Оценка экологичности и энергоэффективности шагающего движителя на грунтах с низкой несущей способностью

УДК 629.1.033.3

В.В. Чернышев

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧНОСТИ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ШАГАЮЩЕГО ДВИЖИТЕЛЯ НА ГРУНТАХ С НИЗКОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ*

Рассмотрены вопросы, связанные с экологичностью и энергоэффективностью шагающего способа передвижения в орошаемом земледелии. Приведены рекомендации по выбору основных параметров шагающих движителей циклового типа, предназначенных для работы на слабых и переувлажненных грунтах. Полученные результаты предполагается использовать при внедрении новых почвосберегающих технологий в орошаемом земледелии.

Почвосберегающие технологии, шагающий движитель, динамическое моделирование, взаимодействие с грунтом, энергоэффективность

V.V. Chernyshev

ENVIRONMENTAL FRIENDLINESS AND ENERGY EFFICIENCY OF THE WALKING PROPULSOR ON SOILS WITH LOW BEARING CAPACITY

The article considers the problems associated with environmental friendliness and energy efficiency of walking machines in irrigated agriculture. Recommendations for choosing the main parameters of cyclic walking propulsion type designed to work in the wetland soils are presented. The obtained results will be used for introducing new soil conservation technologies in irrigated agriculture.

Soil conservation technology, walking propulsor, dynamic simulation, interaction with the soil, energy efficiency

Одной из наиболее острых проблем земледелия России продолжает оставаться деградация почвенного покрова. По данным Российской академии сельскохозяйственных наук, из общей площади пашни 119,1 млн. га водной эрозии подвержено 35 млн. га, ветровой эрозии - 10 млн. га, эрозионно-опасных -50 млн. га. Одной из причин процессов эрозии и уплотнения почвы, приводящей к ее деградации, является широкое использование в сельском хозяйстве колесных и гусеничных машин. Традиционные движители на грунтах с низкой несущей способностью зачастую не обладают достаточной проходимостью, оставляют глубокую колею и разрушают экологически ранимый почвенный покров.

В условиях переувлажненного грунта указанные недостатки проявляются в наибольшей степени. Так, например, в поливном земледелии при движении колесных дождевальных машин образуется широкая колея глубиной порядка 0,5 м. Такая колея уменьшает коэффициент полезного использования земли и приводит к бесполезным потерям воды, которая либо скапливается в колее, либо уходит с поля, разрушая и смывая плодородный слой почвы. С точки зрения энергозатрат колесный движитель также не является ресурсосберегающим. При поливе колеса дождевальной машины не могут выбраться из колеи, заполненной водой и грязью, и движение происходит в наиболее тяжелых с точки зрения энергозатрат условиях.

Аналогичные проблемы имеют место и при освоении районов Крайнего Севера (в условиях арктической зоны, тундры и лесотундры).

При внедрении новых почвосберегающих технологий в лесном и сельском хозяйстве представляется привлекательным применение шагающего движителя вместо колесного и гусеничного. При шагающем способе передвижения имеет место качественный рост грунтовой и профильной проходимости, а наносимый почвенному покрову вред благодаря дискретному и близкому к статическому взаимодействию стопы с грунтом сводится к минимуму.

В работе на базе анализа результатов динамического моделирования и обобщения опыта разработки и испытаний дождевальных машин с шагающими опорами в условиях реальной эксплуатации, а также полевых испытаний шагающих роботов «Восьминог» и «Ортоног» [1-5], формулируются рекомендации по выбору параметров шагающих движителей, предназначенных для работы на слабых и переувлажненных грунтах.

В опытных образцах шагающих опор дождевальной машины и в роботе «Восьминог» использовались движители на базе 4-звенных цикловых механизмов шагания (рис. 1), предложенных

Н.В. Умновым (ИМАШ им. А. А. Благонравова РАН). На рис. 1 точки на траектории расположены через 124 периода цикла, точки с заливкой соответствуют опорной фазе.

б

в

а

Рис. 1. Цикловой механизм шагания (а) и траектория его опорной точки (б - базовая, в - скорректированная):

1 - ведущий кривошип; 2 - Г-образное опорное звено; 3 - коромысло; 4 - стопа

В роботе «Ортоног» использовались шагающие движители ортогонального типа.

Для взаимодействия с грунтом механизмы шагания снабжались стопами, которые шарнирно присоединялись к опорному звену. Уменьшить повреждения экологически ранимого почвенного покрова можно либо за счет уменьшения зоны уплотнения почвы, снижая габариты стопы, либо путем уменьшения давления на грунт.

Первоначально использовались стопы «ИооМоо!» с малой опорной поверхностью. При этом наблюдалось падение тягово-сцепных свойств движителя в момент смены стоп. Замеченная позиционная зависимость тягово-сцепных свойств обусловлена, во-первых, деформацией опорной поверхности, соразмерной с высотой шага в фазе переноса, а во-вторых, различием при смене стоп горизонтальных составляющих относительных скоростей их опорных точек [6]. Поскольку обе стопы при

смене стоп находятся на деформируемом грунте, то как минимум одна из них будет иметь скорость, отличную от нуля по отношению к грунту. В результате под ней будет иметь место локальное разрушение (срыв) грунта с потерей его несущих свойств. В ортогональных движителях робота «Ортоног» указанный эффект проявляется в меньшей степени, однако значительная деформация грунта при малой опорной поверхности стоп усложняет согласованное управление движителями машины. По этой причине в дальнейшем в шагающих движителях применялись лыжеобразные стопы. За счет большой опорной поверхности лыжеобразных стоп обеспечивалось снижение давления на грунт до 0,02-

0,04 МПа. Стопы были выполнены в виде полых, снабженных ребрами жесткости, трапециевидных коробов. Высокая прочность и жесткость стоп допускает при эксплуатации машины, например при преодолении рвов или уступов, опору только на две крайние точки стопы. После испытаний толщина стоп была специально увеличена до 0,15 м. Это снижает вероятность «самозакапывания» стопы грунтом, оседающим со стенок колеи. Грунтозацепы на лыжах не предусматривались из экологических соображений, так как при движении они разрушают экологически ранимый верхний слой почвы.

Для уменьшения заминаемости растений и повышения грунтовой проходимости давление на грунт целесообразно снизить. С другой стороны, для уменьшения зоны уплотнения почвы желательно снизить габариты стопы. Проведенные полевые испытания показали, что для обеспечения достаточной грунтовой проходимости значения давления на грунт, рекомендованные для гусеничных и колесных машин повышенной проходимости (0,015-0,02 МПа), могут быть для шагающих машин увеличены до 0,04 МПа. Это объясняется статическим взаимодействием стопы с грунтом в опорной фазе. При таком давлении на грунт глубина следовой дорожки составляла всего 5-20% от глубины колеи колесных движителей, причем на следовой дорожке продолжала расти поливаемая культура.

В опытных образцах шагающих опор длина шага была меньше длины лыжи, поэтому следовая дорожка получилась сплошной (рис. 2). Это способствует ирригационной эрозии. При разработке шагающих опор габариты ног выбиралась из условия возможности их работы в дождевальной машине «Кубань» совместно с серийными колесными тележками. Из-за этого длина шага получилась небольшой (около 0,8 м). Габариты машины позволяют увеличить длину шага в 2-3 раза путем пропорционального увеличения длин звеньев механизмов шагания. В этом случае следовая дорожка будет дискретной. Также для исключения сплошной колеи можно расположить лыжеобразные стопы под углом к курсовому направлению «елочкой» [7], что приведет к улучшению тягово-сцепных свойств движителя.

Рис. 2. Шагающая опора дождевальной машины

При анализе энергозатрат при шагающем способе передвижения потери мощности на преодоление грунтового сопротивления оценивались как

Щ = к^х0,

где ух — курсовая скорость; kf - коэффициент сопротивления движению; О - вес машины.

Для шагающего движителя ориентировочные значения к/, в условиях отсутствия экспериментальных данных определялись аналитически по формуле к^ = Af /08 , где Af - работа, затрачиваемая на прессование грунта за цикл; 8 - перемещение машины за цикл. В нашем случае прессование грунта за цикл (2 шага) происходит дважды, поэтому А^ = 20Н , где к - глубина следовой дорожки.

Проведенный анализ показал, что в условиях переувлажненного грунта переход от колесного движителя к шагающему обеспечивает снижение Wf в 2-3 раза.

У шагающих машин, кроме указанных затрат мощности, имеются дополнительные энергопотери. При ходьбе имеет место неравномерность курсового движения и колебания корпуса при каж-

дом шаге. Это требует дополнительных энергозатрат, которые включают мощность на преодоление сил тяжести машины при ее вертикальных колебаниях

^0° = ,

мощность на преодоление цикловых сил инерции корпуса

W = Ф V + Ф V

УУ0 ф0 ГУГ + ф0 7*7 ,

0 0 х х 0 гг

и мощность на преодоление сил инерции в движителе, которые складываются из затрат на преодоле ние сил инерции в звеньях механизмов шагания

4 4

2

К = Ш

!=1 ]=1 к =1

где уг - вертикальная скорость машины; Ф0х = —т0 ах, Ф0г = —т0 аг - курсовая и вертикальная составляющие главного вектора сил инерции корпуса; ах, аг - его курсовое и вертикальное ускорение; т0 - масса корпуса; Ф.кх, Ф.кг - курсовые и вертикальные силы инерции г-го звена .-го механизма

шагания к-го борта; хСг.к , &Сг.к - курсовая и вертикальная скорости центра масс звеньев; Мф и СО. -

момент сил инерции звена и его угловая скорость.

При определения мощностей (2)-(4) был проведен кинематический анализ шагающей опоры. При определении скоростей и ускорений точек механизмов шагания они рассматривались как плоские многозвенные механизмы. При составлении дифференциальных уравнений движения звеньев их угловые скорости выражались через скорости точек, на которые накладываются внешние связи. Выражения для скоростей узловых точек получались последовательным, от звена к звену, рассмотрением движений твердых тел. Для задания движения шагающей опоры к уравнениям движения добавлялись формулы для проекций относительных скоростей опорных точек, а также формулы для относительных координат опорных точек, необходимых для определения момента смены стоп.

Расчеты показали, что при невысоких скоростях движения основной объем дополнительных энергозатрат ^доп связан с мощностью, идущей на преодоление сил тяжести шагающей машины. Структура затрат мощности за цикл (2 шага) для 2,5 тонной шагающей опоры при скорости 1 км/ч представлена на рис. 3. На рисунке по оси абсцисс расположены порядковые номера точек относительной траектории (рис. 1 б) опорной точки механизма шагания.

Рис. 3. Структура затрат мощности за цикл движения шагающей опоры при скорости 1 км/ч:

W0G

В шагающих машинах в отличие от колесных энергозатраты на прессование грунта имеют место лишь часть цикла - в момент смены стоп. Характер изменения Wf для шагающей опоры при к = 0,05 м представлен на рис. 3 кривой 4. При такой глубине следовой дорожки смена стоп будет происходить на участках 7-10 и 19-22 траектории рис. 1б, где мощность Wf будет расти по мере увеличения реакции грунта под стопой входящей в опорную фазу от нуля до максимального значения.

При смене стоп мощности Wf и W()G имеют разный знак и мощность на преодоление грунтового сопротивления на 65% обеспечивается за счет рекуперации энергии, затраченной на подъем корпуса. В результате дополнительные потери Wдоп мало влияют на среднее значение мощности, расходуемой на движение за цикл, и шагающий движитель по энергоэффективности превосходит колесный в 1,5-2,5 раза.

Поскольку Wf и W()G пропорциональны курсовой скорости, такая же ситуация будет иметь место во всем диапазоне невысоких скоростей. Мощность на преодоление цикловых сил инерции корпуса и в движителе при скоростях 1-2 км/ч незначительна, однако уже при скорости порядка 4-5 км/ч мощности W()Ф и

Wlфg , пропорциональные кубу курсовой скорости, становятся наиболее существенными в структуре энергозатрат на передвижение, и шагающий движитель начинает уступать по энергозатратам колесному.

При увеличении длины шага, которое предполагается осуществить для обеспечения дискретности следовой дорожки, среднее значение мощности, расходуемой на движение, уменьшится за счет уменьшения количество деформаций грунта на единицу пути. С практической точки зрения важно не только среднее значение требуемой на движение мощности, определяющее энергозатраты, но и ее максимальное значение, определяющее мощность электропривода. В разработанной шагающей опоре

максимальное значение потребной мощности совпадает с максимумом W0G и составляет 2,5 кВт, что в 1,5 раза выше, чем при колесном движителе. При увеличении длины шага, например, в 2 раза за счет пропорционального увеличения длин звеньев механизма шагания соотношение высоты шага и глубины следовой дорожки изменяется, и смена стоп будет происходить на не участках 7-10 и 19-22 траектории рис. 1 б, а на участках 9-10 и 21-22. Поскольку площадь треугольника под кривой 4, рис. 3, характеризующая работу на прессование грунта за половину цикла, не изменяется, а основание треугольника уменьшилось в 3 раза, то будет иметь место такой же рост пика кривой 4. В результате максимальное значение потребной мощности будет совпадать с максимумом Wf и составит около 9 кВт, что почти в 5 раз выше, чем при колесном движителе. Указанный недостаток можно устранить путем коррекции траектории опорной точки механизма шагания, направленной на увеличение участка смены стоп и, соответственно, основания треугольника, характеризующего работу на прессование грунта. Требуемую коррекцию траектории можно осуществить, например, за счет смещения точки подвеса коромысла механизма шагания (рис. 1 в). В итоге максимальное значение требуемой на движение мощности, определяющее мощность электропривода, уменьшится до уровня мощности, требуемой на движение при колесном движителе.

Таким образом, проведенный анализ показал, что при движении с невысокими скоростями в условиях слабого или переувлажненного грунта шагающий движитель циклового типа может при соответствующем выборе его основных параметров существенно превосходить колесный движитель по экологичности и энергоэффективности. Поэтому шагающие машины с простыми и надежными цикловыми движителями могут быть востребованы при внедрении новых почвосберегающих и ресурсосберегающих технологий в лесном и сельском хозяйстве, в частности в орошаемом земледелии, уже в настоящее время.

ЛИТЕРАТУРА

1. Опыт разработки и испытаний шагающих опор дождевальной машины / Е.С. Брискин, В.В. Чернышев, В.В. Жога, А.В. Малолетов // Тракторы и сельхозмашины. 2011. № 9. С. 27-31.

2. Чернышев В.В. Исследование взаимодействия шагающего движителя с экологически ранимым почвенным покровом / В.В. Чернышев, Е.С. Брискин // Безопасность жизнедеятельности. 2012. № 1. С. 34-38.

3. Брискин Е.С. Экспериментальные исследования динамики многоопорной шагающей машины с движителями лямбдаобразного вида / Е.С. Брискин, В.В. Чернышев // Известия вузов. Машиностроение. 1999. № 4. С. 32-37.

4. Чернышов В.В. Полевые исследования шагающих машин / В.В. Чернышев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2004. № 4. С. 20-22.

5. Шурыгин В.А. Моделирование движения шагающей машины с ортогонально-поворотными движителями / В.А. Шурыгин, В.А. Серов, Н.Г. Шаронов // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2011. Т. 9. № 11. С. 41-44.

6. Брискин Е.С. О позиционной зависимости тягово-сцепных свойств шагающих машин с цикловыми движителями / Е.С. Брискин, В.В. Чернышев, Н.Е. Фролова // Тракторы и сельхозмашины. 2009, № 6. С. 21-25.

7. Пат. 2156711 РФ, МПК 7 В 62 Б 57/032 Шагающая опора для транспортных средств повышенной проходимости / Д.Е. Охоцимский, Е.С. Брискин, В.В. Чернышев, С.В. Шерстобитов. 2000.

Чернышев Вадим Викторович -

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Теоретическая механика» Волгоградского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Vadim V. Chernyshev -

Dr. Sc., Professor

Department of Theoretical Mechanics Gagarin Volgograd State Technical University

Статья поступила в редакцию 15.10.12, принята к опубликованию 06.11.12