CC BY
47
С другой стороны
ф1 или ф = 57,3 F x/DH,
таким образом 57,3 F х / D Н = arctg S sin ß/ Х0 - S cos ß, или 57,3 F / D Н ( X0 - S cos ß) = S sin ß / X0 - S cos ß *57,3,
так как ф = arctg ф , отсюда F = S sin ß / ( X0 - S cos ß)2* D Н. (10)
При этом условии можно сделать вывод, что усилие подтягивания пачки лесоматериалов невелико
по сравнению с водоизмещением устройства, что обеспечивает остойчивость плавучего основания.
Литература
1. Васильев, Ю.С. Анализ экологических последствий от воздействий ГЭС / Ю.С. Васильев // Гидротехническое стр-во. - 1991. - № 8. - С.10—13.
2. Войтко, П.М. Исследование состава затонувшей древесины на лесосплавных водоемах Республики Марий Эл / П.М. Войтко, Е.В. Тихвинский, А.П. Роженцов // Рациональное использование лесных ресурсов: мат-лы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию со дня рожд. В.Е. Печенкина. - Йошкар-Ола: Изд-во МарГтУ, 2001. - С. 95-96.
3. Попов, А.В. Очистка Саяно-Шушенской ГЭС от плавающей древесины / А.В. Попов, А.И. Шатровский //Гидротехническое строительство. - 1994. - №4. - С. 12-15.
4. Водный транспорт леса / А.А. Камусин [и др.]; под ред. В.И. Патякина. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. -422 с.
5. Ширин, Ю.А. Технология и машины лесосечных работ: курс лекций / Ю.А. Ширин. - Йошкар-Ола: Изд-во МарГТУ, 2004. - 304 с.
6. Шкиря, Т.М. Технология и машины лесосечных работ / Т.М. Шкиря. - Львов: Выща шк., 1988. - 264 с.
'--------♦------------
УДК 629.11.012.5 Н.А. Иванов
СИНТЕЗ ПАТЕНТОЗАЩИЩЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДВИЖИТЕЛЕЙ ДЛЯ ВЕЗДЕХОДА НА ПНЕВМАТИКАХ
СВЕРХНИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
Сформулированы требования к конструкции движителей вездеходов на пневматиках сверхнизкого давления. Описаны конструкции, защищенные патентами Тихоокеанского государственного университета (г. Хабаровск), приведены результаты их производственных испытаний.
Ключевые слова: движитель, вездеход, пневматика, требование, испытание.
N.A. Ivanov SYNTHESIS OF THE PATENTED MOVER CONSTRUCTIONS FOR THE CROSS-COUNTRY VEHICLE ON THE TIRES OF ULTRA LOW PRESSURE
Requirements to the design of the cross-country vehicles movers on the tires of ultra low pressure are formulated. The constructions patented by the Pacific state university (Khabarovsk) are described; the results of their industrial tests are given.
Keywords: mover, cross-country vehicle, pneumatic, requirement, test.
В настоящее время получает бурное развитие создание и производство легких вездеходов на пневматиках сверхнизкого давления (ВСНД). Обладая уникальными по сравнению с другими транспортными средствами способностями по проходимости и экологичности по отношению к почве, такие вездеходы завоевывают все новые сферы использования. Основой для создания ВСНД, как правило, являются двигатели, агрегаты трансмиссии и механизмы управления, используемые в конструкциях мотоциклов, мотороллеров и легковых автомобилей. Этого нельзя сказать об элементах ходовой части, в частности, о движителях, предназначенных для преобразования вращательного движения в поступательное и состоящих в общем случае из собственно колеса и шины.
Целью исследований, результаты которых представлены в данной статье, является создание и совершенствование патентозащищенных конструкций движителей для легких вездеходов на пневматиках сверхнизкого давления.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1) определены требования, которым должен отвечать движитель легкого вездехода;
2) разработаны конструкции движителей, отвечающие предъявляемым эксплуатационным требованиям и обладающие патентоспособностью;
3) изготовлены опытные образцы разработанных конструкций движителей и произвести их производственные испытания;
4) проведена предварительная оценка надежности (долговечности, безотказности и ремонтопригодности), проходимости и экологичности разработанных конструкций по субъективным показателям и намечены пути дальнейшего совершенствования конструкций.
Роль движителей в обеспечении движения вездехода по бездорожью специфична и исключительна. Именно движитель должен обеспечивать хорошее сцепление с опорной поверхностью, без труда преодолевать ямы, камни, кочки, пни, поваленные деревья и другие препятствия, встречающиеся на его пути, обеспечивать легкое управление и хорошую маневренность транспортного средства. Но самое главное свойство, которым должен обладать движитель вездехода, эксплуатируемого в непосредственном контакте с природой, - это быть экологически безопасным, минимально воздействовать на окружающую природу, не оставлять необратимых воздействий на почве, траве, кустарнике и подросте.
Колесу непросто выполнить все требования, которые предъявляются к движителю вездехода, так как площадь пятна контакта колеса должна соответствовать весу вездехода для обеспечения требуемого удельного давления на грунт. Поэтому колесо должно быть сравнительно большого диаметра и иметь значительную ширину, чтобы давление на грунт не превышало предела прочности почвы. Выполнение этого условия должно обеспечить неразрушающее взаимодействие колеса с лесной почвой, движение вездехода без образования колеи, что влечет за собой резкое снижение сил сопротивления движению, повышение проходимости и снижение расхода топлива.
Встречающиеся на своем пути единичные препятствия колесу также преодолеть непросто. На Дальнем Востоке наиболее распространенным препятствием для вездехода являются низменные участки, мари, ручьи, покрытые кочками. Если кочки расположены сравнительно редко, то их можно обрулить или объехать. Если они образуют сплошное поле с незначительными расстояниями между отдельными кочками, колесо может пройти по их вершинам не проваливаясь, как по местности с незначительными неровностями. Но наиболее тяжелым случаем с точки зрения проходимости является преодоление препятствия "в лоб”, то есть переезд через него.
Специальными исследованиями [1] установлено, что высота кочек на наиболее тяжелых участках находится в пределах 0,3-0,5 м, высота пней от спиленных деревьев от 0,3 до 0,6 м, высота поваленных деревьев (их диаметр) 0,2-0,6 м. Для преодоления препятствий с такими параметрами колесо вездехода должно иметь диаметр порядка 1000-1500 мм.
В настоящее время в России лишь две фирмы разработали конструкции колес сверхнизкого давления для вездеходов и освоили их промышленный выпуск - это ТРЭКОЛ и Арктиктранс [2,3]. Конструкции колес обеих фирм практически повторяют конструкцию колеса с нормальным (0,6-0,8 МПа) давлением, отличаются отдельными параметрами (например, количеством слоев корда), имеют определенные достоинства, но и не лишены недостатков, одним из которых является их высокая стоимость.
Принципиальным отличием конструкций движителей, разработанных в Тихоокеанском государственном университете (ТОГУ), является то, что в их покрышках отсутствуют борта в традиционном понимании как жесткая посадочная часть, необходимая для фиксации шины на ободе. В разработанных конструкциях фиксация шины на ободе осуществляется с помощью грунтозацепов, которые также повышают сцепление колеса с опорной поверхностью. По сравнению с шинами фирм ТРЭКОЛ и Арктиктранс шины ТОГУ значительно дешевле, так как их можно изготовить как с использованием специального дорогостоящего оборудования, так и на основе утилизированных шин тракторов, автомобилей или другой колесной техники.
В качестве шин вездеходов можно использовать камеры от обычных транспортных средств (грузовиков, автомобильных и тракторных прицепов, дорожно-строительной и сельскохозяйственной техники). Техническая характеристика основных типоразмеров камер по грузоподъемности представлена в таблице.
Могут также использоваться камеры колес самолетов, материал которых рассчитан на резкие колебания температуры, поэтому они более надежные по сравнению с наземными транспортными средствами. Основной недостаток таких движителей состоит в их незащищенности от возможного прокола.
Нагрузка пневматиков при давлении воздуха 0,02-0,03 МПа
Размеры пневматика D х В - d, мм Нагрузка, кН
максимальная эксплуатационная
950 х 350- 300 1,20-1,35 0,85-0,95
1065х420-457 1,70-1,85 1,20-1,30
1100х400-533 1,55-1,70 1,10-1,30
1300 х 530-533 3,15-3,40 2,20-2,40
1500х600-635 4,70-5,15 3,30-3,60
1600х600-635 5,60-6,00 3,90-4,20
Для предотвращения прокалывания камер по наружной поверхности они защищаются легкой протекторной лентой из брезента или прорезиненной кордовой ткани. Часто используются покрышки с тех же машин, что и камеры, с удаленными с них лишними слоями корда до толщины порядка 5-8 мм. Давление воздуха в пневматиках 0,005-0,03 МПа (0,05-0,3 кг/см2), что обеспечивает движителям вездеходов высокую проходимость по грунтам с низкой несущей способностью и экологичность, а их большой объем придает вездеходам плавучесть.
Предлагаемые конструкции движителей для вездехода на пневматиках сверхнизкого давления, как правило, состоят из ступицы, диска или спиц, ободьев, соединенных между собой ложементами, и шины.
Движители вездехода по устройству соединительной части ступицы с шиной можно разделить на четыре типа: с двумя плоскими дисками (рис.1,а), с двумя кольцами и плоским диском (рис.1,б), с двумя кольцами и спицами (рис.1в), с двумя фигурными дисками (рис.1,г).
Наибольшее распространение получили движители с двумя кольцами и спицами (рис.1, в) как наиболее технологичные в изготовлении, простые в обслуживании и надежные в эксплуатации. Колесо представляет собой неразъемное сварное соединение двух колец из трубы диаметром порядка 20 - 22 мм, соединенных между собой ложементами с одной стороны, а с другой спицами из таких же труб, как и кольца, со ступицей.
а б в г
Рис.1. Схемы движителей вездеходов на пневматиках сверхнизкого давления: а - с двумя плоскими дисками; б - с двумя кольцами и плоским диском; в - с двумя кольцами и спицами;
г - с двумя фигурными дисками: 1 - плоский диск, 2 - кольцо, 3 - фигурный диск, 4 - ступица,
5 - ложемент, 6 - покрышка, 7 - камера
На ложементах и кольцах расположена шина, состоящая из камеры, защищенной сверху покрышкой, которая закрепляется на камере с помощью грунтозацепов.
При проектировании колеса большое значение для обеспечения надежной работы конструкции, обеспечения ремонтопригодности имеет правильный выбор его размеров, в частности, наружного диаметра и ширины. При увеличенном наружном диаметре затрудняется монтаж и демонтаж камеры, при маленьком наружном диаметре камера при движении вездехода будет сдвигаться по ободу с возможным обрывом сосков при прохождении через ложементы. Размеры обода, исходя из опыта эксплуатации изготовленных и испытанных колес, можно принять по следующим зависимостям:
где dоб, Ьо6 - наружный диаметр и ширина обода;
Dвн.кaм - внутренний диаметр камеры;
ЬШм - ширина камеры.
Особенностью вездехода на пневматиках сверхнизкого давления является, как правило, отсутствие в его конструкции подвески в качестве самостоятельного элемента ходовой системы. Функции подвески по снижению динамических нагрузок и гашению колебаний выполняет колесо. То есть колесо в конструкции вездехода выполняет две функции - движителя и подвески.
Параметры колеса вездехода с точки зрения выполнения им функций подвески должны быть такими, чтобы его подрессоренная часть совершала колебания с привычной для человека частотой, соответствующей нормальной ходьбе (0,8-1,2 Гц). Свободные колебания подрессоренной части вездехода должны при этом быстро затухать (за 2-3 с). Такие колебания человек переносит сравнительно легко. Демпфирующие и амортизирующие свойства колеса должны обеспечиваться за счет жесткости шины и давления воздуха в камере.
На рисунке 2 представлен общий вид конструкции движителя с разрезом (с патентом РФ № 2192968), которая обеспечивает выполнение колесом функций как движителя, так и подвески [4]. Особенностью этой конструкции является то, что покрышка охватывает камеру лишь частично, не доходя до обода. Обод опирается не на покрышку, а на камеру, имеющую пониженную по сравнению с покрышкой жесткость.
Рис. 2. Общий вид движителя с разрезом (патент РФ № 2192968): 1- ступица колеса; 2 - спицы; 3 - обод;
4 - ложемент; 5 - камера; 6 - покрышка; 7 -грунтозацеп; 8 - косынка; 9 - болт
К ступице колеса 1 присоединены спицы 2, охваченные по периферии ободьями 3, которые соединены между собой ложементами 4. На ложементах размещается камера 5, охваченная частично по наружной поверхности покрышкой 6, не доходящей до ободьев и прикрепленной к ним снаружи грунтозацепами 7, закрепленными на косынках 8 с помощью болтов 9. Места крепления спиц к ободьям усилены косынками 8, имеющими отверстия для крепления грунтозацепов.
Применение тонкой эластичной покрышки, прикрепленной к ободьям колеса специальными грунтоза-цепами, охватывающей камеру лишь частично и не доходящей до ободьев, приводит к тому, что обод колеса непосредственно опирается не на жесткую покрышку, а на эластичную камеру с давлением воздуха в ней
0,005-0,03 МПа. Это позволяет колесу удовлетворительно выполнять амортизирующую функцию подвески транспортного средства. Конструкция обеспечивает требуемые амортизирующие свойства колеса для гашения вибраций и ударов при повышенной износостойкости за счет использования покрышки. Применение грунтозацепов обеспечивает надежную фиксацию камеры и покрышки на ободе и высокую проходимость конструкции. Использование ложементов обеспечивает отсутствие прокручивания камеры относительно ободьев и покрышки за счет дополнительных прогибов между ложементами и ободьями ее внутренней опорной поверхности под давлением воздуха и весом конструкции вездехода. Кроме того, применение в устройстве колеса спиц и ободьев значительно облегчает конструкцию при обеспечении ее высокой жесткости.
В качестве достоинств данной конструкции, кроме отмеченной выше возможности совмещения функций движителя и подвески, следует отметить улучшенную ремонтопригодность за счет снижения трудоемкости замены изношенных грунтозацепов.
Однако, как показали производственные испытания данной конструкции, она имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что соединение грунтозацепа 7 с косынкой 8, выполненное с помощью болта, имеет подвижный характер. Во время движения при наличии абразивной среды в виде пыли, песка, грязи и т.д. происходит интенсивный износ отверстия для болта в косынке и износ самого болта. Отказы соединения грунтозацепа с косынкой снижают безотказность и надежность конструкции.
Для устранения данного недостатка была разработана конструкция колеса, представленная на рисунке 3 и защищенная патентом РФ № 2242373 [5].
Данная конструкция отличается от предыдущей тем, что грунтозацепы закрепляются не на специальных косынках, соединенных с ободом и спицами, а на ложементах. При закреплении грунтозацепов на ложементах образуется замкнутая силовая линия, и реакция от силы тяги в данном случае передается непосредственно с ложементов на грунтозацепы и наоборот, минуя ободья. Кроме того, максимальные усилия действуют на грунтозацепы, когда они находятся в низу колеса, одновременно контактируя с дорогой. Здесь же происходит наибольшая деформация камеры и покрышки. При этом грунтозацепы зажимаются между камерой и ободом за счет силы трения, и усилие, передаваемое грунтозацепами на ложементы, частично расходуется на создание этой силы трения, разгружая болты соединения. Также в этом случае ложемент не перемещается относительно грунтозацепа, и износ крепления практически исключается. Таким образом, данное техническое решение повышает безотказность и долговечность колеса сверхнизкого давления.
Рис. 3. Общий вид движителя с разрезом (патент РФ № 2242373): 1- ступица колеса, 2 - спицы, 3 - обод, 4 - ложемент, 5 - камера, 6 - покрышка, 7 - грунтозацеп, 8 - болт
Изготовление движителей вездехода по патенту РФ № 2242373 и последующие производственные испытания позволили выявить пути дальнейшего совершенствования их конструкции. В первую очередь это касается узла сопряжения обода с камерой и грунтозацепами. Дело в том, что грунтозацепы имеют значительную (до 25 мм) высоту. Внедряясь в камеру, концы грунтозацепов с одной стороны удерживают ее от проворачивания, но с другой, особенно при пониженной температуре и низкой эластичности резины, способствуют ее интенсивному износу. Напрашивается решение - вывести грунтозацепы из зоны контакта с камерой или разделить их специальной прокладкой.
На рисунке 4 представлена конструкция движителя с разрезом в соответствии с патентом РФ № 2292268, которая исключает контакт грунтозацепов с камерой за счет того, что грунтозацепы выполнены в виде замкнутых колец и установлены по наружной поверхности шины поверх ободьев, а концы грутозацепов соединены между собой [6].
При соединении концов грунтозацепов между собой реакция силы тяги в данном случае передается непосредственно с грунтозацепов на спицы и наоборот, минуя ложементы и ободья. Касательная сила тяги передается не за счет сил трения, а в основном за счет жесткого упора грунтозацепов в спицы. Устраняются контакты концов грунтозацепов с камерой колеса, снижается износ камеры. Однако наблюдается негативное воздействие ободьев на камеру в месте их контакта, приводящее к повышенному износу камеры. Представ-
ленная конструкция колеса также позволяет заменять изношенные грунтозацепы с минимальной трудоемкостью, улучшая ремонтопригодность конструкции.
Рис. 4. Общий вид движителя с разрезом (патент РФ № 2292268): 1- ступица колеса, 2 - спицы, 3 - обод, 4 - ложемент, 5 - камера, 6 - покрышка, 7 - грунтозацеп, 8 - болт
Вывести камеру из непосредственного контакта с ободом колеса и тем самым повысить ее долговечность позволяет конструкция, защищенная патентом на полезную модель [7]. Суть данной разработки заключается в том, что на колесе устанавливается увеличенное количество грунтозацепов таким образом, чтобы обод опирался не на камеру, а на грунтозацепы. Недостатком данной конструкции является то, что в ней не устранено негативное влияние концов грунтозацепов на камеру.
На рисунке 5 представлено другое решение данной проблемы, которое заключается в том, что покрышка охватывает камеру колеса частично, но заходит за его обод, располагаясь между камерой с одной стороны и грунтозацепами с ободьями с другой, исключая контакт между ними [8]. Как показали производственные испытания таких колес, долговечность камер в этом случае повышается в 4-5 раз.
Конструкция колеса, защищенная патентом на полезную модель [9], предназначена для использования на слабых грунтах. Целью данной разработки является усиление сцепных качеств колеса с опорной поверхностью, которое достигается за счет установки на грунтозацепах металлических уголков, которые во время движения внедряются в грунт или снег и обеспечивают движение вездехода без пробуксовки.
При проведении производственных испытаний разработанных конструкций движителей особое внимание уделялось анализу тех аспектов, на устранение недостатков которых направлены изменения, вноси-
А-А 8
3
Рис. 5. Узел сопряжения шины с ободом: 1- шайба, 2 - спица,
3 - обод, 4 - ложемент, 5 - камера, 6 - покрышка, 7 - грунтозацеп, 8 - болт, 9 - гайка
мые в конструкцию колеса. Кроме этого все представленные конструкции показали хорошую проходимость, вездеходы двигались без образования колеи и повреждения поверхностного слоя почвы.
На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Разработанные и испытанные конструкции колес на пневматиках сверхнизкого давления, защищенные тремя патентами на изобретения и тремя положительными решениями о выдаче патентов на полезную модель, показали хорошую работоспособность и отвечают требованиям, предъявляемым к движителям легких вездеходов.
2. Проведенные производственные испытания разработанных конструкций позволили дать предварительную оценку их надежности, проходимости и экологичности и наметить пути дальнейшего совершенствования движителей, отвечающим различным условиям эксплуатации
Литература
1. Иванов, Н.А. Вероятностные модели кочек как препятствий для движения вездехода / Н.А. Иванов // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2005. - № 9 . - С. 205-209.
2. Электронный ресурс: http://www.iltvlna.oom/type/yandex/htmp/.
3. Электронный ресурс: http://www.vezdehody.ru.
4. Пат. № 2192968 РФ, МКИ С2 В 60 С 11/02, В 60 В 15/00. Колесо вездехода низкого давления / Иванов Н.А., Захарычев С.П.
5. Пат. № 2242373 РФ, МКИ С2 7 В 60 С 11/02, В 60 В 15/00. Колесо вездехода / Иванов Н.А., Захарычев С.П.
6. Пат. № 2292268 РФ, С 2 МПК В 60 С 11/02, В 60 В 15/00. Колесо низкого давления / Иванов Н.А., За-
харычев С.П.
7. Положительное решение о выдаче патента на полезную модель по заявке № 2009111825. Колесо низкого давления / Н.А. Иванов, М.В. Котов; заявитель ГОУ ВПО Тихоокеанский госуд. ун-т; заявл. 23.04.2009.
8. Положительное решение о выдаче патента на полезную модель по заявке № 2009111830. Колесо низкого давления / Н.А. Иванов, А.А. Землянов; заявитель ГОУ ВПО Тихоокеанский гос. ун-т: заявл. 16.04.2009.
9. Положительное решение о выдаче патента на полезную модель по заявке № 2009111713. Колесо сне-гоболотохода / Н.А. Иванов; заявитель ГОУ ВПО Тихоокеанский гос. ун-т; заявл. 30.03.2009.
'--------♦-----------
УДК 621.931-412:634.9 В.А. Иванов, А.И. Жукова, Н.Д. Вовченко, Д.В. Лепилин
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ ТРЕЛЕВОЧНОЙ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ МАЛОЙ ЛЕСНОЙ МАШИНЫ
В статье рассмотрены работы предшественников, посвященные математическому моделированию динамики колесных машин и лесных тракторов, а также предложена математическая модель уплотнения почвы малой лесной машиной, с учетом ее динамики.
Ключевые слова: трелевка, уплотнение почвы, динамика колесных машин, малая лесная машина.
V.A. Ivanov, A.I. Zhukova, N.D. Vovchenko, D.V. Lepilin
MATHEMATICAL MODEL OF DYNAMICS ТРЕЛЕВОЧНОЙ SYSTEMS ON THE BASIS OF THE SMALL WOOD MACHINE
In clause works of the predecessors, devoted to mathematical modelling of dynamics of wheel machines and wood tractors are considered, and also the mathematical model of condensation of ground by small wood machine, in view of its dynamics is offered.
Keywords: трелевка, condensation of ground, dynamics of wheel machines, the small wood machine.
