Синтез и исследование трансформируемых колесовидных тягово-опорных систем

Актуальность проблемы. В современном транспортном машиностроении приоритетной задачей является создание транспортнотехнологических средств (TTC) высокой проходимости, что обусловлено появлением производственных зон с безлюдной технологиейаварийных пространств, опасных для жизни людейналичием территорий с эпизодической реализацией транспортного процессаизучением поверхности планетнеобходимостью реабилитации инвалидов с поврежденным опорно-двигательным аппаратом.

Значительная часть TTC проектируется на базе колесных шасси в связи с высокими показателями надежности, технологичности производства и ремонта, большим ресурсом работы и многообразием компоновочных решений. В то же время, использование традиционных колес с упругими шинами в качестве тягово-опорных систем ограничивает проходимость TTC по опорным поверхностям с низкой несущей способностью (сыпучему грунту, болоту, снегу), при преодолении рвов, выступов, водных преград.

Известные технические решения, повышающие тягово-сцепные и опорные показатели проходимости традиционных колес (снижение жесткости, подбор профиля шины и рисунка протектора, увеличение диаметра) не позволяют рационально решать актуальные задачи создания современных TTC в минимаксной постановке: минимизация габаритных размеров TTC для преодоления максимально высоких пороговых препятствий-при разработке мобильных роботов-исследователей и инвалидной техникиминимизация элементной базы при максимальной надежности и про-ходимости-при разработке обитаемых транспортных средств для автономных рейсов в экстремальных условияхминимизация силовых и управляющих воздействий на тягово-Опорные системы при максимальной их адаптации к неусовершенствованной опорной поверхности. Инженерные задачи в минимаксной постановке значительно обострили технические противоречия взаимодействия тягово-опорных систем с опорной поверхностью, в связи с чем проблема повышения тягово-опорных свойств этих систем для TTC высокой проходимости является актуальной для транспортного машиностроения.

Результаты обширных исследований отечественных ученых по изучению процесса взаимодействия традиционных пневмоколес с различными опорными поверхностями (Армадерова Р.Г., Балабина И. В., Бочарова Н. Ф., Кнороза В. И., Петрова И. П., Чудакова Е. А. и др.) позволяют не только максимально реализовать возможности колес для повышения проходимости, но и прогнозировать направление развития колесовидных тягово-опорных систем (КТОС), превосходящих традиционные колеса по показателям проходимости.

В настоящей работе под колесовидной тягово-опорной системой понимается техническое устройство, имеющее: элементы и связи между ними, приводящие все внешние силы, действующие на КТОС, к приводному валу или к валу и его корпусуаксиально-симметричную форму в свободном состояниицентральный привод, т. е. приводной вал, установленный по оси симметрии КТОСоднонаправленное движение всех элементов, взаимодействующих с опорой, по замкнутым траекториям, охватывающим центр КТОС.

Российским ученым и изобретателям IXX в. принадлежит первенство в создании альтернативных колесу тягово-опорных систем, способных повышать проходимость транспортных средств: П. Л. Чебышевумеханизма стопоходящей машины, Д. И. Загряжскомугусеничной опорной системы, Ф. А. Блиновугусеничной тягово-опорной системы. На современном уровне развития вездеходных TTC эти идеи послужили основой для разработки КТОС, сочетающих преимущества колес с эффективностью шагающих и гусеничных систем.

Научными и инженерными разработками КТОС занимаются практически во всех индустриально развитых странах мира и в настоящее время накоплен определенный опыт создания этих систем, свидетельствующий о многообразии концепций, способов и устройств, направленных на повышение эксплуатационных свойств КТОС.

Анализ известных результатов показал повышенный интерес разработчиков к трансформируемым КТОС с учетом их потенциальных возможностей в части реализации тягово-опорных функций на TTC высокой проходимости. В настоящей работе под трансформацией понимается способность КТОС изменять свои геометрические и кинематические параметры с целью повышения опорных и тяговосцепных свойств при взаимодействии с различными опорными поверхностями.

Работы по созданию КТОС нового поколения ведутся во многих учебных, отраслевых и академических научноисследовательских центрах страны (МГУ, МГТУ, С-ПбГТИ, С-ПбГИТМО, НИИТМ, ИТСОРАН и др.). Развитию этого направления посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых и инженеров: Агейкина Я. С., Бескина И. А., Бочарова Н. Ф., Бойкова В. П., Горбешко М. Ф., Кожукало И. Ф., Кемурд-жиана АЛ., Ищеина В. К., Кузьмина М. М., Мишкинюка В. К., Мигиренко Г. С., Смирнова Г. А., Сологуба П. С., Bekker M.G., Laithwaite E.R., Sfredda А. и других.

Известные результаты научных и опытно-конструкторских работ показывают лишь принципиальную возможность создания КТОС с интегральными эксплуатационными свойствами. В частности, сочетание в единичной КТОС таких свойств, как преодоление выступов, превышающих ее статический радиус, движение с запасом силы тяги по слабонесущим вязким и несвязным грунтам, жидким средам, включая полупогруженное положение в опорной среде, обуславливает необходимость использования подсистем адаптации КТОС к внешним условиям.

В свою очередь, применение типовых решений при разработке адаптивных КТОС неизбежно приводит к технологическому и конструктивному усложнению систем, повышению себестоимости, что делает их не конкурентоспособными при использовании в зонах с высокой вероятностью уничтожения и социальной сфере (при реабилитации больных и инвалидов с поврежденным опорнодвигательным аппаратом).

Таким образом, существует важная народно-хозяйственная проблемасоздание научно обоснованных методов и средств адаптивного трансформирования КТОС с повышенными тяговыми и несущими свойствами при взаимодействии с различными опорными поверхностями и разработка теоретических положений, отражающих особенности и закономерности движения КТОС, а также методов их анализа и синтеза.

Следовательно, имеется научно-техническая проблема разработки научных основ синтеза КТОС на базе новых методов трансформации кинематических параметров в режиме самоуправления и решения новых прикладных задач кинематики и динамики, обуславливающих разработку теоретического описания, исследование и оптимизацию кинематических и динамических параметров движенияразработку алгоритмов и рекомендаций для метрического синтеза систем, ориентированных на использование в преимущественно малогабаритных транспортнотехнологических средствах высокой проходимости. Постановка и решение этой фундаментальной проблемы составляет основу данной работы. Основанием для ее выполнения послужили:

• Долгосрочная программа исследований. Шифр «Бак- 85». Тема № 84- 3179 на 1986;88 гг., раздел № 215 «Разработка шасси транспортного модуля для комплекта бортовой аппаратуры» (Приказ по КрПИ № 458−58 от 17.11.86 г.);

• Программа Минвуза РСФСР «Интеллект РВО». (Приказ МВ и ССО РСФСР от 22.07.88 г. № 25 «О формировании ЦКП Интеллект РВО и подготовке к развертыванию работы в КрПИ по данной ЦКП в качестве головной организации»);

• Программа Минвуза РСФСР «Чаща-111−2,4. КПИ» (Приказ MB и ССО РСФСР от 15.05.87 г. № 73 на участие в НИР на правах соисполнителей по теме 228- 2);

• Федеральная целевая научнотехническая программа на 1996; 2000 гг. «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения (постановление правительства РФ от 23.08.1996 г. № 1414). Подпрограмма 08.02. «Безопасность», п. 1 «Безопасность и защита инженерных систем».

В диссертации представлены результату работы в области трансформируемых КТОС транспортнотехнологических средств, которая ведется в течение ряда лет на кафедре «Автомобили и двигатели» Красноярского государственного технического университета в рамках госбюджетных и хоздоговорных работ при непосредственном участии и научном руководстве автора.

Целью работы является синтез трансформируемых КТОС на базе новых методов трансформации кинематических параметров в режиме самоуправления, а также разработка теоретических положений и методов исследования в приложении к изучению движения и оптимизации колесовидных тягово-опорных систем, синтезированных на уровне изобретений. Цель достигается решением следующих задач:

1. Функциональный и морфологический анализ трансформируемых КТОС, выявление технических противоречий их взаимодействия с опорной поверхностью, формулировка требований к КТОС для обеспечения функционирования в экстремальных условиях бездорожья.

2. Разработка методов и средств трансформации КТОС, обеспечивающих движение малогабаритных систем по слабонесущим, несвязным поверхностям и пороговым препятствиям с априорно улучшенными показателями тягово-сцепных и опорных свойств.

3. Разработка методического, приборного обеспечения и реализация экспериментальных исследований движения разработанных КТОС, с целью выявления особенностей и эффективности их взаимодействия с различными опорными поверхностями.

4. Разработка математического описания перспективных трансформируемых КТОС с различной структурой, обеспечивающего возможность корректного моделирования и численной оценки движения систем, с учетом внешних и внутренних факторов при теоретическом исследовании процесса.

5. Теоретическое исследование влияния метрических, кинематических параметров и внешних воздействий на движение перспективных трансформируемых КТОС с целью уточнения законов движения, определения граничных условий их реализации и возможного пути оптимизации динамических показателей.

6. Метрический синтез трансформируемых в режиме самоуправления КТОС, способных эффективно функционировать в условиях различного бездорожья на малогабаритных транспортнотехнологических средствах с ходовой частью автомобильного типа.

Научная новизна диссертационной работы заключается в формулировке и научно обоснованном решении ряда новых прикладных задач синтеза, кинематики и динамики концептуально новых трансформируемых колесовидных тягово — опорных систем, способных функционировать в режиме адаптивного самоуправления, путем разработки методологии анализа и оптимизации параметров движения КТОС с целью повышения тяговых и несущих (опорных) свойств при взаимодействии с различными опорными поверхностями. Основные научные результаты, защищаемые автором:

1. Системный подход к выявлению технических противоречий, снижающих эффективность движения известных КТОС по различным опорным поверхностям.

2. Методы трансформации и структурные схемы колесношагающих и катковых КТОС с изменяемыми в режиме самоуправления параметрами, повышающие тягово-сцепные свойства с опорной поверхностью.

3. Численноаналитический метод исследования принципиально новых колесношагающих КТОС с дифференциальным преобразованием формы взаимодействующего элемента, обеспечивший возможность количественной оценки влияния структуры, кинематических и силовых факторов на кинематические и динамические показатели движения системы и выявления условий устойчивой реализации шаговых фаз движения.

4. Математические (имитационные) модели колесношагающих КТОС, посредством которых реализованы теоретические исследования влияния метрических, кинематических параметров и внешних воздействий на движение систем, позволившие уточнить законы движения, определить граничные условия их реализации и пути оптимизации параметров.

5. Математические (имитационные) модели катковой КТОС, обеспечившие изучение влияния структуры, конструктивных и кинематических параметров на движение каткового взаимодействующего элементавыявление условия и возможности стабилизации скоростного режима его работы и минимизации сил внутреннего сопротивления движениюобоснование выбора рациональной структуры системы в функции от ее целевого назначения.

6. Методические рекомендации и различные алгоритмы метрического синтеза трансформируемой КТОС с кривошипношатунным механизмом трансформации, колесношагающих и катковой КТОС, обеспечивающие минимизацию параметров, характеризующих неравномерность движения систем и их массогабаритные показатели.

Методы исследования. При исследовании функциональной эффективности, выявлении технических противоречий известных аналогов трансформируемых КТОС, использованы изобретательские методы функционального и морфологического анализа технических систем.

При реализации экспериментальных исследований использовался метод статистического планирования активного многофакторного эксперимента на поисковом этапе и метод активного однофакторного экспериментана этапе уточнения опытных данных. Наряду с традиционными методами преобразования и измерения изучаемых параметров, были использованы авторский метод и стенды для определения смещения нормальной реакции опоры, действующей на эластичный каток. Для физической имитации качения катка, сопровождаемого необратимыми потерями в упругом элементе, была разработана модель, на базе оригинального метода имитации процесса, с широкими демонстрационными возможностями.

Расчетно-теоретические исследования выполнены на базе общих методов теории машин и механизмов, методов конечных элементов для стержневых систем и дифференциальной геометрииметода численного моделирования движения исследуемых КТОС с использованием разработанных математических моделей и соответствующего программного обеспечения.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что полученные результаты исследований представляют собой единый комплекс многовариантного решения задачи повышения эффективности движения КТОС малогабаритных TTC по различным опорным поверхностям и заключаются в следующем:

1. Систематизированы по морфологическим и функциональным признакам существующие КТОС, описаны технические противоречия их взаимодействия с опорной средой, сформулированы базовые задачи по созданию трансформируемых КТОС для TTC высокой проходимости .

2. Предложены новые способы трансформации КТОС, позволяющие синтезировать самоуправляемые колесношагающие и катковые системы на рациональной элементной базе и разработаны на уровне изобретений новые структурные схемы, защищенные 16-ю авторскими свидетельствами и патентами, в числе которых решения, не имеющие близких аналогов в области транспортного машиностроения и превосходящие известные разработки по эксплуатационным показателям, что существенно расширило класс трансформируемых систем, повышающих проходимость TTC в условиях различного бездорожья.

3. Разработаны методы и алгоритмы анализа и синтеза трансформируемых в режиме самоуправления КТОС, обеспечивающие инженерную разработку тягово-опорных систем для TTC конкретного назначения.

4. Созданы экспериментальные образцы трансформируемых КТОС и TTC, показавшие высокие ходовые качества в условиях различного бездорожья и целесообразность использования новых технических решений при разработке транспортных средств высокой проходимости для безлюдных технологий, больных и инвалидов, TTC обычной проходимости, преобразуемых для движения вне дорог.

Реализация результатов работы. Под руководством и при непосредственном участии автора выполнены х/д НИР по разработке мобильных шасси высокой проходимости с дистанционным управлением для работы в комплексе с системами технического зрениясозданы экспериментальные образцы шасси с колесношагающими КТОС — прототипы ходовой части мобильных роботов и инвалидных колясоксозданы и проходят испытания экспериментальные образцы колесношагающих КТОС для использования на автомобилях в качестве сменных движителей с целью повышения проходимости в условиях различного бездорожья.

Материалы работы, содержащие информацию по математическому моделированию трансформируемых КТОС, методов и алгоритмов их проектирования, используются в лекционных курсах для студентов специальностей 15.01 — 15.02, а лабораторные стенды и физические модели КТОС применяются на практических и лабораторных занятиях.

Результаты работы, касающиеся вопросов функционального и морфологического анализа КТОС, а также характеристики их рабочих процессов, отражены в монографическом учебном пособии «Нетрадиционные колесовидные движители транспортных средств». Красноярск: КГТУ, 1994.-224 с.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов работы подтверждены соответствием результатов теоретического и экспериментального исследований, а также сопоставимостью с известными данными. В частности, основополагающие результаты исследования динамики колесношагающих систем, определяющие условия реализации шаговых фаз движения, проверялись не только численным моделированием на базе различных математических описаний, но и сопоставлением видеозаписи реального процесса с анимационной графикой математической модели.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Совещании исполнителей программы «Чаща» (г. Новосибирск, институт геологии и геофизики СО АН СССР, 1988).

2. Межвузовской научной конференции «Молодые ученыеускорению научнотехнического прогресса» (г. Красноярск, 1989 г.).

3. Совещаний исполнителей программы «Гермес» (г. Москва, ХНО Минвуза СССР, 1989 г.).

4. Совещании исполнителей программы «Чаща» (г. Ленинград, ВНИИ Трансмаш, 1990 г.).

5. Республиканской научно-технической конференции «Современные проблемы автомобильного транспорта» (г.Красноярск, 1991 г.).

6. Межвузовской научно-практической конференции «Автомобильный транспорт в условиях перехода к рынку» (г.Красноярск, 1994).

7. Научно-технической конференции с международным участием «Проблемы техники и технологий XXI века» (г. Красноярск, 1994 г.).

8. Республиканской научнопрактической конференции «Транспортные средства Сибири» (г. Красноярск, 1994 г.).

9. Межвузовской научно-практической конференции с международным участием «Транспортные средства Сибири» (г. Красноярск, 1995 г.).

10. Всероссийской научной конференции" Расчетные методы механики деформируемого твердого тела" (г. Новосибирск, 1995 г.).

11. Межвузовской научно-технической конференции «Транспорт Сибири» (г. Красноярск, 1996 г.).

12. Международной конференции «Повышение эффективности работы колесных и гусеничных машин в суровых условиях эксплуатации» (г.Тюмень, 1996 г.).

13. Краевой научнопрактической конференции «Достижения науки и техникиразвитию Красноярска, (г. Красноярск, 1997 г.).

14. Всероссийской конференции «Проблемы информатизации региона. ПИР-97» (г. Красноярск, 1997 г.).

15. ЗападноСибирском семинаре по ТММ (г.Новосибирск, 1998 г.) Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 53 работах, в числе которых 34 статья и доклада (из них 16- в соавторстве), 19 авторских свидетельств и патентов (из них 3- в соавторстве).

Личный вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в постановке и анализе проблемы повышения эксплуатационных свойств КТОС и разработке методов их метрического синтезав проектирований физических моделей и экспериментальных образцов авторских изобретенийпланировании и реализации экспериментальных исследованийразработке математических моделей и алгоритмов анализа синтезированных трансформируемых КТОС, в создании универсальной программы Кинематического и динамического анализа колесношагающих и катковых КТОС,.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти разделов (глав) с выводами по каждому разделу, заключения, библиографического списка и приложения. Результаты работы изложены на 312 страницах машинописного текста, содержащего 30 таблиц и 136 рисунков.

Список литературы

включает 179 наименований на 14 страницах.

Основные результаты метрического синтеза перспективных трансформируемых в режиме самоуправления колесовидных тяговоопорных систем, разработанных на уровне изобретений, заключаются в следующем: 1. Разработанное математическое описание и результаты оптимизации геометрических параметров КТОС с программным кривошипношатунным механизмом управления обеспечили возможность определения соотношения размеров, обуславливающего движение системы без вертикальных колебаний центра, при сохранении свойства принудительного перехода в режим гребного колеса согласно описанию изобретения. Данная система представляет интерес как прототип новых разработок в этом направлении и может быть использована в качестве справочного примера реализации принципа программного управления формой шарнирного многозвенника.

2. Установленная возможность стабилизации высоты центра КШ КТОС с центральным дифференциальным механизмом управления путем использования как выпуклых, так и выпукловогнутых профилей внутренней поверхностей звеньев ВЭ, существенно расширяет число вариантов исполнения подошвенной части взаимодействующего элемента, упрощая решение задачи адаптации КТОС к опорной поверхности с конкретными свойствами.

3. Решение задачи обеспечения кинематического подобия трапециевидного шарнирного четырехзвенника симметричному шестеренчатому дифференциалу позволяет проектировать колесношагающие КТОС с согласованными значениями пути, скорости и ускорения движения центра в шаговых фазах при различном числе опорных башмаков, что упрощает их применение на многоосных TTC.

4. Решение задачи согласования геометрических параметров кинематических звеньев катковой КТОС обеспечивает возможность проектирования систем с различным количеством опорных катков с оптимизацией системы по различным критериям: с минимальной габаритной высотой опорнонаправляющей поверхности при заданных размерах катков и базы их тележек, с максимальным радиусом катков при заданной базе их тележек и размерах ОНП, а также проектирование промежуточных вариантов с реализацией условия движения катков по ОНП без зазоров и заклинивания.

5. Примеры реализации результатов научной работы на уровне надсисте-мы показали эффективность методологии повышения проходимости трансформируемых КТОС, обеспечившей достижение поставленной цели с использованием рациональной элементной базы, а также целесообразность ее применения при решении минимаксных задач синтеза транспортнотехнологических средств высокой проходимости с различными колесными или колесовидными тяговоопорными системами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате исследований, обобщенных в диссертации, решена важная народно-хозяйственная проблема создания научно обоснованных методов и средств адаптивного трансформирования механических систем для проектирования КТОС с повышенными тяговыми и несущими свойствами при взаимодействии с различными опорными поверхностямиразработки теоретических положений, отражающих особенности и закономерности движения КТОС, а также алгоритмов и рекомендаций для метрического синтеза систем, ориентированных на использование в преимущественно малогабаритных транспортнотехнологических средствах высокой проходимости.

Решение этой проблемы обусловлено следующими основными результатами, имеющими самостоятельное научное и практическое значение:

1. Выявлен и систематизирован перечень технических противоречий, снижающих эффективность движения тяговоопорной систем вне дорог и конкретизирующих задачи их структурного (морфологического) синтеза.

Разработаны новые методы трансформации кинематических параметров тяговоопорных систем: дифференциальные и интегральный, позволяющие существенно повысить показатели тяговой динамики путем реализации в режиме самоуправления колесно-щагающего, каткового хода и нетрадиционной трансформации формы металлоупругой КТОСсинтезированы на уровне изобретений структурные схемы трансформируемых КТОС.

2. Разработан численноаналитический метод исследования движения колесношагающей КТОС с дифференциальным преобразованием формы взаимодействующего элемента, позволяющий с заданной точностью моделировать колесную и шаговые фазы движения систем с различной структурой при изучении влияния кинематических и силовых факторов на законы движения и выявлении граничных условий реализации шаговых фаз.

3. Имитационным моделированием движения колесношагающих КТОС выявлено: множество вариантов сочетания кинематических параметров системы внутри каждой структурной единицы, обеспечивающих равенство параметров движения центра КТОС в различных шаговых фазахпринципиально важная особенность шаговых фаз движения, характерная для стопоходящих биологических систем и кинематически подобных им технических объектов, обуславливающая снижение неравномерности распределения нагрузки по подошве в течение шаговой фазы.

4. Разработано математическое описание катковой КТОС, использование которого в имитационном моделировании движения позволило установить следующее: реализация движения катков по опорнонаправляющей поверхности с профилем, характерным для гусеничных машин, возможна в широком диапазоне варьирования относительных размеров кинематических звеньев системы при использовании четырехкаткового взаимодействующего элементастабилизация скоростных параметров и минимизация сил внутреннего сопротивления движению в тяговом режиме работы системы обеспечивается введением дифференциальной связи опорных катков с приводным валом.

5. Разработаны методы и устройства для экспериментального определения момента сопротивления качению Мск эластичных колес, обусловленного смещением результирующего вектора нормальной реакции опоры, а также метод физической имитации качения колеса с различными значениями Мск, позволяющие существенно снизить трудоемкость экспериментальных работ, преобразовать дискретный процесс моделирования в непрерывный, уменьшить инструментальную погрешность измерений и повысить наглядность эксперимента.

6. Предложены рекомендации и алгоритмы метрического синтеза разработанных КТОС, обеспечивающие проектирование систем c заданными показателями движения, в частности: движение КТОС с программным кривошнпношатунным механизмом управления без вертикальных колебаний центра при сохранении свойства принудительного перехода в режим гребного колеса согласно описанию изобретениядвижение без вертикальных колебаний центра КШ КТОС с центральным дифференциальным механизмом управления при использовании различных профилей внутренней поверхности звеньев ВЭ, что увеличивает число вариантов решения задачи адаптации КТОС к опорной поверхности с конкретными свойствамидвижение КШ КТОС с разнесенным дифференциалом с согласованными кинематическими параметрами шаговых фаз при различном числе опорных башмаков, что упрощает их применение на многоосных TTCоптимизацию по различным критериям геометрических параметров кинематических звеньев капсовой КТОС с различным количеством опорных катков При сохранении условия движения катков по опорно-наПравляющей поверхности без зазоров и заклинивания.

7. Примеры реализации результатов научной работы на уровне надсистемы показали эффективность методологии повышения тягово-динамических показателей движения трансформируемых КТОС и целесообразность ее применения при решении задач синтеза транспортнотехнологических средств высокой проходимости с различными колесными и колесовидными тяговоопорными системами.

8. Созданы экспериментальные образцы мобильных носителей с колесно-шагающими КТОС, эффективно решающие задачу транспортировки оборудования для дистанционной разведки и людей с поврежденным опорнодвигательным аппаратом в условиях пересеченной местности и внутри жилых помещенийэкспериментальные образцы КШ КТОС для использования в качестве сменных тяговоопорных систем на автомобилях ЛуАЗ 969 М и УАЗ 469 при движении по свежевспаханному чернозему, сыпучему песку и преодолении ступенчатых выступов.