Введение к работе
з Актуальность исследования
Шагающие машины могут занимать особое место в классе транспортно-технологических комплексов в различных отраслях экономики. Это обусловлено, как невозможностью движения традиционных транспортных средств на значительной части земной поверхности (пески, лёссы, болота и др.), так и особыми свойствами шагающих машин: меньшим разрушающим воздействием на грунт, реализацией повышенных тягово-сцепных свойств, принципиальной возможностью выбора мест постановки опор механизмов шагания при курсовом движении и др.
Шагающие машины могут условно подразделяться на два типа: машины грунтовой и профильной проходимости. Машины профильной проходимости могут перемещаться по сильнопересечённой местности, в том числе и по завалам, что достигается за счёт применения механизмов шагания с несколькими степенями свободы в каждом движителе и сложной системы управления такой машиной. Машины грунтовой проходимости предназначены для движения в основном по относительно ровному рельефу. В этом случае конструкция машины и система управления значительно проще, дешевле и надёжнее, чем у машин профильной проходимости, возможно и целесообразно применение цикловых движителей.
Приводы шагающих машин могут быть различными: механическими,
электрическими, гидравлическими, пневматическими и др., при этом движитель у
машин всех типов обязательно содержит механическую часть, взаимодействующую
с опорной поверхностью. Применение шагающих движителей имеет определённую
специфику, обусловленную кинематической незамкнутостью и
неуравновешенностью большинства типов механизмов шагания. Это распространяется на все типы движителей, однако, наиболее важно для машин с цикловыми механизмами шагания. Цикловыми называются такие механимы, которые в процессе движения проходят одни и те же положения, повторяющиеся через определённый период. Как правило, такие механизмы являются неуравновешенными, что обуславливает значительные потери энергии в приводах на периодический разгон-торможение неуравновешенных масс. Их применение в качестве движителей шагающих машин вызывает потребность в непропорционально мощном двигателе курсового движения при увеличении курсовой скорости. Установлено, что затрачиваемая на движение мощность увеличивается пропорционально кубу скорости. Увеличение скорости также вызывает рост инерционной нагруженности неуравновешенных движителей. В первую очередь данными факторами обусловлены малое распространение шагающих машин с цикловыми движителями и малые скорости их движения (0,2-0,5 км/ч). Проблема повышения курсовой скорости (без значительного увеличения потерь энергии в приводах) до технологически приемлемых 1,5-5 км/ч является наиболее актуальной при проектировании и совершенствовании шагающих машин с цикловыми движителями.
Цель исследования
Разработка методов уменьшения потерь энергии в приводах шагающих машин с цикловыми движителями за счёт оптимизации параметров механизмов шагания и трансмиссии, выбора режимов движения машины и шагающих движителей.
4 Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие задачи:
Анализ закономерностей потерь энергии в приводах шагающих машин с цикловыми движителями.
Разработка математической модели для динамического и энергетического анализа работы привода при поступательном режиме движения шагающей машины с цикловыми движителями при действии различных внешних сил.
Определение оптимальных программных режимов движения шагающей машины с цикловыми движителями, обеспечивающих минимум потерь энергии в приводном двигателе при действии различных внешних сил.
Разработка методики определения потерь энергии в приводе при оптимальных режимах движения шагающей машины при действии различных внешних сил.
Экспериментальные исследования энергетической эффективности привода шагающих машин с цикловыми движителями.
Методы исследования
Методы исследования основывались на базовых дисциплинах машиноведения: теоретической механике и мехатронике, теории механизмов и машин, а также теории электрического привода. Для поиска оптимального по введённому критерию минимума потерь энергии в приводном двигателе закона движения применялись обратные методы классического вариационного исчисления. Для решения дифференциальных уравнений движения использовались методы численного интегрирования в пакетах прикладных программ. Для проверки энергетической эффективности привода шагающих машин использовались методы физического моделирования в лабораторных условиях на основе положений теории подобия и планирования эксперимента.
Объект исследования
Процессы потерь и рекуперации механической энергии в приводах шагающих машин с цикловыми движителями.
Научная новизна работы состоит в следующих основных результатах, которые выносятся на защиту:
Математическая модель динамики и энергетики привода при поступательном режиме движения шагающей машины, моделируемой как система твёрдых тел с цикловыми движителями, дискретно и безударно взаимодействующих с абсолютно твёрдой поверхностью при действии различных внешних сил.
Методика определения оптимальных программных режимов движения шагающей машины с цикловыми движителями, обеспечивающих минимум потерь энергии в приводном двигателе при действии различных внешних сил.
Методика определения потерь энергии в приводах при поступательном движении шагающих машин с цикловыми движителями с учётом различных внешних сил.
Методика выбора оптимальных параметров шагающих движителей на основе уравновешивания механизмов шагания.
Результаты экспериментальных исследований энергетической эффективности шагающих движителей.
5 Реализация результатов работы и их практическая ценность
Разработанные математические модели и методики расчёта позволяют на стадии проектирования шагающих машин с цикловыми движителями осуществлять рациональный выбор параметров машины и отдельных узлов её трансмиссии, проводить модернизацию существующих машин, а также энергетически оптимально управлять движением машины при различных силах сопротивления движению. Полученные результаты могут быть использованы при создании шагающих машин новых поколений, а также (при соответствующей модификации) применяться при оптимизации потерь энергии в приводах других цикловых механизмов.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на:
-XI...XIV регион, конф. молодых исследователей Волгоградской области (2006...2009, Волгоград);
внутривуз. научн. конф. ВолгГТУ (2008...2012, Волгоград, ВолгГТУ);
IV междунар. науч.-практ. конф. «Прогресс транспортных средств и систем» (2009, Волгоград, ВолгГТУ);
междунар. науч. шк.-конф. «Мобильные роботы» (2008, 2009, Москва, МГУ);
II Всерос. науч.-практ. конф. «Экстремальная робототехника» (2008, СПб);
V науч.-техн. конф. МАУ-2008 в рамках II рос. мультиконф. по пробл. упр. «Мехатроника, автоматизация, управление» (2008, СПб);
междунар. науч.-техн. конф. ИИ-2008 «Искусственный интеллект. Интеллектуальные системы». (2008, пос. Кацивели, АР Крым, Украина);
междунар. науч.-техн. мультиконф. ИКТМР-2009, локальная конф. XX междунар. науч.-техн. конф. «Экстремальная робототехника. Нано-, микро- и макророботы» (2009, Геленджик),
шк.-конф. с междунар. уч «РОБОТЫ-2010» (2010, Москва, МГУПИ);
13-ой междунар. конф. по ползающим и шагающим роботам CLAWAR (NITech, Nagoya, Japan, 2010);
7-й науч.-техн. конф. "Мехатроника, автоматизация, управление" (МАУ-2010), в рамках 3-й мультиконф. по проблемам управления (МКПУ-2010), (2010, СПб);
-X Всеросс. съезде по фундам. пробл. теоретич. и прикл. механики (2011, г. Н.Новгород);
- IV Всерос. мультиконф. по пробл. упр. МКПУ-2011 (2011, Геленджик);
- междунар. науч.-техн. конф. «Экстремальная робототехника» (2011, СПб).
Публикации
По результатам диссертационного исследования опубликовано 25 печатных работы, из них 5 в периодических изданиях по списку ВАК РФ и 3 в иностранных изданиях. Результаты работы нашли отражение в научно-исследовательских отчетах кафедры «Теоретическая механика» ВолгГТУ, имеющих государственную регистрацию.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации - 136 с, в тексте содержится 5 таблиц и 38 рисунка. Список литературы из 192 наименований представлен на 21с.
