Введение к работе
1. 1.1. Актуальность темы
В последние годы в связи с народнохозяйственной потребностью освоения новых труднодоступных территорий, внедрения в сельском хозяйстве почвосберегающих технологий и др. повышается интерес к разработке внедорожных транспортных средств с новыми нетрадиционными видами движителей. Объясняется это тем, что в условиях бездорожья движение, например, по заболоченной местности, пескам, тундре не может быть эффективно обеспечено традиционными транспортными средствами с колесным и гусеничным движителями. Действительно, для того, чтобы колесная машина могла преодолеть участки болотистой местности, необходимо обеспечить достаточно малое удельное дазлепие каждого колеса на грунт. Сохраняя требуемую грузоподъемность машин, этого можно добиться как путем установки дополнительного числа колес, так и увеличением их диаметра. Оба эти мероприятия ведут к существенному увеличению габаритов транспортного средства, его удорожанию в производстве и эксплуатации. И на сегодняшний день возможности в этом направлении, по-видимому, исчерпаны.
Машины с гусеничным движителем свободны от этого недостатка. За счет значительной площади опорной поверхности гусеницы среднее удельное давление на грумг у них значительно ниже. Более того, имеется резерв уменьшения давления за счет увеличения ширины гусеничной цепи. Однако на повороте гусеничная машина движется с проскальзыванием по грунту. Поэтому при маневрировании имеют место повышенные энергозатраты, дополнительный износ гусеничной цепи, а на мягких и сыпучих грунтах, за счет среза бо-, ковой поверхностью гусеницы большого объема грунта, реализуется так называемый "бульдозерный эффект", препятствующий повороту машины. Для сельскохозяйственной техники перечисленные недостатки колесных и гусеничных машин усугубляются вредными воздействиями на почву, проявляющимися в ее эрозии, переуплотнении и др. Недостатки колесных и гусеничных машин проявляются также в невозможности передвижения по сильно пересеченной местности, включающей траншеи, лесные завалы и др. В совокупности перечисленные обстоятельства заставляют искать новые принципы конструирования транспортных машин, в том числе и на базе шагающих движителей.
В настоящее время имеются лабораторные и опытные образцы шагающих машин. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что шагающие машины могут быть лишены недостатков, присущих колесным и гусеничным транспортным средствам. В частности, за счет достаточно большой плошади опорной поверхности (стопы) механизма шагания можно существенно снизить среднее удельное давление на грунт, а рациональным выбором кинематической схемы шагающей машины или системы управления реализовать ее поворот без проскальзывания стопы по грунту. Другое важное.преимущество шагающих машин связано с их энергетическими характеристиками. При движении транспортного средства потребляемая энергия, в
конечном счете, затрачивается на необратимую деформацию грунта. Если теперь учесть, что колесные и гусеничные машины образуют более глубокую колею, а шагающие - дискретную, то достаточно обосновано предположение о меньших энергозатратах при движении рационально спроектированных шагающих машин. Многообещающие перспективы открываются при совместном использовании ЭВМ ках средства управления и системы датчиков, как средства контроля движения шагающей машины и прогнозирования дорожной ситуации. В этом случае создаются возможности для индивидуального управления каждым движителем (изменение длины шага, высоты подъема стопы, время ее нахождения в опорной фазе и др.) с целью реализации заданной оператором программы движения по сильно пересеченной местности.
Вместе с тем накопленный опыт исследования динамических характеристик движения шагающих машин обнаруживает целый ряд факторов, сдерживающих форсированное внедрение шагающих машин в различные отрасли народного хозяйства. Среди них важнейшими являются сравнительная сложность конструкции, а следовательно, и низкая надежность, и невысокая скорость передвижения, обусловленная высокими динамическими нагрузками, действующими на корпус шагающей машины и ее привод при высоких скоростях перемещения неуравновешенных механизмов шагания на этапах быстрого переноса. Однако, не игнорируя эти факторы, следует иметь в виду, что усложнение конструкции в целом есть объективный закон развития техники и, в частности, транспортного машиностроения. С другой стороны, для различных ртраслей народного хозяйства должны разрабатываться шагающие машины различной степени сложности. Так, в сельском хозяйстве для производства технологических операций на сравнительно ровных полях нет необходимости предусматривать управление ЭВМ каждым движителем, а достаточно, сохраняя принципы управления колесными и гусеничными машинами, перенести их на шагающие машины.
Однако и для таких, достаточно простых машин, эксплуатируемых только в, так называемых, маршевых режимах, отсутствуют законченные теории расчета основных характеристик движения, аналогичных теориям расчета автомобиля и трактора. Необходимость же в такой теории диктуется достаточно устойчивой тенденцией в медленном внедрении шагающих машин, в различные технологические процессы, ранее выполняемые машинами с колесными и гусеничными движителями (дождевальные машины в сельском хозяйстве, валочно-пакетирующие машины в лесном хозяйстве и др.)
В разработке основ такой теории и состоит основная цель представленной работы. Диссертация выполнена в рамках госбюджетных и хоздоговорных исследований на кафедре теоретической механики Волгоградского государственного технического университета.
1.2. Цель и основные задачи исследования
Основная цель работы - разработка теории маршевых режимов движения статически устойчивых многоногих шагающих машин с движителями на
основе цикловых механизмов, дискретно взаимодействующих с вязкоупруго-пластичной средой.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
разработка теоретических основ метода эквивалентного замещения реального плоского циклового механизма шагания ортогональным, позволяющего описывать движение достаточно большого многообразия цикловых движителей одинаковыми дифференциальными уравнениями;
разработка концепции базовой кинематической схемы шагающей машины и математической модели ее плоского движения как системы сочиненных твердых тел, дискретно взаимодействующих с вязкоупругопластпчаон средой (грунтом);
разработка методики автоматизированного синтеза кинематической схемы трансмиссии и рулевого управления машины на основе матричного описания голономных связей, накладывающих ограничения на движение шагающей машины с базовой кинематической схемой;
исследование поступательного движения шагающей машины на реальном грунте її разработка методики тягово-динамического расчета;
исследование плоского движения шагающей машины при повороте и изучение влияния голономных связей, описывающих кинематическую с?ему трансмиссии и рулевого управления, на кинематические, динамические и энергетические характеристики движения;
исследование курсового движения шагающей машины и изучение влияния голономных связен, описывающих кинематическую схему трансмиссии и рулевого управления, на траекторию движения центра масс корпуса мз-шины и его ориентацию;
исследование вибрационных эффектов, возникающих при дгшеении" шагающих машин, и их влияния на кинематические, динамические и энергетические характеристики;
1.3. Методика исследований
Методика исследований базировалась на фундаментальных положениях теоретической механики, теории механизмов и машин и расчетных схемах, применяемых для исследований транспортных и технологических машин.
Для решения отдельных задач применен метод моделировании динамики движения изучаемых объектов на ЭВМ, поэтапный аналитический анализ для выявления качественных закономерностей влияния конструктивных и эксплуатационных фахторов на движение шагающих машин.
Полученные результаты теоретического анализа сопоставлялись с известными закономерностями движения динамических систем (эффекты синхронизации, виброперемещения, динамического гашения колебаний t: др.) и сравнивались с натурными исследованиями дождевальной машины "Куо?>::." с шагающими движителями.
1.4. Научная новизна
Разработана методика эквивалентного замещения реального плоского механизма шагания ортогональным, позволяющая изучать динамику маршевых режимов движения шагающих машин на основе интегральных массово-геометрических характеристик движителя.
Предложена и реализована концепция базовой математической модели плоского движения шагающей машины как системы сочлененных твердых тел, взаимодействующих с вязкоуяругой средой (грунтом), и допускающая, за счет наложения голономных (управляющих) связей, ограничивающих перемещения движителей и корпуса машины, исследовать движение шагающих машин с движителями на основе цикловых механизмов шагания;
обосновано существование, по сравнению с традиционными транспортными средствами, дополнительной силы сопротивления движению, обусловленной рассеянием энергии при колебаниях шагающей машины на вяз-хоупругопластичном грунте;
Установлен эффект дополнительного виброперемещения шагающей машины, проявляющийся в окрестностях резонансных режимов движения и являющийся причиной зависимости коэффициента буксования от скорости;
доказано существование критических скоростей движения, соответствующих равенству частот вынуждающих сил, действующих на машину, ее собственным частотам;
получено уравнение тягового баланса, учитывающее дополнительную силу сопротивления движению, обусловленную рассеянием энергии при колебаниях шагающей машины на грунте, и зависимость коэффициента буксования от скорости;
разработана методика исследования плоского движения (поворота) шагающих машин с различными кинематическими схемами трансмиссии и рулевого управления, учитывающая вязкоупругопластичные характеристики грунта и статистические закономерности относительного положения движителей и их механизмов шагания перед входом в поворот;
установлена тенденция к поперечным и угловым колебаниям шагающих машин в плоскости движения, зависящая от походки, кинематических схем трансмиссии, рулевого управления и скорости;
обнаружен эффект самосинхронизации движения движителей, обусловленный колебаниями машины на грунте. Установлено, что минимуму энергозатрат соответствуют самоустанавливающиеся походки;
изучена движение шагающих машин с динамическими гасителями колебаний, содержащими емкости, частично заполненные сыпучими средами.
. IS. Положения, выносимые на защиту
Метод эквивалентного замещения реального циклового механизма шагания ортогональным;
математическое описание плоского движения шагающей машины с базовой кинематической схемой, состоящей из системы сочлененных твердых
тел, дискретно взаимодействующих с пязкоупругопластичной средой а сочетании с матричным представлением кинематической схемы трансмиссии и рулевого управления как голономпых связей, накладывающих ограничения на перемещения машины;
закономерности возникновения дополнительной силы сопротивления движению шагающей машины, обусловленной ее колебаниями на грунте;
закономерности проявления эффекта дополнительного вибропереме-щенпя;
результаты исследовании поворота шагающих машин на абсолютно жестком и реальном грунте, учитывающие случайное расположение опор механизмов шагания перед входом в поворот к степень кинематической неопределимости машины;
закономерности проявления тенденции к поперечным и угловым колебаниям шагающей машины в курсовом движении и эффекта самосинхронизации движителей;
результаты исследований курсового движения шагающих машин е присоединенными поглотителями вибраций и динамичесхнми гасителями колебаний, содержащими емкости, частично заполненные сыпучими средами, как механическими системами, снижающими уровень колебаний'шагающих машин;
в качестве инженерного приложения — уравнение тягово-динамнческого баланса машины, учитывающее дополнительную силу сопротивления движению и эффект внброперемещения, обобщающее известные уравнения тягово-динамического баланса для колесных и гусеничных машин.
1.6. Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов
Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов обусловлена применением фундаментальных методов теоретической механики и теории механизмов и машин, а также результатами исследований работы шагающих машин в реатьных условиях эксплуатации.
1.7. Реализация результатов работы и их практическая ценность
Работа по исследованию динамики шагающих машин в течение длительного времени, начиная с 1984 г. и по настоящее время, выполнялась в тесном контакте с производственным объединением "Баррикады", ЦКБ "Титан", Главным управлением сельского хозяйства и продовольствия Администрации Волгоградской области, Министерством сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации, институтом Машиноведения РАН, институтом прикладной математики РАН.
Основные результаты работы использованы в научных исследованиях, конструкторских разработках дождевальных и транспортных машин с шагающими движителями, а учебном процессе в Волгоградском государственном техническом университете для студентов, обучающихся по направлению "Наземные транспортные системы".
Совместно с конструкторами и инженерами ПО "Баррикады", учеными из института Машиноведения РАН, творческим коллективом кафедры теоретической механики Волгоградского государственного технического университета, возглавляемым автором, разработана, изготовлена и прошла испытания дождевальная машина "Кубань" с шагающими движителями.
Разработанные методики тягово - динамического расчета, выбора рациональной кинематической схемы рулевого управления, снижения тенденции х курсовым колебаниям движения машины позволяют целенаправленно на этапе проектирования принимать конструкторские решения.
1.8. Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на: -ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (1985 - 1995 гг.);
- Межреспубликанской научно-технической конференции "Совершенство
вание средств и методов расчета изделий машиностроения" ( Волгоград,
1988 г.);
-Первой Всесоюзной (1988г.), второй и третьей Всероссийских (1992, 1995 г.) конференциях по механике и управлению движением шагающих машин (г. Волгоград);
-Всесоюзной конференции по теории и расчету мобильных машин и двигателей внутреннего сгорания (Телави, 1985 г.);
-Всесоюзнойконференции по вибрационной технике (Кобулети, 1987 г.);
-IV Всесоюзном совещании по роботогехннческим системам (Киев, 1987 г.);
-семинаре-совещании "Вопросы теории и проектирования многоногих шагающих машин" (Москва, Институт Машиноведения АН СССР, 1990 г.);
-V Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Геленджик, 1990 г.);
-VII Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Москва, 1991 г.);
- Международном симпозиуме "Экология и безопасность жизнедеятель-.
ности , научно - прикладные аспекты, инженерные решения" ( Волгоград,
1996 г.).
1.9. Публикации
Диссертация обобщает исследования автора за период с 1980 по 1996 гг. Результаты выполненных исследований отражены в 25 статьях общим объемом 5.5 печатных листов, 4 авторских свидетельствах и патентах, учебном пособии, а также в ежегодных отчетах по хоздоговорным и госбюджетным научно-исследовательским работам.
1.10. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка ли-