CC BY
32
Лысенко Евгений Алексееви - кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины», ОмГТУ. Основные направления научной деятельности: «(Поршневые компрессорные машины», Общее количество опубликованных работ: 39. E-mail: [email protected].
Болштянский Александр Павлович - доктор технических наук, профессор кафедры «<Гидромеханика и транспортные машины», ОмГТУ. Основные направления научной деятельности: «Поршневые компрессорные машины», Общее количество опубликованных работ: 300. E-mail: alexander_p_b@mail. ru
Кузеева Диана Анатольевна - ассистент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины», ОмГТУ. Основные направления научной деятельности: «Поршневые компрессорные машины», Общее количество опубликованных работ: 2. E-mail: [email protected]
Павлюченко Евгений Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины», ОмГТУ. Основные направления научной деятельности: «Ротационные гидропневматические агрегаты», Общее количество опубликованных работ. E-mail: [email protected]
УДК 622.04.5
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОХОДИМОСТИ КОЛЕСА И ПЕРЕХОД К ЕГО МОДЕРНИЗАЦИИ
А. М. Муратов, А. К. Кайнарбеков
Аннотация. Исследование относится к проблемам повышения проходимости колесного движителя. В результате выясняется, что потеря энергии на преодоление препятствии превышает 50 % от первоначальной энергии. Поэтому, езда, на колесе c круглым ободом в условиях бездорожья, энергетически не целесообразна. Для езды в условиях бездорожья колесо имеет несколько модификации в виде шагающего колеса. Рассмотрено геометрические параметры шагающего колеса и доказано что, они имеют устойчивое положение.
Ключевые слова: Шагающее колесо, движитель, проходимость, бездорожье.
Введение
Исследование относится к проблемам повышения проходимости колесного движителя. Колесо существует более 5000 лет. За это время оно вошло в различные стороны нашей жизни. Это действительно одно из важнейших достижений человеческого ума. Во втором тысячелетии до нашей эры в Юго-Западной Азии люди изобрели колесо со спицами, которое использовали в телегах и других транспортных средствах.
Основная часть
В наши дни колесо транспортных средств представляет себя как пневмоколесо. Конструкция пневмоколеса отработана хорошо для езды по асфальтированной дороге. При ухудшении поверхности дороги или при езде по дорогам низкой категории пневмоколесо неузнаваемо изменяется, теряет комфортность езды, потребляет много энергии. А в условиях бездорожья, особенно при езде по снежному покрову, по песку, по размокшей дороге оно становиться беспомощным созданием.
Например: На рисунке 1 колесо, катящееся со скоростью Vo=14 (м/с), G=3000 (н), R=0,35 (м), h=0,16 (м), а=320, по инерции уда-
ряется о препятствие в точке «А» и теряет часть кинетической энергии. После удара движение колеса может продолжаться в двух направлениях: VI- - скорость в горизонтальном направлении, Vв - скорость в вертикальном направлении.
После удара скорость V-=0, следовательно, работа силы инерции АГ=Р^ будет затрачиваться полностью на деформацию грунта препятствия, а оставшаяся часть кинетической энергии колеса будет поднимать его в вертикальном направлении, совершая работу[1]:
Аг =(РГ - G(1) где hв - величина вертикального перемещения колеса (м).
Значение кинетической энергии колеса после удара будет равно:
T =
mVo2
mVk2
= P„k = M
(2)
2 2
где к - плечо силы инерции колеса, Vk=0 -конечная скорость колеса.
к = Rsin(900 - а) = Rcosа = 0,35- 0,85 = 0,3 .(м)
Из уравнения 2 имеем:
Следовательно:
тУ02
= Рик.
(3)
Р = тУо
2к
Вертикальная
300 196
2 • 0,3
= 98000 (Н).
проекция этой силы:
РВ = Ри sin а = 98000 • 0,53 = 51940 (Н).
Рис. 1. Обычное пневмоколесо
Кинетическая энергия колеса при галопирований (при подъеме вверх) определяется из вращательного его движения относительно точки «А»:
2 2 1ю 1ю0
"2 2
= (РВ - G)cosа R, где
I = mR2 = 300 • (0,35)2 = 36,75 (кг/м2) Отсюда:
= 2(РВ - Оа К = 2 • 48940 • 0,85 • 0,35 = 792 (1/с) Ю = I = 36,75 =
или ш=31,2 (1/с)
ук = ю я = 31,2 • 0,35 = 10,9 (м/с)
УВ = Ук cosа = 10,9 • 0,85 = 9,27 (м/с)
Определим кинетическую энергию при галопировании:
2
Тв = ^ = (Рв - Фв , (4)
где:
УВ = Ук cosa = 10,9• 0,85 = 9,27 (м/с). Определим высоту hв прыжка колеса:
, тУв2 300 • (9,27)2
hВ = —.—=-^-'— = 0,26 (м).
В 2(РВ - О) 2 • 48940
Поскольку высота прыжка колеса больше высоты препятствия ^ то оставшаяся часть кинетической энергии позволяет преодолеть препятствие.
Кинетическая энергия, создаваемая силой инерции Ри при ударе:
а) Ти =-
тУ02 = 300 (14)2
= 29400 (Нм)
2 2
Оставшаяся часть этой энергии после удара: Ь) ТВ = ^ = 300 (2»,27)2 = 12889,9 (Нм)
Потерянная кинетическая энергия при ударе на деформации грунта:
2
с) Тп = Ти - ТВ = 29400-12889,9 = 16510(Нм) В результате выясняется, что потеря энергии на преодоление препятствии превышает 50 % от первоначальной энергии. Поэтому, езда, на колесе с круглым ободом в условиях бездорожья, энергетически не целесообразна.
Для езды в условиях бездорожья колесо имеет несколько модификации в виде шагающего колеса. Рассмотрим геометрических параметров шагающего колеса, имеющего такой же радиус R, как рассмотренное колесо с круглым ободом[2].
Поскольку причиной большой потери энергии при езде является наличие круглого обода колеса, то уберем часть обода, а ступицы колеса снабдим спицами, допустим шестью спицами (рис.2.).
Такое шагающее колесо не сталкивается с неровностями дороги, т.к. вращаясь относительно точки 1, спица повернется на 600, а наступающая следующая спица 6 на любое препятствие наступает сверху. Все неровности дороги в высоту равной радиусу спицы не является помехой для передвижения. Но такое колесо имеет два существенных недостатка,
которые не позволяют использовать его в качестве движителя транспортных средств [3]:
- первый недостаток это - большое значение амплитуды вертикального колебания ступицы А;
- второй недостаток - это недостаточная величина силы трения в опорах точек «1» и «2» для вращения колеса в прицепном режиме.
Vk =ш R = 31,2 • 0,35 = 10,9 (м/с);
VB = Vk cosa = 10,9 • 0,85 = 9,27 (м/с).
Максимальное значение отклонения центра «О» ступицы при вращении колеса: A=R-H, H = R sin ф0 = R sin 600 = 0,86R ,
где R - длина спицы, H - постоянный просвет колеса.
Следовательно:
А = R - H = R - 0,86R = 0,14R . (5)
При R=500 мм значение А=70 мм. Из такой высоты спица свободно падает с ускорением. Это создает большое неудобство для нормальной работы транспортного средства.
ву— й S \
9 ¿л /а V а
1 в 1 / <ft\ У
Ну / * -м \ а \ л. И* н ■
\\\ "=^1 u\ ■Л.\ VA \\\
Рис. 2. Колесо с шестью спицами
Второй недостаток - это возможное скольжение конца спицы по опорной поверхности при перемещении центра ступицы.
Опорные реакции:
N - N = —, 2 1 2
а Мдв=РН - движущий момент, MCп=GR/2 -момент сопротивления.
Из условия Мдв=Мсп имеем:
P R
R
1
(6)
— 2Н 2 • 0,86R 1,72 Мдв=Мтр поэтому PH=FтрH=N1fH или где N^/2
отсюда находим что: P=Gf/2 или РЮ=^2, подставляя значения РЮ из уравнения 6 получим: 1 f
или £ = 1,16.
1,72 2
Коэффициент трения скольжения между концом спицы и опорной поверхностью не всегда может иметь такое значение. Поэтому не всегда обеспечивается достаточное сцепление спицы о поверхность опоры. По указанным причинам шагающее колесо нужно видоизменить (рис. 2.). В частности, центр ступицы точку «О» нужно приблизить к опорной точке 1.
Способ видоизменения шагающего колеса показан на рисунке 3. Первоначальную спицу «О1» расчленим на две части - на голенную часть «11 » и на бедренную часть «О1 » и будем считать, что они соединены шарнирно в точке «1 ». Повернув бедренную часть «О1 » в положение «О2», не отрывая голень от опоры получим форму спицы «О2а».
При этом первоначальный расчетный радиус R уменьшается до величины R1, который может быть определен из соотношения:
= 0^ = 0,97R1
^=086 R = о^ 1 0,97
Из уравнения 5 первоначальное вертикальное отклонение центра ступицы А определяется так:
д 1 = R1 - Н = 0,89 R! - 0,86 R, = 0,03 R^
При R=500 мм и А1=15 мм (по сравнению с А почти в пять раз меньше). Кроме того, момент сопротивления М<^к-ъ где к1<к (меньше в два раза). Поэтому, Мтр=Мс также уменьшается, тогда как Мт^трН остается без изменения. Поэтому гарантировано сцепление нижней конечности спицы «а» о поверхность опоры.
Рис. 3. Видоизмененное шагающее колесо
Выводы
Таким образом, указанные выше оба недостатка шагающего колеса одновременно могут быть устранены [4].
Все шагающие колеса имеют устойчивое положение, т.к. в равновесном положении они становятся на двух опорах точках «1» и «2». В преобразованном колесе (рис. 3.) этими опорами являются точки «а» и «а». Для получения положения второй спицы поступаем следующим образом из центра ступицы «О» с радиусом R1 относительно первой опорной точки «а» проводим дугу г1 до пересечения с линией поверхно-
сти опоры и получим точку «С1». От полученной точки «С1» отложим величину вертикального отклонения ступицы А1 по линии поверхности опоры и получим вторую точку «С1» проводим дугу г3 до пересечении с дугой г1 и получим точку «а1». Расстояние «а1-а1», является длиной ступни спицы. Таким образом, «О31а1а1» является формой второй спицы. Кривизна полученной ступни определяется дугой г2=Н. Остается величину ступни перенести на первую спицу «О21а». На двух указанных спицах колесо становится в устойчивое положение [5]:
Если считать, что величина вертикального отклонения А1 допустимо для езды, то все условные
111111
шарниры 1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 можно выполнить неподвижными и получить самую простую цельную конструкцию шагающего колеса. А если нужно сглаживать ход колеса, то в указанных шарнирах
можно уставить резиновые амортизаторы
Библиографический список
1. Смирнов Г. А. Теория движения колесных машин. - Москва, 1990. 467 с.
2. Муратов А. М. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. «Синтез многофункциональных механизмов высоких классов». - Алма-ата, 1986, 230 с.
3. Муратов А. М., Кайнарбеков А. К. и др. Шагающие движители: учеб. пособие. Алматы: «Бас-тау», 2000.
4. Муратов А. М., Кайнарбеков А. К. Синтез схемы исполнительного механизма 4-го класса. // Промышленный транспорт Казахстана. - Алматы: КУПС - 2007 - № 5.
5. Муратов А. М., Кайнарбеков А. К., Сазанбае-ва Р. И., Аканова Ж. Ж. Синтез схемы шагающего колеса. - Алматы, 2007.
ENERGY ANALYSIS OF TYRE AND THE TRANSITION TO ITS MODERNIZATION
A. M. Muratov, A. K. Kaynarbekov
The wheel exists more than 5000 years. In this time it was included into the various parties of our life. It is really one of the major achievements of human mind. In the second millenium to our era in Southwest Asia people have invented a wheel with spokes which used in carts and other vehicles.
Research concerns problems of increase of passable wheel motive. It is as a result found out that energy loss on overcoming an obstacle exceeds 50 % from initial energy. Therefore, driving, on a wheel c a round rim in cross-country conditions, energetically is not expedient.
For driving in cross-country conditions the wheel has some updating in the form of a walking wheel. It is considered geometrical parametres of a walking wheel and it is proved that, they have steady position.
Keywords: Transport, walking wheel, motive, passable, impassability of roads.
Bibliographic list
1. Smirnov G. A. The theory of movement of wheel cars. - Moscow, 1990. С.467.
2. Muratov A. M. Dissertation on scientific degree competition d.t.s. «Synthesis of multipurpose mechanisms of high classes». - Alma-ata, 1986, p. 230.
3. Muratov A. M., Kainarbekov A. K., etc. Walking motive. The manual. - Almaty: «Bastau», 2000.
4. Muratov A. M., Kainarbekov A. K.Synthes of the scheme of the executive mechanism of 4th class.//Industrial transport of Kazakhstan. - Almaty: KUPS, № 5, 2007.
5. Muratov A. M., Kainarbekov A. K., Sazanbaeva R. I, Akanova, Zh. Zh. Synthes of the scheme of a walking wheel. - Almaty, 2007.
Муратов Абиль Муратович - д-р.техн. наук, профессор; зав. кафедрой, Казахский университет путей сообщения, шагающие движители транспортных средств, более 200 статьи, [email protected]
Кайнарбеков Асемхан Кайнарбекович - д-р. техн. наук, профессор; проректор по УР, Казахский университет путей сообщения, движители транспортных средств, более 150 статьи, kainarbekov@mail. ru, kups 1 @mail. ru.
