автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Повышение уровня проходимости амфибийно-вездеходных транспортных средств путем использования нетрадиционных пневмодвижителей сверхнизкого давления

На правах рукописи

МОНИН ИЛЬЯ АЛЕКСЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ПРОХОДИМОСТИ АМФИБИЙНО-ВЕЗДЕХОДНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕТРАДИЦИОННЫХ ПНЕВМОДВИЖИТЕЛЕЙ СВЕРХНИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05 05 03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

£ Л Л I > Ч> Алл*

ООЗ1614У&

Москва

2007

003161435

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им Н Э Баумана

Научный руководитель докт техн наук, профессор В Н Наумов

Официальные оппоненты докт техн наук Беляков В В

(Нижнегородский государственный технический

университет)

канд техн наук Котляренко В И

(НИЦИАМТ г Дмитров)

Ведущее предприятие НАМИ

Защита диссертации состоится « 19 »Н4Я<}рЯ 2007Г В 14 30 на заседании диссертационного совета _

в Московском государственном техническом университете им Н Э Баумана по адресу 105005, Москва, 2-ая Бауманская ул , д 5

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по указанному адресу

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им Н Э Баумана

Автореферат разослан « S » ОРт^рЯ 2007г

Общая характеристика работы.

Актуальность темы диссертации определяется необходимостью разработки военной и гражданской транспортной техники высокой проходимости, способной эффективно выполнять транспортные задачи на обширных бездорожных территориях в различных регионах страны и мира

Улучшение характеристик проходимости осуществляется снижением средних и максимальных давлений на грунт Для существующих типов опорно-контактных шасси существуют известные конструктивные ограничения, которые не позволяют кардинально повысить их проходимость Так они не могут быть реализованы с желаемыми контактными давлениями (ниже 8кПа) Тем не менее, давления на грунт в диапазоне от 8кПа и ниже являются крайне притягательным полем значений, при которых взаимодействие опорно-контактного движителя с грунтом происходит совершенно в иных режимах, чем при удельных давлениях традиционных колесных и гусеничных движителей, находящихся в диапазоне 50 600кПа(0,5 батм)

Цель работы повышение уровня проходимости транспортных средств с контактными движителями и придание им амфибийных качеств за счет применения в качестве ходовой части нетрадиционных пневмогусеничных движителей, позволяющих обеспечить движение транспортных средств по бездорожью и обводненным пространствам В работе рассматривается возможность повышения проходимости наземных ТС за счет применения движителей сверхнизкого давления на грунт В виде объектов исследования рассматриваются самоходные транспортные средства, оснащенные нетрадиционными пневмодвижителями сверхнизкого давления (ниже 8кПа) О перспективности создания подобных машин заявлялось в многочисленных работах посвященных исследованию движения машин по снегу

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

В соответствии с намеченной целью в диссертации поставлены и решены следующие задачи

-разработана методика анализа поведения оболочек сверхнизкого давления при взаимодействии с опорами транспортных средств,

-оценены геометрические и тяговые ограничения по снижению давления на грунт от ТС с традиционными типами движителей,

- изучены особенности движения транспортных средств с новыми пневмодвижителями сверхнизкого давления,

- рассчитаны и оценены упругие характеристики подвески ТС с пневмооболочкой сверхнизкого давления в качестве движителя,

-определены опорно-тяговые характеристики ТС с пневмодвижителями сверхнизкого давления, обеспечивающими высокую проходимость и ,

амфибийность при движении по бездорожной местности,

- обоснованы рекомендации по выбору рациональных проектных параметров ТС с пневмодвижителями сверхнизкого давления высокой проходимости

Научная новизна Впервые разработана методика определения и оценки опорно-тяговых свойств перспективной амфибийной транспортной техники высокой проходимости с новыми типами нетрадиционных движителей, оснащенных пневмооболочками сверхнизкого давления Методика сочетает оригинальные расчетные и экспериментальные методы исследования нагрузок на механические и пневматические части нового шасси, опирается на критерии проходимости и показатели эффективности ТС с пневмодвижителями сверхнизкого давления в экстремальных условиях эксплуатации

Предложена концепция амфибийных самоходных ТС с пневмодвижителями сверхнизкого давления, как многорежимных адаптивных объектов, и обоснованы алгоритмы решения проектных задач по определению их рациональных параметров

Получены также результаты, имеющие общее транспортное значение

- рассмотрены математические модели взаимодействия механических движителей со слабыми грунтами в диапазоне значений давления, ранее выпадавших из рассмотрения из-за технической недоступности;

- уточнены правила построения и применения тягово-динамических характеристик машин с учетом особенностей взаимодействия движителя с грунтом на крайне низких контактных давлениях

Практическая ценность работы состоит в обосновании возможности создании нового класса амфибийных вездеходных ТС с оригинальными движителями, способных решать транспортные задачи, ранее считавшиеся теоретически не реализуемыми на данном уровне техники

Рассматривается новый тип движителя сверхнизкого давления, предназначенный для работы на сверхнизких давлениях, названый Сферический ПневмоГусеничным Движителем (СПГД) Полученное конструктивное решение защищено патентами

Реализация результатов работы В процессе исследования были построены несколько экспериментальных моделей нового типа движителя, наглядно демонстрирующих реальность достижения теоретически обоснованных результатов Так же был создан лабораторный стенд для определения сцепных свойств пневмооболочек с грунтом в диапазоне сверхнизких давлений 2 8кПа

Результаты разработок неоднократно докладывались на заседаниях кафедры «Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы» МГТУ им Н Э Баумана, а также выносились на обсуждение сотрудников ЦАГИ

им проф Н Е Жуковского, специализирующихся на создании вездеходных ТС с воздушной подушкой

Апробация работы и публикации

Возможность построения принципиально новых ТС обосновывалась в НИР по заказу МО РФ «Поисковое исследование и разработка научно-технических основ создания амфибийных экипажно-безэкипажных средств обеспечения боевых действий на основе нетрадиционных принципов движения»

Части работы докладывались на 5-ой Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» 2006г

Главы работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы» в МГТУ им Н Э Баумана в 2003-2006г.

Получены патенты на две модификации нового типа движителя с пневмооболочками сверхнизкого давления на грунт (№2240250,№2284941)

Структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы Работа изложена на 150 страницах, содержит 54 рисунка, 3 графика, 10 таблиц, список литературы, приложение с фотографиями модели ПГД

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы

В первой главе описывается уровень достигнутой проходимости существующей техники, оснащенной гусеницам, пневмоколесами, шнеками и воздушными подушками Определяются пределы возможного рационального применения каждого из них для оснащения ТС различных размеров и грузоподъемности в зависимости от давления на грун Анализ состояния вопроса опирается на труды ведущих научных школ НАМИ, Нижегородского государственного технического университета, МГТУ им Н Э Баумана

В настоящий момент пределом снижения давления на грунт от контактных типов движителя является значение около 15кПа Такое давление обеспечивается на сверхлегких транспортных средствах на пневмоколесах сверхнизкого давления Построить крупное транспортное средство большой полезной грузоподъемностью на подобных пневмоколесах не представляется возможным Так при увеличении размера и количества колес резко возрастает сложность трансмиссии и подвески, что приводит к рост массы машины, опережающему рост грузоподъемности возросшего числа колес

Наиболее распространенными для автомобилей стали широкопрофильные пневмоколеса с регулируемым давлением, которые обеспечивают изменение давления от ЮОкПа (на грунтовых дорогах и

бездорожье) до 300 500кПа (на дорогах с твердым покрытием) Снижение давления в таких колесах ниже ЮОкПа (1атм) не приводит к увеличению проходимости, так как жесткость самой шины начинает препятствовать увеличению пятна контакта, а износ боковин колеса резко возрастает диск колеса «жует» резину, а амплитуда циклических изгибных нагрузок возрастает на столько, что тепловыделения от гистерезиса приводят к перегреву шин

На базе таких шин было создано большинство серийных многоосных полноприводных машин высокой проходимости для военных задач (бронетранспортеры) и для коммерческой работы (лесовозы)

В диапазоне 15 ЮОкПа находятся гусеничные транспортные средства высокой проходимости При этом нижней границе соответствуют легкие гусеничные ТС (ратраки, болотоходы), а на верхней границе располагаются тяжелые боевые машины (танки, БМП) При изменении давления на грунт у гусеничных машин возрастает общий вес, а габариты остаются практически одинаковыми для машин всех весовых категорий, поскольку компоновка гусеничных машин мало поддается изменению, так как диктуется возможностью поворота вокруг заторможенной гусеницы и железнодорожным габаритом

Для гусеничных машин приводятся средние значения давления, тогда как реальные пиковые нагрузки под опорными катками оказываются во много раз выше, что резко снижает реальную проходимость таких ТС

Для преодоления топких болот были разработаны шнекоходы ТС с водоизмещающими движителями в виде архимедовых винтов на веретенообразных вращающихся понтонах Недостатком шнекоходов является их неприспособленность для движения по твердым грунтам На твердых грунтах пятно контакта сокращается до точечного, что приводит к разрушению тонких лопастей спирального винта и грунта под ними Шнекоход отличается громоздкостью и высоким расположением центра тяжести при движении по твердому грунту

ТС с воздушной подушкой (ВП) имеют давление до 5кПа, но при этом требуют для движения ровную горизонтальную поверхность, большие уклоны и пересеченная местность для них не преодолимы ТС с ВП также не может двигаться по рыхлым основаниям (снег, сухой песок) из-за явления воздушной эрозии, которое приводит к самозакапыванию ТС при выдувании грунта высокоскоростной воздушной струей, истекающей из-под гибкого ограждения ВП Воздушная подушка чрезвычайно энергоемка

Комбинированные гусеничные или пневмоколесные ТС с частичной разгрузкой при помощи воздушной подушки также не могут значительно повысить проходимость Так для них свойственны ограничения, как воздушных подушек, так и обычных контактных движителей ТС с частичной разгрузкой применяются в случаях необходимости движения с высокой маневренностью в стесненных условиях, где не применимы воздушные тяговые винты

Для повышения проходимости наземных ТС выше уровня, достигнутого известными традиционными движителями, необходимо оснастить известные контактные движители пневмооболочками сверхнизкого давления, а затем заставить новые ТС двигаться с опорой на эти пневмооболочки Применение именно пневмооболочек объясняется их способностью создавать обширное пятно контакта равного давления, что как раз и требуется для новых амфибийно-вездеходных ТС

Во второй главе рассматриваются принципы взаимодействия твердых опор ТС с мягкими пневматическими оболочками движителей, а также мягких оболочек с грунтом

Рассматривается ТС с постоянной массой и изменение тяговой способности его движителя при снижении давления на грунт Давления в пятне контакта считается равномерным

Из множества зависимостей, описывающих связь между нормальным давлением и погружением движителя, отдано предпочтение модифицированной зависимости Бернштейна- Летошнева

Р=Сг*Х,у",

где р- реактивное давление на элементарную площадку движителя (на поверхность штампа), Ху- нормальная к поверхности движителя деформация прессования грунта, Сг,п -эмпирические параметры прессования грунта

Сопротивление движению движителя в наибольшей мере формируется затратами энергии на проминание колеи При этом сила сопротивления будет численно равна интегралу от функции изменения давления грунта по глубине по сечению колеи

Рс=—Сг*А,у"+1,

и+1

что соответствует повышению удельного сопротивления движения от образования колеи в степенной зависимости от увеличения давления в пятне контакта

Тангенциальные напряжения в грунте, обуславливающие формирование тягового усилия на движителе подчиняется закону Джанози-Ханамото

т=(с+ р 1§фг)*(1- е ) , где т - напряжение сдвига; р- реактивное давление на элементарную площадку движителя (на поверхность штампа), Хтв — постоянная сдвига, характеризующая грунт, с — связность грунта, <рг — угол внутреннего трения грунта, А.т - сдвиг грунта

Тяговое усилие движителя Бт находится по формуле

_К|

Рт= т*8=(с+ р 1вфг)*(1- е А°}*8 , где Б -площадь пятна контакта

Давление на грунт р=т§/8, где пщ- вес тела, откуда Б =т§/ р

При подстановки выражение для Б и р в формулу, получаем

Ы

Рг =(с8 + ш§ 1§фг)*(1- е л°)

Таким образом, при постоянных характеристиках грунта, в тяговом усилии движителя присутствует два компонента, один из которых пропорционален площади пятна контакта, а другой массе транспортного средства Увеличение пятна контакта неизбежно влечет пропорциональное увеличение составляющей от связанности грунта, при неизменности составляющей от сил внутреннего трения грунта

Так как основная доля сопротивления движению Бс находится в степенной зависимости от глубины колеи, то при снижении давления на грунт снижается и сопротивление движению ТС, а возрастание площади пятна контакта приводит к увеличению тяги движителя

Таким образом, запас тяги Рз=Рт-Рс, при снижении давления на грунт увеличивается опережающими темпами, что приводит к дополнительному повышению проходимости ТС по бездорожью На графике (рис.1) показан возможный вариант изменения сопротивления движению и силы тяги при изменении давления на грунт

Рис 1 Изменение параметров движения при изменении давления на грунт от ТС постоянной массы сопротивление движению (1), суммарная сила тяги движителя (2), компонент силы тяги от связанности грунта (3), компонент силы тяги от внутреннего трения (4)

Точка Ркр соответствует потери подвижности ТС по недостатку тяги движителя При рассмотрении характеристик влагонасыщенных грунтов и снега выясняется, что современные вездеходные ТС по своим характеристикам располагаются вблизи точки Ркр для грунтов чуть левее, а для снега правее. Реальная вездеходность начинает проявляться только при сдвиге характеристики ТС по давлению на грунт значительно левее по графику относительно точки Ркр (см диаграмму рис 2)

В случае отсутствия грунтозацепов, формирование силы тяги происходит за счет фрикционных свойств контактирующих материалов при взаимодействии грунта с гладкой оболочкой ПГД Фрикционная сила тяги вычисляется интегрированием по пятну контакта тангенциальных напряжений трения скольжения, определяемых зависимостью

< . . I (Л I

где р и т -соответственно радиальное и тангенциальное напряжения на контактной поверхности элемента, А,тк- величина сдвига контактирующей с элементом площадки, стк- тангенциальная жесткость оболочки, |х5т -максимальный коэффициент трения скольжения

Так как пятно контакта имеет в нашем случае равномерную загрузку, то интеграл по площади пятна контакта от фрикционных сил тяги будет равен Рт=тф8, где тср- тангенциальное напряжение при среднем давлении по пятну контакта р=т§/8

ТС с воздушной подушкой

ТС с ПГД сверхнизкого давления

ТС с пневмоколесами низкого давления

ТС с пневмокапесами сверхнизкого давления

ТС с гипертрофированными жесткими 1усеницами

1—1—I—I—Г 20 30 40

J_1__]_I_I_

ТС с жесткими гусеницами

Влажное бездорожье

"1—Г 60

_1_и

И-1-1-г

70 80

_|_I_I_1_

-г

90 100 Р, кПа I I I

Сухое бездорожье

Размокший грунт и снег

I Вода и жидкое болото, требуется водоизмещающий движитель

Рис 2 Диаграмма распределения зон движения ТС в зависимости от максимального давления движителя на грунт и характера грунта

В создании фрикционной силы тяги связанность грунта участия практически не принимает, что снижает максимальную тягу движителя реализуемую на данном грунте без грунтозацепов Таким образом, фрикционная сила тяги всегда меньше или равна силе тяги этого же движителя с грунтозацепами при прочих равных условиях

Следовательно, на скользких грунтах, когда сцепление, возможно только за счет грунтозацепов, ТС с максимальной площадью пятна контакта имеет больший запас тяги, чем ТС с меньшим пятном контакта, так как в большом пятне контакта помещается большее число эффективно работающих грунтозацепов

При рассмотрении режимов взаимодействия твердых опор ТС с мягкой пневмооболочкой приняты следующие допущения гусеничный обвод СПГД является мягкой тонкой прочной оболочкой цилиндрической формы, находящейся под действием избыточного давления, при этом оболочка не обладает изгибной жесткостью и условно считается невесомой

Давление 5кПа весьма значительная величина, и под ее действием СПГД будет надуваться При этом сила натяжения в каждом из участков гусеничной ленты будет определяться

Р=РЯ,

где Б- удельная сила натяжения цилиндрической оболочки с кривизной радиуса Я, Р- избыточное давление в пневмооболочке ПГД.

Свободная верхняя ветвь выгибается под действием избыточного давления дугой вверх При стоянии ПГД на плоской ровной поверхности нижний обвод оболочки оказывается прямым, так как давление изнутри уравновешивается реакцией грунта, то есть Ргрунта=Р Шбыт

Таким образом, верхний обвод гусеницы под действием избыточного давления внутри гусеницы, создает вертикальную силу, способную полностью оторвать опорные валки от грунта При этом на валки будут действовать только силы натяжения разных частей оболочки

При увеличении избыточного давления внутри гусеничного обвода в той же мере возрастает и давление на грунт При постоянной нагрузке и возросшем давлении площадь пятна контакта движителя уменьшается пропорционально увеличению давления

Анализ взаимодействия нагрузки с цилиндрической оболочкой привел к выводу, что сила тяги оболочки зависит только от разницы радиусов кривизны оболочки в зоне контакта с опорой и давления в оболочке При этом удельная сила тяги определяется формулой

Бт= (Яг-ЯОР ,

где Ль Яг - радиусы участков оболочки, примыкающих к пятну контакта Сила тяги Бт всегда направлена в сторону дуги оболочки меньшего радиуса Подъемная сила в оболочке на погонный метр ширины движителя (удельная грузоподемность) определяется

тд=РЬ0,

где т§- вес удерживаемой оболочкой нагрузки, Ьс- длина пятна контакта

Зная эти зависимости, можно построить принципиальную схемы ТС с ПГД заданной грузоподъемности различных конфигураций, тяговой способности и геометрической проходимости В процессе анализа был смоделирован новый тип пневмогусеничного движителя, принципиально отличающегося от всех известных типов движителей Новый движитель имеет цилиндрическую оболочку, заглушённую на концах сферическими замыканиями, что позволило назвать его Сферическим Пневмогусеничным Движителем (СПГД), тем самым отличая от других ПГД с тороидальными оболочками и отдельными пневмобашмаками

СПГД обладает конструктивными особенностями, позволяющими изготовить очень крупные ТС большой грузоподъемности для транспортировки тяжелых крупногабаритных изделий высокой заводской готовности по полному бездорожью До сих пор такие грузы удавалось доставлять только по дорогам с твердым покрытием на специальных сверхгабаритных транспортных платформах

Из проведенного анализа видно, что СПГД оказывается в области эксплуатационных условий, где нет ни одного конкурента из числа существующих транспортных средств

СПГД включает в себя силовую платформу с несущими валками и пневмооболочку с избыточным давлением При этом платформа с валками находится внутри пневмооболочки Зависание над поверхностью передвижения осуществляется за счет сил натяжения оболочки, создаваемых избыточным давлением внутри замкнутой оболочки (рис 3), а перемещение -за счет перекатывания валков по внутренней поверхности оболочки

Движение СПГД возможно как в пассивном режиме (буксируемый прицеп), так и в активном режиме (самостоятельно двигающийся СПГД)

В пассивном режиме СПГД осуществляет только распределение нагрузки по поверхности движения в процессе движения, а тянущее усилие прилагается извне к грузовой платформе от внешнего буксира

В активном режиме движения тянущее усилие формируется самим СПГД Способ формирования тянущего усилия может быть различен, например создание крутящего момента на одном или нескольких валках СПГД, или создание тянущего воздействия на силовой платформе СПГД другим способом, например электромагнитным (линейный электродвигатель итд)

ТС с СПГД обладают большим набором отличий от привычных транспортных средств, как в возможностях применения, так и в способах конструктивного исполнения отдельных узлов

Пневматическая оболочка несет нагрузку от силовой платформы в максимально эффективном варианте Усилия тяги движителя совпадают с направлением сил удержания в оболочке, что позволяет использовать тонкие оболочки с высокой прочностью на разрыв и отсутствием сопротивления на сдвиг синтетические ткани и сетки

У обычных пневматических колес силы натяжения не совпадают по направлению с силой тяги, что приводит к работе боковин колеса на сдвиг

Рис 3 Сечение СПГД и схема сил, действующих в нем

Й1

Работа на сдвиг требует от материала колеса высокой изгибной жесткости, что повышает напряженность работы материала шины и повышает гистерезисные потери при каждом цикле деформации колеса

Пятно контакта обычного колеса имеет сложную пространственную форму, со сложным законом распределения напряжений в грунте У СПГД, в отличии от обычного колеса, пятно контакта имеет простую цилиндрическую форму, легко описываемую по поперечному сечению функцией (см рис 4) Крайне малое давление в пятне контакта (менее 8кПа) обеспечивает отсутствие какого-либо отпечатка на прочных грунтах, а заметный и измеряемый отпечаток (колею) СПГД оставляет только на снегу Глубина такой колеи на слежавшемся снегу с жесткостью 500кПа/м составляет всего 10мм Отсутствие образования колеи позволяет считать СПГД экологичным движителем, те не повреждающим при движении ранимый растительный тундровый покров

Рис 4 Поверхности пятен контакта а) обычного пневмоколеса, б) СПГД

При равных габаритах и давлении на грунт транспортное средство с СПГД (рис 5а) может нести значительно большую нагрузку При этом ТС с СПГД оказывается значительно легче, чем гусеничный движитель обычного исполнения или пневмогусеничный движитель с тороидальной пневмооболочкой(рис 56) При этом гипертрофированая тороидальная пневмогусеница (рис 5в) по внешнему виду становится почти неотличима от СПГД, но обладая всеми недостатками пневмогусеницы

- потребность в стабилизирующих пневмооболочку мембранах,

- наличие катков,

- наличие тяжелой жесткой гусеницы,

- открытость для попадания воды и грязи в движитель

Для большей наглядности поместим рядом контакта этих ТС (рис 6)

Из геометрии пятен контакта движителей видно, что у ТС с СПГД оказывается наибольшее пятно контакта, что делает его наиболее грузоподъемным при равных средних давлениях на грунт и габаритах ТС в целом Также значительно повышается доля полезной нагрузки в общей массе машины из-за снижения массы отдельных составных частей

Экономия массы и габаритов достигается следующими средствами.

- при равных средних давлениях на грунт гусеница оказывается массивнее, чем гибкая оболочка СПГД,

- СПГД не нуждается в поддерживающих катках и элементах их подвески, в отличие от ПГД с жесткой звенчатой гусеницей

В главе также рассматривается упругая характеристика СПГД как основного элемента упругой подвески ТС Построены упругие характеристики подвески ТС с СПГД при различных режимах движения :

- со свободно вращающимися валками,

- с жестко фиксированными валками

Выяснены диапазоны частот собственных колебаний ТС с СПГД, а также возможность и механизм реализации демпфирования колебаний при движении ТС с СПГД Построен алгоритм расчета и произведен расчет геометрии оболочки в пятне контакта на слабонесущем основании Получена интегральная характеристика грузоподъемности пятна контакта СПГД на слабонесущем основании

В

а)

сГЬ

сг

с

3

б)

Рис 5 Общий вид ТС с пневмодвижителями а) с СПГД, б)с тороидальным ПГД, в)с гипертрофированным тороидальным ПГД

а)с новыми СПГД

б) с однополостными тороидальными ПГД

в) с гипертрофированных тороидальными ПГД

Рис 6 Пятна контакта от ТС с ПГД различных конфигураций

Произведен анализ возможных вариантов конфигурации оболочки в пятне контакта со слабонесущим основанием в зависимости от давления в оболочке, степени загрузки и режима движения СПГД Построены геометрические и тяговые характеристики СПГД при движении по слабонесущим грунтам

В третьей главе рассматривался стенд для испытания тяговой способности пневмооболочек сверхнизкого давления с грунтозацепами различного типа и количества на различных грунтах

Тяговые качества движителя сверхнизкого давления при использовании грунтозацепов находятся в прямой зависимости от площади пятна контакта, то есть числа работающих грунтозацепов, тогда как при гладкой поверхности оболочки тяговые свойства ПГД зависят только от коэффициента трения, что удалось подтвердить экспериментальными данными (рис 7)

Также рассматривались экспериментальные натурные модели пневматических движителей различной конфигурации две модели СПГД различного размера и гусеничного движителя с тороидальной эластичной пневмогусеницей

В результате экспериментов было выяснено, что теоретически полученные свойства СПГД подтверждаются на практике

Эксперименты на моделях СПГД также показали, что на грузоподъемность и эксплутационные качества движителей значительное влияние оказывает исполнение замыкания оболочки Так выбор типа замыкания может сделать ТС с СПГД или узко специализированной машиной, или же универсальным амфибийно-вездеходным ТС

Модель с- эластичными тороидальными пневмогусеницами позволила выявить конструктивные и эксплуатационные особенности движителей этого типа Так высокие тангенциальные напряжения и значительные деформации оболочек при огибании направляющих колес делают эластичные тороидальные гусеницы мало применимыми в качестве самостоятельных движителей Тороидальные эластичные пневмооболочки могут применяться в качестве элементов для модернизации существующих легких гусеничных ТС с целью повышения их вездеходных и амфибийных свойств

В четвертой главе рассматриваются варианты компоновки ТС с СПГД для различных условий эксплуатации, различных грузоподъемностей и типоразмеров

1 ТС с СПГД вписывающиеся в дорожный коридор

- Легкие амфибийные вездеходы с полезной грузоподъемностью до 1000кг(рис 8)

- 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

0,5 __

0 ' ' ' 15' (а

(ж

1 0

2_ 0 5

"" 0

Р, кПа

(в

~~о

Р кПа

<Д

О

Р кПа

Р кПа К

<е

(н

Рис 7 Графики изменения коэффициента сцепления с грунтом для различных видов грунтов и различных исполнений опор с грунтозацепами а - прокалывающий острый грунтозацеп по влажному суглинку, б - прокалывающий острый грунтозацеп по сухому песку, в - прокалывающий острый грунтозацеп по травянистому дерну, г -грунтозацеп с плоским ребром по влажному суглинку, д - грунтозацеп с плоским ребром по сухому песку, е - грунтозацеп с плоским ребром по травянистому дерну, ж - пилообразный зубчатый грунтозацеп по влажному суглинку, з - пилообразный зубчатый грунтозацеп по сухому песку, и — пилообразный зубчатый грунтозацеп по травянистому дерну, 1- оболочка без грунтозацепов, 2 -пластина без грунтозацепов, 3-оболочка с грунтозацепами, 4- пластина с грунтозацепами

2 Крупноразмерные ТС с СПГД

- Амфибийно-вездеходное ТС средней грузоподъемностью 10 тонн Занимает нишу обычного грузовика, но на абсолютном бездорожье

- Амфибийно-вездеходное ТС средней грузоподъемностью 50 тонн (рис 9а) Занимает нишу специализированной грузовой платформы для транспортировки тяжелых грузов по ровным трассам болота, русла рек

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 Они обладают перешагивающим режимом движения, с полным вывешивание одного из опорных СПГД на длинной соединительной платформе-стреле (рис 96)

- ТС с СПГД, обеспечивающие движение по горным рельефам Они конструктивно сходны с десантным ТС, но с более мощной двигательной установкой и более широким диапазоном трансмиссии, что позволяет быстро двигаться по большим уклонам Оболочки СПГД горных ТС выполняются с острыми скальными грунтозацепами

В главе также рассматриваются варианты исполнения замыкания пневмооболочки СПГД, так как от характера исполнения замыкания сильно зависят эксплуатационные качества ТС с СПГД в целом устойчивость пневмогусениц на косогоре, амфибийность, мореходность, грузоподъемность, габариты и т д

Р

□I

г

3

Рис 8 ТС с СПГД вписывающиеся в дорожный коридор

а)

И

б)

[да

'ЦИ

Рис 9 ТС с СПГД а) большой грузоподъемности, б) со сминающими оболочку внешними валками

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 500мм 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 ПневмоГусеничный Движитель (СПГД) Получены патенты на конструктивные решения Пневмогусеничного движителя (№ 2240250 приоритет от 05 февраля 2004г) и Пневмогусеничный движитель с внешними сминающими валками (№ 2284941 приоритет от 01 февраля 2005г)

3 Снижение давления в пятне контакта движителя с грунтом до сверхнизких значений обеспечивает значительно 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 Экспериментально доказано, что 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 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, 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

Основные положения диссертации отражены в следующих работах: 1 Монин И А Повышение уровня проходимости амфибийно-вездеходных транспортных средств путем использования нетрадиционных пневмодвижителей сверхнизкого давления// Вестник МГТУ Машиностроение -2007 ~№3 - С 91-101

2, Наумов В Н, Бескин И А, Монин И А Перспективы разработки крупнотоннажных амфибийно-вездеходных средств для решения сложных транспортных задач в условиях российского Заполярья// Проектирование, испытание, эксплуатация транспортных машин- Материалы международной научно-практической конференции - Н Новгород, 2005 -С44-48 Личный вклад разработка кинематической схемы пневмогусеничного движителя

3 Монин И А, Наумов В Н Повышение геометрической проходимости и грузоподъемности амфибийно-вездеходных ТС с пневмогусеничным движителем за счет применения внещних сминающих валков// Будущее технической науки Тезисы докладов 5-ой Международной молодежной научно-технической конференции -Н Новгород - 2006 -С 104-105 Личный вклад разработка модифицированной схемы пневмогусеничного движителя

4 Монин И А Зависимость тяговых характеристик движителя вездеходного ТС от давления на грунт и величины пятна контакта// Будущее технической науки Тезисы докладов 5-ой Международной молодежной научно-технической конференции —Н Новгород - 2006 -С 127-128

5 Патент (№ 2240250 приоритет от 05 февраля 2004г) Пневмогусеничный движитель / И А Монин// Б И -2004 - №32

6 Патент(№ 2284941 приоритет от 01 февраля 2005г) Пневмогусеничный движитель / И А Монин// Б И -2006 - №28

7 Монин И А Надувной внедорожник// Техника-молодежи -2006 -№03 -С2-5

8 Монин И А Новая Россия геопроекты и шестой технологический уклад// Вопросы развития - 2001 - №1 -С 50-60

Подписано к печати 02 10 07 Заказ № 383 Объем 1,0 печ л Тираж 100 экз Типография МГТУ им Н Э Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул, д 5 263-62-01

Введение.

Глава 1. Перспективы внедрения новых транспортных средств.

1.1. Обзор существующей технико-экономической ситуации в стране и задач, не имеющих адекватного технико-экономического решения.

1.2 Определение уровня проходимости наземных транспортных средств с традиционными движителями.

1.3. Исходные условия для сравнительного анализа существующих реализаций ТС.

1.4. Существующие образцы техники для заявленных условий применения.

1.5. Выводы по главе и задачи исследования.

Глава 2. Теоретические основы взаимодействия пневматической оболочки с грунтом под действием внешней нагрузки.

2.1. Оценка зависимостей изменения проходимости наземных транспортных средств при изменении давления в пятне контакта движителя с грунтом.

2.2. Исходные допущения при анализе взаимодействия пневмооболочек с грунтом и внешними нагрузками.

2.3. Характерные точки.

2.4. Равновесие в симметричной системе.

2.5. Несимметричное положение равновесия системы.

2.6. Транспортные средства с нетрадиционными движителями.

2.7. Действующие силы в СПГД.

2.8. Расчет упругой характеристики подвески СПГД.

2.9. Характеристика жесткости СПГД с постоянным количеством газа ( количество газа = CONST).

2.10. Демпфирование СПГД.

2.11. Характеристика жесткости подвески СПГД на заторможенных валках.

2.12. Переходные процессы в пневмооболочке на упругом основании.

2.13. Теоретические основы моделирования СПГД в движении по пластичным неупругим грунтам.

2.14. Прикладной расчет характеристик пятна контакта СПГД в движении по пластичному неупругому грунту.

2.15. Движение СПГД по деформируемым грунтам в режиме тягача или по уклону вверх.

2.16. Распределение сфер применения транспортных средств, в зависимости от максимального давления движителя на грунт.

2.17. Вывод по главе.

Глава 3. Экспериментальная часть исследования.

3.1. Лабораторный стенд для имитации взаимодействия пневмоооболочки сверхнизкого давления с различными грунтами.

3.2. Лабораторные модели СПГД.

3.3. Модель ТС с тороидальной эластичной пневмогусеницей.

3.4. Выводы по главе.

Глава 4. Варианты компоновок ТС с СПГД различного назначения

4.1. Грузоподъемность.

4.2. Проходимость.

4.3. Способность к преодолению крутых склонов.

4.4. Замыкание оболочки.

4.5. Выводы по главе.

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 2006г., публиковалось в «Вестник МГТУ. Машиностроение» №3, 2007г. и в научно-популярном журнале «Техника-молодежи» №3, 2006г.

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 1000кг.

- 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=0,8м 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 уклону; способность создать и реализовать на грунте заданную силу тяги по сцеплению.

Штурм больших уклонов- это 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/ час- реальная 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 500мм 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 (№ 2240250 приоритет от 05 февраля 2004г) и Пневмогусеничный движитель с внешними сминающими валками (№ 2284941 приоритет от 01 февраля 2005г.)

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.

1. Беляков B.B. Взаимодействие со снежным покровом эластичных движителей специальных транспортных машин: Дисс.докт.техн.наук.-Нижний Новгород, 1999.- 485с.

2. Проектирование полноприводных колесных машин/ Под общ.ред.

3. A.A. Полунгяна -М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2000.-640с.

4. Аксенов П.В. Многоосные автомобили. М.: «Машиностроение», 1989.-280с.

5. Транспортные средства на высокоэластичных движителях/ Н.Ф Бочаров, В.Й.Гусев и др. -М.: Машиностроение, 1974.-208с.

6. Кислицин Н.М. Долговечность автомобильных шин в различных режимах движения. -Нижний Новгород: Волго-Вятское книжное издательство, 1992.-223с.

7. Wong J.Y. An introduction to terrämechanics// Journal of Terramechanics.-1984. Vol.21.-P.5-17.

8. Наумов B.H., Рождественский Ю.Л. Моделирование процессов взаимодействия движителей мобильных робототехнических комплексов с деформируемым грунтом// Вестник МГТУ. Машиностроение. -1992.-№1.-С.79-92.

9. Кошарный Н.Ф. Технико-экономические свойства автомобилей высокой проходимости.- Киев: Вища школа, 1981.-206с.

10. Магула В.Э. Судовые эластичные конструкции.- Л.: Судостроение 1978.-264с.

11. Маслов H.H. Основы инженерной геологии и механики грунтов.-М.:Высшая школа, 1982.-511с.

12. Многоцелевые гусеничные шасси/ В.Ф. Платонов, В.С.Кожевников,

13. B.А.Коробкин, С.В.Платонов; Под ред. В.Ф. Платонова В.Ф. -М. Машиностроение, 1998.-342с.

14. Мур Д. Трение и смазка эластомеров: Пер с англ.- М.: Химия, 1977.-264С.

15. НаумовВ.Н., Рождественский Ю.Л., Харитонов В.Е. Создание искусственного грунта// Труды МВТУ. 1976. -Вып.231.-С.25~32

16. Наумов В.Н., Батанов А.Ф., Рождественский Ю.Л. Основы теории проходимости транспортных вездеходов. -М.: Из-во МВТУ, 1988.-119с.

17. Экспериментально- расчетная методика прогнозирования характеристик проходимости полноприводного колесного движителя. Петрига В.Н., Громов В.В., Наумов В.Н. и др. // Труды МВТУ.-1982,-Вып.390.-С.37-45

18. Пинегин C.B., Табачников Ю.Б., Сипенков И.Е. Статические и динамические характеристики газостатических опор. -М.:Наука, 1982,-265с.

19. Работа автомобильных шин/ Под ред. В.И. Кнороза. -М.:Транспорт.-1976. -238с.

20. Радовский Б.С., Супрун A.C., Козаков И.И. Проектирование дорожных одежд для движения большегрузных автомобилей. -Киев: Буд1вельник, 1989.-168с.

21. Рукавишников C.B. Особенности взаимодействия гусеничного движителя снегоходных машин с полотном пути. -Горький: ГПИ, 1979.-95с.0 й

22. Скотников Г.А, Пон^морев A.B., Климанов A.B. Проходимость машин. -Минск: Наука и техника,- 1982.-328с.

23. Степанов А.П. Конструирование и расчет плавающих машин. -М.: Машиностроение, 1983 .-200с.

24. Технико-экономические проблемы использования новых технических средств транспорта/ Молярчук B.C., Сырмай А.Г. и др. -М.:Наука, 1983.-229с.

25. Холодилин А.Н., Шмырев А.Н. Мореходность и стабилизация судов на волнении. Справочник. -JL: Судостроение, 1976.-328с.

26. Золотов Г.А. О взаимодействии шагающего пневмодвижителя с недеформируемой опорной поверхностью// Динамика механических систем: Сб.тр.- Новосибирск: НЭТИ, 1988.-С.34-45.

27. Куляшов А.П., Николаев А.Ф. Роторно-винтовые амфибии. -Горький: Волго-Вятское книжное издательство, 1973.-47с.

28. Агейкин Я.С. Вездеходные колесные и комбинированные движители. -М.: Машиностроение, 1972.-184с.

29. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. М. Машиностроение.-1981.-232с.

30. Амарян JI.C. Свойства слабых грунтов и методы их изучения. -М. :Недра, 1990.-220с.

31. Армадеров Р.Г., Бочаров Н.Ф., Филюшкин A.B. Движители транспортных средств высокой проходимости.- М.: Транспорт, 1972.-104с.

32. Власов В.З., Леонтьев H.H. Балки, плиты и оболочки на упругом основании. -М.: Физматгиз, 1960.-491с.

33. Войтковский.К.Ф. Механические свойства снега. -М.:Наука, 1977. -159с.

34. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств: Пер. с англ. -М.: Машиностроение, 1982.-284с.

35. Гаркушин В.И., Куканов Ф.А. Моделирование газодинамического действия реактивной струи на разрушающуюся поверхность//Труды ЦАГИ. 1971.- Вып. 1360. -С.3-12.

36. Исследование устойчивости равновесного состояния транспортного средства с частичной разгрузкой движителя воздушной подушкой

37. Долгополов А.А, Забавников H.A., Назаренко Б.П., Наумов

38. В.Н. //Известия вузов. Машиностроение.-1978.- №7.-С.93-99.

39. Забавников H.A. Основы теории транспортных гусеничных машин. -М. Машиностроение, 1975.-448с.

40. Моссаковский В.И., Гудрамович B.C., Макеев Е.М. Контактные взаимодействия элементов оболочечных конструкций.-Киев: Наукова Думка.-1988.-288с.

41. Черняк В.В. Методика определения и оценки опорно-тяговых свойств наземных транспортных аппаратов высокой проходимости с воздушной подушкой: Дисс. .канд.техн.наук.- Москва, 2004.-282с.

42. Снегоходные машины. Барахтанов Л.В., Ершов В.И., Куляшев А.П., Рукавишников C.B. -Горький: Волго-Вятское книжное издательство, 1986.-191с.

43. Барахтанов Л.В., Беляков В.В., Кравец В.Н. Проходимость автомобиля. -Нижний Новгород: типография НГТУ, 1996. -198с.

44. Цитович Н.Я. Механика грунтов. -М: Высшая школа, 1973. -272с.

45. Бойков В.П., Белковский В.Н., Шины для тракторов и сельскохозяйственных машин.- М: Агропромиздат, 1988.-240с.

46. Бухин Б.Л. Введение в механику пневматических шин.-М: Химия, 1988.-222с.

47. Горбачев В.А. Работа шин на лесотранспорте.- М: Машиностроение, 1970.-120с.

48. Иноземцев A.A. Сопротивление упруго-вязких материалов.-Л.:Стройиздат, 1966. -165с.

49. Конструирование и расчет колесных машин высокой проходимости /Под общ. Ред. Н.Ф.Бочарова, И.С.Цитовича М.: Машиностроение, 1983. -299с.

50. Левин М.А., Фуфаев H.A. Теория качения деформируемого колеса. -М.: Наука, 1989. -272с.

51. Лысенко М.П. Состав и физико-механические свойства грунтов.- М.: Недра, 1972. -319с.

52. Петрушков В.А., Шуклин С.А, Московкаин В.В. Сопротивление качению автомобилей и автопоездов.- М.: Машиностроение, 1975. -224с.

53. Платонов В.Ф., Леиашвили Г.Р. Гусеничные и колесные транспортно-тяговые машины. -М.: Машиностроение, 1986. -296с.

54. Ульянов Ф.Г. Повышение проходимости и тяговых свойств колесных тракторов на пневматических шинах. М.: Машиностроение, 1964. -136с.

55. Рубинштейн А .Я. Инженерно-геологические особенности сапропелевых отложений. -М.: Наука, 1971.-128с.

56. Резниковский М.М., Лукомская А.И. Механические испытания каучуков и резин. -М.: Химия, 1968.-525с.

57. Спидин В.П., Сидоров H.H. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия. Л.: Госстройиздат, 1963. -92с.

58. Сбоев В.В., Алабужев П.М., Кирнарский М.Ш. Теория и практика применения легких снегоходных машин амфибий //Инженерная гляциология.- Апатиты: Кольский филиал АН СССР, 1973. С.75-80.

59. Сбоев В.В., Сбоев К.В. Процессы взаимодействия глиссирующих аппаратов со снегом //Бездорожные транспортно-технологические средства. Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1988.-С. 26-37.

60. Скотников В.А. Основы теории проходимости гусеничных болотоходных тракторов: Автореферат дисс. канд.техн.наук.-Москва, 1977.-16с.

61. Сурков П.М. Пневмовездеход как шагающее средство //Бездорожные транспортно-технологические средства. Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1988.-С.81-85.

62. Теоретические и экспериментальные обоснования создания технологических самоходных шасси с пневмодвижителями /В.И.Меркулов, А.Г. Золотов и др.// Проблемы динамики механических систем: сб.тр. Новосибирск, 1985. - С.12-22.

63. Автомобильные шины: Устройство, работа, эксплуатация, ремонт /В.Н.Тарнавский, В.А. Гудков и др. -М.: Транспорт, 1990. -272с.

64. Антонов А.С. Силовые передачи колесных и гусеничных машин. Теория и расчет. JL: Машиностроение, 1975. -480с.

65. Бакуревич Ю.Л., Толкачев С.С., Шевелев Ф.Н. Эксплуатация автомобилей на севере. -М.: Транспорт, 1973.-180с.

66. Бухин Б.Л. Теория тонких сетчатых оболочек вращения и ее приложение к расчету пневматических шин: Дисс. .докт.техн.наук: 01.02.06. -М.:НИИШП, 1971. -309с.

67. Доплнительные потери при передаче шиной момента и боковых нагрузок/ В.Л.Бидерман, Н.Ф.Бочаров и др. //Известия вузов. Машиностроение. -1964. -№7.~ С.132-142.

68. Новые конструкции высокоэластичных гусеничных движителей и перспективы их прменения/ В.Л.Барахтанов, Н.Ф Бочаров, и др. //Тракторы и сельхозмашины. -1985.-№11.-С.19-21.

69. Бездорожные транспортно-технологические средства: Сборник научных трудов/ Под ред. В.Е Накорякина, B.C. Мигрейко-Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1988.~222с.

70. Войтковский К.Ф. Механические свойства снега. М.:Наука, 1977.-128с.

71. Гуськов В.В., Опейко А.Ф. Теория поворота гусеничных машин.-М. Машиностроение, 1984.-168с.

72. Дюнин А.К. В царстве снега. -Новосибирск: Наука, 1983.-160с.

73. Евгеньев И.Е., Аксенов А.П. Свойства грунтов повышенной влажности // Автомобильные дороги. -1979.-№4.-С21-23.