Повышение КПД гусеничного обвода бронированных гусеничных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.114.078

ПОВЫШЕНИЕ КПД ГУСЕНИЧНОГО ОБВОДА БРОНИРОВАННЫХ

ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН

Р.В. Гладков, Г.В. Куприянов

Описываются некоторые факторы, влияющие на снижение внутреннего и внешнего КПД гусеничного движителя.

Ключевые слова: Гусеничный обвод, потери, грунт, сила тяги, грунтозацеп.

Гусеничный движитель является одним из важнейших механизмов, который определяет тяговые качества, производительность и надежность машин, что требует совершенствования его конструкции [3].

В настоящее время большое внимание уделяется созданию долговечного, экономичного гусеничного движителя. В то же время это является сложной технической задачей, которая обуславливается тяжелым режимом работы движителя, высокими динамическими нагрузками.

Трудность решения этой задачи заключается в стремлении сократить механические потери в движители, то есть обеспечить минимальный КПД [2].

Всем известна формула КПД гусеничного движителя Пгус=0,95-0,005Угм, , которая была выведена эмпирическим путем.

Рассмотрим некоторые потери, влияющие на КПД гусеничного обвода машины в зависимости от скорости.

1. Внутренние потери КПД.

1.1 Снижение КПД гусеничного обвода за счет удара переднего опорного катка о набегающую гусеничную ветвь.

Как видно из рис. 1, в передней части гусеничного обвода векторы горизонтальной составляющей скорости наклоненной части и вектор скорости переднего опорного катка направлены в разные стороны - происходит удар [1].

Из этого следует считать теоретическую незавершенность такого важного раздела теории гусеничного движителя, как динамика. Практически этот пробел в последние годы освещен только некоторыми разработками в области взаимодействия жесткого катка с гусеницей. В связи с этим определением динамической нагруженности гусеничного движителя и отыскание путей ее снижения являются важными вопросами теории гусеничного движителя вообще и его динамического расчета в частности. При наезде на нижний трак наклонной ветви каток получает ударный импульс Р($. Сила удара Р при этом зависит от разности окружных скоростей трака и катка в точке контакта а также параметров гусеницы и катка. Как видно из рис. 1, нормальная скорость точки контакта до удара

u NT = u sm a ф

1н_

I

(1)

св

где аф - фактический угол наклона нижнего участка ветви с учетом ее провисания; 1св - длина свободной ветви гусеницы; 1н - расстояние от оси нижнего шарнира сцепления трака до точки контакта.

Расстояние 1н зависит от диаметра катка и угла наклона гусеничного обвода и равно:

Iн = ^ tg аф

2

2

(2)

Рис. 1. Кинематика гусеничного обвода в областях переднего опорного катка и наклонной ветви гусеницы, вызывающая соударение

Начальные скорости точек ветви до удара ограничены линией х. При ударе каток сообщает траку скорости, величины которых показаны линией 2. Скорости точек ветви при этом представляют значения, показанные линией 2'. В точке контакта К нормальная составляющая Unk скорости гусеничного обвода возрастет до нормальной скорости этой точки катка.

При этом разность нормальных скоростей и скорость удара в точке контакта, так что

Nk

и uNT определяет

u Л =u

уд Nk

u

NT

u sin

a ф

1

dk g a± g 2

2I

св

(3)

Вывод: анализ этого уравнения (3) и схемы, приведенной на рис. 1 показывает, что скорость удара зависит не только от скорости движения, но и от угла наклона ветви и диаметра опорного катка. Если с увеличением dК сила удара уменьшается, то с увеличением угла наклона она возрастает.

1.2 Снижение КПД гусеничного обвода из-за ударов по поддерживающим каткам.

Проявление взаимодействия гусеницы с направляющим колесом и поддерживающими катками практически идентичен. Различие заключается только в угле охвата поддерживающего колеса гусеницей.

Гусеничная лента, по дуге охвата, движется по траектории АВС (рис. 2). В момент соприкосновения трака АВ с катком в точке контакта скорость трака изменяется от Vyд до нуля.

Рис. 2. Взаимодействие гусеницы с поддерживающим катком

Величина изменения скорости на дуге, измеряемая как замедление (ускорение) определяет силу ударного воздействия, а величина скорости удара зависит от характера траектории второго (заднего) шарнира трака.

С учетом, что взаимодействие трака с поддерживающим катком аналогично рассмотренному выше случаю удара опорного катка по наклонной ветви, только с той разницей, что в данном случае в ударе участвует только один трак.

Выводы:

1. Нагрузка в точке контактирования катка и трака зависит, как от параметров этой системы, так и от скорости движения, что соответствует известной зависимости цгус=0,95-0,005Угм.

2. Как видно, наружная амортизация катков в этом случае предпочтительнее.

3. Эффективными мероприятиями для снижения ударных нагрузок является облицовка внутренней поверхности гусениц эластичным материалом.

1.3 Уменьшение КПД гусеничного обвода вследствие ударов опорных катков о беговую дорожку гусеницы.

Исследуется качение опорного катка по беговой дорожке без отрыва от нижней опорной ветви гусеницы.

Схематически движение катка по беговой дорожке гусеницы в общем случае можно представить как движение двухмассовой системы (рис. 3) по поверхности, образующая которой описывается функцией

2

У г = /(х) •

В случае, когда каток имеет наружный резиновый бандаж, масса т 1 в системе будет отсутствовать. В этом случае т2 будет включать массу катка и массу тех же частей балансира. Соответственно, каток с резиновой амортизацией представляет случай, который рассматривается в данном докладе.

ШШШМ2Ш22Ш

У777777777777777777777777777777777777777777777777777?

Рис. 3. Условная схема катка, движущегося по беговой дорожке

гусеницы: т] - масса наружного металлического бандажа; т2 - масса остальной части катка вместе с массой оси и частью массы рычага балансира, участвующей в колебательном движении катка; СТ - приведенная жесткость (модуль) подвески катка; СР - приведенная жесткость резинового элемента катка (наружного или внутреннего); уР - гистерезисные сопротивления в резине; Сгр - приведенная жесткость грунта; ка - коэффициент сопротивления амортизатора; ка гр - коэффициент сопротивления

грунта.

В случае, когда верхнюю точку системы в приведенной выше схеме можно принять неподвижной, так как частота ее перемещения несравнимо меньше частоты перемещений нижней точки, а движение нижней точки

481

можно задать функцией у2 = / (), определяющей ее вертикальное перемещение, то упругомассовая рассматриваемая система сводится к линейной. Она имеет одну степень свободы ук массы т2 и определяет величину сил, действующих на гусеницу и каток.

Как видно, ударная нагрузка опорных катков не только изменяет эпюру нормальных нагрузок на грунт, но и вызывает потери энергии приведенной от двигателя и снижая КПД, что соответствует известному выражению ц2ус=0,95-0,005У2М.

Рис. 4. Силы, действующие на опорный каток и гусеничный обвод в нижней ветви гусеницы

Выполнив анализ, можно отметить, что сила удара прямо пропорциональна начальной скорости удара и растет с увеличением погонного веса гусеницы q, массы наружного обода катка т 1 и момента инерции трака при повороте 1М .

Для решения этого вопроса можно, например, увеличить силу сопротивления упругого элемента рессоры при возвращении в начальную точку.

2 Внешние потери КПД [3].

2.1 Потери энергии при взаимодействии гусениц с грунтом.

482

В настоящем исследовании проходимость рассматривается с учетом неизбежного факта буксования гусениц - как обязательные условия формирования силы тяги, то есть кинематика движения гусеницы неизбежно преобразуется в динамику, что, в целом, общеизвестно (рис. 5).

Однако, существующие определения не представляют в достаточной мере ни качественных, ни количественных критериев и не предлагают убедительного метода оценки затрат энергии в наиболее ответственной части машины - в ходовой части и особенно в месте взаимодействия гусеничного движителя с опорной поверхностью, последнюю условно будем называть «дорогой», применительно к общепринятой системе «машина-дорога».

Рис. 5. Диаграмма «Сц - б» (сцепление - буксование), варианты зависимости ф=$(д)

Таким образом, факт буксования гусеницы является единственным обобщающим критерием проходимости (П). В настоящем исследовании введены новые представления коэффициента проходимости П, связанные и с коэффициентом буксования 3 и коэффициентами полезного действия КПД - ппд. Коэффициент П позволяет оценить качество проходимости ГМ с точки зрения и проходимости, и необходимых затрат на буксование и, связанные с этим. Потери энергии. Следовательно, задача исследования проходимости гусеничной машины в первую очередь связана с изучением закономерностей измерения КПД цГд и законов буксования гусениц. В то же время коэффициент буксования 5 измеряется в зависимости от величины крутящего момента Мк на ведущих колесах, при которых гусеничная машина начинает двигаться (рис. 6) [1].

5

0

П1 г --

•±ксц

Отах

0

п

ходимости

Ш//////////А

ксц

V Гвк )

Рис. 6. Зависимость между величиной крутящего момента Мк на ВК, касательной силой Р и буксованием гусениц д

Пусть Мк0 будет являться той величиной, при которой гусеница и гусеничная машина начнет двигаться поступательно. В этом случае при условии 0<Мк<Мк0 не следует уверенно судить о величине цгд, т.е. деформация грунта производится, а гусеница не движется.

При малых значениях Мк значение 3 растет практически прямолинейно, а потом также при малом Мк резко возрастает до Мксц. При Мксц гусеница вращается на месте. Заштрихованная область на рис. 6, б, по существу отражает работу буксования.

Следует выявить факторы, на наш взгляд, влияющие на разрушение или уплотнение «кирпичиков» при формировании силы тяги.

Нами установлены факты напряжений сдвига грунта ниже так называемого «кирпича» вплоть до материнского слоя, что также вызывает потери энергии.

Основными параметрами, характеризующими физико-механические свойства вязко-пластичной среды являются продольные напряжения сдвига и пластическая вязкость грунта. Структурно-реологическая модель вязкостно-пластической среды представляет собой условное сочетание вязкости для момента и элемента сухого трения. При этом суммарные напряжения сдвига и их сочетания определят усилие разрушения или неразрушения «кирпичика».

Естественно, когда напряжения от внешних сил реакций больше предельной величины напряжения сдвига, наступает буксование и получается низкая проходимость [1].

На рис. 6 показано, что процесс буксования - предварительный с деформацией грунта и последующий - с проскальзыванием, следовательно область 1-2 составляет кривую проходимости, В-С - резкие падения проходимости. Заштрихованная область, по существу, составляет предмет исследования.

1

Вывод: как видно, предметами исследования должны быть полезные и вредные буксования (скольжения) грунта под опорной поверхностью гусеницы, в том числе при взаимодействии с грунтозацепами.

Формирование силы тяги.

Понимается, что за основу эффективности взаимодействия гусеничного движителя ГМ следует принимать его КПД с учетом затрат мощности в ходовой части и верхних частях грунта, где путем уплотнения, сдвига или среза реализуется сила тяги. Соответственно детальной оценкой тягового свойства следует принимать сопротивление качению (экскавации и бульдозерованию) и уплотнению грунта, скольжению (буксованию), со сдвигом грунта и в самой ходовой части.

Силы сопротивления движению исследовано достаточно полно. Здесь имеются данные о снижении сопротивления движению при применении резинометаллических и ленточных гусениц, особенно на больших скоростях. Менее исследованы вопросы влияния расстановки опорных катков, влияния давлений, отношение расстояний между осями катков к шагу гусеницы, сдвиги слабых текучих почв (мокрая глина), ударов при переезде катков со звена на звено [2].

Наибольшее буксование, а, соответственно, и характер изменения силы сцепления и тяги проявляется на влажной глинистой почве: на глине, болоте с дерновым покрытием и снежной целине он не превышает 0,40-0,5, на плотном грунте 0,7-0,75.

Рис. 7. Образец зависимости напряжения сдвига в почве от £ - деформации грунта

485

2.2 Влияние кинематики грунтозацепов на потери энергии при формировании силы тяги.

Мощность, расходуемая гусеничной машиной в процессе ее сцепления с грунтом, характеризуется величиной остаточных деформаций, производимых в грунте грунтозацепами гусеничной машины, а также величиной сил трения грунтозацепов и опорной поверхности гусениц [1].

Очевидно, что чем меньше будет объем этих деформаций и сопротивление деформации грунта, тем больше будет величина коэффициента полезного действия гусеницы.

Вид деформации грунта гусеницами может быть выяснен на основе кинематического анализа сцепления ведущих органов гусениц с грунтом. Объем деформации и мощность, расходуемая на деформацию, могут быть определены в том случае, если механические свойства опорной поверхности известны [1].

Кинематика грунтозацепов и характер производимых ими деформаций грунта будут зависеть от величины радиуса р и от вида грунтозацепов.

На рис. 8 показаны траектории точек А, В и С грунтозацепа, соответствующие холостому ходу гусеничной машины.

-с:--

в 11

\ I ;

Положение^ грунтозацепа ^ ^ Положение грунтозацепа

Рис. 8. Траектории граней грунтозацепа, во взаимодействии

с грунтом

486

При движении гусеничной машины по направлению стрелки, полезная упорная поверхность грунтозацепов представляется правыми боковыми гранями.

Пространственное движение упорной поверхности каждого грунто-зацепа будет аналогично движению отрезка АС а в плоскости чертежа и определяется траекториями точек А и С. Упорная поверхность каждого грунтозацепа по стрелке будет занимать последовательно положения А1С1, АС1, А2С2.

Схема зацепления грунтозацепов и траектория их движения выполнена для БМД-2 на глинистом грунте. Измерения проводились на опорной поверхности гусениц, когда грунтозацепы расположены перед и после опорной части гусеницы.

До положения АС упорная поверхность грунтозацепа будет погружаться в почву и одновременно спрессовывать ее в направлении, обратном движению гусеничной машины. Деформация грунта, обусловленная этим прессованием, является неизбежной, так как она обеспечивает упор, соответствующий силе тяги гусеничной машины.

Начиная с положения АС, грунтозацеп будет выходить из почвы и упорная поверхность его терять контакт с грунтом.

Движение передней поверхности грунтозацепа характеризуется траекториями точек А и В. Эта поверхность грунтозацепа будет занимать последовательно положения: А7В7, АВ, А2В2, т.е. она будет спрессовывать почву в направлении движения гусеничной машины.

В результате этого прессования возникает реакция почвы Р на переднюю поверхность АВ грунтозацепа. Вертикальная составляющая этой силы Рь будет препятствовать погружению грунтозацепа в грунт. Горизонтальная составляющая Рн увеличит нагрузку, передаваемую грунту упорной поверхностью грунтозацепа АС.

Из приведенного ранее, следует, что вся деформации, которую производит в грунте передняя поверхность грунтозацепа АВ, будет вредной деформацией (на рисунке площадь, соответствующая вредной деформации, заштрихована).

Отсюда следует, что при увеличении буксования гусеницы указанная деформация грунта будет уменьшаться. Поэтому при оценке рациональности профиля грунтозацепа следует рассматривать сцепление грун-тозацепов при наименьшем буксовании (при холостом ходе гусеничной машины), т.е. при движении решается РТ = р.

На основании вышеизложенного приходим к следующим выводам:

1. Критерием целесообразности профиля грунтозацепов и их расположения является объем производимых ими деформаций почвы.

2. Деформации грунта возможно разделить на неизбежные, обеспечивающие реализацию силы тяги гусеничной машины, и вредные, производимые передними поверхностями грунтозацепов.

3. Наибольший объем вредных деформаций грунта имеет место при холостом ходе гусеничной машины, т.е. при наименьшем буксовании грунтозацепов.

Таким образом при проектировании грунтозацепов следует построить траектории граней выбранных профилей грунтозацепов, соответствующие холостому ходу гусеничной машины.

4. Окончательный выбор профиля грунтозацепов производим анализируя, в какой мере та или иная форма грунтозацепа и их расположение отвечают условиям работы с наименьшими вредными деформациями и с наименьшим объемом неизбежных деформаций.

Список литературы

1. Бескин И.А. Сравнение тягово-сцепных качеств гусеничных тягачей с механической и гидромеханической трансмиссией [Текст] / Сборник научных трудов НИИИ-21, 1973. С. 120-128.

2. Бурцев С.Е. Фильтрующие и демпфирующие свойства гидравлических трансмиссий [Текст]. М., Академия БТВ, 1959. 153 с.

3. Васильченков В.Ф., Военная автомобильная техника. Теория эксплуатационных свойств: учебник [Текст]. М.: Воениздат, 2004. 479 с.

Гладков Роман Викторович, канд. техн. наук, доц., gladkov-80@mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище имени генерала армии В. Ф. Маргелова,

Куприянов Георгий Владимирович, канд. техн. наук, доц., kgw 1975@mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище имени генерала армии В. Ф. Маргелова

IMPROVING EFFICIENCY OF TRACKED CONTOURS OF ARMOURED TRACKED

VEHICLES

R V. Gladkov, G. V. Kupriyanov

This article describes some of the factors influencing the reduction of the internal and external efficiency of the caterpillar tracks.

Key words; tracked contour, loss, ground, power, grouser.

Gladkov Roman Viktorovich, Candidate of Technical Sciences, docent, gladkov-80@mail.ru Russia, Ryazan, Ryazan higher airborne command school named after army General V.F. Margelov,

Kupriyanov Georgy Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, kgw 19 75@mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan higher airborne command school named after army General V.F. Margelov