Анализ метода выемки торфяного сырья с откоса карьера

Представлен анализ метода выемки торфяного сырья с откоса карьера с использованием гидравлического экскаватора, оборудованного обратной лопатой. Основное внимание уделено исследованию кинематики гидроманипулятора экскаватора для обеспечения выемки сырья с откоса карьера с постоянными толщиной стружки и углом позиционирования ковша. Метод Денавита–Хартенберга для решения прямой задачи кинематики позволяет преобразовать координаты ковша из связанной с ним системы координат в базовую систему координат и однозначно определить положение режущей кромки ковша в пространстве. Для решения обратной задачи кинематики используется геометрический метод, основанный на тригонометрических преобразованиях. Алгоритм включает систему уравнений, связывающую координаты движения ковша с геометрическими параметрами звеньев гидроманипулятора (стрелы, рукояти и ковша) и углами их поворота. Это обеспечивает движение ковша по заданной траектории с постоянными углом позиционирования и толщиной стружки. На основе полученных решений разработана программа на языке Python, моделирующая траекторию движения режущей кромки ковша с известными входными параметрами: геометрические характеристики экскаватора (длины звеньев) и карьера (глубина залежи, угол откоса). Результатом моделирования в программе является траектория движения режущей кромки ковша с сохранением постоянства угла позиционирования и толщины стружки, что соответствует принципам выемки торфяного сырья. Результаты проведенного исследования могут быть использованы для разработки систем автоматического контроля позиционирования ковша, что позволит повысить эффективность процесса добычи.

Михайлов А. В., Смирнов А. И. Анализ метода выемки торфяного сырья с откоса карьера // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 2-1. – С. 197–209. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_21_0_197.

Михайлов Александр Викторович¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: Mikhaylov_AV@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-0516-7737, 
Смирнов Андрей Игоревич¹ — аспирант, e-mail: s235065@stud.spmi.ru, ORCID ID: 0009-0004-5609-9246,  
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Смирнов А.И., e-mail: a.s.555@inbox.ru.

1. Иванов В. В., Дзюрич Д. О. Обоснование параметров технологической схемы разработки обводненных месторождений строительного песка // Записки Горного института. — 2022. — Т. 253. — С. 33—40. DOI: 10.31897/PMI.2022.3.

2. Patel B. P., Prajapati J. M. Soil-tool interaction as a review for digging operation of mini hydraulic excavator // International Journal of Engineering Science and Technology. 2011, vol. 3, no. 2, pp. 894—901. 

3. Хамидов О. У., Шибанов Д. А., Шишкин П. В., Колпаков В. О. Эффективность применения экскаваторов на карьерах Узбекистана // Горная промышленность. — 2024. — № 5. — С. 135—142. DOI: 10.30686/1609-9192-2024-5-135-142.

4. Munro R. Dealing with bearing capacity problems on low volume roads constructed on peat. The Highland Council, Transport, Environmental & Community Service, HQ, Glenurquhart Road, Inverness IV3 5NX Scotland. 2004, 136 p.

5. Великанов В. С. Прогнозирование нагруженности рабочего оборудования карьерного экскаватора по нечетко-логистической модели // Записки Горного института. — 2020. — Т. 241. — С. 29. DOI: 10.31897/PMI.2020.1.29.

6. Невзоров Д. Н., Труфанова И. С. Повышение эффективности работы конвейерного поезда: исследование влияния параметров приводной станции на силу сцепления // Горная промышленность. — 2025. — № 1. — С. 184—191. DOI: 10.30686/1609-9192-2025-1-184-191.

7. Кузьмин Г. Ф., Селеннов В. Г., Созинова Л. А. Торфяные месторождения России. Экология. Разведка. Использование. — СПб.: Свет, 2019. — 388 с.

8. Хамидов О. У., Шибанов Д. А. Техническое обслуживание и ремонт карьерных экскаваторов по регламенту с учетом фактических условий и режимов их эксплуатации // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2025. — № 12-3. — С. 152—167. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_123_0_152.

9. Михайлов А. В., Смирнов А. И., Ал-Аттар М. Т. Анализ технологических требований к карьерной выемке органогенного материала // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. — 2025. — № 31. — С. 119—124. DOI: 10.26160/2658-3305-2025-31-119-124.

10. Шешукова Е. И., Шибанов Д. А., Иванов С. Л., Шишкин П. В. Оценка нагрузок приводов рабочего оборудования карьерного экскаватора (часть 2) // Горная промышленность. — 2024. — № 4. — С. 108—114. DOI: 10.30686/1609-9192-2024-4-108-114.

11. Drebenstedt C. The responsible mining concept — contributions on the interface between science and practical needs // Mine Planning and Equipment Selection, Springer Cham. 2014, pp. 3—24. DOI: 10.1007/978-3-319-02678-7-1.

12. Litvinenko V. S., Dvoynikov M. V., Trushko V. L. Elaboration of a conceptual solution for the development of the Arctic shelf from seasonally flooded coastal areas // International Journal of Mining Science and Technology. 2021, no. 32, pp. 113—119. DOI: 10.1016/j.ijmst.2021.09.010.

13. Jurasinski G., Sate Ahmad, Alba Anadon-Rosell, Jacqueline Berendt, etc. From understanding to sustainable use of peatlands: The WETSCAPES approach // Soil Systems. 2020, vol. 4, no. 14. DOI: 10.20944/preprints202001.0250.v2.

14. Пашкевич М. А., Данилов А. С. Экологическая безопасность и устойчивое развитие // Записки Горного института. — 2023. — Т. 260. — С. 153—154.

15. Mitrev R., Marinkovic D. Numerical study of the hydraulic excavator overturning stability during performing lifting operations // Advances in Mechanical Engineering. 2019, vol. 11, no. 5. DOI: 10.1177/1687814019841779.

16. Yaguang Zhu, Liang Zhang, Wanjin Guo, Zhengcang Chen Trajectory planning for periodic operation of autonomous excavating robot based on time-jerk synthetic optimum // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018, vol. 428, no. 1, article 012067. DOI: 10.1088/1757-899X/428/1/012067. 

17. Якупов Д. Р., Иванова П. В., Иванов С. Л. К вопросу оценки параметров элементов комплекса горного оборудования для отработки блоков торфяного месторождения обратным ходом // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 10. — С. 88—103. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_10_0_88.

18. Mario K., Dalibor K. Construction and testing of the measurement system for excavator productivity // The Mining-Geology-Petroleum Engineering Bulletin. 2019, pp. 51—58. DOI: 10.17794/rgn.2019.2.6.

19. Jiaqi Xu, Hwan-Sik Yoon A review on mechanical and hydraulic system modeling of excavator manipulator system // Journal of Construction Engineering. 2016, pp. 1—11. DOI: 10.1155/2016/9409370.

20. Liang Shuai-shuai, Zhang Dong-sheng, Fan Gang-wei, Kovalsky Evgeny, Fan Zhang-lei, Zhang Lei, Han Xue-sen Mechanical structure and seepage stability of confined floor response to longwall mining of inclined coal seam // Journal of Central South University. 2023, vol. 30, no. 9, pp. 2948−2965. DOI: 10.1007/s11771-023-5429-y.

21. Wang X., Sun H., Feng M., Ren Z., Liu J. Dynamic analysis of working device of excavator under limit digging force // Journal of The Institution of Engineers (India): Series C. 2021, vol. 102, pp. 1137—1144. DOI: 10.1007/s40032-021-00725-4.

22. Jilin He, Xin Zhao, Daqing Zhang, Qinghua He The hardware-in-loop simulation research on trajectory control and modeling parameter estimation of working device of hydraulic excavator / Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, ICMA. 2010, pp. 1214—1219. DOI: 10.1109/ICMA.2010.5588594.

23. Bender F. A., Goltz S., Braunl T., Sawodny O. Modeling and offset-free model predictive control of a hydraulic mini excavator // IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 2017, vol. 14, pp. 1682—1694. DOI: 10.1109/tase.2017.2700407.

24. Singh S. P., Narendrula R. Factors affecting the productivity of loaders in surface mines // International Journal of Mining, Reclamation and Environment. 2006, vol. 20, pp. 20—32. DOI: 10.1080/13895260500261574.

25. He Q., Hao P., Zhang D. Modeling and parameter estimation for hydraulic system of excavator’s arm // Journal of Central South University of Technology. 2008, vol. 15, pp. 382—386. DOI: 10.1007/s11771-008-0072-1.

26. Jhunjhunu, Rajasthan, Xu Jiaqi, Yoon Hwan-Sik A review on mechanical and hydraulic system modeling of excavator manipulator system // Journal of Construction Engineering. 2016, pp. 1—11. DOI: 10.1155/2016/9409370.

27. Zhang Bin, Wang Shuang, Liu Yuting, Yang Huayong Research on trajectory planning and autodig of hydraulic excavator // Mathematical Problems in Engineering. 2017, pp. 1—10. DOI: 10.1155/2017/7139858.

28. Vechet S., Krejsa J. Hydraulic arm modeling via matlab simhydraulics // Engineering Mechanics. 2009, vol. 16, no. 4, pp. 287—296.

29. Шеховцова Д. А., Комаров Е. Д. Математическое моделирование динамической системы одноковшового экскаватора с гидроприводом в Matlab // Омский научный вестник. — 2014. — № 3. — С. 147—151.

30. Лиморенко М. Е., Подчасов О. В., Подчасов Е. О., Терентьева А. Д. Повышение точности работ одноковшового экскаватора путем внесения корректировок в систему управления // Агроинженерия. — 2018. — № 6. — С. 32—39. DOI: 10.26897/1728‑7936‑2018‑6‑32‑39.

31. Терентьева А. Д. Оценка влияния динамических характеристик на работу машинного агрегата с гидроприводом // Машиностроение и компьютерные технологии. — 2018. — № 4. — С. 1—12. DOI: 10.24108/0418.0001354.

32. Подчасов О. В., Подчасов Е. О., Терентьева А. Д. Оценка влияния динамических характеристик на точность работы одноковшового экскаватора при разработке участков точного земледелия // Агроинженерия. — 2018. — № 4. — С. 26—32. DOI: 10.26897/1728.7936.2018.4.26.32.

33. Ma W., Ma S., Qiao W., Cao D., Yin C. Research on PID controller of excavator electro-hydraulic system based on improved differential evolution // Machines. 2023, vol. 11, article 143. DOI: 10.3390/machines11020143.

34. Гурко А. Г. Математическая модель манипулятора экскаватора с обратной лопатой // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. — 2011. — № 55. — С. 79—89.

35. Михайлов А. В., Смирнов А. И. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ РФ № 2025612747, 04.02.2025. Программа для оценки степени усреднения торфяного сырья в ковше экскаватора. 2024. Бюл. № 2.