sibadiНаучный рецензируемый журнал "Вестник СибАДИ"The Russian Automobile and Highway Industry Journal2071-72962658-5626The Siberian State Automobile and Highway University10.26518/2071-7296-2026-23-3-402-414JYOVGFsibadi-2269Research ArticleТРАНСПОРТНОЕ, ГОРНОЕ И СТРОИТЕЛЬНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕTRANSPORT, MINING AND BUILDING MACHINERY ENGINEERINGМатематические модели взаимодействия рабочего органа дорожного катка с уплотняемой грунтовой средой с точки зрения энергоэффективностиMathematical models of interaction between operating equipment of road roller and compacted soil in terms of energy efficiencyhttps://orcid.org/0000-0002-4034-2457СавельевС. В.SavelyevS. V.

Савельев Сергей Валерьевич – д-р техн. наук, проф., проф. кафедры «Эксплуатация нефтегазовой и строительной техники»

Scopus Author: 57159787800, Researcher ID: А-4081-2019

644050, г. Омск, пр. Мира, 5

Saveliev Sergey V. – Dr. of Sci. (Engineering), Associate Professor, Professor at the Department of Oil and Gas and Construction Machinery

Scopus Author: 57159787800, Researcher ID: А-4081-2019

5, Prospect Mira, Omsk, 644050

saveliev_sergval@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8881-5404МихеевВ. В.MikheyevV. V.

Михеев Виталий Викторович – д-р техн. наук, доц., проф. кафедры «Комплексная защита информации»

Scopus Author: 7102121335, Researcher ID: S-5724-2016

644050, г. Омск,  пр. Мира, 11

Mikheev Vitaly V. – Dr. Sci. (Engineering), Assistant Professor, Professor at the Department of Comprehensive Information Security

Scopus Author: 7102121335,Researcher ID: S-5724-2016

11, Prospect Mira, Omsk, 644050

saveliev_sergval@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4350-2495ПотеряевИ. К.PoteyaevI. K.

Потеряев Илья Константинович – канд. техн. наук, доц., заведующий кафедрой «Эксплуатация нефтегазовой и строительной техники»

Scopus Author: 57203586410, Researcher ID: W-7052-2018

644050, г. Омск, пр. Мира, 5

Poteriaev Ilya K. – Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor, head of the Department of Oil and Gas and Construction Machinery

Scopus Author: 57203586410,Researcher ID: W-7052-2018

5, Prospect Mira, Omsk, 644050

poteryaev_ik@mail.ruСавельевА. С.SavelyevA. S.

Савельев Андрей Сергеевич – студент

644050, г. Омск, пр. Мира, 5

Savelyev Andrey S. – undergraduate student

5, Prospect Mira, Omsk, 644050

savelevandrej914@gmail.comСибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)РоссияSiberian State Automobile and Highway University (SibADI)Russian FederationОмский государственный технический университет (ОмГТУ)РоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation202611072026233402414Copyright © Савельев С.В., Михеев В.В., Потеряев И.К., Савельев А.С., 20262026Савельев С.В., Михеев В.В., Потеряев И.К., Савельев А.С.Savelyev S.V., Mikheyev V.V., Poteyaev I.K., Savelyev A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibadi.org/jour/article/view/2269Введение

Введение. Статья посвящена изучению особенностей моделирования процесса взаимодействия вибровальца с деформируемым грунтом при уплотнении технологических слоев автодороги.

Методы и материалы

Методы и материалы. Производится математическое моделирование колебательной системы «вибровалец катка – деформируемая среда», заключающееся в построении системы дифференциальных уравнений, описывающих взаимодействующие элементы системы. Система включает в себя массивные тела, обладающие различными совокупностями упругих, вязких и фрикционных свойств. Эти свойства соответствуют реологическим характеристикам рабочего органа катка и деформируемой им грунтовой среды.

Результаты

Результаты. Представлены системы дифференциальных уравнений движения колеблющихся масс, позволяющие выявить особенности процесса уплотнения грунтов вибровальцами. На основе анализа уравнений систем выявлены параметры энергоэффективных режимов уплотнения и проведена их оценка с учетом известной зависимости коэффициента вязкого трения деформируемого грунта от влияния внешней деформирующей силы.

Обсуждение и заключение

Обсуждение и заключение. Полученные результаты могут быть использованы для обоснования комплекса эксплуатационных параметров рациональных режимов работы виброкатка на различных этапах уплотнения.

Introduction

Introduction. This article is devoted to modeling interaction between a vibratory drum and soil under deformation during compaction of roadbed layers.

Methods and Materials

Methods and Materials. Mathematical modeling of the roller vibratory drum-deformable medium oscillatory system is presented. This modeling involves building a system of differential equations which describes interacting elements of the oscillatory system. The system includes massive bodies with rigid and viscous properties; the latter comply with the rheological characteristics of the roller drum and the soil compacted.

Results

Results. Systems of differential equations for vibrating mass motion are presented, enabling to determine the average vibration acceleration values   within the volume of compacted soil. The obtained dependences of the viscous friction coefficient of the deformable soil on the influence of an external deforming force are presented.

Discussion and Conclusion. The results obtained can be used to substantiate rational operating parameters of vibratory roller modes at various compaction stages.

катокуплотнениегрунткоэффициент уплотненияавтомобильная дорогадеформацияэнергоэффективностьуплотнениеrollercompactionsoilcompaction coefficienthighwaydeformationenergy efficiencycompactionReferencesТюремнов И.С. Анализ технических характеристик различных типов ударно-вибрационных грунтоуплотняющих машин // Вестник СибАДИ. 2023. Т. 20, № 6(94):706–716. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-6-706-716. EDN IGOKXE.Tjuremnov I.S. Analiz tehnicheskih harakteristik razlichnyh tipov udarno-vibracionnyh gruntouplotnjajushhih mashin. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo avtomobil’no-dorozhnogo universiteta. 2023; T. 20, № 6(94):706-716. (in Russ.) https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-6-706-716. EDN IGOKXE.Савельев С.В., Пермяков В.Б., Михеев В.В., Потеряев И.К. Инновационная уплотняющая техника и рекомендации по её использованию для ресурсосберегающих технологий дорожного строительства. Омск: Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ), 2019. 193 с.Saveliev S.V., Permyakov V.B., Mikheev V.V., Poteryaev I.K.. Innovative compaction equipment and recommendations for its use for resource-saving technologies in road construction. Omsk: Siberian State Automobile and Highway University (SibADI), 2019; 193 p. (in Russ.)Шишкин Е.А., Иванченко С.Н., Сидорков В.В. [и др.]. Исследование взаимосвязи конструктивных и технологических параметров вибрационных и осцилляционных катков // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2021. № 2. С. 183–188.Shishkin E.A., Ivanchenko S.N, Sidorkov V.V. [et al.] Study of the relationship between the design and technological parameters of vibratory and oscillating rollers. Scientific and Technical Bulletin of Bryansk State University. 2021; No. 2. P. 183-188. (in Russ.)Зайченко С.В. Исследование реологических характеристик грунтовых и бетонных смесей при их уплотнении // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2014. № 7:112–119.Zaychenko S.V. Study of rheological characteristics of soil and concrete mixtures during their compaction. News of higher educational institutions. Mining journal. 2014; No. 7. P. 112-119. (in Russ.)Mikheyev V.V., Saveliev S.V., Permyakov V.B. Complex approach to the optimal energy efficient work pattern for vibratory roller // Journal of Physics: Conference Series, Omsk, 23–24 апреля 2019 года. Vol. 1260, 11. Omsk: Institute of Physics Publishing, 2019. P. 112020. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1260/11/112020Kligunova Z.A., Shishkin E.A., Kligunov E.S. Matematicheskoe modelirovanie naprjazhenno-deformirovannogo sostojanija grunta v processe uplotnenija dorozhnym katkom. Transportnoe, gornoe i stroitel’noe mashinostroenie: nauka i proizvodstvo. 2024; № 25. S. 67-72. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2024-25-67-72. EDN SGRHRN.Баженов В.Г., Котов В. Л. Математическое моделирование нестационарных процессов удара и проникания осесимметричных тел и идентифика ция свойств грунтовых сред. М : ФИЗМАТЛИТ, 2011. 208 с.Bazhenov V.G., Kotov V.L. Mathematical modeling of non-stationary processes of impact and penetration of axisymmetric bodies and identification of properties of soil media. M: FIZMATLIT, 2011; 208 p. (in Russ.)Козлов В.В. Лагранжева механика и сухое трение // Нелинейная динамика. 2010. Т. 6, № 4:855–868.Kozlov V.V., Lagrangian mechanics and dry friction. Nonlinear Dynamics, 2010; Vol. 6, No. 4, pp. 855–868. (in Russ.)Тарасов В.Н., Бояркина И.В., Серебренников В.С. Модуль деформации грунтов при уплотнении дорожным катком легкого типа // Строительные и дорожные машины. 2019. № 3:25–30.Tarasov V.N., Boyarkina I.V., Serebrennikov V.S. Soil deformation modulus during compaction by a light-duty road roller. Construction and road machinery. 2019; No. 3. P. 25-30. (in Russ.)Савельев С.В., Михеев В.В. Исследова ния деформирования упруго-вязкой среды при ударном нагружении // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2012. № 4(26):100–103.Saveliev S.V. , Mikheev V.V. Research of deformation of elastic-viscous medium under impact loading. Bulletin of the Siberian State Automobile and Highway Academy. 2012; No. 4 (26). P. 100-103. (in Russ.)Paulmichl I., Adam Ch., Adam D. Analytical modeling of the stick-slip motion of an oscillation drum // Acta Mechanica. 2019. Vol. 230, No. 9:3103 3126. https://doi.org/10.1007/s00707-019-02454-3. EDN VQNCJJ.Paulmichl I., Adam Ch., Adam D. Analytical modeling of the stick-slip motion of an oscillation drum. Acta Mechanica. 2019; Vol. 230, No. 9:3103-3126. https://doi.org/10.1007/s00707-019-02454-3. EDN VQNCJJ.Yuan Ma, Wei Lu, Ying-cheng Luan, Tao Ma, Chuanle Wang. Research on global optimization mechanism of intelligent compaction parameters of soil subgrade based on difference method // Journal of Building Engineering. 2024. https://doi.org/10.1016/j. jobe.2023.108381Yuan Ma, Wei Lu, Ying-cheng Luan, Tao Ma, Chuan-le Wang. Research on global optimization mechanism of intelligent compaction parameters of soil subgrade based on difference method. Journal of Building Engineering. 2024. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.108381Мотова М.И., Шалфеев В.Д. От теории колебаний – к нелинейной динамике // Известия высших учебных заведений. Прикладная нели нейная динамика. 2014. Т. 22, № 1:93–103. https://doi.org/10.18500/0869-6632-2014-22-1-93-103. EDN SWKELJ.Motova M.I., Shalfeev V.D. Ot teorii kolebanij - k nelinejnoj dinamike. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Prikladnaja nelinejnaja dinamika. 2014. T. 22, № 1. S. 93-103. https://doi.org/10.18500/0869-6632-2014-22-1-93-103. EDN SWKELJ. (in Russ.)Qinwu Xu, George K. Chang. Evaluation of intelligent compaction for asphalt materials // Automation in Construction. 2013. 104-112. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2012.11.015Qinwu Xu, George K. Chang. Evaluation of intelligent compaction for asphalt materials. Automation in Construction. 2013. Pp. 104-112. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2012.11.015Ma Y., Chen F., Ma T., Huang X., Zhang Y. Intelligent compaction: An improved quality monitoring and control of asphalt pavement construction technology // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. 2021. Т. 23. №. 9:14875-14882.Ma Y., Chen F., Ma T., Huang X., Zhang Y. Intelligent compaction: An improved quality monitoring and control of asphalt pavement construction technology. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. 2021. Т. 23. №. 96 14875-14882.Xu C., Chen Z., Li J., Xiao Y. Compaction of subgrade by high-energy impact rollers on an airport runway //Journal of performance of constructed facilities. 2014. Т. 28. №. 5. Pp. 04014021.Xu C., Chen Z., Li J., Xiao Y. Compaction of subgrade by high-energy impact rollers on an airport runway. Journal of performance of constructed facilities. 2014. Т. 28. №. 5. Pp. 04014021.Stepien J, Chomicz-Kowalska A, Tutaj-Dudala M, Dudala M, Maciejewski K, Ramiaczek P, Iwanski MM. Influence of Compaction Methods on Properties of Roller-Compacted Concrete Pavement Wearing Surfaces. Materials. 2025; 18(3):492. https://doi.org/10.3390/ma18030492Stepien J, Chomicz-Kowalska A, Tutaj-Dudala M, Dudala M, Maciejewski K, Ramiaczek P, Iwanski MM. Influence of Compaction Methods on Properties of Roller-Compacted Concrete Pavement Wearing Surfaces. Materials. 2025; 18(3):492. https://doi.org/10.3390/ma18030492Shi M., Wang J., Li Q., Cui Bo., Guan Sh., Zeng T. Accelerated earth-rockfill dam compaction by collaborative operation of unmanned roller fleet // Journal of Construction Engineering and Management. 2022. Т. 148. № 7. Pp. 04022046.Shi M., Wang J., Li Q., Cui Bo., Guan Sh., Zeng T. Accelerated earth-rockfill dam compaction by collaborative operation of unmanned roller fleet. Journal of Construction Engineering and Management. 2022. Т. 148. № 7. Pp. 04022046.Jiao Yu., Zhao R., Chen Ye.H., Jiao Sh., Zhang X. A switched servo constraints control for the smart vibratory roller in unmanned compaction //Automation in Construction. 2023. Т. 152. Pp. 104883.Jiao Yu., Zhao R., Chen Ye.H., Jiao Sh., Zhang X. A switched servo constraints control for the smart vibratory roller in unmanned compaction. Automation in Construction. 2023. Т. 152. Pp. 104883.Головин О.В. Вибрационные машины // Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова: сборник докладов, Белгород, 20–21 мая 2024 года. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2024. С. 48–52. EDN XPTLQV.Golovin O.V. Vibracionnye mashiny. Mezhdunarodnaja nauchno-tehnicheskaja konferencija molodyh uchenyh BGTU im. V.G. Shuhova : Sbornik dokladov, Belgorod, 20–21 maja 2024 goda. Belgorod: Belgorodskij gosudarstvennyj tehnologicheskij universitet im. V.G. Shuhova, 2024; S. 48-52. EDN XPTLQV. (in Russ.)Савельев С.В., Сачук Ю.С., Литовченко Р.Е. Обоснование параметров вибрационного пневмошинного катка для уплотнения грунтов при строительстве автодорог // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2023. № 2(73). С. 33–39. EDN GYZEFE.Savel’ev S.V., Sachuk Ju.S., Litovchenko R.E.. Obosnovanie parametrov vibracionnogo pnevmoshinnogo katka dlja uplotnenija gruntov pri stroitel’stve avtodorog. Vestnik Moskovskogo avtomobil’no-dorozhnogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta (MADI). 2023. № 2(73). S. 33-39. EDN GYZEFE. (in Russ.)Jonsson A. Modelling, simulation and experimental investigation of a rammer compactor machine // Department of Mechanical Engineering Blekinge Institute of Technology, Sweden, 2001. 24 p.Jonsson A. Modelling, simulation and experimental investigation of a rammer compactor machine. Department of Mechanical Engineering Blekinge Institute of Technology, Sweden, 2001. 24 p.Зеленков Г.А., Каратаева Н.Г. Математическое моделирование в процессе формирования профессиональных компетенций // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014.Т. 10, № 5-2. С. 76–79. EDN UHGVPF.Zelenkov G.A., Karataeva. N.G. Matematicheskoe modelirovanie v processe formirovanija professional’nyh kompetencij. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2014; T. 10, № 5-2. S. 76-79. EDN UHGVPF. (in Russ.)Савельев С.В., Михеев В.В., Сачук Ю.С. Эффективность использования вибрации в пневмошинных дорожных катках при устройстве автомобильных дорог // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 12. С. 640–644. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2023-12-640-641. EDN XVSTAZ.Savel’ev S.V., Miheev V.V., Sachuk Ju.S. Jeffektivnost’ ispol’zovanija vibracii v pnevmoshinnyh dorozhnyh katkah pri ustrojstve avtomobil’nyh dorog. Izvestija Tul’skogo gosudarstvennogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2023; № 12. S. 640-644. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2023-12-640-641. EDN XVSTAZ. (in Russ.)Yao Y., Ruan Y., Chen J., Geng Y. Research on a real-time monitoring platform for compaction of high embankment in airport engineering //Journal of Construction Engineering and Management. 2018. Т. 144. №. 1. С. 04017096.Yao Y., Ruan Y., Chen J., Geng Y. Research on a real-time monitoring platform for compaction of high embankment in airport engineering. Journal of Construction Engineering and Management. 2018; Т. 144. №. 1. С. 04017096.Zhang X., Luo T., Song Er.Bo., Geng Yi. Algorithm for optimal path planning of impact roller in high-embankment airport //Japanese Geotechnical Society Special Publication. 2020. Т. 8. №. 5:159-163.Zhang X., Luo T., Song Er.Bo., Geng Yi. Algorithm for optimal path planning of impact roller in high-embankment airport. Japanese Geotechnical Society Special Publication. 2020; Т. 8. №. 5. С. 159-163.Kuenzel R., Mueller M., Teizer J., Blickle A. SmartSite: Intelligent and autonomous environments, machinery, and processes to realize smart road construction projects //Automation in Construction. 2016. Т. 71:21-33.Kuenzel R., Mueller M., Teizer J., Blickle A. SmartSite: Intelligent and autonomous environments, machinery, and processes to realize smart road construction projects. Automation in Construction. 2016; Т. 71. С. 21-33.Шишкин Е.А. Метод расчета фазового угла между вынуждающей силой вибровозбудителя и перемещением вальца // Вестник СибАДИ. 2024. Т. 21, № 3(97):388–394. https:// doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-3-388-394. EDN HQAJCW.Shishkin E.A. The method for calculating phase angle between exciter force of vibration exciter and roller displacement. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2024; 21(3): 388–394. (In Russ.) https://doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-3-388-394. EDN: HQAJCW.Тюремнов И.С., Шорохов Д.А. Моделирование взаимодействия вибрационного катка с уплотняемым грунтом // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. 2024. Т. 21, № 2(96). С. 202–216. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-2-202-216. EDN BSOEFX.Tjuremnov I.S., Shorohov D.A. Modelirovanie vzaimodejstvija vibracionnogo katka s uplotnjaemym gruntom . Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo avtomobil’no-dorozhnogo universiteta. 2024; T. 21, № 2(96). S. 202-216. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-2-202-216. EDN BSOEFX. (in Russ.)Тюремнов И.С., Игнатьев А.А., Филатов И.С. Статистический анализ технических характеристик грунтовых вибрационных катков // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2014. № 3(34). С. 81–88. EDN STVNAD.Tjuremnov I.S., Ignat’ev A.A., Filatov I.S. Statisticheskij analiz tehnicheskih harakteristik gruntovyh vibracionnyh katkov. Vestnik Tihookeanskogo gosudarstvennogo universiteta. 2014; № 3(34). S. 81-88. EDN STVNAD. (in Russ.)Xuefei Wang, Xiangdong Li, Jiale Li, Jian min Zhang, Guowei Ma. Training strategy and intelligent model for in-situ rapid measurement of subgrade compactness // Automation in Construction. 2024. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2024.105581.Xuefei Wang, Xiangdong Li, Jiale Li, Jianmin Zhang, Guowei Ma. Training strategy and intelligent model for in-situ rapid measurement of subgrade compactness. Automation in Construction. 2024; https://doi.org/10.1016/j.autcon.2024.105581Речицкий А.С., Речицкий С.В. Сравнительный анализ уплотнения дорожными катками с раз личными рабочими органами // Фундаментальные и прикладные вопросы транспорта. 2024. № 1(12):79 85. https://doi.org/10.52170/2712-9195_2024_1_79. EDN FINDAC.Rechitskiy A.S., Rechitskiy S.V. Comparative analysis of compaction by road rollers with different screeds Fundamental and applied transport issues. 2024; 1(12): 79–85. (In Russ.) https://doi.org/10.52170/2712-9195_2024_1_79. EDNFINDAC.Клигунова З.А., Шишкин Е.А., Клигу нов Е.С. Математическое моделирование на пряженно-деформированного состояния грунта в процессе уплотнения дорожным катком // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2024. № 25: 67–72. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2024-25-67-72. EDN SGRHRN.Kligunova Z.A., Shishkin E.A., Kligunov E.S. Mathematical modeling of the stress-strain state of the soil in the process of compaction by a road roller. Transport, mining and construction engineering: science and production. 2024; 25: 67–72. (In Russ.) https://doi.org/10.26160/2658-3305-2024-25-67-72. EDN SGRHRN.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.