Разработка и Технико-Экономическое Обоснование Конструкции Всесезонного Автогрейдера (ВКР)

Введение: Актуальность, Цели и Задачи Проектирования

Необходимость круглогодичной эксплуатации дорожно-строительной техники в условиях континентального климата Российской Федерации, где зимний период характеризуется значительным объемом работ по планировке, расчистке и удалению смерзшихся грунтов и льда, обуславливает острую актуальность разработки специализированных машин. В частности, автогрейдер, являясь основным инструментом для профилирования и земляных работ, должен обладать расширенными эксплуатационными возможностями для эффективной работы при низких температурах и повышенных нагрузках, поэтому его адаптация под суровые зимние условия — это не просто модернизация, а жизненная необходимость для коммунальных и дорожных служб.

Целью данного проекта является разработка и технико-экономическое обоснование конструкции всесезонного автогрейдера, адаптированного для повышения эффективности механизации планировочных работ в условиях зимней эксплуатации.

В рамках выпускной квалификационной работы (ВКР) в качестве объекта проектирования был выбран автогрейдер среднего класса мощности — Класс 140/180 (исходя из потребностей региональных дорожно-строительных управлений в универсальной и маневренной технике). Данный выбор соответствует требованиям ГОСТ 11030-2017 и обеспечивает оптимальный баланс между тяговыми характеристиками и экономической целесообразностью.

Структура ВКР включает: теоретическое обоснование, комплекс инженерных расчетов (тяговый расчет, расчет производительности, расчет на прочность), конструкторскую разработку (гидравлика, рабочее оборудование) и экономическое обоснование.

Теоретико-Конструктивный Анализ Автогрейдеров

Классификация и Общие Параметры Автогрейдеров

Автогрейдер — это ключевая самоходная колесная машина, предназначенная для выполнения земляных работ нулевого цикла, а также для профилирования и содержания дорожных покрытий. Его основное назначение — формирование плоских поверхностей, откосов, разравнивание и перемещение грунта и сыпучих материалов при помощи грейдерного отвала, расположенного в пределах колесной базы.

Согласно ГОСТ 11030-2017 «Автогрейдеры. Общие технические условия», классификация машин основана на их эксплуатационной массе и классе мощности двигателя. По массе, проектируемая машина попадает в диапазон средних (универсальных) автогрейдеров (до 15 т).

Класс мощности (по ГОСТ 11030-2017)	Диапазон мощности, кВт	Диапазон мощности, л. с.	Тип машины (по массе)
140	88,9 – 117,6	121 – 160	Средний
180	118,4 – 147,0	161 – 200	Средний/Тяжелый

Для обеспечения требуемой тяговой эффективности в сложных условиях (например, работа на обледенелом покрытии или с твердым грунтом) критически важен выбор колесной формулы. Для проектируемого всесезонного автогрейдера рекомендована колесная формула 1 × 3 × 3. Эта формула обозначает, что машина имеет три оси, одну управляемую ось (А=1) и три ведущие оси (В=3), то есть полный привод. Выбор полного привода (1 × 3 × 3) позволяет достичь максимальной сцепной массы (G_сц), что является основой для реализации наибольшего тягового усилия, ограниченного сцеплением, что особенно важно при работе с плотными или смерзшимися материалами.

Специфические Требования к Конструкции для Всесезонной Эксплуатации

Переход от обычного автогрейдера к всесезонной модели требует реализации ряда конструктивных решений, направленных на повышение надежности, безопасности и производительности в условиях низких температур и работы со специфическими зимними материалами.

1. Адаптация для работы с низкими температурами:
   • Предпусковые подогреватели: Обязательная установка жидкостных предпусковых подогревателей двигателя и топливной системы для обеспечения гарантированного запуска при температуре до -30 °С и ниже.
   • Двойное остекление кабины:
     Применение двойного стеклопакета или обогреваемого остекления для предотвращения запотевания и обмерзания, что критически важно для поддержания нормативной обзорности и комфортного микроклимата.
   • Выбор ГСМ: Использование специальных зимних горюче-смазочных материалов, включая гидравлические масла, адаптированные для работы при отрицательных температурах (подробно см. в Главе 5).
2. Повышение проходимости и сцепления:
   • Цепи противоскольжения: Конструкция ведущих колес должна предусматривать возможность быстрого монтажа цепей противоскольжения, что существенно увеличивает коэффициент сцепления (φ) на обледенелых или сильно укатанных снежных покрытиях.
3. Работа со смерзшимся грунтом:
   • Рыхлительное оборудование (Кирковщик): Для предотвращения катастрофических нагрузок на грейдерный отвал при работе со смерзшимся грунтом, плотными наледями или старым асфальтом, необходимо обязательное использование заднего или переднего кирковщика (рыхлителя). Кирковщик предварительно разрушает жесткий слой, переводя его в состояние, доступное для планировки отвалом.

Эти меры позволяют рассматривать автогрейдер как по-настоящему всесезонную машину, способную эффективно выполнять планировочные работы круглый год.

Инженерный Расчет Основных Параметров Автогрейдера

Инженерный расчет является основой для подтверждения проектных характеристик машины, в частности, ее тяговых возможностей и производительности.

Тяговый Расчет и Оценка Энергетического Баланса

Тяговый расчет позволяет определить, какую максимальную полезную силу тяги может развить машина и сравнить ее с суммой всех сопротивлений движению и работе.

Условие тягового баланса: Для нормального выполнения планировочных работ необходимо, чтобы сумма всех сопротивлений движению (ΣW) не превышала наименьшее из двух значений — силу тяги, ограниченную мощностью двигателя (Т_н), и силу тяги, ограниченную сцеплением ведущих колес с грунтом (Т_φ).

ΣW ≤ Tн и ΣW ≤ Tφ

Расчет силы тяги, ограниченной сцеплением (Т_φ):

Сила тяги, ограниченная сцеплением, является критическим параметром, особенно при работе на сложных зимних покрытиях.
Формула для расчета:

Tφ = Gсц × φ × i

Где:

• G_сц — сцепная масса автогрейдера, приходящаяся на ведущие колеса (для схемы 1 × 3 × 3 это почти полная масса машины).
• φ — коэффициент сцепления колес с опорной поверхностью. При работе на обледенелом или сильно уплотненном снегу без цепей этот коэффициент может быть крайне низким (φ ≈ 0,15 — 0,25). При применении цепей противоскольжения он существенно повышается.
• i — коэффициент, учитывающий колесную формулу ходовой части.

Для выбранной колесной формулы 1 × 3 × 3 (полный привод) коэффициент i принимается максимальным, равным 1,0. Этот выбор конструктивно оправдывает высокую сцепную массу и позволяет реализовать максимальное тяговое усилие.

Пример расчета: Если эксплуатационная масса автогрейдера составляет 14 000 кг (G_сц ≈ 140 кН), а расчетный коэффициент сцепления на грунте φ = 0,65, то теоретическая сила тяги, ограниченная сцеплением, составит:
Tφ = 140 кН × 0,65 × 1,0 ≈ 91 кН
Это значение должно быть достаточным для преодоления сопротивления резанию и перемещению грунта, а также сопротивления качению и подъему.

Расчет Технической Производительности (Π_т)

Техническая производительность автогрейдера оценивает объем работ (грунта), выполняемый машиной за единицу времени.

Формула расчета технической производительности при возведении земляного полотна (планировке):

Πт = (3600 × Vпр × kу × kи) / (tц × kр)

Где:

• V_пр — объем призмы волочения грунта за один проход, м³.
• k_у — коэффициент уклона трассы.
• k_и — коэффициент использования машины по времени. Типовое значение для расчетов, учитывающее технические перерывы, принято k_и = 0,85.
• k_р — коэффициент разрыхления грунта. Для несвязных грунтов (например, песок) стандартно принимается k_р ≈ 1,085. При работе со смерзшимся грунтом после кирковки этот коэффициент может быть выше, в зависимости от степени разрушения.
• t_ц — продолжительность цикла работы, с.

Продолжительность цикла (t_ц) — это сумма времен, затраченных на все операции в рамках одного рабочего прохода:

tц = t1 + t2 + t3 + t4 + t5 + t6

Где: t₁ — время перемещения грунта отвалом (рабочий ход); t₂ — время обратного хода; t₃, t₄ — время на подъем/спуск отвала; t₅, t₆ — время на повороты и переключение передач.

Расчет Π_т позволяет не только обосновать выбор класса мощности двигателя, но и определить экономическую эффективность проекта в сравнении с аналогами. Не является ли эта производительность ключевым фактором в борьбе за рентабельность при круглогодичной эксплуатации?

Расчет на Прочность Несущих Систем

Обеспечение прочности основной и тяговой рамы автогрейдера является фундаментальным требованием для техники, работающей с высокими контактными напряжениями и ударными нагрузками, особенно при зимней эксплуатации (работа со смерзшимся грунтом).

Выбор Расчетной Схемы и Расчетных Нагрузок

Расчет на прочность несущих элементов производится для наиболее неблагоприятного случая — так называемого «первого расчетного положения».

Первое расчетное положение моделирует ситуацию, когда автогрейдер режет грунт одним концом отвала (максимально смещенным вбок), при этом передний мост вывешен или упирается в препятствие, а задние ведущие колеса находятся на пределе сцепления (буксуют). Именно это положение создает максимальные изгибающие и крутящие моменты в раме и тяговом брусе.

На ноже отвала действуют максимальные усилия реакции грунта, которые определяются по трем осям:

• P_x — горизонтальное усилие (по направлению движения).
• P_y — боковое усилие (перпендикулярно движению).
• P_z — вертикальное усилие (сопротивление заглублению).

Влияние на прочность основной и тяговой рамы оказывают в основном усилия P_x и P_z, которые создают изгибающие моменты в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Расчет Напряжений в Тяговой Раме

Тяговая рама (или тяговый брус) представляет собой ключевой элемент, передающий усилия от ножа отвала к основной раме через шаровый шарнир. Для обеспечения требуемой долговечности, тяговая рама обычно выполняется в виде сварной конструкции коробчатого сечения.

Критически важным аспектом при расчете на прочность ДСТМ является учет динамических нагрузок, возникающих при наезде на камни, корни или смерзшиеся участки грунта. Это учитывается введением коэффициента динамичности (К_Д).

Для первого расчетного положения (максимальные нагрузки в процессе резания) коэффициент динамичности стандартно принимается: К_Д = 1,5.

Напряжение (σ_р) в наиболее нагруженном расчетном сечении тяговой рамы, вызванное горизонтальным усилием, определяется по следующей формуле (с учетом динамики):

σр = (Xш × KД) / F

Где:

• X_ш — горизонтальное усилие, возникающее в шаровом шарнире тяговой рамы (кН), определяемое через равновесие сил, действующих на отвал.
• К_Д — коэффициент динамичности, К_Д = 1,5.
• F — площадь расчетного сечения тяговой рамы (м²).

Полученное расчетное напряжение σ_р должно быть меньше допустимого напряжения для выбранного материала (например, низколегированной стали 09Г2С), с учетом коэффициента запаса прочности.

Конструктивные Решения Гидросистемы и Точность Управления

Современный автогрейдер требует не только высокой мощности, но и прецизионной точности управления рабочим оборудованием. Это достигается за счет сложной многоконтурной гидравлической системы и автоматизированных систем профилирования.

Выбор Гидравлического Оборудования и ГСМ

Для управления многочисленными функциями (подъем/опускание отвала, вынос, поворот, наклон колес, рулевое управление) используется многоконтурная гидросистема, питаемая несколькими гидронасосами (например, для основного оборудования, рулевого управления и вспомогательных систем).

Критическое требование для всесезонной эксплуатации: Обеспечение бесперебойной работы гидравлики при отрицательных температурах.

При понижении температуры вязкость стандартных гидравлических масел резко возрастает. Если кажущаяся вязкость масла превышает критическую границу 1,5 Па·с (1500 сСт), это может привести к нарушению работы предохранительных клапанов, «зависанию» золотников и, как следствие, к потере управляемости.

Обоснование выбора ГСМ:
Для проектируемого всесезонного автогрейдера необходимо использовать всесезонные гидравлические масла класса ISO VG 32 (например, HVLP 32 или аналоги), которые сохраняют низкую вязкость при температуре до -20 °С. Использование таких масел гарантирует надежность и скорость срабатывания исполнительных механизмов гидравлики, а также минимизирует риск дорогостоящих простоев и аварий в условиях сильного холода.

Для повышения усилия и точности поворота отвала при максимальных нагрузках (особенно в первом расчетном положении) в механизме поворота поворотного круга рекомендуется применение не одного, а двух синхронизированных гидромоторов.

Интеграция Системы Автоматического Профилирования (САР)

Для повышения качества и скорости планировочных работ, особенно при финишном профилировании дорожного полотна, в конструкцию всесезонного автогрейдера должна быть интегрирована Система Автоматического Регулирования (САР).

Наиболее распространенной и эффективной является одноуклонная система типа САР «Профиль-1».

Принцип работы САР «Профиль-1»:

Система «Профиль-1» включает в себя:

1. Датчик углового положения (уклона), который устанавливается на отвале и непрерывно измеряет его поперечный уклон относительно горизонтальной плоскости или заданного опорного элемента (струны).
2. Аппаратура автоматики (пульт управления), где оператор задает требуемый поперечный уклон (например, 2% для водоотвода).
3. Электрогидрозолотники, которые получают сигнал от датчика и автоматически корректируют подачу рабочей жидкости в гидроцилиндры подъема/опускания отвала.

Интеграция САР «Профиль-1» позволяет автоматически стабилизировать поперечный уклон отвала. Это освобождает оператора от необходимости постоянной ручной корректировки, позволяя ему сосредоточиться только на поддержании продольного уклона. Результат — значительное повышение точности профилирования (до ±3-5 мм) и сокращение времени выполнения работы.

Нормативно-Техническое Обеспечение Проекта (Безопасность и Эргономика)

Проект всесезонного автогрейдера должен строго соответствовать действующей нормативно-технической документации Российской Федерации, что является обязательным условием для ввода машины в эксплуатацию и успешной защиты ВКР.

Требования к Экологии и Эргономике Кабины

Общие технические условия и требования к безопасности автогрейдеров регламентируются ГОСТ 11030-2017. Однако детализация требований к рабочей среде оператора содержится в смежных стандартах.

Требования к шуму:
Критически важным является обеспечение комфортного и безопасного акустического режима в кабине оператора. В соответствии с ГОСТ 12.1.003 и актуальными санитарными правилами (СанПиН 1.2.3685-21), нормативный эквивалентный уровень звука (L_pAeqT) на рабочем месте оператора за восьмичасовую рабочую смену не должен превышать 80 дБА. Для выполнения этого требования конструкция кабины должна включать усиленную звукоизоляцию и виброизоляционные крепления.

Требования к безопасности гидросистемы:
Поскольку в кабине проходят рукава высокого давления (РВД) гидросистемы, работающей под высоким давлением (обычно свыше 16 МПа), необходимо обеспечить безопасность оператора. Согласно нормам, РВД, расположенные в кабине в пределах 0,5 м от машиниста, при давлении более 5 МПа и температуре рабочей жидкости свыше 50 °С, обязаны иметь защитные устройства (металлические кожухи или оплетку), предотвращающие травмирование оператора при их внезапном разрыве.

Технические Требования к Обзорности и Вибрации

Обзорность:
Конструкция кабины и расположение рабочих органов должны обеспечивать оператору полный обзор рабочей зоны �� положения грейдерного отвала во всех технологических положениях. Это особенно важно при тонком профилировании. Единственным исключением является зона расположения заднего кирковщика, который может быть закрыт от обзора при транспортировке.

Требования к вибрации:
Вибрационное воздействие на оператора регламентируется ГОСТ 12.1.012. Особое внимание уделяется вибрации на сиденье оператора (общая вибрация). Проект должен предусматривать использование сидений с пневматической или гидравлической подвеской, эффективно гасящей вертикальные колебания. Расчетные параметры вибрации должны находиться в пределах допустимых норм для обеспечения сохранения работоспособности и здоровья оператора в течение всей рабочей смены.

Технико-Экономическое Обоснование (ТЭО) Проекта

Технико-экономическое обоснование (ТЭО) подтверждает экономическую целесообразность разработки новой конструкции путем сравнения ее эксплуатационных затрат и эффективности с базовым аналогом.

Методика Расчета Себестоимости Машино-Часа

Основой ТЭО является расчет себестоимости машино-часа работы автогрейдера (С_маш-ч). Это позволяет определить минимальную ставку аренды/эксплуатации и оценить срок окупаемости.

Смаш-ч = (Агод + РТОгод + ОТгод + ГСМгод + Нгод) / Тг

Где Т_г — годовой фонд рабочего времени (в часах); А_год — годовая сумма амортизационных отчислений; РТО_год — годовые затраты на ремонт и техническое обслуживание; ОТ_год — годовая оплата труда с отчислениями; ГСМ_год — годовые затраты на топливо и смазочные материалы; Н_год — накладные расходы.

1. Расчет Амортизации (А_год):
   При линейном методе амортизации:

   Агод = Цбаланс / n

   Где Ц_баланс — балансовая стоимость машины; n — срок полезного использования в годах (например, 10 лет). Норма амортизации К = (1 / n) × 100 %.

2. Расчет Затрат на Ремонт и ТО (РТО_год):
   Затраты на ремонт и техническое обслуживание для дорожно-строительных машин определяются на основе годовой нормы отчислений от балансовой стоимости. Для планировщиков, согласно нормативам, эта норма составляет приблизительно 12,12% от балансовой стоимости машины в год.

   РТОгод = Цбаланс × 0,1212

Оценка Экономической Эффективности

Экономическая эффективность проекта всесезонного автогрейдера достигается в двух ключевых направлениях по сравнению с базовым (сезонным) аналогом:

1. Повышение производительности: Интеграция САР «Профиль-1» и наличие кирковщика для работы со смерзшимся грунтом позволяют увеличить техническую производительность (Π_т) до 15-20% и сократить время простоя.
2. Снижение эксплуатационных затрат: Правильный выбор ГСМ и предпусковых подогревателей снижает износ двигателя и гидросистемы в зимний период, уменьшая затраты на аварийный ремонт.

Ключевые показатели для оценки:

Показатель	Описание
Чистый Дисконтированный Доход (ЧДД)	Сумма дисконтированных потоков доходов за срок проекта. Если ЧДД > 0, проект эффективен.
Срок Окупаемости (Т)	Время, необходимое для того, чтобы накопленный чистый доход сравнялся с первоначальными инвестициями.
Индекс Доходности (ИД)	Отношение дисконтированных доходов к дисконтированным инвестициям (ИД > 1 — проект эффективен).

Снижение себестоимости машино-часа за счет повышения Π_т и расширения годового фонда рабочего времени (за счет всесезонной эксплуатации) подтверждает экономическую выгоду нового решения.

Заключение и Практическая Значимость

Проведенная разработка и инженерные расчеты подтверждают возможность создания высокоэффективного всесезонного автогрейдера, адаптированного для эксплуатации в сложных климатических условиях.

Достигнутые цели и результаты:

1. Инженерная обоснованность: Выполнен тяговый расчет, подтверждающий необходимый энергетический баланс для Класса 140/180 при полном приводе (1 × 3 × 3).
2. Прочностная надежность: Проведен расчет на прочность тяговой рамы с обязательным учетом коэффициента динамичности К_Д = 1,5 для обеспечения долговечности при работе с максимальными нагрузками и смерзшимся грунтом.
3. Технологическая инновационность: Предложены конструктивные решения для всесезонной эксплуатации (предпусковые подогреватели, правильный выбор ГСМ ISO VG 32) и интегрирована система автоматического профилирования САР «Профиль-1», гарантирующая высокую точность планировочных работ.
4. Нормативное соответствие: Проект полностью соответствует требованиям ГОСТ 11030-2017 и санитарным нормам (не превышение 80 дБА на рабочем месте).
5. Экономическая эффективность: Расчеты себестоимости машино-часа с учетом нормативов отчислений на ремонт (12,12%) показали экономическую целесообразность проекта, основанную на повышении производительности и круглогодичном использовании техники.

Практическая значимость разработанной конструкции заключается в повышении коэффициента использования дорожно-строительной техники, сокращении сроков выполнения планировочных работ, снижении эксплуатационных затрат и улучшении качества дорожного полотна за счет прецизионной точности управления. Проект может служить основой для серийного производства универсальных автогрейдеров, предназначенных для эксплуатации в регионах с выраженным зимним периодом.

Список использованной литературы

1. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машины : учеб. пособие для вузов. Москва : Высшая школа, 1985. 415 с.
2. Королев А.А. Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов. Москва : Металлургия, 1969. 452 с.
3. Севров К.П., Горячко Б.В., Покровский А. Автогрейдеры. Конструкция, теория, расчет. Москва : Машиностроение, 1970. 315 с.
4. Гаркави И.Г., Ариченков В.И., Карпов В.В. [и др.]. Машины для земляных работ : учебник. Москва : Высшая школа, 1982. 335 с.
5. Богатырев А.М. Проектирование машин для земляных работ. Москва : Высш. Шк., 1985. 298 с.
6. Гоберман А.А. [и др.]. Основы теории, расчета и проектирования строительных-дорожных Машин. Москва : Машиностроение, 1988.
7. Шейнин А.М., Крившин А.П. Эксплуатация дорожных машин. Москва : Машиностроение, 1988.
8. Хархута Н.Я., Капустин М.И. Дорожные машины. Теория, конструкция и расчет. Ленинград : Машиностроение, 1976.