В НовГУ создали инновационный нож для прокладки тоннелей метро и подземных коммуникаций

09 февраля 2026, 13:40   340

Молодой учёный Новгородского университета предложил усовершенствованную конструкцию рабочего органа геохода — машины для прокладки подземных коммуникаций в мягких породах. Инновация заключается в придании исполнительному механизму (нож) особой полувыпуклой формы, что существенно повышает манёвренность и управляемость аппарата при подземных работах. Применение аддитивных технологий («выращивание» путём послойного создания изделия) позволит уменьшить массу исполнительного органа почти вдвое. Разработка может быть применена при строительстве подземных сооружений различного назначения.

Автор – старший преподаватель кафедры промышленных технологий Политехнического института НовГУ Шодмон Нозирзода. Исследование легло в основу успешной защиты кандидатской диссертации. Работу курировал научный руководитель — доктор технических наук Андрей Ефременков.

— Создание сложных деталей для горнопроходческой техники во многом опирается на опыт и интуицию инженеров, — рассказал Шодмон Нозирзода. — Несмотря на существующие разработки и исследования в этой области, до сих пор отсутствует единое понимание рациональных параметров, которые обеспечивали бы максимальную производительность и надежность таких инструментов. Работа в этом направлении ведется в рамках большого инновационного проекта по созданию геоходов. Над этим проектом работают известные ученые в области горного дела из таких ведущих вузов, как ИУ ФИЦ УУХ СО РАН, КузГТУ и НовГУ.

Чтобы успешно решить эту задачу, сначала была разработана электронная модель исполнительных органов машины. В этой цифровой модели были рассчитаны координаты каждой точки сложной винтовой (геликоидной) режущей кромки. Такая особая геометрия спроектирована неслучайно: она гарантирует, что вращение режущего инструмента и поступательное движение всей машины в породе работают как единый слаженный механизм. Это позволяет машине не просто копать, а делать это максимально эффективно, с высокой способностью к манёврам под землёй.

Используя разработанную математическую модель, учёные провели серию численных экспериментов, имитирующих работу рабочего органа геохода. Это позволило с высокой точностью оценить, как различные конструктивные особенности и форма режущей части влияют на ключевые технологические и силовые параметры взаимодействия машины с породой.

— Например, было установлено, что даже незначительное затупление режущей кромки – всего на несколько миллиметров – может увеличить усилие сопротивления породы на 50-55%, а определенная кривизна ножа напрямую влияет на нагрузку в приводе машины. Эти данные помогли определить оптимальную геометрию ножей, — пояснил молодой ученый.

Следующим этапом стала оптимизация формы ножей рабочего органа. С помощью алгоритмов топологической оптимизации – математических методов, позволяющих рационально перераспределить материал в заданном объеме, – из конструкции удалили весь лишний материал, не участвующий в восприятии рабочих нагрузок. В результате масса прямого ножа уменьшилась вдвое, а выпуклого – на 15-45% в зависимости от его формы.

— По результатом исследования выявлено, что и изготавливать такие облегченные и прочные конструкции эффективнее всего методом аддитивных технологий из специальных инструментальных сталей, — пояснил Шодмон Нозирзода. — В своем исследовании я также подобрал такие сплавы.

На основании этих данных были разработаны схемные решения исполнительных органов проходческой машины – геохода. Они состоят из отдельных сегментов, которые можно быстро заменить, если один из них затупится или сломается под землей. Для этого не придется демонтировать весь узел – достаточно открутить несколько винтов, что сэкономит часы простоя дорогостоящей машины.

Итогом работы стала готовая технология изготовления инструментов – от расчета и моделирования до выбора материала и способа сборки. Ее внедрение позволит создавать более маневренные и энергоэффективные машины для подземных работ.

— Методика уже готова к интеграции на предприятиях, занимающихся созданием горнопроходческой техники, и может быть использована при проектировании геоходов для строительства подземных сооружений, — рассказал Шодмон Нозирзода.

Разработка повысит надежность строительства тоннелей метро и коммуникаций под существующими зданиями. Увеличение маневренности позволит точнее выдерживать проектную траекторию и оперативно ее корректировать, что критически важно для безопасного строительства в условиях плотной городской застройки.

— Следующим шагом станет адаптация нашей методологии для разработки инструментов (исполнительных органов), способных работать с более крепкими породами, — отмечает учёный. — Ключевой вызов здесь — оптимизация формы и материала рабочих органов для сопротивления экстремальным ударным нагрузкам и интенсивному абразивному износу. Решение этой задачи потребует создания новых расчётных моделей, позволяющих точно прогнозировать прочность и долговечность конструкции.

Работа ведётся в рамках масштабного проекта по созданию геоходов нового поколения, который уже вызвал интерес у профильных предприятий. Несколько промышленных образцов уже были изготовлены на производственных площадках индустриальных партнёров.

Источник фото: https://www.nytimes.com/2017/12/28/nyregion/new-york-subway-construction-costs.html?nytmobile=0 

Эту и другие новости читайте в официальном МАХ-канале Новгородского университета.