имеют некоторые одинаковые сочетания параметров, называемые критериями подобия.

Вторая теорема (π-теорема). Всякое полное уравнение физиче
ского процесса, записанное в определенной системе единиц, может 
быть представлено зависимостью между критериями подобия, 
т. е. уравнением, связывающим безразмерные величины, полученные 
из участвующих в процессе параметров.

Разработан компьютерный программный комплекс для автома
тизации получения безразмерных критериев взаимосвязи параметров 
машин, реализующий следующий алгоритм.

Примем величину а, которая является функцией независимых 

между собой размерных величин а1, a2, а3, …, аn:

а = F(а1, а2, а3, …, аk, ak+1, ..., аn) ,
(1.1)

где а1, а2, а3, …, аn – параметры, участвующие в процессе, причем 
первые из величин имеют независимые размерности. Примем их 
за основные и введем обозначения для их размерностей

[а1] = А1, [а2] = А2 ..., [а3] =А3.

Размерности остальных параметров будут

      

    

     

  ,

,

...............................
...............................

       

    

     

  ,

Изменив единицы измерения величин а1, а2, а3, …, аk в α1, α2, …, 

αk раз, получим значения этих величин и величин а, аk+1, …, аn в новой 
системе единиц:

  

      ,
     

    

     

   ,

  

      ,
    

 
   

    

     

      

………………
………………………………

………………
………………………………

  

      
  

    

    

     

    

Тогда исходное соотношение (1.1) записывается в виде

     

    

     

     

               

          

    

     

         

    

     

      

Выберем систему единиц измерения так, чтобы значения первых 

k аргументов у функции Ф в правой части соотношения (1.1) имели 
фиксированные постоянные значения, равные единице, т. е. α1 = 1/а1, 
α2=1/а2, …, αk =1/аk.

В относительной системе единиц измерения численные значения 

параметров, а, ak+1, ..., аn определяются по формулам

  

 

  

    

     

   ,

   

 

  

    

     

   ,

...............................
...............................

     
  

  

    

     

    

Здесь значения П, П1, ..., Пn-k не зависят от выбора системы еди
ниц измерения А1, А2 ..., Аk и не зависят от выбора тех единиц измерения, через которые выражаются а1, а2, а3, . .. аk. Следовательно, эти 
величины являются безразмерными.

Пользуясь полученной системой единиц, соотношение (1.1) 

можно записать в виде

                   

Связь между n + 1 размерными величинами а1, а2, а3, ..., аn, неза
висимая от выбора системы единиц измерения, принимает вид соотношения между n + 1–k величинами П, П1, ..., Пn-k, представляющими 
собой безразмерные комбинации из n + 1 размерных величин.

Функциональная связь для исходной функции между парамет
рами а1, а2, а3, …, аk, аk+1, …, аn а = Ф(а1, а2, а3, …, аk, ak+1, ..., аn).

С учетом известных размерностей в системе основных единиц

А1, А2, ..., Аk записываются в виде

       

     

      

    ,

       

     

      

    ,

...............................
...............................

       

     

      

     

Согласно π-теореме количество критериев должно быть n – k. 

Найдем их из

     

     

      

        ,

     

     

      

        ,

..................................
(1.2)

...............................

       

     

      

      .

Заменив физические величины их размерностями и приравняв 

показатели степеней при соответствующих единицах измерения А1, 
А2, ..., Аk, запишем для каждого i-го критерия соответствующую систему уравнений:

Решив системы методом Гаусса, подставив значения Xij в форму
лы (1.2), находим искомые уравнения критериев.

Рассмотрим методику получения комплексных показателей ка
чества на основе использования теории размерностей и подобия. Введем традиционные обозначения основных единиц измерения величин: 
L – метр, M – килограмм, T – секунда.

В обобщенной форме для наземной транспортно-технологи
ческой машины математическая модель взаимосвязи конструктивных 
и эксплуатационных параметров записывается в виде



,
,
,
,
,
H G Z Q N
  
(1.3)

где Z – грузоподъемность (грузоподъемная сила), [Z] = LMT-2; H – показатель назначения, имеющий линейный размер, [H] = L; Q – производительность машины, [Q] = LMT-3; N –
установочная мощность 

двигателя, [N] = L2MT-3; G – эксплуатационная масса (сила тяжести) 
машины, [G] =M.

В формулу (1.3) входят пять аргументов, размерность которых 

выражается посредством трех основных единиц измерения.

Согласно π-теореме число критериев будет равно двум. Тогда 

имеем следующую систему критериальных уравнений:

1
1
1

2
2
2

1

2

,

.

x
y
z

x
y
z

H G Z Q

H
G
Z
N

 
 


(1.4)

Заменив физические величины их размерностями и приравняв 

показатели степеней при соответствующих единицах измерения M, L, 
T, запишем для каждого из π-критериев соответствующую систему 
уравнений:

для π1

1
1

1
1

1

:
1
0,

:
1
0,

:
2
3
0;

M Y
Z

L X
Z

T
Z


 



 





