Строительные машины: Классификация, Технико-экономический Анализ Землеройной Техники и Инженерные Расчеты Производительности (На примере Бетоносмесителя)

Современное строительство — это высокотехнологичный процесс, эффективность которого критически зависит от степени механизации, правильного выбора и рациональной эксплуатации строительных машин и механизмов. Отсутствие системного подхода к управлению машинным парком и неточности в инженерных расчетах технологических параметров могут привести к существенному увеличению сроков, себестоимости и, как следствие, снижению конкурентоспособности строительной организации. В условиях цифровой трансформации и импортозамещения эти риски становятся ещё более значительными.

Целью данного академического исследования является структурирование ключевых знаний о строительных машинах, углубленный анализ технико-экономических показателей (ТЭП) ведущего типа землеройной техники (одноковшовых экскаваторов), и демонстрация методологии инженерных расчетов на примере машин циклического действия.

В рамках курсовой работы решаются следующие задачи:

1. Установить нормативную базу классификации строительных машин и механизмов.
2. Детализировать конструктивные особенности и ТЭП гидравлических экскаваторов.
3. Провести детальный инженерный анализ производительности бетоносмесительной установки, уделив особое внимание критическим коэффициентам.
4. Рассмотреть экономические критерии выбора парка машин и актуальные тенденции цифровизации и импортозамещения в отрасли.

Нормативная База Классификации Строительных Машин

Функциональные и конструктивные признаки деления

Архитектура машинного парка в строительстве формируется на основе функциональной необходимости. Наиболее общим и фундаментальным признаком для классификации строительных машин является их функциональное назначение, то есть вид выполняемых ими технологических операций, что позволяет разделить всё многообразие техники на следующие крупные группы: землеройные, грузоподъемные, транспортные, смесительные, дробильно-сортировочные, сваебойные и др.

Второй важный признак – конструктивный, который описывает техническое исполнение машины. По этому признаку машины подразделяются на:

1. По типу ходового оборудования: Гусеничные, колесные (пневмоколесные), рельсовые и шагающие.
2. По степени мобильности: Самоходные (способные к самостоятельному передвижению), прицепные (требующие тягача) и стационарные (фиксированные на фундаменте).
3. По режиму рабочего процесса:
   • Циклического (периодического) действия: Машина выполняет операцию порциями, и рабочий процесс состоит из повторяющихся, дискретных фаз (например, одноковшовый экскаватор, бетоносмеситель).
   • Непрерывного (поточного) действия: Рабочий процесс ведется постоянно, без прерывания для загрузки или выгрузки (например, конвейеры, ленточные транспортеры, роторные экскаваторы).

Каждая строительная машина, независимо от ее сложности, состоит из трех ключевых функциональных элементов: силовая установка (источник энергии), рабочее оборудование (непосредственно выполняет технологическую операцию) и ходовое оборудование (обеспечивает мобильность или устойчивость).

Детализация по ГОСТ ISO/TR 12603–2014

Для обеспечения единообразия и стандартизации в строительной отрасли Российской Федерации действует межгосударственный стандарт ГОСТ ISO/TR 12603–2014 «Машины и оборудование строительные. Классификация». Данный стандарт является основополагающим и организует строительную технику по трем иерархическим уровням, группируя все машины в девять основных категорий.

№ Группы	Наименование Группы	Примеры Машин и Оборудования
1	Машины землеройные и оборудование	Экскаваторы, бульдозеры, скреперы, грейдеры
2	Фундаментное и буровое оборудование	Буровые установки, сваебойные молоты, вибропогружатели
3	Оборудование для подготовки, транспортировки и уплотнения бетона и смесей	Бетоносмесители, бетононасосы, вибраторы, растворосмесители
4	Подъемные машины и оборудование	Краны башенные, автомобильные, подъемники, тали
5	Системы доступа	Строительные леса, люльки, платформы
6	Оборудование для монтажа, отделочных работ и ТО	Штукатурные станции, шлифовальные машины
7	Машины и оборудование для строительства и обслуживания дорог	Катки, асфальтоукладчики, фрезы
8	Машины и оборудование для специализированных работ	Тоннелепроходческие комплексы, оборудование для подводных работ
9	Машины и оборудование общего назначения	Компрессоры, электростанции, насосы

Данная детализированная классификация позволяет не только каталогизировать оборудование, но и осуществлять корректный учет, планирование и стандартизацию требований к безопасности и эксплуатации машин на международном уровне, минимизируя риски при комплектовании парка.

Углубленный Анализ Землеройной Техники: Одноковшовые Экскаваторы

Одноковшовые экскаваторы являются ключевым элементом механизации земляных работ. Современный парк этих машин почти полностью представлен моделями с гидравлическим приводом, который заменил устаревшие механические аналоги. Применение гидравлики обеспечило жесткую подвеску рабочего оборудования и многомоторную схему, что существенно расширило технологические возможности машин.

Стандарты и Классификация по ГОСТ 30067-93

Требования к конструкции, приемке и испытаниям универсальных полноповоротных одноковшовых экскаваторов с гидравлическим приводом, предназначенных для разработки немерзлых грунтов категорий I–IV, регламентированы ГОСТ 30067-93.

Этот стандарт устанавливает жесткие рамки для производителей: он распространяется на машины массой до 71 тонны и эксплуатируемые в широком температурном диапазоне (от минус 40 °С до плюс 40 °С). Согласно ГОСТ, экскаваторы классифицируются на шесть классов, основанных на их эксплуатационной массе и номинальной вместимости основного ковша. Соблюдение этого стандарта гарантирует унификацию основных технических характеристик, что важно для комплектования парка и обеспечения взаимозаменяемости, но также ограничивает вариативность моделей на рынке.

Факторы повышения Эксплуатационной Производительности (P_э)

Эффективность работы экскаватора оценивается через его производительность. Различают Техническую производительность (P_т) и Эксплуатационную производительность (P_э).

Эксплуатационная производительность – это фактический объем грунта, разработанный машиной за единицу времени в реальных условиях эксплуатации. Она учитывает не только технологические возможности самой машины, но и организационные факторы:

Pэ = Pт ⋅ kв

Где:

• P_т — техническая производительность, м³/ч.
• k_в — коэффициент использования экскаватора по времени.

Рабочий цикл экскаватора циклического действия состоит из четырех последовательных этапов: наполнение ковша, поворот и перенос грунта к месту выгрузки, выгрузка ковша, и возврат в исходное положение. Гидравлический привод радикально изменил этот цикл.

Повышение эксплуатационной производительности (P_э) в гидравлических экскаваторах достигается за счет двух ключевых факторов:

1. Технологическое превосходство гидравлики. Гидравлический привод обеспечивает более высокое усилие копания (увеличивается в 1,5–2 раза по сравнению с механическими аналогами), что позволяет разрабатывать более прочные грунты или быстрее наполнять ковш. Благодаря улучшенной кинематике и более точным регулировкам, техническая производительность (P_т) гидравлических машин возрастает на 30–35%, что само по себе уже является существенным преимуществом.
2. Оптимизация рабочего времени. Организационные мероприятия, такие как своевременная подача транспорта для загрузки, высокий уровень технического обслуживания, и профессионализм машиниста, позволяют увеличить коэффициент использования экскаватора по времени (k_в). В среднем, для хорошо организованных работ, этот коэффициент принимается в диапазоне 0,75–0,85. При этом важно отметить, что в условиях слабого управления и частых простоев средние значения k_в могут опускаться до 0,20–0,25. Следовательно, повышение k_в является основным резервом для увеличения P_э в 1,5–2 раза за счет нетехнических, а организационных факторов, а это означает, что даже самые передовые машины не будут эффективны без грамотного управления на стройплощадке.

Инженерный Расчет Параметров Машин Циклического Действия

Для обеспечения технологической дисциплины на строительной площадке необходимо точно рассчитывать технические возможности используемых машин, особенно тех, которые работают порционно. Понимание этих расчетов позволяет не только прогнозировать сроки выполнения работ, но и оптимизировать использование ресурсов.

Методика расчета Технической Производительности (P_пр)

Рассмотрим методику расчета на примере бетоносмесителя циклического действия. Техническая производительность бетоносмесительной машины (P_пр, м³/ч) – это максимальный объем готовой смеси, который машина может выдать за час при непрерывном режиме работы.

Общая формула расчета технической производительности:

Pпр = (Vвых ⋅ 3600) / Tц

Где:

• V_вых — объем готового замеса (выхода) смеси, м³.
• T_ц — продолжительность рабочего цикла, с.

Продолжительность рабочего цикла (T_ц) включает четыре основные фазы:

Tц = tз + tпер + tв + tв.з

Где:

• t_з — время загрузки компонентов в смесительный барабан, с.
• t_пер — время перемешивания смеси до требуемой однородности, с.
• t_в — время выгрузки готовой смеси, с.
• t_в.з — время возврата барабана/затвора в исходное положение, с (включая минимальные технологические паузы).

Критический Анализ Коэффициента Выхода Смеси (k_вых)

Наиболее критичным параметром в расчете P_пр является объем выхода готового замеса (V_вых), который зависит от производственной вместимости барабана по загрузке (V_загр) и коэффициента выхода готовой смеси (k_вых):

Vвых = Vзагр ⋅ kвых

Коэффициент выхода готовой смеси (k_вых) показывает, какую долю от суммарного объема загруженных компонентов составляет объем готового, уплотненного бетона или раствора. Этот коэффициент не является постоянной справочной величиной, а зависит от ряда физико-технических факторов, что является ключевым моментом для точного инженерного расчета:

1. Пористость (пустотность) заполнителей: Чем выше пористость крупного и мелкого заполнителей (щебня, песка), тем больше цементного теста потребуется для заполнения этих пустот, и тем ниже будет k_вых. Это означает, что выбор качественных заполнителей напрямую влияет на экономичность производства бетона.
2. Расход воды: Повышенный расход воды может увеличить объем смеси, но может быть ограничен требованиями к марке бетона.
3. Фракция заполнителей:
   • Для крупнозернистых бетонов (с использованием крупного щебня) k_вых обычно находится в диапазоне 0,67–0,70.
   • Для мелкозернистых бетонов и растворов (где пустотность мелкого заполнителя выше относительно объема) k_вых может достигать 0,70–0,80.

Точное определение k_вых на основе лабораторных данных о заполнителях является обязательным условием для минимизации потерь и обеспечения требуемой производительности бетонного завода. Почему это так важно? Потому что недооценка этого коэффициента приводит к систематическому завышению ожидаемой производительности и, как следствие, к срывам сроков и перерасходу материалов.

Экономические Критерии Выбора и Оптимизации Парка Машин

Выбор и комплектование парка строительных машин — это сложная системная задача, которая должна быть подчинена главному экономическому критерию: минимизации затрат на единицу конечной продукции. Оптимизация должна учитывать не только потребности конкретного объекта, но и общую занятость машин на других проектах организации.

Целевая Функция Оптимизации

Основным критерием оценки экономической эффективности комплектации парка машин служат удельные приведенные затраты (P_уд) на производство единицы объема работ (например, на выемку 1 м³ грунта или приготовление 1 м³ смеси).

Целевая функция оптимизации парка машин выражается как:

Pуд = Cэ + Kуд ⋅ Eн → min

Где:

• P_уд — удельные приведенные затраты, руб./ед.
• C_э — планово-расчетная стоимость эксплуатации машин (текущие расходы, включая топливо, зарплату, ТО и ремонт) на производство единицы работ, руб./ед.
• K_уд — удельные капитальные вложения (стоимость приобретения машины, отнесенная к единице произведенной работы), руб./ед.
• E_н — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.

Эта формула требует комплексного анализа, сочетающего технические возможности машины (влияющие на C_э) и ее первоначальную стоимость (влияющую на K_уд). Ведь не всегда самая дорогая машина оказывается самой выгодной в долгосрочной перспективе.

Нормативный Коэффициент Эффективности в Строительстве РФ

При расчете экономической эффективности капитальных вложений в строительный комплекс Российской Федерации в качестве нормативного коэффициента эффективности (E_н) традиционно принимается значение 0,15 (или 15%).

Применение этого коэффициента позволяет привести капитальные затраты (единовременные вложения в покупку машины) к годовому эквиваленту, что обеспечивает корректное сравнение вариантов инвестирования с учетом срока окупаемости. Таким образом, экономический анализ выбора строительной техники должен быть основан на сравнении P_уд для различных моделей, при этом наилучшим считается вариант с минимальным значением приведенных затрат. Этот подход становится особенно актуальным в условиях высокой конкуренции и необходимости оптимизации каждого аспекта строительного процесса.

Современные Тенденции в Механизации Строительства и Цифровизация

Современный строительный рынок переживает трансформацию, направленную от экстенсивного увеличения мощностей к «умной эффективности» и оптимизации ресурсов. Этот переход продиктован как внутренними факторами (кадровый дефицит, рост себестоимости), так и внешними (нормативное регулирование и необходимость импортозамещения).

Внедрение ТИМ/BIM и Регуляторный Аспект

Ключевой инновацией, меняющей всю строительную вертикаль, является цифровая трансформация и, в частности, внедрение технологий информационного моделирования (ТИМ, или BIM). BIM – это не просто трехмерная модель, это комплексный процесс создания и управления информацией о строительном объекте на протяжении всего его жизненного цикла.

В Российской Федерации этот процесс получил мощный регуляторный стимул. Согласно Постановлению Правительства РФ № 331 от 05.03.2021, для проектов капитального строительства, финансируемых с привлечением средств бюджетов бюджетной системы РФ, формирование и ведение информационной модели объекта стало обязательным условием, если договор на подготовку проектной документации заключен после 1 января 2022 года.

В контексте механизации, ТИМ/BIM позволяет:

• Виртуально планировать и оптимизировать размещение строительной техники на площадке.
• Моделировать технологические процессы (например, оптимальные траектории движения экскаваторов и самосвалов), что повышает k_в.
• Точно рассчитывать объемы работ и потребности в материалах.

Инновации и Импортозамещение

Помимо BIM, активное внедрение находят другие инновационные решения:

1. Дроны и лазерное сканирование: Применяются для оперативного мониторинга, визуальной съемки и высокоточного подсчета объемов перемещаемых грунтов и заливки бетона. Это обеспечивает контроль графика работ и позволяет быстро выявлять отклонения.
2. Силосные системы для ССС: В сфере отделочных работ происходит переход к силосной системе подачи сухих строительных смесей (ССС). Эта технология позволяет отказаться от традиционной поставки в мешках, что сокращает ручной труд, упрощает внутриплощадочную логистику и, главное, устраняет значительные технологические потери, которые при ручной работе могут достигать 10–15% от общего объема ССС.

Важнейшей стратегической задачей для российского рынка остается импортозамещение в сегменте дорожно-строительной техники (ДСТ). Несмотря на государственную поддержку, доля отечественных производителей в этом секторе остается критически низкой. По оценкам, в ключевых сегментах, таких как экскаваторы и фронтальные погрузчики, доля импортных машин превышает 90%. Это подчеркивает острую необходимость в усилении мер по локализации производства и развитию отечественных конструкторских школ для обеспечения технологического суверенитета в строительной отрасли, а также задает вопрос: готовы ли мы к вызовам будущего без собственных разработок?

Заключение

Проведенное исследование позволило комплексно рассмотреть строительные машины с точки зрения нормативной классификации, углубленного инженерного анализа и экономического обоснования.

Была представлена актуальная нормативная база, включая ГОСТ ISO/TR 12603–2014, которая классифицирует машины по девяти функциональным группам, обеспечивая структурированный подход к организации машинного парка. Детальный анализ одноковшовых экскаваторов подтвердил, что повышение их эксплуатационной производительности достигается как за счет технологического превосходства гидравлического привода (увеличение усилия копания в 1,5–2 раза), так и за счет организационных мер, направленных на максимизацию коэффициента использования по времени (k_в).

В разделе инженерных расчетов была продемонстрирована методика определения технической производительности машин циклического действия, где критическое внимание было уделено факторам, влияющим на коэффициент выхода готовой смеси (k_вых). Было показано, что для достижения точности расчетов необходимо учитывать зависимость k_вых от фракции и пористости заполнителей (например, 0,67–0,70 для крупнозернистых бетонов), ведь без этого невозможно гарантировать качество и объемы производства.

Наконец, экономические критерии выбора парка машин, основанные на минимизации удельных приведенных затрат (P_уд), были приведены в соответствие с отечественными методическими указаниями через использование нормативного коэффициента эффективности капитальных вложений (E_н = 0,15). Внедрение ТИМ/BIM, ставшее обязательным для государственного заказа с 2022 года, и развитие силосных систем ССС указывают на неизбежный переход отрасли к цифровой и ресурсосберегающей модели эксплуатации техники.

Таким образом, поставленные цели достигнуты: проведено структурирование, выполнен глубокий анализ ТЭП, и детализированы инженерные расчетные методики, что обеспечивает высокий академический и прикладной уровень данного исследования.

Список использованной литературы

1. Белецкий, Б. Ф. Строительные машины и оборудование: Справочное пособие для производственников-механизаторов, инженерно-технических работников строительных организаций, а также студентов строительных вузов, факультетов и техникумов / Б. Ф. Белецкий. – 2-е изд., перераб. и доп. – Ростов на Дону: Феникс, 2005. – 608 с.
2. Машины для земляных работ: учебник / под ред. Н. Г. Гаркави. – Москва, 1982. – 320 с.
3. ГОСТ ISO/TR 12603–2014. Машины и оборудование строительные. Классификация. – Дата введения 2015-01-01. – Москва : Стандартинформ, 2014. – URL: https://docs.cntd.ru/document/1200120560 (дата обращения: 30.10.2025).
4. Одноковшовые экскаваторы с гидравлическим приводом. – URL: https://avtodor45.ru/single_bucket_hydraulic_excavators/ (дата обращения: 30.10.2025).
5. Романенко, И. И. Строительные машины: курс лекций по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство» / И. И. Романенко. – Пенза: ПГУАС, 2016. – URL: https://pguas.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
6. Расчет производительности бетонного завода (БСУ). – URL: https://nflg.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
7. Инновации в строительной отрасли в 2023 году. – URL: https://peri.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
8. Современные тенденции импортозамещения строительных материалов и оборудования в Российской Федерации. – URL: https://iasv.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
9. Новейшие строительные технологии и инновации. Основные тренды. – URL: https://stroygaz.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).