CC BY
59
УДК 629.03 + 539.3
Транспортное средство высокой проходимости с эласто-винтовым движителем
К.Е. Бяков, Чан Ки Ан, Ф.Д. Сорокин, К.Ю. Машков
Для развития приполярных областей России с суровым климатом и почти полным отсутствием коммуникаций актуальной задачей является создание внедорожных транспортных средств высокой проходимости с достаточной мобильностью. В статье проанализировано несколько типов шасси высокой проходимости, апробированных в мировой практике конструирования движителей, в том числероторно-винтовых движителей с жесткой оболочкой. Используя инновационные технологии в области эластомеханики, предложена конструкция воздухоопорного движителя машины высокой проходимости на основе роторно-винтовой ходовой части с гибкой оболочкой, позволяющая регулировать эксплуатационные параметры шнеков в зависимости от режима движения. Разработана методика расчета и построения равновесных профилей сетчатых оболочек несимметричной укладкой нитей, позволяющая оценить работоспособность предложенной конструкции воздухоопорного движителя. Результаты исследования доказывают возможность расширения эксплуатационных параметров эластичного роторно-винтового движителя, что обеспечивает повышение тягово-динамических параметров движения машин по снегу, по переувлажненным и жидким грунтам.
Ключевые слова: машина высокой проходимости, роторно-винто-вой движитель, сетчатая оболочка, несимметричная укладка нитей.
All-terrain vehicles with elastic screw propellers
K.E. Byakov, Chan Ki An, F.D. Sorokin, K.Yu. Mashkov
The development of Russian Polar Regions is hindered by a harsh climate and the almost total lack of routes of communication. Under these conditions, an urgent task is to create off-road all-terrain vehicles possessing a sufficient mobility. The paper analyzes several types of all-terrain chassis tested in the world practice of designing propellers including rotary-screw propellers with rigid covers. Using innovative technologies in elastomechanics, a construction of the air-supported propeller of an all-terrain vehicle is proposed. The construction comprises rotary-screw chassis with a flexible shell and makes it possible to control operating parameters of the screws depending on the motion regimes. A method of calculation and construction of equilibrium lattice shell profiles by unsymmetrical laying of yarns is proposed. The method makes it possible to assess the performance of the proposed air-supported propeller. The results of research demonstrate the possibility of using the elastic rotary-screw propeller for moving
БЯКОВ Константин Евгеньевич (МГТУ им. Н.Э. Баумана) BYAKOV Konstantin Evgen'evich (Moscow, Russian Federation, Bauman Moscow State Technical University)
ЧАН Ки Ан
(МГТУ им. Н.Э. Баумана) CHAN Ki An
(Moscow, Russian Federation, Bauman Moscow State Technical University)
СОРОКИН
Федор Дмитриевич (МГТУ им. Н.Э. Баумана) SOROKIN Fedor Dmitrievich
(Moscow, Russian Federation, Bauman Moscow State Technical University)
МАШКОВ Константин Юрьевич
(МГТУ им. Н.Э. Баумана) MASHKOV Konstantin Yur'evich
(Moscow, Russian Federation, Bauman Moscow State Technical University)
on the snow and hydromorphic and liquid soils with elevated dynamic and traction parameters.
Keywords: all-terrain vehicle, rotary-screw propeller, lattice shell, unsymmetrical laying of yarns.
р^аметившееся в последние годы глобальное потепление климата Земли обусловило благоприятные перспективы для экономического развития приполярных областей России, Северо-Тихоокеанского побережья США и Канады. В России арктический регион представляет собой огромную территорию более 9 млн км2, на которой находится половина объемов запасов газа, 90 % углеводородов, 98 % алмазов, 90 % золота и другие полезные ископаемых.
Предполагаемые в ближайшее время вложения 2 трлн руб. в развитие северных территорий России увеличит вклад арктического региона в экономику страны более чем вдвое. К 2020 г. он составит 14% в общем объеме ВВП против сегодняшних 6% [1]. В этих условиях Североморской путь между Европой и странами Азиатско-Тихоокеанского региона приобретает глобальный статус евроазиатского транспортного коридора.
Не следует забывать, что Арктика — это государственная граница и активное освоение арктического шельфа неизбежно приведет к конфликту интересов между странами, предъявляющими свои права на его ресурсы. Не исключено, что противостояние выйдет за рамки дипломатического, поэтому в Концепции национальной безопасности и Военной доктрине Российской Федерации особое место уделяется противоборству сторон в Арктике [2, 3]. При этом основным сдерживающим фактором развития, наряду с суровым климатом и большой разбросанностью населенных пунктов, является почти полное отсутствие коммуникаций [4]. В этих условиях для обеспечения хозяйственной деятельности и решения оборонных задач особое внимание уделяется внедорожным транспортным средствам высокой проходимости и достаточной мобильности.
В настоящее время на шасси высокой проходимости применяется несколько типов апробированных в мировой практике конструкций движителей — ленточные металлические или резино-металлические гусеничные движители с несложной конструкцией, обеспечивающей низкие давления машины на опорную поверхность. Однако известные конструкции металлических и резино-металлических гусениц не решают проблему проходимости транспортных средств на снежном покрове толщиной около 1 м и более, а также на некоторых типах болотных грунтов. Эти проблемы остаются пока трудно решаемыми и при использовании более совершенного объемного гусеничного движителя — пневмогусеницы.
Наибольший интерес с точки зрения простоты конструкции представляют специальные колесные и планетарно-колесные движители.
Кроме отмеченных выше движителей шасси высокой проходимости широкую известность получил роторно-винтовой движитель, теория и практика конструирования которого широко представлена в литературе. Обладая относительно простой конструкцией, движитель обеспечивает очень высокую проходимость транспортного средства на заснеженных и обледенелых поверхностях, заболоченных грунтах и воде [5, 6].
В настоящее время известны десятки образцов транспортных средств с роторно-винтовым движителем, показавших хорошие эксплуатационные характеристики.
Экспериментальные и теоретические исследования параметров взаимодействия ротор-но-винтового движителя с подстилающей [5, 7, 8] поверхностью показали значительное влияние конструктивных параметров, например: соотношение массы ротора и корпуса; угла наклона винтовых линий; высоты винтовых линий.
Особо следует отметить, что эксплуатация транспортных средств такой конфигурации происходит на различном грунте:
1) упругопластические — грунты, которые после снятия нагрузки частично восстанавли-
МАШИНОСТРОЕНИ
вают свою первоначальную форму (сильно гу-муссированные почвы, торфяники и т. п.);
2) мягкотекучие — грунты, которые после снятия нагрузки претерпевают деформацию, обусловленную некоторой текучестью массы (илы);
3) текучие — грунты, которые реагируют на снятие нагрузки подобно малоподвижной жидкости (водонасыщенные илы, обводненные пески, водонасыщенные торфяные массы и т. п.);
4) жидкие — грунты, которые ведут себя аналогично жидкостям (разжиженные илы и торфы, сапропель).
Физико-механические свойства грунтов очень разнообразны.
Совершено иным по природе, но таким же труднопроходимым, как и слабые минерально-органические грунты, является снежный покров. По максимальной декадной толщине снежного покрова на территории России выделено пять зон [9]. В настоящее время передвижение по снежному покрову толщиной до 0,4 м не представляет проблемы для колесных и гусеничных машин. В арктической зоне, где снежный покров держится до 9 месяцев и превышает высоту 1 м, движение возможно только на специально сконструированных транспортных средствах.
В России накоплена значительная информация по физико-механическим свойствам снега [9]. Установлено, что под влиянием различных, в том числе, климатических факторов снежный покров приобретает весьма сложное слоистое строение. Плотность отдельных слоев глубокого снега р может изменяться от 10 до 300 кг/м3, а наста — в пределах 300...550 кг/м3.
Рис. 1. Роторно-винтовые движители
Отмеченное выше многообразие свойств грунтов и конструктивных решений транспортных средств не позволяет реализовать преимущества роторно-винтового движителя на всех режимах движения на различных подстилающих поверхностях в силу ограничений, наложенных на конкретно спроектированное шасси (например, постоянная высота и угла наклона витков) (рис. 1). В настоящее время установлены и рекомендованы приемлемые углы наклона винтовых линий на разных грунтах для транспортных машин в диапазоне 26...38 ° и технологических — 18...25 ° [5].
Очевидно, что для реализации в полной мере тяговых преимуществ роторно-винтового движителя необходимо иметь адаптивную систему, позволяющую менять определенные конструктивные параметры в процессе движения в зависимости от текущих грунтовых условий и режимов движения.
Одним из таких решений является создание транспортного средства высокой проходимости с эласто-винтовым движителем (рис. 2), в котором высота и углы наклона бегущих винтовых линий формируются за счет деформации неподвижной оболочки.
Конструкция эласто-винтового движителя состоит из герметичной неподвижной полости 1 с избыточным давлением (~ 0,5...1 атм), обеспечивающим достаточную несущую способность ходового модуля реактора 2, формирующего бегущую волну необходимой высоты и угла уклона, и системы управления, оптимизирующую эти параметры в зависимости от грунтовых условий и режимов движения.
с различной высотой и углом наклона витков
Рис. 2. Транспортное средство с эласто-винтовым движителем:
1 — неподвижная полость; 2 — реактор
Конструкция ходового модуля может быть полностью или частично эластичной. Ходовой модуль, в котором неподвижная полость наполовину выполнена из эластичного материала, представлен на рис. 3.
Конструкция модуля состоит из жесткого корпуса 1, обеспечивающего крепление к шасси транспортного средства, эластичной части 4, в которой формируется бегущая полуволна, реактора полуволны 2, механизма перекоса 3,
формирующего угол наклона бегущей волны в необходимых пределах, и механизма установки высоты волны 5.
Эластичную часть целесообразно выполнять в виде резинокордной оболочки с углами укладки нити ±р. В начальной части форма оболочки близка к осесимметричной, а в средней части — к цилиндрической. Каркас оболочки может быть изготовлен из обрезиненных кордных слоев, накладываемых друг на друга крест-накрест на цилиндрической оправке. Окончательную сигарообразную форму оболочка получает при вулканизации. В теории сетчатых оболочек показано, что описанная технология изготовления обеспечивает образование так называемой шинной геометрии нитей [10, 11]:
sin р/ r = х = const,
где r — текущий радиус; р — угол наклона нити к меридиану; х — константа геометрии нитей.
В случае армирования оболочки металлическим кордом, который практически нерастяжим, угол 9 наклона нормали к оси определяется из следующего соотношения:
Рис. 3. Вариант конструкции ходового модуля: 1 — корпус; 2 — реактор полуволны; 3 — механизм перекоса; 4 — эластичная часть; 5 — механизм установки высоты ванны
МАШИНОСТРОЕНИ
г2 1- 2 2 X г
1- 2 2 ' X г1
Здесь r1 — радиус оболочки в центральном сечении.
При выполнении численного эксперимента были приняты следующие исходные параметры: радиус цилиндрической оправки r0 = 520 мм; радиус днища r2 = 180 мм; исходный угол наклона нитей р0 = 54,7° (равновесный угол); длина меридиана l = 4 300 мм; константа геометрии нитей х = sin в 0 / r0.
Система дифференциальных уравнений для расчета профиля оболочки представлена в работе [11]. Для расчета задавались следующие граничные условия:
r (0) = ri; г (0) = 0; r (l ) = r2.
Краевая задача для указанной системы дифференциальных уравнений с данными параметрами и граничными условиями решалась методом «пристрелки», аналогично, описанному в работе [10], при этом варьировался радиус r1. В связи с проявлением нелинейных краевых эффектов применялась арифметика высокой точности (50 десятичных знаков и более). В отличие от [10] укладка нитей принималась симметричной, хотя могут рассматриваться и варианты оболочки с несимметричной укладкой нитей.
В результате была рассчитана [11, 12] форма оболочки движителя (рис. 4) и углы укладки нитей (рис. 5).
Рис. 4. Геометрия резинокордной оболочки движителя:
а — общий вид; б — форма меридиана г(г)
Рис. 5. Углы наклона нитей к меридиану оболочки
Выводы
1. Предложена конструкция воздухоопор-ного движителя машины высокой проходимости на основе роторно-винтовой ходовой части с гибкой оболочкой.
2. Установлено, что эксплуатационные параметры эластичного роторно-винтового движителя для обеспечения передвижения машин по снегу, по переувлажненным и жидким грунтам возможно менять в широких пределах.
3. Разработана методика расчета и построения равновесных профилей сетчатых оболочек несимметричной укладкой нитей, позволяющая оценить работоспособность предложенной конструкции воздухоопорного движителя.
Литература
[1] URL: http://www.rosbalt.ru/main/ 2013/10/18/ 1189486.html (дата обращения 15 января 2014).
[2] URL: http://vpk.name/news/92338_tekst_vyistupleni-ya_dmitriya_rogozina_na_presskonferencii_v_rg.html (дата обращения 15 января 2014).
[3] Военная доктрина Российской Федерации. Общероссийская еженедельная газета «Военно-промышленный курьер», 2010. № 6 (322).
[4] Ларин В.В. Теория движения полноприводных колесных машин. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 391 с.
[5] Беляков В.В., ред. Вездеходные транспортно-техноло-гические машины. Н. Новгород, Изд-во ТАЛАМ, 2004. 960 с.
[6] Макаров В.С., Зезюлин Д.В., Беляев А.М., Папунин А.В., Беляков В.В. Тр. НГТУим. Р.Е. Алексеева, 2013, № 2, с. 155-161.
[7] Беляков В.В., Молев Ю.И. Влияние подстилающего слоя поверхности движения на величину экскавационной осадки движителя. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2007, № 1, с. 72-78.
[8] Беляков В.В., Беляев А.М., Бушуева М.Е., Вахидов У.Ш., Гончаров К.О., Зезюлин Д.В., Колотилин В.Е., Лелиовский К.Я., Макаров В.С., Папунин А.В., Тумасов А.В., Федоренко А.В. Концепция подвижности наземных транспортно-технологиче-ских машин. Тр. НГТУим. P.E. Алексеева, 2013, № 3, с. 145-175.
[9] Макаров В.С., Зезюлин Д.В., Гончаров К.О., Федоренко А.В., Беляков В.В. Оценка эффективности движения колесных машин на основании статистических характери-
стик снежного покрова. Тр. НГТУим. Р.Е. Алексеева, 2013, № 1, с. 150-158.
[10] Бадриев И.Б., Бандеров В.В., Задворнов О.А. О решении задачи равновесия мягкой сетчатой оболочки при наличии нагрузки, сосредоточенной в точке. Вестник пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика, 2013, № 3, с. 16-34.
[11] Гаврюшин С.С., Барышникова О.О., Борискин О.Ф. Численные методы в проектировании гибких упругих элементов. Калуга, ГУП «Облиздат», 2001. 200 с.
[12] Гаврюшин С.С., Барышникова О.О., Борискин О.Ф. Численные методы в динамике и прочности машин. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 492 с.
References
[1] Na razvitie severnykh territorii Rossii khotiat napravit' 2 trln rublei [On the development of the northern territories of Russia want to send 2 trillion rubles]. Available at: http://www.rosbalt. ru / main/2013/10/18/1189486.html (accessed 15 January 2014).
[2] Tekst vystupleniia Dmitriia Rogozina na press-konferentsii v «RG» [Speech by Dmitry Rogozin at a press conference in «RG»]. Available at: http://vpk.name/news/92338_tekst_vyistupleniya_ dmitriya_rogozina_na_presskonferencii_v_rg.html (accessed 15 January 2014).
[3] Voennaia doktrina Rossiiskoi Federatsii [Military Doctrine of the Russian Federation]. Obshcherossiiskaia ezhenedel'naia gazeta «Voenno-promyshlennyi kur'er» [All-Russian weekly «Military-Industrial Courier»]. 2010, no. 6 (322).
[4] Larin V.V. Teoriia dvizheniia polnoprivodnykh kolesnykh mashin [Theory of motion-wheel drive wheeled machines]. Moscow, Bauman Press, 2010. 391 p.
[5] Vezdekhodnye transportno-tekhnologicheskie mashiny [All-terrain transport and technological machines]. Ed. Beliakov V.V., Kuliashov A.P Nizhny Novgorod, TALAM publ., 2004. 960 p.
[6] Makarov V.S., Zeziulin D.V., Beliaev A.M., Papunin A.V., Beliakov V.V. Formirovanie snezhnogo pokrova v zavisimosti ot landshafta mestnosti i otsenka podvizhnosti transport-no-tekhnologicheskikh mashin v techenie zimnego perioda [Formation of snow in relation to terrain landscape and evaluation mobility of transport and technological vehicle during
the winter period]. Trudy NGTUim. R.E. Alekseeva [Proceedings NSTU named after R.E. Alekseeva], 2013, no. 2, pp. 155-161.
[7] Beliakov V.V., Molev Iu.I. Vliianie podstilaiushchego sloia poverkhnosti dvizheniia na velichinu ekskavatsionnoi osadki dvizhitelia [Influence of Underlying Moving Surface on Value of Excavation Mover Draught]. Vestnik MGTUim. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie [Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Mechanical Engineering]. 2007, no. 1, pp. 72-78.
[8] Beliakov V.V., Beliaev A.M., BushuevaM.E., VakhidovU.Sh., Goncharov K.O., Zeziulin D.V., Kolotilin V.E., Leliovskii K.Ia., Makarov V.S., Papunin A.V., TumasovA.V., Fedorenko A.V. Kontseptsiia podvizhnosti nazemnykh transportno-tekhnologicheskikh mashin [The conception of movability of ground transport and technological vehicles]. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva [Proceedings NSTU named after R.E. Alekseeva]. 2013, no. 3, pp. 145-175.
[9] Makarov VS., Zeziulin D.V., Goncharov K.O., Fedorenko AV, Beliakov V.V. Otsenka effektivnosti dvizheniia kolesnykh mashin na osnovanii statisticheskikh kharakteristik snezhnogo pokrova [Assessment of movement wheeled machines based on statistical characteristics of snow cover]. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva [Proceedings NSTU named after R.E. Alekseeva]. 2013, no. 1, pp. 150-158.
[10] Badriev I.B., Banderov V.V., Zadvornov O.A. O reshenii zadachi ravnovesiia miagkoi setchatoi obolochki pri nalichii nagruzki, sosredotochennoi v tochke [On the solving of equilibrium problem for the soft network shell with a load concentrated at the point]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Mekhanika [PNRPU. Mechanics Bulletin]. 2013, no. 3, pp. 16-34.
[11] Gavriushin S.S., Baryshnikova O.O., Boriskin O.F. Chislennye metody v proektirovanii gibkikh uprugikh elementov [Computational methods in the design of flexible elastic elements]. Kaluga, GUP «Oblizdat» publ., 2001. 200 p.
[12] Gavriushin S.S., Baryshnikova O.O., Boriskin O.F. Chislennye metody v dinamike i prochnosti mashin [Numerical methods in dynamics and strength of machines]. Moscow, Bauman Press, 2012. 492 p.
Статья поступила в редакцию 30.01.2014
Информация об авторах
БЯКОВ Константин Евгеньевич (Москва) — аспирант кафедры «Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1).
ЧАН Ки Ан (Москва) — аспирант кафедры «Прикладная механика». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1).
СОРОКИН Федор Дмитриевич (Москва) — профессор кафедры «Прикладная механика». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, e-mail: [email protected]).
МАШКОВ Констатин Юрьевич (Москва) — кандидат технических наук, доцент кафедры «Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1).
Information about the authors
BYAKOV Konstantin Evgen'evich (Moscow) — Post-Graduate of «Multi-Purpose Caterpillar Vehicles and Mobile Robots» Department. Bauman Moscow State Technical University (BMSTU, building 1, 2-nd Baumanskaya str., 5, 105005, Moscow, Russian Federation).
CHAN Ki An (Moscow) — Post-Graduate of «Applied Mechanics» Department. Bauman Moscow State Technical University (BMSTU, building 1, 2-nd Baumanskaya str., 5, 105005, Moscow, Russian Federation).
SOROKIN Fedor Dmitrievich (Moscow) —Professor of «Applied Mechanics» Department. Bauman Moscow State Technical University (BMSTU, building 1, 2-nd Baumanskaya str., 5, 105005, Moscow, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
MASHKOV Konstantin Yur'evich (Moscow) — Cand. Sc. (Eng.), Associate Professor of «Multi-Purpose Caterpillar Vehicles and Mobile Robots» Departmen. Bauman Moscow State Technical University (BMSTU, building 1, 2-nd Baumanskaya str., 5, 105005, Moscow, Russian Federation).
