CC BY
35
Оригинальная статья / Original article УДК 629.033
DOI: http://dx.d0i.0rg/l0.21285/1814-3520-2018-3-55-62
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СРЕДСТВА, ОСНАЩЕННОГО РОТОРНО-ВИНТОВЫМ ДВИЖИТЕЛЕМ, ПО ЗАБОЛОЧЕННОЙ МЕСТНОСТИ
© А.Д. Стрижак1, А.А. Липин2, А.В. Вишняков3
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 603155, Российская Федерация, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ данного исследования - выявить оптимальные конструктивные параметры транспортно-технологического средства (ТТС), оснащенного роторно-винтовым движителем (РВД), при его прямолинейном движении по заболоченной местности. МЕТОДЫ. Для визуализации результатов проведено компьютерное моделирование с помощью программного комплекса Microsoft Visual Studio 2012. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Итогом компьютерного моделирования, осуществленного на основе математического моделирования, является определение максимального значения скорости, Vmax, при разных значениях угла наклона лопасти РВД. ВЫВОДЫ. Полученные значения скоростей, представленные графически, показывают, что для всех случаев движения ТТС с РВД по заболоченному грунту максимальное значение скорости Vmax достигается при угле наклона винтовой линии 60°. Установлено, что при изменении угла наклона винтовой лопасти по сравнению с базовым углом наклона в 30° происходит увеличение Vmax в 2,68 раза.
Ключевые слова: транспортно-технологическое средство, роторно-винтовой движитель, компьютерное моделирование, угол наклона винтовой лопасти.
Информация о статье. Дата поступления 11 декабря 2017 г.; дата принятия к печати 26 февраля 2018 г.; дата онлайн-размещения 31 марта 2018 г.
Формат цитирования. Стрижак А.Д., Липин А.А., Вишняков А.В. Исследование прямолинейного движения транспортно-технологического средства, оснащенного роторно-винтовым движителем, по заболоченной местности // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 3. С. 55-62. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-3-55-62
©
RESEARCH OF STRAIGHT-LINE MOTION OF A TRANSPORT-TECHNOLOGICAL VEHICLE EQUIPPED WITH A ROTARY SCREW PROPELLER ON WETLANDS
A.D. Strizhak, A.A. Lipin, A.V. Vishnyakov
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev, 24, Minin St., Nizhny Novgorod, 603155, Russian Federation
ABSTRACT. The PURPOSE of this study is to identify the optimal design parameters of a vehicle equipped with a rotary screw propulsion unit under its rectilinear movement in wetlands. METHODS. A computer modeling has been conducted using Microsoft Visual Studio 2012 software to visualize the results. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The result of the mathematical modeling-based computer simulation is the determination of the maximum speed value Vmax under different values of the pitch angle of the rotary screw propeller blade. CONCLUSIONS. The obtained values of speeds presented on a graph show that the maximum value of speed Vmax is achieved at the pitch angle of 60° of the circular helix for all cases of rotary screw propeller vehicle movement on wetlands. It is determined that the 30° change in the pitch angle of the helical blade as compared with the basic pitch angle causes 2.68 time increase in Vmax. Keywords: transport technological vehicle, rotary screw propulsion unit, computer modeling, pitch angle of the helical blade
1
Стрижак Аркадий Дмитриевич, аспирант, e-mail: strizh-ark@yandex.ru Arkadiy D. Strizhak, Postgraduate, e-mail: strizh-ark@yandex.ru
2Липин Алексей Александрович, аспирант, e-mail: lisenaks@gmail.com Aleksey A. Lipin, Postgraduate, e-mail: lisenaks@gmail.com
3Вишняков Анатолий Владимирович, аспирант, e-mail: tolik.vishnyakov@gmail.com Anatoliy V. Vishnyakov, Postgraduate, e-mail: tolik.vishnyakov@gmail.com
For citation. Strizhak A.D., Lipin A.A., Vishnyakov A.V. Research of straight-line motion of a transport-technological vehicle equipped with a rotary screw propeller on wetlands. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 3, pp. 55-62. (In Russian). DOI: 10.21285/1814-3520-2018-3-55-62
Введение
Information about the article. Received December 11, 2017; accepted for publication February 26, 2018; available online March 31, 2018.
В настоящее время во многих странах активно ведутся работы по созданию новых транспортно-технологических
средств (ТТС) и мобильных робототехниче-ских комплексов. Одним из важнейших направлений в данной области являются исследования по улучшению проходимости подобных систем, то есть их способности безостановочно и эффективно передвигаться по различным типам грунтов.
Следует заметить, что большинство существующих комплексов предназначено, в первую очередь, для работы в условиях города и на относительно прочных основаниях. Но не следует забывать, что в России на заболоченные территории приходится около 10% всей площади страны или 1,4 млн км2. При этом основным сдерживающим фактором развития данных территорий, наряду с суровым климатом и большой разбросанностью населенных пунктов, является почти полное отсутствие коммуникаций. Это существенным образом сказывается на осуществлении транспортных операций, а также при нефте- и газодобыче, промышленном и дорожном строительстве, устранении чрезвычайных ситуаций, особенно это относится к эксплуатации ТТС в летний период.
В этих условиях для обеспечения хозяйственной деятельности и решения оборонных задач особое внимание уделяется внедорожным транспортным средствам высокой проходимости, одним из которых является ТТС, оснащенное роторно-винтовым движителем (РВД).
Необходимо учесть, что изучение движения любого транспортного средства,
а тем более его моделирование, имеет смысл только в совокупности с моделью конкретного грунтового основания.
Фундаментальными в теории движения являются труды Н.А. Забавникова, В.Ф. Платонова, посвященные особенностям прямолинейного равномерного и неравномерного и криволинейного движения машин с гусеничным движителем, работы Г.А. Смирнова и Н.Ф. Бочарова, в которых рассматривается движение колесных машин. В работах А.А. Крживицкого представлены результаты исследования движения снегохода, оснащенного роторно-винтовым шасси. Б.Н. Коула изучал возможность использования РВД в качестве универсального средства для передвижения вездеходов-амфибий по суше и воде [1]. Теоретическим и экспериментальным исследованиям роторно-винтовых машин посвящены работы американских ученых Дж. Гордона, Х. Дугоффа, М. Беккера и Р. Эрлиха. М. Беккером разработана общая теория передвижения транспортных средств по бездорожью. А. Солтынским исследованы затраты мощности маломасштабной модели шнекового тягача при движении по песчаному и болотистому грунтам, а также при преодолении водных препятствий. Методы расчета, выбора геометрических параметров, мощностных характеристик транспортно-технологических машин, а также теория «машина - местность» и др. отражены в работах Джона Фриберга, Кюнпо Лью, Кенджи Нагаока, Та-каши Кубото, Н.Ф. Кошарного, А.П. Куляшо-ва4, С.В. Рукавишникова, В.И. Вологдина, В.И. Захаренкова, В.И. Гавага, Р.А. Хабут-
4Куляшов А.П. Специальные строительно-дорожные машины с роторно-винтовым движителем: дис. ... д-ра техн. наук. Горький, 1986. 327 с. / Kulyashov A.P. Special road construction machinery with rotary screw propulsion: Doctor's Dissertation in technical sciences. Gorky, 1986, 327 p.
©
динова, М.М. Танклевскиого, А.Ф. Николаева, Ю.П. Адясова, В.Н. Колотилина, Л.С.
с
Левшунова, В.А. Шапкина5, У.Ш. Вахидова, А.А. Кошуриной, Ю.И. Молева, Ю.В. Щербакова6, Т.В. Водопьянова, С.В. Доровских и других [2-5].
Цель данного исследования - выявить оптимальные конструктивные параметры РВД и дать дальнейшие рекомендации, помогающие увеличить максимальную скорость движения ТТС по заболоченной местности.
Методика компьютерного моделирования прямолинейного движения ТТС с РВД
по заболоченной местности
В большинстве работ по моделированию движения роторно-винтовых машин используются обобщенные математические модели движения ТТС с РВД, предназначенные для анализа большинства основных типов установившегося движения, режимов разгона, торможения и поворота [6].
Авторами настоящей работы исследуется прямолинейное движение ТТС с РВД по болотистому грунту путем компьютерного моделирования с визуализацией результатов. При этом принято следующее упрощение: движение транспортно-технологического средства, оснащенного РВД, рассматривается в двумерной плоскости OXY. В этом случае анализ непосредственно прямолинейного движения, разгона и торможения ТТС с РВД проводится на основе решения уравнения4
х = m-1 [ï^=1(P<pXi+PPXi) + çy]> (1)
где P9Xi - проекции силы взаимодействия грунта и РВД на ось OX; PFxi - проекции силы сопротивления движению ТТС с РВД на ось ОХ; m - масса ТТС; ф - скорость поворота; у - скорость бокового увода.
При этом даже для нахождения только скорости равномерного прямоли-
нейного движения необходимо выполнить большое число вычислений с аппроксимацией экспоненциальных зависимостей силы тяги с последующим представлением и решением основного дифференциального уравнения в виде трехчлена с громоздкими коэффициентами, являющимися функциями параметров механических свойств грунта, конструкции ТТС с РВД и его нагрузочного режима (внешних сил).
Для облегчения процесса моделирования прямолинейного движения был разработан программный комплекс с графическим интерфейсом пользователя в Microsoft Visual Studio 2012 на объектно-ориентированном языке программирования C#. Данная программа использует основные формулы из методики вычисления по Н.Ф. Кошарному [7] и позволяет значительно облегчить процесс моделирования прямолинейного движения ТТС с РВД. При компьютерном моделировании были приняты следующие допущения:
- движение всех роторов ТТС осуществляется по грунтам с одинаковыми характеристиками;
- синхронизация вращения роторов происходит с одинаковой скоростью;
- нагрузка на шнеки распределяется равномерно.
Заметим, что данные допущения
5
Шапкин В.А. Основы теории движения машин с роторно-винтовым движителем по заснеженной местности: дис. ... д-ра техн. наук: 05.05.03. Н. Новгород, 2001. 390 с. / Shapkin V.A. Fundamentals of the motion theory of machines with a rotary screw propulsion on snow-covered terrain: Doctor's Dissertation in technical sciences: 05.05.03. N. Novgorod, 2001, 390 p.
6Щербаков Ю.В. Разработка методики расчета и выбор рациональных параметров движения подводного транс-портно-технологического средства с роторно-винтовым движителем: дис. ... канд. техн. наук: 05.05.03. Н. Новгород, 2000. 167 с. / Shcherbakov Yu.V. Development of calculation methods and selection of rational motion parameters of an underwater transport-technological facility with a rotary screw propeller: Candidate's dissertation in technical sciences: 05.05.03. N. Novgorod, 2000, 167 p.
возможны, так как применены для моделирования прямолинейного движения. Следовательно, в данном случае можно считать, что величины основных кинематических параметров машины равны соответствующим величинам отдельно взятых РВД. Стоит отметить, что при несоблюдении хотя бы одного из данных допущений будет возникать разворачивающий момент, который в свою очередь приведет к развороту ТТС [3].
Кроме уравнения (1) использовались следующие зависимости теоретической скорости V и величины буксования Э:
= г^ащш; 5 = 1-^, (2)
где V - теоретическая скорость; г0 - радиус
РВД по средней линии лопасти; ® - угловая скорость вращения роторов; Э - абсолютный сдвиг.
Разработанный программный комплекс позволяет задавать угловые скорости вращения роторов в виде зависимостей благодаря чему в дальнейшем можно рассчитать теоретическую скорость для разных случаев разгона и торможения ТТС с РВД и получить результаты расчета всех параметров движения в виде наглядных графических зависимостей [8, 9].
Результаты моделирования разгона ТТС с РВД по заболоченной местности графически представлены на рис. 1, графики построены при плотности грунта
о
рГ=1,4 г/см3.
4 TTC с РВД -ах
\ / <- -
01 2 SPS 67$ 3 IQ 11 1213 M 15 1617 Ii 13 20
I2 1 Построить
Вее&пч* w6>
a
■S Р«гонттссрвд -ах
/
У / /
01 23156785 1011 121314 Ii 1Î171113 20
Is 1 Построить
Введите w|)
b
d
Рис. 1. Разгон ТТС с РВД при плотности грунта рг = 1,4 г/см3; а - w(t) =2; b - w(t) = 5;
c - w(t) = 10; d - w(t) = 15
Fig. 1. Acceleration of vehicles with rotary screw propulsion at the soil density of рг = 1,4 g/sm3 ; а - w(t) = 2; _b - w(t) =5; c - w(t) =10; d- w(t) =15_
c
Стоит отметить, что моделирование болотистого грунта является достаточно трудоемкой задачей ввиду неоднородности структуры рассматриваемой среды. Поэтому при разработке компьютерной модели были приняты усредненные параметры в соответствии со строительными нормами, изложенными в СНиП 2.02.01 -837.
При помощи системы автоматизированного проектирования SolidWorks проведено исследование влияния геометрических параметров РВД на скоростные параметры РВД при прямолинейном равномерном движении ТТС с условием возможности дискретного изменения угла наклона винтовой лопасти в (рис. 2). В процессе моделирования изменение угла наклона в проводилось непрерывно в диапазоне от 3 до 60° с шагом в 3°. Б. Коул рекомендовал
угол наклона винтовой лопасти брать равным 30°, нами данное значение угла будет рассматриваться в качестве базового [10].
Результаты численного моделирования изменения угла представлены в таблице и на рис. 3.
На основании математического моделирования проведено компьютерное моделирование в Microsoft Visual Studio 2012, в результате которого получены значения скорости при движении ТТС с РВД при разных углах наклона лопасти.
При базовом угле наклона лопасти в 30° Vmax = 2,68 м/c. Максимальное значение скорости, представленное на графике (см. рис. 4), достигается при угле наклона лопасти в 60°. При данном угле наклона наблюдаем увеличение скорости движения ТТС в 2,68 раза.
Рис. 2. Основные геометрические параметры ТТС с РВД: h - высота лопасти; в - угол наклона лопасти Fig. 2. Basic geometric parameters of vehicles with rotary screw propulsion: h - blade height; в - angle of blade pitch
Изменение высоты лопасти h в соответствии с изменением угла лопасти в Change in blade height h in accordance with the variation of the blade angle в
Угол наклона в, град. / Angle of pitch в, degrees 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
Высота лопасти h, мм / Blade height h, mm 231 230 228 226 223 220 216 211 206 200
Угол наклона в, град. / Angle of pitch в, degrees 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60
Высота лопасти h, мм / Blade height h, mm 194 187 179 172 163 155 145 136 126 115
'СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений. М.: Изд-во ФГУП ЦПП, 2006. 48 с. / SNiP 2.02.01-83. Footing of buildings and structures. Moscow: Publishing house FGUP TsPP, 2006, 48 p.
Рис. 3. Изменение высоты лопасти h в соответствии с изменением угла наклона лопасти в в диапазоне от 5 до 60° Fig. 3. Change in blade height h in accordance with the variation of the angle of blade pitch
in the range from 5 to 60°
в, град.
Рис. 4. Зависимость скорости РВД от угла наклона лопасти для заболоченного грунта плотностью 1,4 г/см3 Fig. 4. Dependence of rotary screw propulsion vehicle speed on the blade pitch angle for the wetlands
of 1.4 g/sm3 density
Заключение
Разработана компьютерная модель прямолинейного движения ТТС с РВД по заболоченной местности. При проведении расчетного исследования прямолинейного движения роторно-винтового транспортно-технологического средства установлено, что при изменении угла наклона лопасти до 60° (по сравнению с базовым углом накло-
на в 30°) происходит увеличение возможной максимальной скорости Vmax в среднем в 2,68 раза по сравнению с базовым фиксированным углом наклона. Исходя из полученных результатов, рекомендуем при проектировании ТТС с РВД за основу брать угол наклона винтовой лопасти в 30°.
Библиографический список
1. Cole B.N. Inquiry into amphibious screw traction // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. 1961. No. 19 (175). С. 919-940.
2. Колотилин В.Е., Михеев А.В., Береснев П.О., Беляев А.М., Папунин А.В., Макаров В.С., Зезюлин Д.В., Беляков В.В., Куркин А.А. Статистическая модель выбора геометрических параметров, массово-инерционных и мощностных характеристик транс-портно-технологических машин на роторно-винтовых движителях // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. 2015. № 3 (110). С. 156-208.
3. Наумов В.Н., Машков К.Ю., Бяков К.Е. Моделирование прямолинейного движения транспортно-технологического средства с роторно-винтовым движителем // Известия вузов. Серия: Машиностроение. 2013. № 12. С. 31-35.
4. Папунин А.В., Макаров В.С., Зезюлин Д.В., Беляков В.В. О влиянии ландшафта местности на характеристики снежного покрова и на проходимость транспортных средств // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2014. № 4 (106). С. 331-335.
5. Полотно пути транспортно-технологических машин (справочные материалы к теории «машина -
местность»); под общ. ред. В.В. Белякова и А.А. Куркина. Н. Новгород: Изд-во НГТУ, 2014. 447 с.
6. Донато И.О., Жук В.А., Кузнецов Б.В. [и др.]. Ро-торно-винтовые машины. Основы теории движения. Н. Новгород: ТАЛАН, 2000. 451 с.
7. Кошарный Н.Ф. Технико-эксплуатационные свойства автомобилей высокой проходимости. Киев: Вышейш. шк., 1981. 208 с.
8. Липин А.А., Стрижак А.Д. Статистический прочностной расчет системы «шнек - грунт» // Наука сегодня: глобальные вызовы и механизмы развития: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (Вологда, 26 апреля 2017 г.). В 2 ч. Вологда: Изд-во ООО «Маркер», 2017. Ч. 1. С. 17-19.
9. Липин А.А., Вахидов У.Ш., Вишняков А.В. Стрижак
A.Д. Исследование собственных частот колебаний роторно-винтовых движителей // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. 2017. Т. 20. № 4. С. 3-6.
10. Зубов П.П., Макаров В.С., Зезюлин Д.В., Беляков
B.В, Колотилин В.Е., Куркин А.А. Обзор существующих конструкций сочлененных гусеничных машин и рекомендации по выбору их параметров // Труды НГТУ им Р.Е. Алексеева 2015. № 2 (109).
C. 170-176.
References
1. Cole B.N. Inquiry into amphibious screw traction. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 1961, no. 19 (175), pp. 919-940.
2. Kolotilin V.E., Mikheev A.V., Beresnev P.O., Belyaev A.M., Papunin A.V., Makarov V.S., Zezyulin D.V., Belyakov V.V., Kurkin A.A. Statistical model for selection of geometric parameters, mass-inertial and power characteristics of transport-technological machines on rotary screw propulsion. Trudy Nizhegorodskogo gosu-darstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. R.E. Ale-kseeva [Proceedings of R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University]. 2015, no. 3 (110). pp. 156-208. (In Russian).
3. Naumov V.N., Mashkov K.Yu., Byakov K.E. Simulation of a straight-line motion of a vehicle with a rotary-screw driver. Izvestiya vuzov. Seriya: Mashinostroenie [Proceedings of Higher Educational Institutions. Series Machine-Building]. 2013, no. 12, pp. 31-35. (In Rus-
sian).
4. Papunin A.V., Makarov V.S., Zezyulin D.V., Belyakov V.V. About influence of topography on characteristics of snow cover and vehicles trafficability. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva [Proceedings of R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University]. 2014, no. 4 (106), pp. 331-335. (In Russian).
5. Belyakov V.V. i dr. Polotno puti transportno-tekhnologicheskikh mashin (spravochnye materialy k teorii "mashina - mestnost"); pod obshch. red. V.V. Belyakova i A.A. Kurkina. [Roadbed of transport-technological machines (reference materials to the theory of "machine-locality"); under the general editorship of V.V. Belyakov and A.A. Kurkin]. Nizhnii Novgorod: Novosibirskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet Publ., 2014, 447 p. (In Russian).
6. Donato I.O., Zhuk V.A., Kuznetsov B.V. [et alia]. Ro-torno-vintovye mashiny. Osnovy teorii dvizheniya [Rota-
ry screw machines. Fundamentals of the motion theory]. Nizhnii Novgorod: TALAN Publ., 2000, 451 p. (In Russian).
7. Kosharnyi N.F. Tekhniko-ekspluatatsionnye svoistva avtomobilei vysokoi prokhodimosti [Technical and operational properties of cross-country vehicles]. Kiev: Vysheishaya shkola Publ., 1981, 208 p.
8. Lipin A.A., Strizhak A.D. Statisticheskii prochnostnoi raschet sistemy «shnek - grunt» [Statistical strength calculation of the "screw - soil" system]. Materialy Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii "Nauka segodnya: global'nye vyzovy i mekhanizmy razvitiya" [Materials of the Internernational scientific and practical conference "Science Today: Global Challenges and Development Mechanisms].Vologda: Marker
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Publ., 2017, part 1, pp. 17-19. (In Russian).
9. Lipin A.A., Vakhidov U.Sh., Vishnyakov A.V. Strizhak A.D. Research of natural frequencies of fluctuations of screw-propelled propulsion. Vestnik Izhevskogo gosu-darstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. M.T. Kalashnikova [Bulletin of Kalashnikov ISTU]. 2017, vol. 20, no. 4, pp. 3-6. (In Russian).
10. Zubov P.P., Makarov V.S., Zezyulin D.V., Belyakov V.V, Kolotilin V.E., Kurkin A.A. Overview of existing structures of articulated tracked vehicles and advice in choosing their parameters. Trudy NGTU im R.E. Ale-kseeva [Proceedings of R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University]. 2015, no. 2 (109), pp. 170-176. (In Russian).
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
