ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО ШАГАЮЩЕГО МЕХАНИЗМА ДЛЯ БОЛОТОХОДНОЙ ТЕХНИКИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.113

Петров А.А.

Петров Александр Александрович, конструктор-изобретатель болотно-шагающих технологических машин, лауреат Всероссийского конкурса «Инженер года», внештатный научный сотрудник кафедры технологических машин и оборудования, Тверской государственный технический университет, е-mail: [email protected]

Petrov A.A.

Petrov Alexander A., designer and inventor of mire-walking technological machines, freelance researcher at the Chair of Technological Machines and Equipment of the Tver State Technical University. [email protected]

Зюзин Б.Ф.

Зюзин Борис Федорович, д. т. н., профессор, лауреат Премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники, заведующий кафедрой технологических машин и оборудования, Тверской государственный технический университет, е-mail: [email protected]

Zyuzin B.F.

Zyuzin Boris F., Dr. Sc., Prof., Head of the Chair of Technological Machines and Equipment of the Tver State Technical University. [email protected]

ОБОСНОВАНИЕ

РАЦИОНАЛЬНОГО

ШАГАЮЩЕГО

МЕХАНИЗМА

ДЛЯ БОЛОТОХОДНОЙ

ТЕХНИКИ

Аннотация. Приведены конструкции различных шагающих механизмов и машин и дан их критический анализ, отмечены индивидуальные недостатки и положительные качества, присущие той или иной конструкции шагающей машины применительно к возможности ее применения в болотоходной технике.

На основе приведенных теоретических и экспериментальных исследований по критериям плавности хода, проходимости, экологичности и энергоемкости обоснована рациональная конструкция шагающего механизма для его использования в болотоходных машинах в условиях труднопроходимых неосушенных торфяных болот. Рациональная конструкция шагающего механизма первоначально была применена в конструкциях физической модели и натурального экспериментального образца шагающего болотохода БШ-1, а в дальнейшем использована во всех последующих образцах болотоходной техники БТ-1, БТ-2 и др., включая серийные образцы БШМ, БШМ-1 и перспективные машины.

JUSTIFICATION

OF RATIONAL WALKING

MECHANISM

FOR SWAMP-WALKING

EQUIPMENT

Abstract. The designs of various walking mechanisms and machines are given and their critical analysis is given, individual disadvantages and positive qualities inherent in a particular design of a walking machine are noted in relation to the possibility of its use in swamp-walking equipment. Based on the above theoretical and experimental studies on the criteria of smooth running, patency, environmental friendliness and energy intensity, a rational design of a walking mechanism is justified for its use in swamp-walking machines in conditions of impassable undried peat bogs. The rational design of the walking mechanism was initially used in the designs of a physical model and a natural experimental sample of a walking swamp walker BSH-1, and later used in all subsequent samples of swamp-walking equipment BT-1, BT-2, etc., including serial samples of BSHM, BSHM-1 and promising machines.

Ключевые слова: шагающий механизм, шагающая машина, плавность хода, проходимость, экологич-ность, энергоемкость, рациональная конструкция, шагающий болотоход, торфяное болото.

Keywords: walking mechanism, walking machine, smooth running, patency, environmental friendliness, energy consumption, rational design, walking swamp walker, peat bog.

Из патентно-технической литературы и предшествующего уровня техники известно несколько основных видов механизмов шагания, или шагающих механизмов, основанных на преобразовании вращательного движения приводного вала двигателя в поступательное движение шагающих опор или ног.

К таким механизмам в первую очередь можно отнести «стопоходящую машину» П.Л. Че-бышева, механизм шагания Джо Кланна, механизм Тео Янсена и различные их модификации.

Первый в мире шагающий механизм в виде стопоходящей машины, или стопохода, изобрел и воплотил в жизнь в виде макета русский математик и механик П.Л. Чебышев, который во второй половине XIX века проводил исследования шарнирно-рычажных механизмов, служащих для приближенного преобразования кругового движения в прямолинейное [1, 2].

Основой стопохода служит лямбда-механизм, получивший название из-за сходства с греческой буквой «лямбда» (рис. 1).

Лямбда-механизм состоит из четырех звеньев: неподвижного звена, на котором установлены шарниры О и D, и трех подвижных звеньв АО, АС и ВD, которые имеют определенные и зависимые между собой длины.

Так, если длина ведущего звена АО лямбда-механизма равна 1, то длина звена ВD будет равна 2,51, а длина звена АС равна 51.

При этом длины отрезков АВ и ВС равны 2,51. Ведущее звено АО вращается по окружности относительно точки О (шарнира О), а ведомое звено АС своей верхней точкой С (шарниром С) описывает траекторию, нижняя часть

Рис. 1. Лямбда-механизм П.Л. Чебышева Fig. 1. «Lambda» mechanism of P.L. Chebyshev

которой мало отличается от прямолинейного движения, а верхняя часть похожа на движение копыта лошади.

К ведомому звену АС лямбда-механизма в его верней точке прикрепляется нога, которая описывает ту же траекторию, что и шарнир С.

П.Л. Чебышев считал, что с точки зрения проходимости траектория движения, описываемая верхней точкой ведущего звена, может стать рациональной в техническом применении в шагающих машинах по сравнению с существующими колесными машинами.

Стопоход П.Л. Чебышева состоит из четырех лямбда-механизмов с прикрепленными к ним ногами.

При этом у стопохода лямбда-механизмы объединены в две пары и смонтированы на одном общем основании (рис. 2).

Шагающий механизм П.Л. Чебышева пользовался большим успехом на Всемирной выставке в Париже в 1878 году.

Тем не менее стопоходящей машине с точки зрения ее применения в болотоходной технике присущи такие недостатки, как громоздкость конструкции и сложность устройства привода. А поворот стопохода остается вообще нерешенной задачей.

Механизм шагания Джо Кланна аналогично механизму шагания П.Л. Чебышева представляет собой плоский шарнирно-рычажный механизм, имитирующий походку животных (рис. 3) [3].

На левом рисунке (рис. 3) кривошип показан в виде крайнего правого звена механизма и расположен под углом 0°.

Пропорции каждого из звеньев механизма определяются необходимостью приблизить к

Рис. 2. Макет стопохода П.Л. Чебышева Fig. 2. Layout of P.L. Chebyshev's «stopover»

Рис. 3. Механизм шагания Джо Кланна в четырех положениях шатуна (0°, 90°, 180° и 270°)

Fig. 3. Joe Klann's walking mechanism in four connecting rod positions (0°, 90°, 180° and 270°)

Рис. 4. Шагающая машина из двух механизмов шагания Джо Кланна

Fig. 4. A walking machine consisting of two Joe Klann walking mechanisms

линейному характер движения «ножки» (нижнего звена). За первые пол-оборота кривошипа «ножка» перемещается приближенно линейно, а за оставшиеся пол-оборота она поднимается на заданную высоту, прежде чем вернуться в исходное положение, после чего цикл движений повторяется.

Два механизма шагания Джо Кланна, соединенные вместе через кривошипы и сдвинутые друг относительно друга по фазе на полцикла, представляют собой шагающую машину, корпус которой при шагании перемещается параллельно опорной поверхности. Такая машина выглядит как длинноногое шагающее животное (рис. 4).

Машина, оснащенная механизмами шагания Кланна, может взбираться по ступеням, перешагивать через некоторые препятствия, которые недоступны, например, колесным движителям.

Нидерландский ученый, художник и кинематический скульптор Тео Янсен, которого называют скульптором животных, разработал и построил ряд шагающих механизмов больших размеров, напоминающих скелеты животных, которые способны передвигаться под воздействием силы ветра по песчаным пляжам [4].

Тео Янсен подбирал на компьютере размеры рычагов, чтобы получить нужную шагающую траекторию.

Траекторий получалось много, но все они далеки от траектории движения ног стопоходящей машины П.Л. Чебышева.

Эти траектории, скорее всего, ближе к траекториям движения ног насекомых.

Шагающие механизмы и машины П.Л. Чебышева, Джо Кланна и Тео Янсена в силу своих недостатков (сложность устройства привода, невозможность поворота и др.) до сих пор не нашли своего практического применения в бо-лотоходной технике, но могут найти применение в робототехнике.

Так, на основе приведенных выше механизмов ведутся работы по разработке плоских шагающих роботов [5].

Для проверки возможности использования механизма П.Л. Чебышева в шагающей болотоходной технике на кафедре «Торфяные машины и комплексы» Калининского политехнического института (ныне Тверского государственного технического университета - ТвГТУ) была изготовлена и опробована в действии модель самоходного шагающего транспортного средства (рис. 5) [6].

С "//-/-/У----//'

' 1 . ,,,'.■

Рис. 5. Схема процесса передвижения самоходного шагающего транспортного средства с кривошипно-шатунным механизмом типа «прямила Чебышева» [6]

Fig. 5. Diagram of the movement process of a self-propelled walking vehicle with a crank mechanism of the «Chebyshev straight» type [6]

Каждая шагающая опора такой машины была соединена со свободными концами шатунов двух синхронно установленных приводных кривошипно-шатунных механизмов типа «прямила Чебышева» [1].

Качалки этих механизмов были шарнирно установлены на ходовой раме.

Поворотливость самоходного транспортного средства обеспечивалась в процессе его передвижения за счет сокращения длины шага соответствующей опоры.

Положительным качеством рассмотренной выше шагающей машины явилась удовлетворительная плавность движения рамы (корпуса).

Однако испытания модели и анализ механизма шагания машины показали ее неперспективность из-за того, что в момент перехода опор с прямолинейного участка на шатунную траекторию звенья шарнирно-рычажных механизмов подходят к «мертвому» положению и в приводе возникают значительные усилия.

Изучением и разработкой шагающих механизмов и машин в нашей стране и за рубежом начали заниматься еще с середины 50-х - начала 60-х годов прошлого столетия.

А в конце 60-х годов В.П. Харлов разработал экспериментальный образец шагающей машины (болотохода) с механическим приводом механизма шагания, предназначенный для освоения неосушенных торфяных залежей Западной Сибири (рис. 6) [7].

Шагающая машина В.П. Харлова состоит из рамы, жестко соединенной с боковыми опорами, центральной опоры и механизмов подъема, перемещения и поворота опор.

Центральная опора соединена с боковыми опорами с помощью коленчатых валов, на концах каждого из которых установлены катки.

Катки помещены в направляющие опор с осевым зазором и возможностью перекатываться в них. Горизонтальное движение машины происходит при помощи тяговой лебедки механизма перемещения. Механизм поворота выполнен с толкателями, приводимыми в движение гидроцилиндрами, закрепленными на раме. Для обеспечения плавучести машины ее опоры выполнены полыми и герметичными в виде понтонов.

В процессе испытаний машины В.П. Харлова выявлены существенные недостатки его шагающего движителя: низкая поворотливость, сложность управления и др. [8].

Дальнейшие работы по испытаниям и усовершенствованию экспериментального образ-

ца машины данной конструкции из-за указанных выше недостатков были прекращены.

В начале 70-х годов В.П. Харлов разработал еще один экспериментальный образец шагающей машины - «Сибирь» - с гидравлическим приводом механизма шагания [9].

Шагающая машина «Сибирь» имела два двигателя и две системы электроснабжения и запуска. Среднее давление на грунт такого движителя сотавляло 8,5 кПа, максимальная скорость передвижения 1 км/ч, наименьший радиус поворота 8 м, а масса 20 т.

Испытания экспериментального образца машины «Сибирь» были прекращены из-за ненадежной работы гидропривода, недостаточной величины клиренса и других недостатков движителя [9].

СибНИПИгазстрой спроектировал экспериментальный образец шагающего экскаватора с гидроприводом механизма шагания (рис. 7) [10].

Рис. 6. Экспериментальный образец шагающей машины конструкции В.П. Харлова [7]

Fig. 6. Experimental sample of a walking machine designed by V.P. Kharlov [7]

Рис. 7. Экспериментальный образец шагающего экскаватора конструкции СибНИПИгазстроя [10]

Fig. 7. Experimental sample of a walking excavator structure SibNIPIgazstroy [10]

Такая шагающая машина в болотном исполнении была предназначена для строительства трубопроводов на болотах в летнее время.

Масса экскаватора составляла 23 т, мощность двигателя насосной станции 79,4 кВт, давление на грунт 9-14 кПа, скорость передвижения 0,4-1,0 км/ч, наименьший радиус поворота 9 м, высота подъема опор 0,5 м.

При испытании экспериментального образца шагающего экскаватора выявились его существенные недостатки: сложность конструкции гидропривода механизма шагания, сложность управления и эксплуатации гидропривода, а также низкая надежность его работы [10].

Уралмашзаводом разработаны образцы шагающих экскаваторов с гидравлическим и механическим приводами механизма шагания (рис. 8, 9) [11-16].

Движители этих экскаваторов состоят из корпуса (центральной опоры), двух боковых опор и привода.

Платформа экскаватора вместе со стрелой имеет возможность свободно поворачиваться относительно корпуса при его опирании на грунт.

В момент шагания экскаватор опирается на боковые опоры и волочащуюся по грунту

кромку корпуса, создавая третью подвижную точку опоры.

Боковые опоры экскаваторов Уралмашза-вода ЭШ-10/75, ЭШ-14/75 и ЭШ-20/65 с гидравлическим приводом шарнирно подвешены по обеим сторонам корпуса с помощью двух подъемных и двух вспомогательных гидроцилиндров через траверсу [11, 12, 16].

Управление механизмом шагания движителей осуществляется посредством автоматически действующей гидросистемы.

Боковые опоры экскаваторов Уралмашзаво-да ЭШ-1 и ЭШ-4/40 с механическим приводом шарнирно подвешены на две эксцентриковые рамы [13-15].

В процессе шагания эксцентрики экскаватора, насаженные на ходовой вал, своими шипами переносят эксцентриковые рамы и боковые опоры вперед по направлению движения и опускают их на грунт, а затем, опираясь на них, наклоняют экскаватор в сторону стрелы, одновременно перемещая его.

К недостаткам экскаваторов с гидроприводом механизма шагания можно отнести низкую надежность его работы из-за значительного нагрева масла в гидросистеме при частых ее переключениях, сложность гидросистемы по обеспечению поочередности и синхроннос-

Рис. 8. Схема процесса передвижения шагающих экскаваторов Уралмашзавода ЭШ-10/75, ЭШ-14/75 и ЭШ-20/65 с гидроприводом механизма шагания [11, 12, 16]

Fig. 8. Diagram of the movement process of Uralmashzavod walking excavators ESH-10/75, ESH-14/75 and ESH-20/65 with hydraulic stepping mechanism [11, 12, 16]

с механическим приводом механизма шагания [13, 15]

Fig. 9. Diagram of the movement process of Uralmashzavod walking excavators ESH-1 and ESH-4/40 with a mechanical drive of the walking mechanism [13, 15]

ти перемещения опор, высокую энергоемкость процесса шагания из-за волочения по грунту корпуса.

Одним из недостатков движителей экскаваторов ЭШ-1 и ЭШ-4/40 с механическим приводом механизма шагания аналогично движителям экскаваторов с гидравлическим приводом является высокая энергоемкость процесса шагания из-за волочения по грунту корпуса.

Типичным примером шагающего механизма, выполненного с применением синхронно установленных приводных коленчатых валов (кривошипов), является конструкция, предложенная И.Е. Киселевым (рис. 10) [17].

Близким аналогом такой конструкции является механизм шагания по патенту США № 3366192.

Недостатки конструкции шагающего механизма И.Е. Киселева, выполненного с использованием коленчатых валов, приведены ниже.

Анализ патентно-технической литературы позволил выявить две нетиповые конструк-

ции шагающих механизмов, которые разработаны А.М. Ивановым и Н.Н. Кокуевым [18, 19].

Шагающий механизм конструкции А.М. Иванова (рис. 11) состоит из двух боковых опор и центрального корпуса, по бортам которого установлен шарнирно-рычажный механизм в виде спаренных понтографов, ведущие точки которого шарнирно соединены с силовым приводом посредством установленного на корпусе эксцентрика, а ведомые - с боковыми опорами [18].

Невозможность поворота в процессе передвижения, большие габариты шарнирно-ры-чажного механизма в вертикальной плоскости и другие недостатки снижают эффективность применения шагающего механизма конструкции А.М. Иванова в болотоходной технике.

Шагающий механизм конструкции Н.Н. Ко-куева (рис. 12) состоит из корпуса, поворотно установленного на центральной опоре, и двух боковых опор [19].

Они соединены с корпусом двухколенным ведущим валом.

Рис. 10. Схема процесса передвижения шагающего механизма конструкции И.Е. Киселева [17] Fig. 10. Diagram of the process of movement of the walking mechanism of I.E. Kiselev's design [17]

©

®l

Рис. 11. Схема процесса передвижения шагающего механизма конструкции А.М. Иванова [18] Fig. 11. Diagram of the movement process of the walking mechanism of A.M. Ivanov's design [18]

направляющими подковообразной формы [19]

Fig. 12. Diagrams of the process of movement of the walking mechanism of N.N. Kokuev with front and rear horseshoe-shaped guides [19]

Для снижения вертикальных колебаний корпус механизма снабжен четырьмя парами бесконечно замкнутых направляющих подковообразной формы, расположенных в вертикальных параллельных плоскостях.

Посредством этих направляющих корпус установлен на концы цапф дополнительных коленчатых валов.

Каждый коленчатый вал поворотно связан одной цапфой с корпусом, а другой - с боковой опорой.

Одним из основных недостатков механизма конструкции Н.Н. Кокуева является резкий переход его направляющих от прямолинейного участка к криволинейному.

При повороте коленвала в горизонтальное положение может происходить его заедание и заклинивание.

Подковообразная форма направляющих вызывает повышенные динамические нагрузки в приводе и способствует увеличению сопротивления передвижению движителя.

С середины 70-х годов в Калининском политехническом институте были начаты работы по созданию высокопроходимых болотоход-ных машин с шагающим движителем.

Работы выполнялись на кафедре «Торфяные машины и комплексы» по тематическому плану НИР по проблеме 0.55.13.Ц.03.06:03.11.

Было изготовлено несколько малогабаритных моделей шагающих машин различных конструкций и проведена проверка принципа их действия.

Разработана, изготовлена и опробована в действии модель шагающей машины с замкнутыми передними и задними направляющими овальной формы (точнее - овалообразной формы) (рис. 13).

Шагающая машина с овальной формой передних и задних направляющих состоит из рамы и трех параллельно установленных опор, центральной и двух боковых.

Привод на опоры осуществляется с помощью некруглых цепных передач и цевочных зацеплений.

Опоры в процессе шагания совершали плоско-параллельное передвижение относительно поверхности грунта.

Рама движителя перекатывалась на катках по передним и задним направляющим.

Испытания показали работоспособность движителя.

Некруглые цепные передачи несколько уменьшили величину вертикальных колебаний корпуса и увеличили плавность хода.

В то же время были выявлены следующие существенные недостатки такого движителя:

- невозможность одновременной работы передних и задних цевочных зацеплений (работало какое-либо одно из них);

- сложность регулирования смещения привода на 180° на среднюю опору по отношению к приводу на боковые опоры для обеспечения поочередного шагания опор (имело место рассогласование в работе привода);

- значительные усилия в приводе опор в момент их перестановки, обусловленные кинематикой движителя.

Позднее в конструкцию рассмотренного шагающего механизма с передними и задними овальными направляющими были внесены два усовершенствования, одно из которых было направлено на увеличение плавности хода [20], а второе на повышение надежности работы [21].

Однако сделанные усовершенствования не были направлены на изменение принципиального характера передвижения его опор и рамы.

Выше отмечены индивидуальные недостатки и положительные качества, присущие той или иной конструкции шагающей машины.

Общими недостатками шагающих машин с гидравлическим приводом механизма шагания являются сложность в управлении и в эксплуатации, а также низкая надежность работы.

овальной формы

Fig. 13. Diagram of the process of movement of a walking mechanism with front and rear guides of oval shape

Так, в самом простом случае в конструкцию гидравлического привода трехопорной боло-тоходной шагающей машины должно входить как минимум 9 силовых гидроцилиндров: по 2 вертикальных на подъем каждой опоры и по одному на ее перемещение в горизонтальной плоскости.

Включение и выключение гидроцилиндров производится гидрозолотниками, входящими в состав элементов системы управления.

Для осуществления лишь одного шага опоры требуется совершить 8 переключений элементов гидропривода, а при выполнении целого цикла шагания при условии работы боковых опор синхронно - 16 переключений.

Большое количество переключений элементов гидропривода приводит к значительному нагреву рабочей жидкости в гидросистеме и быстрому износу ее элементов.

К общим недостаткам конструкций рассмотренных шагающих машин с механическим приводом механизма шагания можно отнести:

- нерациональный принцип передвижения корпуса из-за большой амплитуды его вертикальных колебаний, которая характеризует низкую плавность хода(величина амплитуды колебаний рамы равна высоте подъема опор);

- нерациональный принцип передвижения опор, обусловленный их подъемом, переносом и опусканием параллельно поверхности грунта, который характеризуется повышенными динамическими нагрузками в приводе и неполным использованием возможностей конструкции по проходимости из-за пассивности переносимых опор. Требовалась разработка шагающего механизма более рациональной конструкции, лишенного отмеченных выше недостатков, имеющего более низкую амплитуду вертикальных колебаний и более высокую плавность хода и проходимость, с новым принципом взаимодействия его шагающих опор с грунтом.

Была предложена конструкция нового шагающего механизма, перемещение рамы которого производится на катках по передним овалообразным и задним прямолинейным направляющим, а передвижение опор осуществляется с преимущественным подъемом ее передней части аналогично движению ступни человека [22, 23].

Формы передних и задних направляющих рассмотренных выше известных механизмов шагания с механическим приводом механизма

шагания и предложенного механизма приведены ниже (рис. 14).

Для определения рациональной конструкции предложенного шагающего механизма по различным критериям необходимо было определить наилучшее положение задней прямолинейной направляющей по высоте и по углу ее наклона относительно положения передней овальной направляющей.

Данная задача имела два варианта для исследования по условиям установки задних направляющих.

С одной стороны, задние направляющие конструктивно могут быть установлены на раме, тогда взаимодействующие с ними задние катки - на опорах.

С другой стороны, наоборот, задние направляющие могут быть установлены на опорах, тогда взаимодействующие с ними задние катки - на раме.

Что касается передних направляющих, то они по конструктивным соображениям однозначно принадлежат опорам.

Поскольку передние катки связаны с приводом перемещения опор, который установлен

Рис. 14. Формы передних и задних направляющих механизмов шагания: а - передняя и задняя направляющие подковообразной формы [19]; б - передняя и задняя направляющие овальной формы [20, 21]; в - передняя овальная направляющая и задняя прямолинейная направляющая [22, 23], установленные на модели шагающей машины [24, 25]

Fig. 14. Shapes of the front and rear guide mechanisms of walking: a - front and rear horseshoe-shaped guides [19]; b - front and rear oval-shaped guides [20, 21]; c - front oval guide and rear rectilinear guide [22, 23], mounted on a walking machine model [24, 25]

на раме, то с конструктивной точки зрения они должны устанавливаться на раме, а взаимодействующие с ними передние направляющие - соответственно на опорах.

Исследование траекторий движения рамы с целью определения амплитуды ее колебаний и оценки плавности хода проведено для двух вариантов конструкций шагающей машины.

По варианту № 1 задние направляющие установлены на раме машины, а задние катки -на опоре.

По варианту № 2 задние направляющие установлены на опоре, а задние катки - на раме (рис. 15).

Схема исследуемых положений задней направляющей по углу ее наклона у и высоте установки ^ относительно продольной оси симметрии передней направляющей показана ниже (рис. 16).

Угол наклона задней направляющей (у) в экспериментах изменялся через 2,5° в диапазоне от -10° до +10°, а высота изменя-

т.К \т.В

а)

Рапа т.А Опора Рама

б)

Рис. 15. Варианты установки задних направляющих на шагающей машине: а - задние направляющие установлены на раме (вариант № 1); б - задние направляющие установлены на опорах (вариант № 2); т. А и т. К - точки для исследования траекторий движения рамы; т. В и т. С - точки для исследования траекторий движения опоры; О - О - продольная ось симметрии передней направляющей

Fig. 15. Options for installing rear guides on a walking machine: a - rear guides are mounted on the frame (option No. 1); b - rear guides are mounted on supports (option No. 2); t. A and t. K - points for studying the trajectories of the frame; t. B and t. C - points for studying support movement trajectories; O - O - the longitudinal axis of symmetry of the front guide

Рис. 16. Схема расположения задних прямолинейных направляющих относительно продольной оси симметрии передних овальных направляющих

Fig. 16. Layout of the rear rectilinear guides relative to the longitudinal axis of symmetry of the front oval guides

лась через 100 мм в диапазоне от -200 мм до +200 мм.

Для определения рационального положения направляющих шагающей машины по критерию плавности хода были проведены экспериментальные исследования по определению амплитуды вертикальных колебаний задней части его рамы Zз в зависимости от угла наклона задних направляющих у и высоты их установки ^ относительно продольной оси симметрии передних направляющих в предположении, что вертикальные колебания передней части рамы отсутствуют, то есть точка К на раме в процессе движения не меняет своего положения по высоте.

Экспериментальные исследования выполнены графически и с использованием геометрически подобной модели шагающей машины.

Исследуемым параметром траектории движения рамы принята амплитуда ее вертикальных колебаний Zз в точке А, расположенной для варианта № 1 на середине задней направляющей, а для варианта № 2 - в центре заднего катка (рис. 15).

В процессе экспериментальных исследований для точки А рамы получена серия траекторий движения, типовая из которых приведена ниже (рис. 17).

В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости амплитуды вертикальных колебаний рамы Zз от угла наклона задней направляющей у (рис. 18) и от высоты ее установки ^ (рис. 19) для указанных выше двух вариантов конструкций движителей.

Из приведенных выше зависимостей следует, что угол наклона задней направляющей у и

-==■*- iL

* V

L - j,

Рис. 17. Типовая траектория движения рамы шагающей машины в точке А: Z3 - амплитуда вертикальных колебаний рамы в т. А; L - длина траектории, соответствующая длине шага опоры

Fig. 17. The typical trajectory of the frame of a walking machine at point A: Z3 - the amplitude of the vertical vibrations of the frame in t. A; L - the length of the trajectory corresponding to the length of the support step

Рис. 18. Зависимость амплитуды вертикальных колебаний рамы шагающей машины Z3 от угла наклона ее задней направляющей у при ее установке: 1 - на раме (вариант № 1); 2 - на опоре (вариант № 2)

Fig. 18. The dependence of the amplitude of vertical vibrations of the frame of the walking machine Z3 on the angle of inclination of its rear guide y when it is installed: 1 - on the frame (option No. 1); 2 - on the support (option No. 2)

L10'3

7

\

\ ч

2

\

-0,2 -0,1 0 0.1 Q2h.fi

Рис. 19. Зависимость амплитуды вертикальных колебаний рамы шагающей машины Fig. 19. Dependence of the amplitude of vertical vibrations of the frame of a walking machine

высота ее установки hR оказывают существенное влияние на характер траекторий движения рамы, величину амплитуды ее вертикальных колебаний и плавность хода шагающего движителя.

Анализ полученных зависимостей Z3 = ф(у) и Z3 = ф^н) позволяет сделать следующие выводы.

1. Минимальная величина амплитуды вертикальных колебаний рамы шагающей машины Zз, а стало быть, и наибольшая плавность ее хода в обоих вариантах будет иметь место при установке задней направляющей горизонтально (у = 0°) и на уровне продольной оси симметрии передней направляющей (hR = 0); Zз от высоты расположения задней направляющей hR при ее горизонтальной установке: 1 - на раме (вариант № 1); 2 - на опоре (вариант № 2).

2. По варианту № 2 при y = 0° и при hR = 0 амплитуда вертикальных колебаний рамы Zз в 1,35 раза меньше, чем по варианту № 1, поэтому более выгодным по критерию плавности хода является конструкция по варианту № 2, при котором задняя направляющая установлена на опоре.

3. Амплитуда вертикальных колебаний рамы Zз шагающего движителя в варианте № 2 остается постоянной при изменении высоты установки задней направляющей при y = 0°, то есть Zз = ф(^) = Const.

Таким образом, для снижения амплитуды вертикальных колебаний рамы шагающей машины и повышения ее плавности хода необходимо задние прямолинейные направляющие при конструировании по варианту № 1 устанавливать горизонтально и на уровне про-

дольной оси симметрии передних направляющих, а по варианту № 2 - горизонтально и на конструктивно удобной высоте.

При этом по критерию плавности хода шагающей машины вариант № 2 предпочтительнее.

Для обоснования рационального механизма шагания по критерию плавности хода для шагающей машины БШ-1 [22, 23] и для других известных конструкций шагающих машин [13, 17, 18] графически и с использованием геометрически подобной модели построен ряд траекторий движения рам (рис. 20).

На рис. 20а и 20б приведены амплитуды Z вертикальных колебаний рам в любой их точке, так как при перемещении рамы шагающих механизмов [13-15, 17, 18] совершают плоскопараллельное движение ; Zп -амплитуда вертикальных колебаний передней части рамы без механизма стабилизации горизонтального положения; Zз - амплитуда вертикальных колебаний задней части рамы; Н0 - максимальная высота подъема опор.

Сравнение траекторий движения рам различных шагающих машин, механизмы которых выполнены с использованием эксцентриков, коленчатых валов, рычагов и направляющих различной формы, показало их существенное отличие друг от друга по своему характеру.

Из анализа траекторий следует, что рамам присущи значительные вертикальные колебания Z.

Амплитуда колебаний этих рам для большинства известных шагающих машин равна максимальной высоте подъема их опор Н0 и по расчетам в несколько раз превышает допустимое значение. Амплитуда вертикальных колеба-

, Л г V 5: :

S Li

— :

Î2 !

Ы 1 T f T

¿3

-Y- -y-

1 h 1 es V/ Kî

Рис. 20. Траектории движения рам шагающих машин и амплитуды их колебаний Z: а - экскаваторов ЭШ-1; ЭШ-4/40 [13-15]; б - машин конструкций И.Е. Киселева [17], А.М. Иванова [18] и по патенту США № 3366192; в, г - болотоходов БШ и БШ-1 [22, 23]

Fig. 20. Trajectories of walking machine frames and their oscillation amplitudes Z: a - excavators ESH-1; ESH-4/40 [13-15]; b - machines designed by I.E. Kisilev [17], A.M. Ivanov [18] and according to US patent No. 3366192; c, g - swamp walkers BS and BS-1 [22, 23]

ний передней части рамы движителя шагохода 2п в 2 раза меньше амплитуд 2 вертикальных колебаний рам других известных шагающих движителей и в центре переднего катка составляет всего лишь 0,5Н0. В задней части амплитуда 2з в 5 раз меньше и в центре заднего катка для варианта № 1 не превышает 0,2Н0, а для варианта № 2 еще меньше. Исходя из полученных траекторий можно сделать вывод о значительном преимуществе механизма шагания машин с овальной передней и прямолинейной задней направляющими по критерию плавности хода по сравнению с приведенными выше механизмами других шагающих движителей.

Для полного устранения вертикальных колебаний 2п передней части рамы шагающих машин

с овальной передней и прямолинейной задними направляющими в их конструкциях применены стабилизаторы горизонтального положения, описание устройства и принципа действия которых представляет собой отдельную тему и в данной статье не рассматривается.

Анализ известных конструкций шагающих машин [11, 13, 17, 18 и др.] показал, что все они имеют нерациональный принцип передвижения опор, который обусловлен их плоско-параллельным движением относительно грунта во всех фазах движения (при подъеме, передвижении и опускании на грунт).

При плоско-параллельном движении каждая опора в процессе ее переноса становится пассивной, так как не взаимодействует с грун-

том, что не дает дополнительных возможностей по проходимости, особенно на силь-нодеформируемом грунте, каким является неосушенное торфяное болото.

Передвижение каждой опоры шагающей машины с овальной передней и прямолинейной задней направляющими в фазе подъема осуществляется с преимущественным подъемом ее передней (носовой) части, а в фазе переноса - наклонно к поверхности грунта аналогично движению ступни человека [22, 23].

Рассмотрим, как влияют на параметры траектории движения опоры шагающей машины угол наклона ее задних прямолинейных направляющих у и высота их установки ^ относительно положения передних овальных направляющих.

Экспериментальные исследования траекторий движения опоры аналогично исследованию траекторий движения рамы выполнены графически и с использованием геометрически подобной модели шагающей машины.

В качестве основных исследуемых параметров траекторий движения опоры приняты

длина шага опоры L, высота подъема опоры в конце фазы ее передвижения Н0 и углы наклона к поверхности грунта фп и фз траекторий движения передней и задней точек опоры (т. В и т. С), положение которых на опоре показано выше (рис. 15).

В процессе экспериментальных исследований получена серия траекторий движения шагающей опоры в ее передней и задней точках (т. В и т. С) в зависимости от положения задних направляющих относительно передних направляющих.

Типовые траектории движения опоры приведены ниже (рис. 21).

По полученным траекториям движения шагающей опоры построены зависимости изменения ее параметров Н0, фп и фз) от угла наклона задних направляющих у и от высоты их расположения ^ относительно продольной оси симметрии передних направляющих для двух вариантов конструкций движителей (при установке задних направляющих на раме и на опорах) (рис. 22-25).

а)

б)

Рис. 21. Типовые траектории движения опоры и их основные параметры для шагающей машины с овальной передней и прямолинейной задней направляющими: а - траектория движения передней точки опоры (т. В); б - траектория движения задней точки опоры (т. С); L - длина шага; Н0 и Н - высоты подъема передней и задней точек опоры в конце фазы ее передвижения; фп и фз - углы наклона траекторий движения точек опоры в фазе передвижения

Fig. 21. Typical trajectories of the support movement and their main parameters for a walking machine with oval front and rectilinear rear guides: a - the trajectory of the front fulcrum (t. C); b - the trajectory of the rear fulcrum (t. C); L - the length of the step; H0 and H are the lifting heights of the front and rear support points at the end of its movement phase; fp and fz are the angles of inclination of the trajectories of the movement of the support points in the movement phase

/, лI (fi ,(р} град. Но М

и 1.2 Ю 0.8 0.6

_8. _0.40 /

± /

6 0.35 ч

\ \

4 _0,30 / \ 4

/ / X

P 0,25 / / \ \

-4-

_0. 0.20

\

-7 0.15 \ /

/

_-4 0.10

_-6 005

10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -в -10 ГгР®

Рис. 22. Зависимость параметров траектории движения опоры шагающей машины с овальными передними и прямолинейными задними направляющими от угла наклона задних направляющих у при их установке на раме: 1 - длина шага опоры L, м; 2 - высота подъема передней точки опоры в конце фазы ее переноса Н0, м; 3 - угол наклона к поверхности грунта траектории движения передней точки опоры (т. В) фп, град; 4 - угол наклона к поверхности грунта траектории движения задней точки опоры (т. С) фз,град

Fig. 22. Dependence of the parameters of the trajectory of the support of a walking machine with oval front and rectilinear rear guides on the angle of inclination of the rear guides y when they are installed on the frame: 1 - the length of the support step L, m; 2 - the lifting height of the front fulcrum at the end of its transfer phase H0, m; 3 - the angle of inclination to the ground surface of the trajectory of the front fulcrum (t. В) of the af, deg; 4 - the angle of inclination to the ground surface of the trajectory of the rear fulcrum (t. С) fz, deg

L. M; tfn ,(p¡.град.; H.n

1.8 ¡6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6

8 _0.40 \ s \ / И

\ S /

6 0.35 \

\ -- J

_4. _0.30 N О

_2. 0.25 \

\ N

_0. 0.20 \ \

\

-? 0.15

-4 0.10 \ N

N

_-6 005

4

2

0

-2

-4

l-

Рис. 23. Зависимость параметров траектории движения опоры шагающей машины с овальными передними и прямолинейными задними направляющими от угла наклона задних направляющих у при их установке на опорах: 1 - длина шага опоры L, м; 2 - высота подъема передней точки опоры в конце фазы ее переноса Н0, м; 3 - угол наклона к поверхности грунта траектории движения передней точки опоры фп, град; 4 - угол наклона к поверхности грунта траектории движения задней точки опоры фз, град.

Fig. 23. Dependence of the parameters of the trajectory of the support of a walking machine with oval front

and rectilinear rear guides on the angle of inclination of the rear guides y when they are installed on the supports:

1 - the length of the support step L, m; 2 - the lifting height of the front fulcrum at the end of its transfer phase H0, m;

3 - the angle of inclination to the ground surface of the trajectory of the front point of the support of the фп, deg;

4 - the angle of inclination to the ground surface of the trajectory of the rear fulcrum фз, deg.

/, М; (fn,<Рз.грай; Но.М

1.8 1.6 и 1.2 1.0 0.8 0.6 OA

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 h*n

Рис. 24. Зависимость параметров траектории движения опоры шагающей машины с овальными передними и прямолинейными задними направляющими от их высоты расположения h„ при горизонтальной установке на раме: 1 - длина шага опоры L; 2 - высота подъема опоры Н0;

3 - угол наклона к поверхности грунта траектории движения передней точки опоры фп, град;

4 - угол наклона к поверхности грунта траектории движения задней точки опоры фз, град.

Fig. 24. Dependence of the parameters of the trajectory of the support of a walking machine with oval front and rectilinear rear guides on their height of the hh position when installed horizontally on the frame: 1 - the length of the support step L; 2 - the lifting height of the support H0; 3 - the angle of inclination to the ground surface of the trajectory of the front fulcrum фп, deg; 4 - the angle of inclination to the ground surface of the trajectory of the rear fulcrum фз, deg.

L. h;

1.8 1.6 U 1.2 1.0 0.8 0.6 0Л

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 h*n

Рис. 25. Зависимость параметров траектории движения опоры шагающей машины с овальными

передними и прямолинейными задними направляющими от высоты их расположения hM

при их горизонтальной установке на опорах: 1 - длина шага опоры L; 2 - высота подъема опоры Н0;

3 - угол наклона к поверхности грунта траектории движения передней точки опоры фп; 4 - угол наклона

к поверхности грунта траектории движения задней точки опоры фз

Fig. 25. Dependence of the parameters of the trajectory of the support of a walking machine with oval front and rectilinear rear guides on the height of their location hh when they are installed horizontally on the supports: 1 - the length of the support step L; 2 - the lifting height of the support H0; 3 - the angle of inclination to the ground surface of the trajectory of the front fulcrum фп; 4 - the angle of inclination to the ground surface of the trajectory of the rear fulcrum фз

<рп,(р}грай; Им

<рп,(р}грай; И.м

2

Я _ОАО /

в 0.35 \ 1

/

4 _0.30 у

0,25 \ 7

J

_0 0.20

-? 015

-i 0.10

_-6 0,05

Зависимость параметров траектории движения опоры от угла наклона задних направляющих у при их установке на раме и на опорах близки по характеру и по своим значениям.

Разница в значениях параметров состоит в том, что при установке задних направляющих на опорах их длина шага на 0,2 м меньше, высота подъема на 0,03-0,05 м больше, угол фп на 2,5 градуса меньше, а угол фз на 2 градуса больше, чем при установке задних направляющих на раме.

Как следует из графиков, угол наклона задних направляющих у и высота их установки ^ оказывают существенное влияние на характер траектории движения опоры и, как следствие, на экологичность, энергоемкость и проходимость шагающей машины.

По полученным зависимостям проведен анализ каждого из параметров траектории движения опоры с учетом их значимости и определено рациональное положение задних направляющих (табл.).

Рациональный диапазон углов наклона задних направляющих и высоты их установки определялся по параметру L исходя из допустимого отклонения этой величины от Lmax до 0,85 • Lmax, по параметрам Н0 и фп - исходя из допустимого значения Н0 = 0,35^0,45 м, по параметру фз - исходя из допустимой величины подъема задней кромки подошвы опоры Нх в конце фазы ее передвижения 0,16^0,22 м, которой соответствует угол фз = 4^6°.

Из графиков (рис. 22-25) и таблицы следует, что наиболее рациональной для шагающей машины является такая траектория, которая образована при установке задних направляющих горизонтально (у = 0°) и на уровне продольной оси симметрии передних направляющих (^ = 0) независимо от принадлежности задних направляющих раме или опорам.

Также установлено, что при горизонтальном расположении задних направляющих на опорах изменение положения направляющих по высоте в исследуемом диапазоне от -0,2 м до +0,2 м не влияет на величины параметров траектории движения опоры.

При различной высоте расположения задних направляющих все параметры рассматриваемой траектории движения опоры остаются постоянными.

В таком случае установка задних горизонтальных направляющих на опорах по высоте относительно продольной оси симметрии передних направляющих может производится по конструктивным соображениям.

На экспериментальных и опытно-промышленных образцах шагающих машин БШ-1 и БШ-2 задние направляющие были установлены горизонтально и на уровне продольной оси симметрии передних направляющих по варианту № 1 (задние направляющие принадлежат раме).

На шагающих машинах БТ-1 и БТ-2 и на всех последующих образцах задние направляющие были установлены горизонтально по варианту № 2 (задние направляющие принадлежат опорам).

Высота установки задних направляющих относительно передних направляющих на болотоходах БТ-1 и БТ-2, а также на всех последующих образцах шагающих машин определялась из конструктивных соображений.

Изучение траекторий движения шагающих опор представляет интерес не только с точки зрения кинематики, но и с точки зрения экологии.

Для оценки экологичности шагающей боло-тоходной машины были исследованы траектории движения опор натурного экспериментального образца шагающего болотохода БШ-1.

Параметр Значимость параметра, % Задние направляющие установлены

на раме на опорах

Рациональное положение Рациональное положение

угла наклона у, град. высоты установки Ьн, м угла наклона у, град. высоты установки Ьн, м

L 35 3-(-10) (-0,2)-0,16 0—(-10) Параметры не зависят от высоты (Ьн) при у = 0°

Н0 30 3-(-2) (-0,1)-0,2 0—(-4)

фз 20 5-3 0,13-0,2 0—3

фп 15 (-1,5)-(-8) (-0,2)—(-0,1) (-6)-(-10)

Таблица. К определению рационального положения задних направляющих по основным параметрам траектории движения опоры

Table. To determine the rational position of the rear guides according to the main parameters of the trajectory of the support

При исследовании применен метод киносъемки.

Исследование проводилось на торфяном массиве «Галицкий мох» в Тверской области.

Полученные траектории движения позволили с достаточной степенью точности определить на различных грунтах длину шага опоры (рис. 26), а также высоту ее подъема относительно грунта.

Сравнение между собой траекторий движения опоры на минеральном грунте и на не-осушенной торфяной залежи показывает их близкое сходство как в количественном, так и в качественном отношении.

Так, на неосушенной торфяной залежи величина шага опоры болотохода при его движении без нагрузки на крюке составила 1,84 м, а на слабодеформируемом основании - 1,89 м.

Незначительное отличие траекторий по длине шага, высоте подъема опор и углу наклона к поверхности грунта объясняется деформацией последнего в вертикальном и горизонтальном направлениях в процессе передвижения по нему болотохода.

Высота подъема опоры в ее носовой части, характеризующая высоту преодолеваемого

машиной препятствия, на обеих траекториях практически совпала и составила 0,41-0,42 м.

Траектории движения опоры натурного образца болотохода БШ-1 по своему характеру также близко сходятся с ранее полученными траекториями на геометрически подобной модели. Для обоснования рациональной траектории движения опоры шагающей машины по критериям экологичности, энергоемкости и проходимости графически и с использованием геометрически подобной модели построен ряд траекторий движения опор различных шагающих движителей (рис. 27).

При этом высота подъема опоры Н0 у всех сравниваемых движителей принята одинаковой.

В экологическом аспекте представляют интерес траектории движения опор на участках их подъема и опускания на грунт. С целью объективного сравнения различных шагающих движителей по критерию экологичности для них по траекториям движения построены зависимости объема грунта V, деформируемого в горизонтальном направлении на каждом шаге передней частью одной опоры, от ее осадки h (рис. 28).

на сильнодеформирцемом основании (на торфяной залежи)

на слабодеформируемом основании (на минеральном грунте!

<1- -—o- л

0,6 OA

0,2

0,6 OA

0,2

О 0,2 OA 0,6 0,8 ¡0 1,2 1А 1.6 ¡8 2,0

Рис. 26. Характерные траектории движения носовой части шагающей опоры натурного образца шагающего болотохода БШ-1

Fig. 26. Characteristic trajectories of the bow of the walking support of the full-scale sample of the walking swamp walker BSH-1

as

It

г л r лг

¿2

аI

31

¿3

В)

< li ---- f--—— г)

U

Рис. 27. Траектории движения опор шагающих машин: а - экскаваторов ЭШ-10/75, ЭШ-14/75, ЭШ-20/75 [16]; б - экскаваторов ЭШ-1, ЭШ-4/40 [13-15]; в - конструкции Киселева И.Е. [17], Иванова А.М. [18] и по патенту США 3366192; г - болотохода БШ-1 [22, 23] (показана траектория носовой части опоры)

Fig. 27. Trajectories of movement of supports of walking machines: a - excavators ESH-10/75, ESH-14/75, ESH-20/75 [16]; b - excavators ESH-1, ESH-4/40 [13-15]; c - designs Kisileva I.E. [17], Ivanov A.M. [18] and by US patent 3366192; g - swamp rover BSH-1 [22, 23] (the trajectory of the nose of the support is shown)

V,M3

m 0,02

4 \ 3 / 2 фу

0 0,1 0,2 0,3 OA tiM

Рис. 28. Зависимости объема грунта V, деформируемого в горизонтальном направлении одной опорой, от ее осадки h: 1 -для шагающего болотохода БШ-1 [22, 23] (теоретическая зависимость);

2 - для шагающего болотохода БШ-1 зависимость, полученная на торфяной залежи;

3 - для шагающих экскаваторов ЭШ-1, ЭШ-4/40 [13-15], шагающих машин конструкции Киселева И.Е. [17], Иванова А.М. [18] и по патенту США №3366192 (теоретическая зависимость);

4 - для самоходного транспортного средства [6] (теоретическая зависимость)

Fig. 28. Dependences of the volume of soil V deformed horizontally by one support on its precipitation h: 1 - for a walking swamp walker BS-1 [22, 23] (theoretical dependence); 2 - for a walking swamp walker BS-1, the dependence obtained on a peat deposit; 3 - for walking excavators ESH-1, ESH-4/40 [13-15], walking machines designed by Kisileva I.E. [17], Ivanov A.M. [18] and under US Patent No. 3366192 (theoretical dependence); 4 - for a self-propelled vehicle [6] (theoretical dependence)

При этом ширина опоры для всех движителей условно принята равной 1 м, а высота ее подъема Н0 - 0,4 м.

Также сделано допущение об отсутствии буксования опор.

С точки зрения экологии представляют интерес участки траектории движения опор шагающих машин в момент их подъема и отрыва от грунта, а также в момент опускания на грунт.

Анализ траекторий показывает, что шагающая опора болотохода БШ-1 приподнимается на высоту до 0,3 м без какого-либо перемещения вперед в горизонтальном направлении.

Следовательно, при осадке опоры 0,3 м ее подъем происходит практически без горизонтальной деформации грунта, чем обеспечивается возможность сохранения верхнего растительного покрова.

Траектория движения опоры при опускании на грунт на расстоянии 0,2 м от опорной поверхности близка к вертикальной линии, что свидетельствует о незначительной горизонтальной деформации грунта.

На каждом шаге опор при их опускании на грунт растительный покров приминается лишь в вертикальном направлении.

При этом не происходит нарушения корневой системы растительного покрова болотной почвы.

В экологическом аспекте анализ зависимостей (рис. 28) показывает значительное преимущество машины, механизм шагания которой включает в себя переднюю овальную и заднюю прямолинейную направляющие, по сравнению с другими известными шагающими движителями.

Опора болотохода БШ-1 при одинаковой осадке деформирует в горизонтальном направлении (сдвигает) наименьший объем грунта.

Поэтому можно считать, что движитель болотохода БШ-1 оказывает минимальный вред растительному покрову.

Оценку экологичности болотоходу БШ-1 можно дать не только по траекториям движения его опор, но и по результатам наблюдений за процессом их взаимодействия с грунтом.

Шагающий движитель болотохода БШ-1 практически не оказывает пагубного влияния на процессы биологического развития растений в растительном покрове. Об этом свидетельствуют многолетние наблюдения за растительным покровом на участках испытаний.

В процессе испытаний натурного образца шагающего болотохода БШ-1 на неосушенной торфяной залежи проводились наблюдения за отпечатками или следами, оставленными шагающими опорами на поверхности болотной почвы, методом фотосъемки при однократном, пятикратном и десятикратном проезде по одному и тому же месту как по прямой, так и на повороте. Наблюдения позволили подтвердить предположение о том, что шагающие опоры практически не повреждают растительный слой неосушенной торфяной залежи.

По критерию минимального разрушения верхнего растительного слоя грунта шагающая машина, механизм шагания которой включает в себя овальную переднюю и прямолинейную заднюю направляющие, показал себя экологически безвредным, и его можно рекомендовать для использования в условиях, где необходимо максимальное сохранение растительного покрова.

Благодаря особой кинематике опор шагающая машина БШ-1 и другие подобные ей машины, имеющие идентичный механизм шагания, обеспечивают многократный проезд по болоту по одному и тому же месту.

Это дает возможность разделения и повторения технологических операций при работе на болоте, например, на работах по подготовке поверхности неосушенной торфяной залежи к эксплуатации или при рекультивации замазу-ченных болотных почв.

Для сравнения проходимости болотоходных машин применяются такие их показатели, как среднее давление на грунт р0 и плавучесть.

Сравним величины средних давлений на грунт р0 различных шагающих болотоходов и высокопроходимых плавающих колесных машин на арочных шинах в зависимости от их осадки h (рис. 29).

При построении графика зависимостей р0 от h для шагающих машин их веса, геометрические размеры опор и высоты их подъема приняты одинаковыми, как у натурного образца шагающего болотохода БШ-1.

Из приведенных зависимостей следует, что величина р0 у движителя болотохода БШ-1 при осадке около 0,2 м примерно в 1,5 раза меньше, а при осадке 0,4 м - почти в 1,9 раза меньше по сравнению с другими шагающими машинами. Поэтому болотоход БШ-1 имеет большую проходимость по сравнению с другими конструкциями шагающих машин.

Колесные торфяные машины МТП-37 и КПО-0 на арочных шинах модели И-185 имеют значительно большее среднее давление на грунт, а следовательно, и более низкую проходимость даже по сравнению с известными шагающими движителями с плоско-параллельным переносом опор.

Для сравнения плавучести болотоходных машин построены графики зависимости выталкивающей силы Рв, действующей на их опоры и колеса, от осадки h (рис. 30).

Из графиков зависимости Рв от h следует, что при одинаковых геометрических парамет-

рах шагающих опор при осадках 0,3 м и 0,4 м движитель болотохода БШ-1 по сравнению с другими шагающими движителями имеет соответственно в 1,45 и 1,6 раза большую выталкивающую силу и водоизмещение. Это объясняется тем, что у болотохода БШ-1 уже при осадке около 0,2 м вступают во взаимодействие с водой все три опоры.

Что касается выталкивающих сил, которые действует на движители колесных машин МТП-37 с арочными шинами и с комбинированными колесами, то они значительно ниже, чем у шагающих машин, что характеризует их

О 0,1 0,2 0,3 OA 0,5 0,6 h ti

Рис. 29. Зависимость среднего давления на грунт р0 от осадки h для болотоходных машин: 1 - колесной машины КП0-0 [14] (при нагрузке на колесо 24,525 кН); 2 - колесной машины МТП-37 [11] (при нагрузке на колесо 11,772 кН); 3 - шагающих машин с параллельным переносом опор относительно поверхности грунта [13-15, 17, 18]; 4 - шагающего болотохода БШ-1 [22, 23]

Fig. 29. Dependence of average ground pressure p0 on precipitation h for swamp-walking machines: 1 - wheeled KP0-0 machine [14] (with a wheel load of 24.525 kN); 2 - wheeled machine MTP-37 [11] (with a wheel load of 11.772 kN); 3 - walking machines with parallel transfer of supports relative to the ground surface [13-15, 17, 18]; 4 - walking swamp walker BSH-1 [22, 23]

0 0,1 0,2 0,3 OA 0,5 h,M

Рис. 30. Зависимость выталкивающей силы Рв от осадки h для болотоходных машин:

1 - шагающего болотохода БШ-1 [22, 23];

2 - шагающих машин с параллельным переносом опор относительно поверхности грунта [13-15, 17, 18]; 3 - колесной машины МТП-37

с комбинированными колесами; 4 - колесной машины МТП-37 на арочных шинах

Fig. 30. Dependence of the buoyant force Rv on the precipitation h for swamp-walking machines: 1 - walking swamp walker BS-1 [22, 23]; 2 - walking machines with parallel transfer of supports relative to the ground surface [13-15, 17, 18]; 3 - wheeled vehicle MTP-37 with combined wheels; MTP-37 4-wheeler with arched tires

меньшую плавучесть и, как следствие, более низкую проходимость.

Проведем сравнительный анализ шагающих машин с различными механизмами шагания по критерию энергоемкости. В процессе шагания энергия двигателя расходуется на передвижение опоры и рамы.

При передвижении опоры энергия затрачивается на ее подъем и перемещение, а также на деформацию грунта.

По сравнению с шагающими машинами с параллельным переносом опор у движителя шагающего болотохода БШ-1 на подъем опоры без учета деформации грунта расходуется почти в 2 раза меньше энергии.

Это объясняется тем, что опора у него приподнимается приводом только за переднюю часть, а ее задняя часть свободно поворачивается относительно заднего катка.

Затраты энергии на деформацию грунта носовой частью опоры в момент ее подъема и опускания у движителя шагающего болотохода БШ-1 по сравнению с другими шагающими движителями меньше на величину, пропорциональную деформируемому объему.

Рассмотрим зависимость между длиной шага опоры L и высотой ее подъема Н. Для движителя шагающего экскаватора с гидроприводом механизма шагания [11, 12, 16] параметры L и Н определяются длиной хода силовых цилиндров. Для других шагающих машин [13-18] имеют место строгие зависимости между рассматриваемыми параметрами (Н = 0,25^ Н = 0,5Ц.

Преимущество движителя болотохода БШ-1 [22, 23] заключается в отсутствии какой-либо зависимости между длиной шага опоры L и высотой ее подъема Н.

Это преимущество дает возможность при разработке болотоходных шагающих машин в широких пределах варьировать указанными параметрами, величины которых оказывают влияние на проходимость.

Сопоставительный анализ шагающей техники позволяют сделать вывод о том, что по критериям плавности хода, экологичности, проходимости и энергоемкости наиболее рациональным среди прочих применительно к болотоходной технике является механизм шагания, которой включает в себя переднюю овальную и заднюю прямолинейные направляющие, обеспечивающие перемещение опор от фазы подъема до фазы опускания наклонно к поверхности грунта, а в фазе опускания

на грунт - путем поворота относительно оси задних катков.

Такое перемещение опор по траектории похоже на движение ступни человека.

Приведенная выше рациональная конструкция шагающего механизма первоначально была применена в конструкциях физической модели и натурального экспериментального образца шагающего болотохода БШ-1 [24-26, 28], а в дальнейшем использована во всех последующих образцах болотоходной техники, включая серийные образцы БШМ-1 и перспективные машины [29-31].

Библиографический список

1. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике : Пособие для инженеров, конструкторов и изобретателей: [В 5 т.]. -М.: Наука, 1970. Т. 1: Рычажные механизмы. 1970. - 608 с.

2. Артоболевский И.И. Роль и значение П.Л. Чебышева в истории развития теории механизмов // Известия Академии Наук СССР. Отделение технических наук. -1945. - № 4/5. - С. 396-412.

3. U.S. Provisional Application Ser. No. 60/074,425, was filed on Feb. 11, 1998.

4. httl: //dreamworlds.ru/intersnosti/38732 -theo-yansen-animaris.html.

5. Борисов И.И., Колюбин С.А. Имитационное моделирование мехатронных систем. Учебно-методическое пособие. Университет ИТМО. - СПб., 2020. - 103 с.

6. А.с. 564205 СССР, МПК В 62 D 57 / 02. Самоходное транспортное средство / Ко-ровицын Л.Ф. (СССР). № 2149081; заявл. 23.06.75; опубл. 05.07.77, Бюл. № 25.

7. А.с. 201960 СССР, МПК Е 02 F 9/04. Механизм шагания / Харлов В.П. (СССР). № 831983/2914; заявл. 19.04.63; опубл. 17.10.69, Бюл. № 32.

8. Архитектор Э. Болотоход теперь поворотливей / Э. Архитектор // Изобретатель и рационализатор. - 1977. - № 11. -С. 22-23.

9. Егоров Ю. Болотоход В.П. Харлова / Ю. Егоров // Изобретатель и рационализатор. -1977. - № 1. - С. 20-21.

10. Осипов В.Н. Возможности строительства трубопроводов на болотах в летнее время / В.Н. Осипов // Строительство трубопроводов. - 1975. - № 6. - С. 9-10.

11. Шагающие экскаваторы Уралмашзавода / Х.А. Винокурский, Т.Е. Исаев, В.В. Рудоиска-

тель и др. - Свердловск: Машгиз. [Урало-Сиб. отд-ние], 1958. - 331 с.

12. Воронцов-Вельяминов Н.П. Мощные шагающие экскаваторы / Н.П. Воронцов-Вельяминов, М.И. Крайцберг. - М.: Углетехиздат, 1954. - 372 с.

13. Шагающий экскаватор ЭШ-1 / А.Г. Ефанов, Н.А. Лаповенко, А.Ф. Рац, И.И. Сталоверов. -М.: Углетехиздат, 1950. - 160 с.

14. Шагающий экскаватор ЭШ-4/40 / Ю.И. Попов, П.И. Слизкий, И.М. Елинсон и др. -Киев: Машгиз, 1955. - 156 с.

15. Рейш А.К. Шагающий экскаватор ЭШ-1 / А.К. Рейш, В.А Касьянов. - Харьков: Углетехиздат, 1951. - 21 с.

16. Шагающий экскаватор ЭШ-14/75 / Б.И. Са-товский, Х.А. Винокурский, В.Р. Кубачек и др. - Свердловск: Машгиз. [Урало-Сиб. отд-ние], 1953. - 212 с.

17. А.с. 415187 СССР, МПК В 62 D 57/02, В 62 D 57/032. Шагающий движитель / Киселев И.Е., Конопляник Д.И., Матвеев П.Н., Мирошниченко А.В., Мишкинюк В.К. (СССР). № 1728035/27-11; заявл. 22.12.71; опубл. 15.02.74, Бюл. № 6. С. 184.

18. Четкарев В. Две ноги и ходит! / В. Четка-рев // Изобретатель и рационализатор. -1981. - № 6. - С. 20-21.

19. А.с. 474456 СССР, МПК Е 02 F 9/04. Шагающее шасси / Кокуев Н.Н. (СССР). № 1611558; заявл. 12.01.71; опубл. 25.06.75, Бюл. № 23. С. 35.

20. А.с. 1173654 СССР, МПК В 62 D 57/02. Ходовая часть шагающего транспортного средства / Коровицын Л.Ф., Петров А.А., Васильев Н.П., Ткачев В.Г. (СССР). № 3663827/11; заявл. 14.11.83; опубл. 28.07.20, Бюл. № 22.

21. А.с. 1243292СССР, МПК В62Д 57/02. Движитель шагохода / Коровицын Л.Ф., Петров А.А., Третьяков И.В., Коровочкин А.Ю. (СССР). № 3823673/11; заявл. 14.12.84; опубл. 28.07.20, Бюл. 22.

22. А.с. 965870 СССР, МПК В65D 57/02. Вездеходное шасси / Коровицын Л.Ф., Петров А.А., Васильев Н.П., Ткачев В.Г. (СССР). № 3305986/11; заявл. 06.04.81; опубл. 28.07 20, Бюл. № 22.

23. А.с. 1044542 СССР, МПК В62D 57/02. Внедорожное транспортное средство / Коровицын Л.Ф., Петров А.А., Васильев Н.П., Ткачев В.Г. (СССР). № 2940115; заявл. 13.06.80; опубл. 30.09.83, Бюл. № 36.

24. Коровицын Л.Ф. Высокопроходимый движитель для торфяных машин / Л.Ф. Коровицын, А.А. Петров // Технология и комплексная механизация торфяного производства. - Калинин: Калинин. госуд. ун-т,

1982. - С. 25-28.

25. Исследовать и создать высокопроходимое средство для передвижения и работы на неосушенных торфяных месторождениях: отчет о НИР (промежуточ.) / Калинин. политехн. ин-т; рук. Л.Ф. Коровицын; ответств. исполн. А.А. Петров. - Калинин, 1980. - 110 с. № ГР 80046421. Инв. № Б 908880.

26. Коровицын Л.Ф. Шагающий болотоход / Л.Ф. Коровицын, А.А. Петров, И.В. Третьяков // Торфяная промышленность. -

1983. - № 4. - С. 26-27.

27. Провести полевые исследования экспериментального образца шагающего болотохода : отчет о НИР (заключит.) / Калинин. политехн. ин-т; рук. Л.Ф. Коровицын; ответств. исполн. А.А. Петров. - Калинин, 1982. - 51 с. № ГР 80046421. Инв. № 02830023705.

28. Машины и оборудование торфяных производств: учебное пособие для вузов / Б.Ф. Зюзин, А.И. Жигульская, П.А. Яконовс-кий, Т.Б. Яконовская. - Тверь: Тверской государственный технический университет, 2015. - С. 26-28.

29. Патент 123389 Российская Федерация, МПК B62D 57/02. Шагающий манипулятор для рекультивации болот / Сафронов М.Н., Фонарюков В.А., Петров А.А., Швец Н.Ф.; заявитель и патентообладатель ЗАО «Тверской экспериментально-механический завод». № 2012116759/11; заявл. 24.04.12; опубл. 27.12.12, Бюл. № 36.

30. Патент на изобретение 2779001 Российская Федерация, МПК В62D 57/02. Шагающий болотный тягач / Петров А.А., Зюзин Б.Ф., Замула А.И. и др.; заявитель Тверской государственный технический университет; опубл. 30.08.22 г. Бюл. № 25.

31. Заявка на изобретение 2022107891 Российская Федерация, МПК В62D 57/02. Шагающий болотоход / Петров А.А., Зюзин Б.Ф., Замула А.И. и др.; заявитель Тверской государственный технический университет; приоритет 24.03.2022.