Освоение просторов Сибири и Дальнего Востока связано с серьезными транспортными проблемами. Необходимо либо покрывать эти пространства сетью автомобильных дорог (что требует огромных средств как для строительства, так и для последующей бесперебойной эксплуатации), либо разрабатывать принципиально новые транспортные средства, способные двигаться без дорог по пересечённой местности, преодолевая водные преграды (т.е. до л лены обладать высочайшими вездеходными и амфибийными свойствами).
Существующие транспортные средства исчерпали свои возможности по повышению проходимости еще в двадцатом веке. Для получения качественно новых транспортных возможностей необходимо разрабатывать принципиально новые средства передвижения, которые будут мало похожи на привычные колесные и гусеничные вездеходы. Основным отличием должны стать огромные размеры пятен контакта, обеспечивающие большую грузоподъемность при очень малых максимальных давлениях на грунт, в несколько раз меньших, чем достигнутые колесными машинами в настоящее время. Подобное снижение максимальных давлений обеспечит резкое качественное повышение проходимости по слабонесущим грунтам.
Цель работы.
Целью работы является создание методики проектирования и расчета ходовой части пневмогуссничного движителя, позволяющего решить проблему повышения проходимости транспортных средств по бездорожью,.
В работе рассматривается возможность повышения проходимости наземных ТС за счет применения движителей свехнизкого давления на грунт. В виде объектов исследования рассматриваются самоходные транспортные средства, оснащенные нетрадиционными пневмодвижителями сверхнизкого давления (ниже 8кПа).
Новые движители должны обеспечить главное эксплуатационное качество предполагаемых амфибийно-вездеходных аппаратов: проходимость по сильно пересеченному бездорожью со слабыми грунтами, по болотам, снегу, мелководью и открытой воде.
Новизна.
Разработана математическая модель взаимодействия оригинального пневмогусеничного движителя с опорной поверхностью, в диапазоне крайне малых значений давления, ранее выпадавших из рассмотрения исследователей из-за малой применимости результатов и значительных отличий в методиках проведения экспериментов на малых давлениях, в сравнении с высокими давлениями существующих движителей.
Получены зависимости для определения рациональных конструктивных параметров нового оригинального движителя в зависимости от полезной нагрузки и характеристик опорной поверхности.
Практическая значимость.
Практическая значимость заключается в том, что при реализации результатов диссертации создаются вездеходные амфибийные машины большой грузоподъемности, способные транспортировать грузы по местности ранее считавшейся не проходимой или проходимой в узкие промежутки наиболее благоприятного времени года.
Достоверность научных результатов,.
Достоверность научных результатов подтверждена многочисленными экспериментами на специальном испытательном стенде, сооруженном для экспериментов по контактному взаимодействию грунтов с оболочками сверхнизкого давления, и на натурных действующих моделях нового оригинального движителя, выполненных автором. 6.
Реализация работы.
Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры СМ-9 МГТУ им. Н. Э. Баумана при чтении курсов «Статистические характеристики местности», «Теория систем машина-местность» и в курсовом проектировании.
Движитель предложен РАО «Газпром» и Федеральному агентству по промышленности (Роспром) для создания принципиально новых амфибийно-вездеходных транспортных средств грузоподъемностью 50−300тонн для освоения месторождений по-ова Ямал и обеспечения круглогодичного наземного транспортного сообщения в Северных регионах. Ведутся работы по выработке технических требований заказчика к новым транспортным средствам.
Апробация работы.
Отдельные этапы и основное содержание работы докладывалось на заседаниях кафедры СМ-9 МГТУ им. Н. Э. Баумана, на научно-технической конференции «Будущее технической науки» в ЫГТУ 2006 г., публиковалось в «Вестник МГТУ. Машиностроение» № 3, 2007 г. и в научно-популярном журнале «Техника-молодежи» № 3, 2006 г.
3.4. Выводы по главе.
На созданном экспериментальном стенде получены данные, подтверждающие теоретические выводы о резком повышении коэффициента сцепления с грунтом при использовании пневмодвижителей сверхнизкого давления с большим количеством острых прокалывающих грунтозацепов в большом пятне контакта.
Созданы действующие модели СПГД, подтверждающие заявленные свойства. Проведены экспериментальные исследования СПГД. Результаты эксперимента показали, что предложенная: из теоретических выкладок конструкция реализуема и работоспособна. Модель одиночного СПГД уверенно двигалась по неровностям, мягкому основанию, воде, уклонам и через одиночные препятствия.
Были проведенные исследования двух моделей СПГД и одной модели ТС с тороидальными эластичными пневмогусеницами. Эксперименты наглядно продемонстрировали достоинства и недостатки каждого из них.
Так было выяснено, что для СПГД необходим механизм центрирования подвижной платформы относительно беговой дорожки оболочки.
Вторым направлением разработки должна стать проблема замыкания оболочки на торцах «беговой дорожки» СПГД.
Особая важность этого вопроса связана с наличием внутри оболочки сложных механизмов, требующих регулярного обслуживания. Для обеспечения согласованной и бесперебойной работы СПГД необходимо разработать подвижное герметичное соединение оболочки с неподвижной ступицей СПГД, которое является одним из важнейших узлов движителя.
Эластичные тороидальные пневмогусеницы показали возможность своего применения в качестве базового элемента при глубокой модернизации существующих гусеничных машин, с целью повышения их проходимости и придания им дополнительных амфибийных качеств.
Глава 4.
Варианты компоновок ТС с СПГД различного назначения.
Варианты компоновок ТС с СПГД так же разнообразны, как и привычных колесных или гусеничных машин. Возможно следующее деление ТС с СПГД на классы.
1 .ТС с СПГД способные двигаться по дорогам общего пользования.
— Легкие амфибийные вездеходы с полезной грузоподъемностью до 1000 кг.
— ТС с СПГД высокого давления, которые обеспечивают высочайшую грузоподъемность при движении по дорогам с твердым покрытием. Такое ТС размером с обычный грузовик сможет перевозить груз в сотни тонн без перекрывания автодорог и разрушения дорожного покрытия.
2. Крупноразмерные ТС с СПГД.
— Амфибийно-вездеходное ТС средней грузоподъемностью 10 тонн, занимающеее нишу обычного грузовика, но на абсолютном бездорожье.
— Амфибийно-вездеходное ТС средней грузоподъемностью 50 тонн, занимающее нишу специализированной грузовой платформы для транспортировки тяжелых единичных грузов по ровным трассам.
3. Многоопорные ТС с СПГД.
— Амфибийно-вездеходное ТС грузоподъемностью более 100 тонн, обеспечивающих транспортировку сверхтяжелых сверхгабаритных грузов в условиях отсутствия дорог с твердым покрытием.
4.ТС с СПГД для специальных операций.
— ТС с СПГД, обеспечивающие выполнение десантных операций на неподготовленный берег с резкопересеченным рельефом, мелководьем и заболоченностью.
— ТС с СПГД, обеспечивающие движение по горным рельефам, конструктивно сходны с десантным ТС, но с более мощной двигательной установкой и более широким диапазоном трансмиссии.
4.1. Грузоподъемность.
Грузоподъемность СПГД определяется двумя основными параметрами: -давление на грунт- -площадь пятна контакта.
Грузоподъемность пропорциональна площади пятна контакта и давлению на грунт. Площадь пятна контакта пропорциональна квадрату линейных размеров. Таким образом, ТС с СПГД большой грузоподъемности будут представлять собой огромные по размеру устройства (рис. 4.1,4.2), способные перевозить крупногабаритные и тяжелые грузы в экстремальных условиях бездорожья: болота, прибрежное мелководье, пересохшие и мелководные реки, толстый снег, водоемы с открытой водой или покрытые льдом любой толщины.
Рис. 4.1. Универсальное ТС с СПГД большой грузоподъемности.
Эти ТС будут конструктивно просты и предельно экономичны при движении по плоскостям без сильных уклонов.
При транспортировании крупногабаритных тяжелых грузов заведомо предполагается отсутствие на пути значительных уклонов, то есть подавляющая, часть пути будет проходить по практически горизонтальным поверхностям: болота, замерзшие водоемы, мелководье прибрежных зон, вода. Учитывая преодолеваемый ландшафт и высокую экономичность СПГД при движении по горизонтали, ТС оснащается маломощным двигателем, обеспечивающим заданную скорость движения по горизонтали и малым уклонам (3−5%). Движение в более крутые уклоны обеспечивается, но на крайне малой скорости в режиме ползающего домкрата или за счет самовытягивания на склон лебедкой.
Н=0м 3=200кв.м Р=2?5кПа.
Н=0,8 м 3=100 кв. м Р=5Д)кПа.
Н=1,бм 3=6 0кв. м Р=8,ЗкПа.
Рис. 4.2. ТС с СПГД большой грузоподъемности «Ползающий домкрат».
Малые уклоны не требуют оснащения ТС системой стабилизации платформы (за счет перемещения узлов приложения нагрузки по платформе СПГД).
ТС с СПГД большой грузоподъемности сопоставимы по экономичности с водным транспортом (самым дешевым на данный момент). Они оказываются крайне простыми, но очень крупными устройствами. В них два СПГД связаны общей платформой, расположенной между ними.
Оценочные расчеты показывают, что такое ТС общей грузоподъемностью 50тонн будет иметь собственную массу менее 20тонн. Таким образом, доля полезной нагрузки составит около 60% от общей массы, что является отличным показателем даже для шоссейных грузовиков.
Верхние купола оболочки могут быть смяты дополнительными внешними валками, снижающими нагрузки на валы внутри оболочки (рис. 4.3). Внутренние валки при этом становятся в большей степени стабилизирующими, чем несущими нагрузку. Применение внешних разгружающих валков позволяет также уменьшить силы натяжения в оболочке за счет уменьшения радиусов кривизны, что снижает требования к прочности на разрыв материала оболочки и уменьшает ее износ.? с=а 1=] ^Ч^ (=3 П ^ С^и 1−1 —Ч !
Рис. 4.3. ТС с ПГД с внешними сминающими валками.
Поворот в таком ТС может осуществлятся по схеме «один вокруг другого». Полезная нагрузка перемещается по платформе таким образом, что один из СПГД оказывается полностью разгруженным, после чего его безо всякого сопротивления можно развернуть вокруг нагруженного СПГД, даже не касаясь грунта. Затем нагрузка перемещается на второй СПГД, и первый СПГД поворачивается в нужное положение. После чего груз перемещается в среднее положение, и движение продолжается уже в новом направлении.
СПГД с внешними сминающими валками могут стать элементами для многоопорных ТС сверхвысокой грузоподъемности. На многоопорных ТС возможно транспортировать крупные и тяжелые модули высокой заводской готовности к месту окончательной установки.
В СПГД огромного размера при движении по относительно ровному грунту работа оболочек происходит в весьма щадящем режиме, что увеличивает их надежность и долговечность.
4.2. Проходимость.
ТС с СПГД высокой проходимости по сложному рельефу будут гораздо сложней и энергонасыщеннее своих равнинных тихоходных аналогов.
При создании ТС для преодоления сложного, сильно пересеченного рельефа необходимо создать для СПГД возможность свободного управления всеми геометрическими параметрами и режимами движения оболочки. Это потребует создание раздельного независимого управления всеми валками СПГД, а также обеспечить принудительное прижимание оболочки к внутренним несущим валкам за счет установки специального внешнего натяжного устройства, обеспечивающего необходимый угол огибания оболочкой валка (рис. 4.4). При этом возможно будет реализовать такие конфигурации оболочки и положения пятна контакта относительно силовой платформы СПГД, какие недостижимы на СПГД с внутренними валками и естественном натяжении оболочки. Изменение геометрии оболочки требует изменения и давления воздуха внутри нее, что обеспечивается установкой клапанов регулирования давления и независимых воздушных насосов на каждом СПГД. СПГД также должен обладать возможностью управлять положением точки приложения внешней нагрузки к платформе, что позволит управлять углом наклона силовой платформы при преодолении различных препятствий.
Грузовая платформа ТС должна располагаться между двумя СПГД и обеспечивать возможность поворота как одновременно двух СПГД относительно поворотного стола грузовой платформы, так и разворот по схеме «один вокруг другого».
Рис. 4.4. ТС с СПГД повышенной геометрической проходимостью.
ТС высокой проходимости по рельефу оказывается очень сложной машиной с большим числом независимо управляемых элементов. Подобные системы должны управляться с помощью компьютера, обеспечивающего непрерывное отслеживание взаимного положения частей и узлов, и управляющего режимами их работы, обеспечивая, тем самым, движение ТС в заданном человеком направлении.
Стоимость таких ТС будет очень велика, но за это они обеспечат возможность передвигаться по таким рельефам, которые до настоящего момента считались непроходимыми, например: крупнообломочные каменные россыпи.
4.3. Способность к преодолению крутых склонов.
Для преодоления больших уклонов от ТС требуются огромные энергетические затраты. Таким образом, в предполагаемом ТС должен быть мощный двигатель, с большим запасом топлива.
Трансмиссия должна обеспечивать возможность движения с крайне низкими скоростями (сантиметры в секунду), что требует огромных передаточных чисел редукторов.
Тяговый участок оболочки СПГД должен быть оснащен грунтозацепами, обеспечивающими сцепление даже с гладкой скользкой поверхностью (как «кошки» у альпинистов).
СПГД должен быть оснащен механизмом перемещения узла приложения внешней нагрузки, чтобы управлять положением вектора силы тяжести от нагрузки относительно пятна контакта.
Грузовая платформа должна располагаться между СПГД и быть способно изменять свое положение в зависимости от преодолеваемого уклона. Это необходимо для обеспечения равномерной загрузки движителей и предельно низкого положения центра тяжести ТС, дабы исключить возможность опрокидывания ТС на крутом склоне (рис. 4.5).
Рис. 4.5. ТС с СПГД для движения по крутым склонам.
ТС для больших уклонов похож на ТС для сложного рельефа, только с гипертрофированной силовой установкой и трансмиссией.
Преодоление крутых склонов связано с двумя параметрами: — мощность силовой установки и диапазон трансмиссии, обеспечивающие заданную скорость подъема по заданному уклонуспособность создать и реализовать на грунте заданную силу тяги по сцеплению.
Штурм больших уклоновэто крайне затратное занятие. Для обеспечения движения в крутую гору на бездорожъе требуется трансмиссия с очень высокими передаточными числами. Так при максимальном крутящем моменте двигателя на 3000об/мин (50об/сек) и диаметре ведущих колес около одного метра (длина окружности 3,14м) при скорости движения 1м/с (3,6 км/ часреальная скорость на предельном бездорожье) скорость вращения колеса на выходе составит.
1/3,14=0,32 об/сек, А суммарное передаточное число на низшей передаче составит п=50/0,32= 156.
Обеспечение такого передаточного числа потребует многоступенчатую коробку передач с очень большим диапазоном регулирования, что бы обеспечить возможность как высоких скоростей пердвижения на равнине, так и медленного движения по горному рельефу.
При движении по склонам необходимо обеспечить реализацию огромных тяговых усилий на грунте. Слабонесущий грунт требует распределения тягового усилия по большой площади. Это идеально реализуется конструкцией СПГД.
Даже при минимальном коэффициенте сцепления и слабом грунте огромная площадь пятна контакта СПГД позволяет обеспечить реализацию тягового усилия за счет редко расположенных развитых грунтозацепов.
При попытке реализовать слишком большие тяговые усилия может произойти срыв тонкого слоя снега под гусеницей, что приведет к буксованию или соскальзыванию со склона вниз (возможно, что и вместе со снежной лавиной). В принципе, на СПГД с грунтозацепами можно въехать на любой снежный склон, который еще способен удержать такую дополнительную нагрузку. В условиях же более прочных грунтов СПГД с острыми твердыми грунтозацепами способен подняться на любой склон, вплоть до уклона 100% (45°).
ТС с СПГД для подъема на крутые склоны является машиной для проведения спасательно-разведывательных работ в горах, куда не способен забраться ни один из существующих видов наземного транспорта, и даже не может залететь вертолет из-за разреженности воздуха и сильных ветров.
4.4. Замыкание оболочки.
Замыкание оболочки на торцах движителя очень важная проблема, которая может решаться различными конструктивными способами.
В качестве примера стоит рассмотреть несколько предельных вариантов исполнения замыкания оболочки: замыкание оболочки на тонкую цилиндрическую ось и замыкание на жесткую фасонную пластину. Остальные варианты замыкания будут некоторым компромиссом между этими случаями.
Фасонная пластина повторяет сечение оболочки СПГД в некотором определенном, наиболее эффективном рабочем состоянии. При замыкании оболочки на фасонную пластину край рабочей ленты оболочки должен двигаться по пластине по некоторой кривой, повторяющей сечение оболочки СПГД. При этом узел соприкосновения оболочки с пластиной должен обеспечивать герметичность оболочки и свободное скольжение края оболочке в зацеплении. Исполнение этого узла скольжения является основной проблемой воплощения СПГД с замыканием на фасонную пластину.
СПГД с замыканием оболочки на фасонную пластину становится похож на первые английские танки времен I Мировой войны.
В жестких боковых пластинах могут быть установлены люки для доступа внутрь СПГД, вентиляторы воздушных нагнетателей, а так же трансмиссия и двигатели СПГД.
В предельном случае, для использования внутреннего пространства СПГД возможно соединение боковых пластин сплошным туннелем, являющимся полноценным грузовым отсеком (см. рис.4.6). В таком варианте возможно создание даже однокорпусного ТС с СПГД. Правда, поворот в нем будет совершаться при вывешивании СПГД на внешних опускаемых опорах, что дополнительно утяжеляет конструкцию.
Замыкание оболочки на фасонную пластину обеспечивает жесткое позиционирование грузовой платформы и валков по отношению к оболочке, что гарантирует от сползания платформы с рабочей ленты оболочки при движении по косогорам.
Рис. 4.6. ТС с расположением груза внутри СПГД.
При замыкании на тонкую цилиндрическую ось технические проблемы исполнения обретают совершенно иной характер.
Так проблема герметичности и надежности узла скольжения кромки оболочки по цилиндрической оси решается значительно проще. Оболочка крепится к внешнему кольцу подшипника, а внутренне кольцо герметично сажается на ось от грузовой платформы. Герметичное же уплотнение зазора между кольцами подшипника является простейшей технической задачей, имеющей множество отработанных решений.
При вытягивании точек замыкания оболочки на максимальное удаление от опорных валков, оболочка приобретает веретенообразную форму. При таком способе замыкания напряжения в замыкающей части минимизированы, а сама оболочка получает крайне устойчивое позиционирование относительно валков при возникновении боковых сдвигающих усилий (движение по косогору).
СПГД с замыканием оболочки на тонкую ось становиться чрезвычайно растянутым вбок. Такая конфигурация может применяться на ТС с двумя СПГД, катящимися друг за другом, и грузовой платформой между ними (рис. 4.7). Г.
1 (а^ О.
— с.
— О.
Рис. 4.7. ТС с веретенообразными СПГД.
Веретенооборазная форма позволяет использовать СПГД транспортного средства в качестве поплавков катамарана при движении по открытой воде. При этом мореходные качества ТС становятся настолько хорошими, что возможно будет совершать достаточно длинные переходы по обширным акваториям на высоких скоростях с использование опускаемых специализированных гребных винтов или водометов [21,23].
Общие результаты и выводы по работе.
1. Установлено, что для обеспечения движения по слабонесущим водонасыщенным грунтам, ранее непроходимым, требуется создание нового типа движителя с давлением на грунт менее 8кПа и способностью к плаванию на глубинах до 500 мм за счет своего водоизмещения. Вариантом решения могут быть вариации известных гусеничных движителей с использованием мягких пневматических оболочек большого объема.
2. При анализе взаимодействия цилиндрической пневмооболочки с грунтом под внешней нагрузкой получены закономерности, позволяющие создать принципиально новый тип контактного движителя сверхнизкого давления на грунт. Этот новый движитель получил название Сферический ПневмоГусеиичный Движитель (СПГД). Получены патенты на изобретение нового Пневмогусеничного движителя (№ 2 240 250 приоритет от 05 февраля 2004г) и Пневмогусеничный движитель с внешними сминающими валками (№ 2 284 941 приоритет от 01 февраля 2005 г.).
3. Снижение давления в пятне контакта движителя с грунтом до сверхнизких значений обеспечивает значительное снижение сопротивления движению с одновременным повышение величины реализуемой на грунте силы тяги движителя, что в совокупности приводит к резкому повышению запаса тяги и проходимости ТС .
4. Созданы действующие модели СПГД, подтверждающие заявленные свойства. Проведены экспериментальные исследования СПГД. Результаты эксперимента показали, что предложенная расчетная конструкция реализуема и работоспособна. Модель одиночного СПГД уверенно двигалась по неровностям, мягкому основанию, воде, уклонам и через одиночные препятствия.
Эластичные тороидальные пневмогусеницы показали возможность своего применения в качестве базового элемента при глубокой модернизации существующих гусеничных машин. Такая модернизация поможет повысить проходимость гусеничных машин, придаст им дополнительные амфибийные качества и снизит разрушающее воздействие на грунт, сделав гусеничный движитель более экологически безопасным.
5. На созданном экспериментальном стенде получены данные, подтверждающие теоретические выводы о резком повышении коэффициента сцепления с грунтом при использовании пневмодвижителей сверхнизкого давления с большим количеством острых прокалывающих грунтозацепов в большом пятне контакта.
6. Применение СПГД дает возможность на порядок уменьшить максимальное давления на грунт без увеличения собственного веса движителя. Давление, реализуемое СПГД, близко к давлению на грунт от ТС на воздушной подушке, при этом СПГД обеспечивает реализацию на грунте 100% тяги от сцепного веса, в отличии от воздушных подушек, которые передвигаются за счет тяговых воздушных винтов. Таким образом, использование СПГД уводит значения реализуемых удельных давлений на грунт в области, ранее недостижимые для контактных движителей в принципе. С помощью новых ТС с СПГД возможно решение транспортных задач в неосвоенных регионах, в условиях полного бездорожья и сложного рельефа с грунтами крайне низкой несущей способности (снег, болото), чередующимися с открытой водой и мелководьем.
7. Применение СПГД дает возможность создания нескольких новых (сейчас не существующих) классов амфибийно-вездеходных ТС высочайшей проходимости, которые смогут обеспечить доставку грузов и людей в регионы, не заселенные и не осваиваемые до сих пор из-за полной недоступности по земле и крайней дороговизны воздушного транспорта.
