Опрос

Какие рубрики вам наиболее интересны?

View Results

Loading ... Loading ...

Наши партнеры

  • .

Последние комментарии

НАДУВНОЙ ВНЕДОРОЖНИК

Опубликовал Сергей 10 января 2011 в рубрике Изобретения.

Передвигаться «по воде аки по суху» — многовековая мечта человечества об абсолютной вездеходности близка к реальному воплощению.

С древнейших времен, когда только было изобретено колесо, человек мечтал о создании вездеходов.

Пока человек ходил пешком или ездил верхом на лошадях, проблем не возникало. Но колесные повозки сразу стали застревать повсюду: в камнях, в болотах, в раскисшем от дождей грунте, в снегу. На смену гужевой тяге пришли двигатели внутреннего сгорания, но проблема вездеходности оставалась, так как основа движения — колесо — оставалось без изменений.

На данный момент все известные контактно-опорные типы движителей, так или иначе, являются комбинацией из колес различных видов: твердые колеса, мягкие колеса, колеса, объединенные гусеницами. При всем разнообразии их облика, общими остаются недостатки: колесо имеет пятно контакта намного меньше, чем его размер в плане, а проходимость колеса по неровностям составляет малые доли от его радиуса.

При всей могущественности современной техники, снег, прибрежное мелководье, грунты в пограничном фазовом состоянии (например, болота) рельеф смешанного типа в настоящий момент считаются непреодолимыми грунтами.

Движение возможно только, если транспортное средство неглубоко проваливается в грунт. Что, в свою очередь, определяется величиной максимального давления в пятне контакта: чем оно ниже, тем меньше глубина проваливания.

За XX в., конструкторами были опробованы практически все мыслимые комбинации из колес и гусениц различных размеров и типов.

Борьба за повышение проходимости свелась к попыткам снижения давления на грунт в пятне контакта, что достигалось укрупнением диаметров колес, их управляемой деформацией и увеличением их количества.

За XX в. конструкторами были опробованы практически все мыслимые комбинации из колес и гусениц различных размеров и типов.

Считается, что движение по снегу за счет активных контактных движителей возможно при снижении давления в пятне контакта ниже 8 кПа. В настоящий момент наилучший показатель среди движителей составляет 15 кПа (0,15 атм) у пневмоколес сверхнизкого давления, но на них удается создать только легкие транспортные средства, недостаточные для коммерческого использования на бездорожье. У знакомых горнолыжникам легких гусеничных снегоходов (ратраков) схожие показатели по давлению, но они не подлежат укрупнению из-за конструктивных ограничений.

Таким образом, к концу XX в. в технических кругах сложилось мнение, что создать полноценный вездеход-амфибию для движения по сложным рельефам, болоту и снегу без ограничения глубины слоя невозможно на данном уровне техники.

Желаемые показатели давления на грунт на крупных образцах техники достигались только у аппаратов на воздушной подушке (АВП) и лыжных снегоходов с воздушными винтами (аэросани). Но АВП движется по воде с выходом на мелководье и пологий ровный берег, а аэросани хороши только на ровном гладком снегу. Любой пересеченный рельеф для них непроходим.

Наиболее актуальной темой исследований стал поиск путей реализации на грунте сверхмалых пиковых давлений. Для их получения годятся только очень легкие и при этом крайне прочные конструкции, например — крупные пневмооболочки под заданным избыточным давлением.

Основной проблемой применения крупных пневмооболочек в качестве движителей является их малая устойчивость под нагрузкой. При малейшем отклонении от положения равновесия оболочка стремится опрокинуться — это подобно акробатическому балансированию, стоя на шаре, при этом еще и мягком.

Использовать сферическую оболочку в качестве колеса или пневмокатка не удается из-за крайне низкой жесткости ее боковин на скручивание: удержать нагрузку она сможет, но перемещаться уже не получится.

Тороидальный движитель известен уже несколько десятилетий. Он использует тороидальную пневмооболочку в качестве движителя, который приходит в движение в процессе постоянного выворачивания себя через центральное отверстие. Такой способ движения крайне сложно реализовать в материале, да и устойчивости движителя столь же сложно добиться, как и при нагружении сверху.

А... почему сверху? Возникла идея нового типа движителя. Этот движитель, названный Сферическим пневмогусеничным движителем (СПГД) использует цилиндрическую оболочку с герметично замкнутыми концами (топологически это сфера), нагружая ее изнутри, а не снаружи. В СПГД нагрузка опирается на оболочку изнутри в нижней части, обеспечивая ее самостабилизацию. Таким образом, конструктивное решение исключает возможность самопроизвольного опрокидывания движителя.

В качестве опоры на оболочку выбраны вращающиеся валки. Если к ним подвести крутящий момент, то они покатятся по внутренней стороне оболочки, выводя всю систему из равновесия. Так как система самостабилизирующаяся, то после смещения валков оболочка с нагрузкой вновь займет устойчивое положение уже в новой точке. СПГД движется, при этом к мягкой оболочке никаких крутящих моментов не прикладывается.

Модель СПГД собрана из подручных средств: деревянных брусков, обрезков пластиковых труб, полиэтиленовой оболочки, сервопривода от дворников автомобиля и вентилятора высокого давления от старого пылесоса. Готовая модель успешно демонстрировалась в действии на заседании кафедры «Гусеничных машин» МГТУ им. Н.Э. Баумана, после чего заведующий кафедрой порекомендовал автору изобретения незамедлительно заняться его патентованием, что и было сделано (патент №2240250 от 5 февраля 2004 г.).

КОНСТРУКЦИЯ. СПГД способен реализовывать на грунте давления в диапазоне 1 ..5 кПа (100..500 мм вод. столба), то есть когда человек бредет по колено в воде, СПГД рядом с ним уже плывет, не касаясь дна.

Движитель сверхнизкого давления не может быть маленьким — его высота должна быть не менее, чем в 4 раза выше, чем давление в оболочке, выраженное в миллиметрах водяного столба (100 мм вод. столба = 1 кПа = 0,01 атм.). Для наиболее легких моделей высота СПГД составит около 1 м, а для грузовиков на СПГД — от 2 до 5 м. Дальнейшее увеличение нецелесообразно, т.к. рост грузоподъемности возможен за счет объединения нескольких модулей.

Особенностью СПГД является то, что с грунтом контактирует только мягкая оболочка, которая работает только на растяжение от избыточного давления воздуха внутри. У движителя нет ни жестких гусеничных траков, ни многочисленных колес с элементами подвески и сложной трансмиссией. Весь движитель состоит из прочной оболочки из прорезиненной синтетической ткани, двух несущих валков, опирающихся изнутри на оболочку, и силовой рамы, передающей на валки усилия от грузовой платформы.

Практически все элементы конструкции работают только на сжатие — растяжение, изгибные нагрузки присутствуют только во вращающихся несущих валках, да и они могут быть снижены установкой поддерживающих промежуточных опор. Благодаря конструктивным особенностям и большим размерам СПГД, силовые элементы их рам могут быть выполнены из пространственных жестких ферм, что резко усиливает жесткость и прочность конструкций, при этом сохраняя относительно малую массу. И чем крупнее машина, тем более эффективным может быть отношение полезной нагрузки к собственной массе.

У СПГД всего одно пятно контакта огромного размера, ни один другой контактный движитель такого реализовать не может. Характер распределения давления в пятне контакта неравномерный, а зависит от характеристик грунта, степени загруженности и конструктивных особенностей вездехода. Так, при плавании или движении по болоту возможен режим, когда максимальная глубина погружения в грунт (воду) равна среднему погружению по пятну контакта, что соответствует одинаковому давлению грунта на все точки оболочки СПГД. Такой режим возможен и на твердых грунтах, но требует идеально гладкой и ровной поверхности, что практически не встречается в природе (только искусственные полы в цехах). На прочных однородных грунтах давление плавно повышается от краевых участков пятна контакта к внутренним зонам, при этом несущие валки не касаются грунта, зависая на некоторой высоте за счет сил натяжения оболочки, огибающей валки.

Высота зависания валков над грунтом является аналогом клиренса для колесных или гусеничных машин. То есть при встрече с препятствием высотой, меньшей, чем высота зависания валков, препятствие проходит под СПГД, не касаясь жестких валков или рамы, контактируя только со свободно натянутой мягкой оболочкой.

Маневрирование СПГД будет не похоже на движение привычных транспортных средств. Огромное пятно контакта и мягкая оболочка не позволят совершить проворот СПГД по грунту, подобно тому, как это происходит у известных колесных или гусеничных машин. На твердом грунте можно развернуться, только полностью остановившись и оторвав СПГД от грунта. Исходя из способа реализации поворота, выбирается компоновочное решение.

Основных схем компоновки может быть несколько:

— с одним СПГД и опускаемой поворотной опорой;

— с двумя СПГД, связанных внешней грузовой платформой, где роль поворотной платформы выполняет опускаемая на грунт грузовая платформа, оснащаемая поворотным столом;

— с двумя СПГД, связанных внешней грузовой платформой, где поворот одного СПГД выполняется при его полной разгрузке на другой, таким образом можно реализовать даже режим шагания вездехода с одного движителя на другой.

Все прочие схемы компоновки будут являться комбинацией этих трех базовых вариантов.

ЗАМЫКАНИЕ ОБОЛОЧКИ на торцах движителя может выполняться различными способами. От выбора варианта замыкания зависят многие характеристики СПГД и транспортного средства в целом, будет это узкоспециализированная машина или универсальное вездеходное транспортное средство для экстремальных условий движения. Предельные варианты — замыкание оболочки на тонкую цилиндрическую ось и замыкание на жесткую фасонную пластину, остальные будут некоторым компромиссом между этими случаями.

Фасонная пластина повторяет сечение оболочки СПГД в некотором определенном, наиболее эффективном рабочем состоянии. При замыкании на нее оболочки, край рабочей ленты должен двигаться по краю пластины. При этом узел соприкосновения оболочки с пластиной должен обеспечивать герметичность оболочки и свободное скольжение края оболочки в зацеплении. Исполнение этого узла скольжения является основной проблемой воплощения этого варианта СПГД. В целом, такая конструкция похожа на первые английские танки. Первой мировой воины.

В жестких боковых пластинах могут быть люки для доступа внутрь СПГД, воздушные нагнетатели, механизмы перемещения точек приложения нагрузки от внешней грузовой платформы, а также трансмиссия и двигатели.

Замыкание оболочки на фасонную пластину обеспечивает также жесткое позиционирование грузовой платформы и валков по отношению к оболочке, гарантируя от сползания платформы с рабочей ленты оболочки при движении по косогорам.

При замыкании на тонкую цилиндрическую ось технические проблемы имеют иной характер.

Проблема герметичности и надежности узла скольжения кромки оболочки по цилиндрической оси решается элементарно: оболочка крепится к внешнему кольцу подшипника, а внутренне кольцо герметично сажается на ось от грузовой платформы. Герметичное же уплотнение подшипника — простейшая техническая задача.

Зато резко усложняется конфигурация оболочки на участке от кромки рабочей ленты до уплотнения на оси. Его длина на различных участках контура оболочки изменяется в несколько раз! Из-за больших деформаций материала на замыкающей части оболочки целесообразно использовать материалы с ярко выраженными эластичными свойствами при сдвиге, но нерастяжимые. Таким характеристикам соответствуют сетки с заполнением ячеек тонкими эластичными диафрагмами.

Для снижения влияния переменности расстояния до оси нужно применить не плоское, а пространственное замыкание, которое может разделить на два основных типа: яблоковидное и веретенообразное.

При вытягивании точек замыкания на максимальное удаление от опорных валков оболочка приобретает веретенообразную форму. При этом напряжения в замыкающей части минимизированы, а сама оболочка получает крайне устойчивое позиционирование относительно валков при возникновении боковых сдвигающих усилий (движение по косогору). СПГД с веретенообразным замыканием оболочки на тонкую ось становится чрезвычайно растянутым вбок, напоминая при этом перекатывающийся батон колбасы. Такая конфигурация может применяться на транспортном средстве с двумя СПГД, катящимися друг за другом, и грузовой платформой между ними.

Веретенооборазная форма позволяет использовать СПГД в качестве поплавков катамарана при движении по открытой воде. При этом мореходные качества становятся настолько хорошими, что можно будет совершать переходы по обширным акваториям на высоких скоростях, используя опускаемые гребные винты или водометы.

Яблоковидное замыкание делает СПГД более компактным, так узел замыкания на ось может находиться в габаритах силовой платформы. Недостатком такого замыкания является меньшая стабильность на косогоре. Таким образом, данное замыкание применимо для крупных транспортеров с СПГД, эксплуатируемых на плоских рельефах.

ТОПЛИВНАЯ экономичность ДВИЖЕНИЯ НА СПГД. Сверхнизкое давление на грунт не только улучшает проходимость, но и резко снижает затраты энергии при движении по бездорожью.

Рассчитаем разницу в необходимой мощности для движения танка массой 50 т со средним давлением 100 кПа и шириной фронта колеи 1 м, и транспортного средства с СПГД той же массы с удельным давлением на грунт 5 кПа и квадратным в плане пятном контакта каждого из двух СПГД. Площадь пятен контакта у него составит 100 м2, а у танка — 5 м2

Ширина фронта колеи у СПГД составит 7 м, у танка — 1м.

При жесткости грунта 500 кПа/м2 (слежавшийся снег), давление 100 кПа обеспечивается при глубине проминания танком колеи 20 см, а при давлении 5 кПа для СПГД глубина погружения окажется в 20 раз меньше, и составит всего 10 мм.

Т. к. энергия, затрачиваемая на продавливание грунта, подчиняется квадратичному закону от глубины погружения, а сопротивление движению численно равно энергии на продавливание колеи, пройденной в единицу времени, то при равной скорости движения силы сопротивления сравниваемых машин будут относиться как квадраты глубины колеи к ширине фронта колеи, что для данного случая (20-кратная разница в глубине колеи и 7-кратная в ширине) даст выигрыш в сопротивлении движению (т.е.в требуемой мощности) для СПГД более чем в 57 раз!

Если учесть неизбежные постоянные потери на буксование гусеничного движителя, экскавационный вынос грунта из колеи, неэкономичный режим работы двигателя и трансмиссии танка на низких скоростях, то разрыв еще увеличится. При этом у СПГД режим буксования на твердом грунте и экскавационнные потери практически отсутствуют, тогда как у колесных и гусеничных составляет около 35% от общего сопротивления движению.

Таким образом, при использовании СПГД на плоском рельефе с низкой несущей способностью грунта получается фантастический экономический эффект. На дорогах с твердым покрытием разница в экономичности становится незаметной.

Данная зависимость позволяет четко ограничить области массового применения большегрузных СПГД сверхнизкого давления. Для них идеально подходят пустынные равнинные регионы, образующиеся водной или разжиженной водой средой (обширные болота, мелкие водоемы, прибрежные зоны), или покрытые толстым снегом и льдом. К таким территориям относится практически вся северная часть нашей страны.

Сейчас транспортная проблема в таких местностях почти полностью решается за счет авиации, что крайне дорого и зависимо от метеорологических условий. Северные Сибирь и Дальний Восток могут снабжаться только морским северным завозом или самолетами (вертолетам уже не хватает дальности). Зимой северные районы вовсе оказываются изолированными от мира, причем в снегах становятся непреодолимыми даже малые расстояния километров.

Машинам с СПГД по силам преодолевать даже реки в период ледохода и ледостава, тонкие прибрежные льды на мелководье, топкие и торфяные болота, мелкие каменистые реки.

СПГД ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ. Кроме амфибийно-вездеходного применения, СПГД можно эффективно применять и на дорогах с твердым покрытием. Благодаря способности обеспечить одно большое пятно контакта равного давления, на его базе, возможно, создать грузовую платформу для транспортировки сверхтяжелых компактных грузов по дорогам общего пользования.

В настоящий момент специальные колесные грузовые платформы имеют грузоподъемность до 100 т. Дальнейший рост грузоподъемности за счет увеличения числа колес почти невозможен, так как она перестает вписываться в дорожные габариты, при этом рост собственной массы начинает опережать прирост грузоподъемности.

СПГД высокого давления (600 кПа, как у колесных грузовиков) в габаритах обычного шоссейного грузовика (3 х 10 м) сможет поднять до 1000 т, из них большая часть составит полезную нагрузку. При этом брус 3 х 4 х 10 м, отлитый из чугуна, будет весить 936 т. К таким сверхтяжелым компактным грузам относятся неразборные реакторы и крупные узлы энергетических машин (турбины, генераторы) требующих полной сборки в заводских условиях. В настоящее время их приходится делать разборными, что резко снижает их надежность и повышает стоимость производства и эксплуатации.

Читайте также:

ПЛАНЕТА ВНИИПО.
Третья ветвь кибернетики
НЕ ОТ ЛИСТОЧКА К БИОСФЕРЕ, А НАОБОРОТ!
Броня для водолаза


Написать комментарий

RSS

rss Подпишитесь на RSS для получения обновлений.