CC BY
48
УДК 629.1.033.3
Н. Е. Фролова Волгоградский государственный технический университет
О ТЯГОВО-СЦЕПНЫХ СВОЙСТВАХ И ПРОФИЛЬНОЙ ПРОХОДИМОСТИ ШАГАЮЩИХ МАШИН С ЦИКЛОВЫМИ ДВИЖИТЕЛЯМИ 1
В непрерывно ведущихся исследованиях по разработке новых типов движителей, отвечающих требованиям высокой профильной и грунтовой проходимости, экологичности и маневренности, отдается предпочтение транспортным средствам с движителями шагающего типа [1, 2]. Применение движителей такого типа наиболее эффективно в экстремальных условиях внешней среды и к тому же является наиболее экологичным [3].
Разработанная в Волгоградском государственном техническом университете шагающая машина [4-6] (рис. 1) представляет собой многоцелевое шагающее шасси с размещенным на нем технологическим оборудованием (манипулятором). Шагающее шасси состоит из центральной рамы и четырех шагающих движителей, каждый из которых имеет два лямбдаоб-разных механизма шагания, работающих в противофазе. На его центральной раме размещается автономная энергетическая установка (дизельэлек-трогенератор), возможно также размещение различного навесного оборудования, предназначенного для работы в особо сложных условиях.
Рис. 1. Шагающая машина:
1 - одностепенной цикловой механизм шагания лямбдаобразного типа
Использование в шагающем движителе сдвоенных цикловых механизмов шагания, работающих в противофазе, дает возможность не заботиться о сохранении устойчивости и походки при движении шагающей машины [7].
1 Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 04-01-00410) и программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы»).
При движении шагающей машины каждая пара шагающих движителей последовательно совершает рабочий цикл, включающий в себя движение в опорной фазе, в фазе переноса и переходные участки, соответствующие начальным фазам опоры и переноса.
Однако лямбдаобразный механизм шагания (рис. 1) обеспечивает сравнительно небольшую высоту подъема стопы в фазе переноса, а вполне определенная траектория опорных точек у механизмов данного типа значительно ограничивает возможности машины по профильной проходимости. Что касается опорной проходимости, зависящей от коэффициента сцепления опоры движителя с грунтом, то она также не всегда может быть достаточной.
В связи с этим с целью изучения и исследования возможности увеличения тягово-сцепных свойств, а соответственно, и опорной проходимости рассматривается взаимодействие стоп шагающих движителей с грунтом на этапе реализации тягового усилия, а с целью увеличения профильной проходимости - возможность управлять стопой циклового шагающего движителя в процессе переноса.
В настоящее время разработано достаточное количество математических моделей, описывающих механизм взаимодействия твердого тела, колеса (упругого и жесткого) и гусеницы с грунтом [8, 9]. Все они содержат некоторые эмпирические коэффициенты, определяемые с точностью до 30 % [10]. Для исследования контактного взаимодействия стопы шагающего движителя с грунтом выбирается наиболее простая модель, в которой грунт моделируется упругим полупространством, характеризуемым модулем Юнга и коэффициентом Пуассона [11]. Описание происходящих в зоне контакта процессов основывается на решении контактной задачи теории упругости (рис. 2).
Рис. 2. Расчетная схема контактного взаимодействия опоры шагающей машины с грунтом.
Упругие характеристики элементов модели:
Е1 - модуль Юнга; и1 - коэффициент Пуассона для грунта;
Е2, и2 - соответственно для стопы.
Внешняя нагрузка: N - сила тяжести, приходящаяся на один движитель;
Q - сдвигающая нагрузка, обусловленная силами сопротивления движению;
М - момент сил, который может быть как пассивным (моментом трения в шарнире стопы), так и активным (управляемым моментом от двигателя)
При построении расчетной модели принимают, что ее элементы находятся в условиях плоского напряженного состояния и имеют идеальное сопряжение. Теоретические оценки условий сцепления опоры с грунтом при действии нормальной и касательной нагрузки определяются на основе анализа распределения нормальных сп и касательных с, усилий, возникающих в области контакта. С учетом ограничений, налагаемых в рамках закона Амонтона на величину касательных усилий на поверхности тел, установлено существование зон с различными условиями фрикционного контакта: жесткого сцепления - |с,| < / • |сп| и относительного проскальзывания - |с,| > f • |сп|, где f - реализуемый коэффициент сцепления.
Численная реализация задачи осуществляется методом конечных элементов. Поведение стопы шагающей машины рассматривается при одновременном действии переменных нормальных и касательных нагрузок, создающих давление на опорную поверхность и инициирующих относительное скольжение тел.
При численном моделировании исследовался процесс образования и локализации зон жесткого сцепления. Физическая возможность допущения жесткого сцепления тел, а также количественная оценка размеров указанных зон проводились с помощью зависимостей изменения модуля отношения касательных и нормальных усилий |с, / сп|, в области контакта.
В ходе исследований рассматривалось поведение элементов расчетной модели при различных условиях нагружении. На основе полученного при решении численным методом (рис. 3, а, 3, б, 3, в) распределения нормальных сп и касательных с, усилий, условия сцепления оценивались значениями отношения ф = |с, / сп| ^ определяющего величину зоны сцепления 1п. В случае приложения максимальной сдвигающей нагрузки (рис. 3, а), реализовывалась минимальная зона сцепления, что подтверждается расположением кривой ф (с, / сп) по отношению к значению f. При приложении момента сил в направлении, указанном на рис. 3, б, получено увеличение зоны сцепления на 70 %, чему соответствует часть кривой ф (с, / сп) (рис. 3, б), расположенной ниже ^ В случае дальнейшего увеличения (на 20 %) значения момента сил установлено смещение зоны жесткого сцепления при ее одновременном вырождении, чему соответствует и распределение функции, показанной на рис. 3, в.
Рис. 3. Результаты исследований:
Ь - зона контакта тел; /ск - зона относительного скольжения;
1сц -зона жесткого сцепления тел. Распределение напряжений:
1 - касательные (а5); 2 - нормальные (ап) напряжения; 3 - |а5 / а„|.
/ - задаваемый коэффициент сцепления
В результате исследований установлено, что смещение центра давления на опору от оси симметрии приводит к увеличению зоны сцепления, а следовательно, и к улучшению условий сцепления опоры. Из рис. 3, б видно, что существует оптимальное значение момента сил, обеспечивающее формирование максимальной зоны сцепления (рис. 4).
® Величина прикладываемого момента сил
Рис. 4. Зависимость величины зоны сцепления от величины момента сил
Таким образом, для увеличения тягово-сцепных свойств, а следовательно, и опорной проходимости необходимо обеспечить смещение центра давления на стопу, причем это смещение должно быть в сторону ее «пятки».
Конструктивная реализация смещения центра давления в стопе шагающей машины возможна при перемещении точки крепления стопы относительно криволинейного шатуна посредством механизма перемещения, установленного внутри стопы.
Предложена новая рациональная схема опоры (рис. 5) с установленным внутри стопы механизмом продольного перемещения, позволяющая одновременно увеличивать как опорную, так и профильную проходимость [12]. Выполнение механизма, обеспечивающего перемещение опоры относительно криволинейного шатуна, позволяет повысить опорную проходимость за счет возможности перераспределения напряжений в зоне контакта тел (опора-грунт) и профильную - за счет изменения расстояния от оси подвеса опоры (точка О) до ее «носка» и «пятки».
Рис. 5. Цикловой шагающий движитель лямбдаобразного типа:
1 - опора; 2 - криволинейный шатун; 3 - симметричные упоры;
4 - «пятка» опоры; 5 - «носок» опоры; 6 - продольные упоры; 7 - каретка;
8 - грузы; 9 - коромысло; 10 - кривошип; 11 - направляющие
Для повышения профильной проходимости в начале передвижения транспортного средства в зависимости от характера поверхности производится перемещение опоры шагающего движителя относительно криволинейного шатуна в сторону «пятки» (рис. 6).
Процесс преодоления препятствий, значительно превышающих высоту подъема опорных точек шагающих движителей в фазе переноса, предусматривает опирание стопы на уступы. Для обеспечения жесткого опи-рания на уступ шагающих движителей на криволинейных шатунах предусматриваются симметричные конечные упоры, а вдоль верхней части стопы шагающих движителей - продольные упоры.
Направление движения
1
11
4
Рис. 6. Преодоление препятствия шагающим движителем со смещенной относительно криволинейного шатуна опорой в сторону «пятки»:
Н - высота преодолеваемого уступа; h - высота подъема опорной точки;
L - смещение опоры относительно криволинейного шатуна
При движении шагающего движителя в фазе переноса «носок» опоры, смещенной относительно криволинейного шатуна в сторону «пятки», получает возможность подъема на высоту Н, что, в свою очередь, посредством опирания на уступы, делает возможным преодоление препятствий, в несколько раз превышающих высоту подъема опорной точки к. В этом случае высота преодолеваемого уступа определяется выражением
Н = к
2ё ё - Ґ
где Н - высота уступа; й - длина полустопы; L - смещение опоры относительно криволинейного шатуна.
Благодаря симметричным упорам (рис. 5, 6), ограничивающим поворот стопы относительно криволинейного шатуна, шагающий движитель получает дополнительную возможность жесткого опирания на уступ с последующим его преодолением, что дает возможность «пятке» опоры не нуждаться в точке опоры и находиться в висячем положении. При этом для жесткого опира-ния на опору шагающего движителя конечные упоры опираются на продольные упоры, выполненные на верхней части опоры, чем и обеспечивается указанное положение «пятки».
Предложенная конструкция опоры шагающего движителя позволяет в зависимости от характера грунтовой поверхности контролировать проходимость транспортного средства и преодолевать существенные неровности грунта.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Планетоходы / Под. ред. А. Л. Кемурджиана. - М.: Машиностроение, 1982. - 319 с.
2. Охоцимский Д. Е., Голубев Ю. Ф. Механика и управление движением автоматического шагающего аппарата. - М.: Наука, 1984. - 310 с.
3. Шагающие машины / Д. Е. Охоцимский, А. К. Платонов, А. А. Кирильченко, В. В. Лапшин. - М., 1989. - 36 с.
4. Шагающая опора для транспортных средств повышенной проходимости: Пат. 2156711 РФ, МКИ 7 В 62 Б 57/032 / Д. Е. Охоцимский, Е.С. Брискин, В. В. Чернышев, С. В. Шерстобитов.
5. Шагающая опора для транспортных средств повышенной проходимости: Пат. РФ 2174085 С1 В62Д 57/032 / В. В. Чернышев, Е. С. Брискин, А. В. Малолетов.
6. Шагающее транспортное средство: Пат. РФ 2003565 С1 В62Д 57/032 / В. М. Соболев, Е. С. Брискин, Г. Г. Григорян, В. В. Жога и др.
7. Курсовая устойчивость шагающей машины «Восьминог» / Е. С. Брискин, В. А. Шу-рыгин, В. В. Жога // Информационно-измерительные и управляющие системы. -2006. - № 1-3, Т. 4. - С. 56-58.
8. Беккер М. Введение в теорию систем местность-машина. - М.: Машиностроение, 1973. - 520 с.
9. Тракторы: Теория / В. В. Гуськов, Н. Н. Велев, Ю. Е. Атаманов и др. - М.: Машиностроение, 1988. - 375 с.
10. Цытович Н. А. Механика грунтов. - М.: Высш. шк., 1979. - 272 с.
11. Кулинич Ю. В., Нарожная З. В., Рыков Г. В. Механические характеристики песчаных и глиняных грунтов с учетом их вязко-пластических свойств при кратковременных динамических нагрузках / Ин-т проблем механики АН СССР. -М., 1976. - 57с.
12. Положительное решение о выдаче Патента РФ на полезную модель. Заявка № 2006111038/22 (012005) от 05.04.2006 г.
Получено 17.05.06
ABOUT TRACTION PROPERTIES AND PROFILE PASSABILITY OF WALKING MACHINE WITH CYCLE PROPELLER
N. E. Frolova
In the given paper the author offers one of possible methods to increase traction properties and profile passability of walking machine with one-degree cycle walking mechanism. For observation and research increase ability of traction properties and bearing passability the author views interaction of peses of walking propeller with the ground during traction, and for increase of profile passability he views ability of pes control of cycle walking propeller during the transfer. The increase of traction properties by decentration of pressure on the pes of walking propeller to «heel» was determined by numerical modeling during observation of creation and localization of hard coupling zone process. As a result, the pes construction with set-in lengthwise movement mechanism is offered. The built-in pes mechanism allows increasing bearing passability by ability of exertion redistribution in bodies contact zone (bearer-ground) and profile passability - by change of distance between axis bearer levitation and its «toe» and «heel». The offered construction of walking propeller bearer allows to control the machine passability and to overpass substantial ground undulation depending on ground surface.
