Совершенствование гидропневматических подвесок гусеничных и колесных машин

УДК 629.113

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-4-40-46

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИХ ПОДВЕСОК ГУСЕНИЧНЫХ И КОЛЕСНЫХ МАШИН

© А.Г. Осипов1

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, Лермонтова, 83.

Представлен обзор гусеничных и колесных машин, укомплектованных гидропневматическими подвесками. Проанализированы преимущества и недостатки этих подвесок. Обращено внимание на особенность гидропневматических подвесок изменять свои характеристики при изменении температуры рабочего тела. Проанализированы возможные пути снижения температурной нестабильности характеристик подвесок. Рассмотрены перспективы совершенствования гидропневматических подвесок за счет компенсационных систем, регулирующих объем пневмокамеры в зависимости от температуры газа. Представлена схема подвески с вариантом управляемого компенсационного устройства.

Ключевые слова: гусеничные и колесные машины; эксплуатационные свойства; гидропневматические подвески; регулятор объема пневмокамеры; компенсационные системы; совершенствование гидропневматических подвесок.

IMPROVEMENT OF TRACKED AND WHEELED VEHICLE HYDROPNEUMATIC SUSPENSIONS A.G. Osipov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article reviews tracked and wheeled vehicles with hydropneumatic suspensions. It analyzes advantages and disadvantages of these suspensions indicating the feature of hydropneumatic suspensions to change their characteristics with the change in the temperature of a working body. Analysis is given to possible ways of reducing the temperature instability of suspension characteristics. The prospects of hydropneumatic suspension improvement by the compensation systems regulating the pneumatic chamber volume depending on the gas temperature are considered. The suspension circuit with the variants of controlled compensation device is introduced.

Keywords: tracked and wheeled vehicles; performance characteristics; hydropneumatic suspensions; pneumatic chamber volume control; compensation systems; improvement of hydropneumatic suspensions

В настоящее время гидропневматические подвески (ГПП) находят все более широкое применение в системах подрессо-ривания гусеничных и колесных машин. Первые подвески этого типа появились в 30-х годах двадцатого столетия, найдя применение на гусеничных и колесных тягачах, отдельных легковых автомобилях и автобусах, позднее на грузовых автомобилях [1].

К числу первых фирм, приступивших к работе над созданием ГПП, следует отнести французскую фирму «Sitroen», немецкую «Mersedes», американскую «General Motors Corporation» [2].

Первыми гусеничными машинами с ГПП закономерно были боевые машины развитых стран: танк STRV-103

образца 1956 г.; изделие 279 (СССР) образца 1957 г.; танк Т 74 (Япония) образца 1962 г.; танк Челленджер-1 (Великобритания) образца 1983 г.; танк К-1 (Южная Корея) образца 1985 г.; танк Рамзес-2 (Египет) образца 1990 г.; танк Леклерк (Франция) образца 1992 г.; танк Т 10 (Япония) образца 2008 г. и др. [3].

В настоящее время продолжается совершенствование ГПП. Их применение на гусеничных и колесных машинах считается перспективным по ряду преимуществ ГПП, к которым следует отнести прогрессивные характеристики упругости, возможность объединения в одном агрегате упругого и демпфирующего компонентов, унификацию, удобство компоновки, возможность использования системы управления

1

Осипов Артур Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, e-mail: arthur.osipov@rambler.ru

Osipov Artur, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, e-mail: arthur.osipov@rambler.ru

положением корпуса (кузова) машины (СУПК) и т. д.

Оценивая СУПК, необходимо в первую очередь отметить возможность ручного изменения клиренса машины и положения ее колес, что способствует преодолению препятствий, обеспечивает удобство парковки возле бордюра, погрузки-выгрузки и уборки транспортного средства [3].

Кроме того, современные СУПК предусматривают автоматическое регулирование положения колес и кузова машины относительно дороги (рис. 1).

Особое предназначение имеют ГПП на боевых машинах. Изменение положения корпуса этих машин (рис. 2.) [4] позволяет в 2-3 раза уменьшить видимую площадь поражения.

Адаптивность подвески к дорожной поверхности и повышенная плавность хода позволяют эффективнее применять вооружение при стрельбе, а также обеспечивать комфортные условия работы экипажа. Монтаж узлов ГПП снаружи машины позволяет высвободить пространство внутри корпуса машины. Такое размещение облегчает замену подвески в случае боевого поражения.

Вместе с этим опыт эксплуатации гусеничных и колесных машин с ГПП, а также результаты специальных экспериментальных исследований показали, что характеристики упругости ГПП в эксплуатационных условиях изменяются в зависимости от температуры газа в пневмокамере и

некоторых других факторов [5]. Эта особенность эксплуатации машин с ГПП является серьезным недостатком, так как нагрев и охлаждение подвески вызывают нарушение функционирования всей системы подрессоривания.

В связи с отмеченной особенностью проведены дополнительные исследования влияния температуры на функционирование ГПП [6], для чего была использована подвеска с неподвижным силовым гидроцилиндром и пневмокамерой объемом

3

2500 см при заправочном давлении 7 МПа.

На первом этапе исследований по методике, разработанной автором, были получены зависимости изменения давления в пневмокамере при изменении температуры газа (рабочего тела) подвески (рис. 3) [7].

Проведенные теоретические исследования [8] показали, что повышение температуры газа в пневматической камере ГПП на 100 К приводит к изменению характеристик упругости ГПП, что значительно снижает плавность хода машины. При этом ускорения на месте водителя возрастают на 40%, а скорость угловых колебаний -на 25%.

Полученные результаты проведенных исследований позволили сделать вывод о необходимости поиска эффективного способа стабилизации характеристик упругости ГПП и о разработке устройства, реализующего этот способ.

Рис. 1. Автоматическое регулирование положения колес и кузова многоосной колесной машины

при работе СУПК

Рис. 2. Управление положением корпуса боевой машины при работе СУПК

Рис. 3. Изменение давления в пневмокамере гидропневматической подвески в зависимости от температуры рабочего тела

При рассмотрении возможных способов стабилизации характеристик упругости ГПП было выделено три направления: изменение конструкции подвески, улучшение условий ее естественного теплообмена, искусственное регулирование ее теплообмена.

К первому направлению можно отнести разнесение в ГПП упругих и демпфирующих компонентов или установку последних вне подвески.

Однако такой подход к решению вопроса не всегда является рациональным

из-за компоновочных соображений, ухудшения объемно-массовых показателей, усложнения конструкции подвески и снижения ее надежности.

Улучшение условий естественного теплообмена связано с увеличением теп-лорассеивающей поверхности ГПП, что не всегда является целесообразным для колесных машин и не приемлемо для боевых гусеничных машин.

Не всегда рационально и искусственное регулирование теплообмена ГПП, так как принудительное охлаждение под-

вески связано с дополнительными затратами эффективной мощности и компоновочными площадями.

Не решают проблему и известные устройства, ограничивающие температуру ГПП за счет выключения амортизаторов, регулирования их сопротивления или принудительного охлаждения последних.

Трудности в реализации вышерас-смотренных способов оптимизации теплового состояния ГПП послужили причиной поиска новых путей решения проблемы, в частности, разработки систем компенсации влияния температуры газа в пневмо-камере на функционирование подвески. Дальнейшее развитие этих систем может

идти в направлении объединения ГПП с СУПК.

Проведенные автором исследования [7, 8] позволили получить зависимости требуемого приращения или сокращения объема пневмокамеры от температуры газа для удержания заданной величины давления в пневмокамере, а следовательно, стабилизации характеристик упругости рассматриваемой ГПП (рис. 4).

Реализовать предложенный в статье способ компенсации влияния температуры газа в пневмокамере на характеристики упругости ГПП можно при помощи принципиальной схемы, разработанной автором статьи и представленной на рис. 5.

Температура

Рис. 4. Изменение приращения или сокращения объема пневмокамеры гидропневматической подвески в зависимости от температуры газа

Рис. 5. Принципиальная схема ГПП с компенсационной системой, регулирующей объем пневмокамеры в зависимости от температуры газа: 1 - каток (колесо); 2 - балансирный рычаг; 3 - корпус; 4 - поршень силового гидроцилиндра; 5 - демпфер-амортизатор; 6 - гидрокамера; 7 - диафрагма; 8 - пневмокамера; 9 - регулятор объема пневмокамеры; 10 - шаговый двигатель; 11 - винт-гайка; 12 - датчик обратной связи; 13 - обмотка управляющего полюса двигателя; 14 - блок управления;

15 - датчик температуры

На схеме (рис. 5) позиции I, II и III фиксируют положение катка (колеса) в поджатом, статическом и вывешенном состоянии соответственно. Приращение или сокращение объема пневмокамеры осуществляется за счет изменения положения ее эластичной перегородки (диафрагмы) в результате перемещения регулятора 9 шаговым двигателем 10 посредством передачи винт-гайка 11 в соответствующем направлении.

На рис. 6 схематично представлен шаговый двигатель [9] с добавленной передачей винт-гайка, двухполюсной ротор 3 которого совершает под воздействием электрических импульсов дискретное вращение относительно четырех магнитных полюсов 2 статора 1. Одна пара полюсов статора представлена постоянными магнитами, вторая пара имеет обмотки управления, создающие магнитное поле.

1 2 3

Рис. 6. Шаговый двигатель с передачей винт-гайка: 1 - статор; 2 - управляющий полюс; 3 - ротор с передачей винт-гайка

Пока электротока в обмотках управляющих полюсов нет, ротор ориентируется на постоянные магниты и удерживается около них с усилием, определяемым магнитным потоком этих полюсов. При подаче постоянного напряжения на обмотки управляющих полюсов возникает магнитный поток, величина которого примерно вдвое больше, чем поток постоянных магнитов.

Под действием электромагнитных сил, создаваемых этим более сильным потоком, ротор поворачивается, преодолевая сопротивление перемещению регулятора объема пневмокамеры и момент, развиваемый постоянными магнитами, стремясь занять положение возле управляющих полюсов.

Для фиксации ротора при обесточенной обмотке управляющих полюсов не требуется дополнительного потребления энергии, поскольку угол поворота сохраняет свое значение и при перерывах в питании. Шаговый двигатель такого типа отрабатывает импульсы с частотой до 200300 Гц.

Для управления шаговым двигателем может быть использован цифровой способ задания скорости вращения, при котором частоту вращения ротора можно устанавливать с дискретностью в 1 шаг во всем рабочем диапазоне.

Наиболее простым способом управления шаговым двигателем является управление одиночными импульсами, при котором подключается только одна катушка. При одновременном подключении двух соседних катушек управление шаговым двигателем будет осуществляться двойными импульсами. Возможно также чередование вышерассмотренных способов и управление шаговым двигателем комбинированными импульсами.

Предлагаемая автором компенсационная система работает следующим образом. При изменении температуры пневмокамеры 8, измеряемой датчиком температуры (термопарой) 15, в блоке управления 14 с помощью двухуровневого компаратора происходит сравнение объема газа с его номинальным значением при статическом положении катка 1. При рассогласовании сравниваемых объемов газа блок управления 14 вырабатывает электрический сигнал (импульс), поступающий на обмотку управляющего полюса 13 шагового двигателя 10. В соответствии с поступившим на обмотку управляющего полюса (полюсов) 13 сигналом возникает магнитный поток, обеспечивающий за счет электромагнитных сил поворот ротора шагового двигателя 10 и пря-

молинейное перемещение регулятора 9 в сторону увеличения или уменьшения объема газа в пневмокамере подвески. При этом контроль за перемещением регулятора 9 и изменением объема газа в пневмо-камере осуществляется посредством датчика обратной (реохорда) 12.

На практике работа компенсационной системы должна осуществляться автоматически, при этом ее алгоритм должен быть выбран таким, чтобы при изменении температуры газа перемещение регулятора 9 обеспечивало полную компенсацию приращения или сокращения объема газа в пневмокамере, а следовательно, и гарантированную стабилизацию характеристик упругости ГПП.

Библиогра

1. Подвеска автомобилей [Электронный ресурс]. URL: http://autotestdrive.ru/stati/podveska-avtomobilja/ gidropnevmaticheskaja-podveska-333.html (24.12.2015).

2. Бортжурнал: Гидропневматическая подвеска. [Электронный ресурс]. URL: https://www.drive2.ru/l/3334617/ (24.12.2015).

3. Осипов А.Г., Поддубный И.Т. Анализ применения гидропневматических подвесок на колесных и гусеничных машинах // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. статей VI заочной Всероссийской науч.-техн. конф. (Иркутск, 26 февраля, 2016 г.). Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2016. С. 268-272.

4. Японский основной боевой танк Тип 10. [Электронный ресурс]. URL: http://topwar.ru/27216-yaponskiy-tank-tip-10.html (28.02.2016).

5. Волков Ю.П., Дроздов В.П., Осипов А.Г., Цветков В.А. Повышение работоспособности гидропневматических подвесок // Динамика виброактивных систем и конструкций: сб. науч. трудов. - Иркутск: ИПИ, 1990. C. 120-126.

Подводя итог проведенным исследованиям, можно отметить, что для стабилизации характеристик упругости ГПП рациональна, на наш взгляд, разработка систем компенсации с регулированием объема пневмокамеры при постоянной массе газа. При этом масса и объем рабочей жидкости подвески могут оставаться также постоянными.

Такой способ регулирования параметров ГПП может обеспечить требуемый уровень стабилизации характеристик упругости подвески во всем диапазоне рабочих температур и гарантировать высокие эксплуатационные показатели гусеничных и колесных машин.

Статья поступила 18.02.2016 г.

чий список

6. Волков Ю.П., Дроздов В.П., Осипов А.Г., Реше-тов В.А., Соловьев В.М. Исследование на ЭВМ стабильности характеристик гидропневматических подвесок // Динамика виброактивных систем и конструкций: c6. науч. трудов. Иркутск: ИПИ, 1990. C. 138-143.

7. Осипов А.Г. Метод расчетной оценки влияния температуры на изменение характеристик ГПП и плавность хода гусеничных машин // Механика и процессы управления в технологических процессах: сб. науч. трудов. Новосибирск: Наука, 1992. С. 122-130.

8. Осипов А.Г. Программное изделие для расчета характеристик гидропневматических подвесок // Сб. тезисов науч. работ иркутских вузов. - Иркутск: ИО-КРСМ, 1993. С. 128-129.

9. Шаговый электродвигатель. [Электронный ресурс]. URL: http://pandia.ru/text/79/420/53465.php (24.12.2015).

References

1. Podveska avtomobilei [Car suspension]. Available at: http://autotestdrive.ru/stati/podveska-avtomobilja/ gidropnevmaticheskaja-podveska-333.html (accessed 24 December 2015).

2. Bortzhurnal: Gidropnevmaticheskaia podveska [Logbook: hydropneumatic suspension]. Available at: https://www.drive2.ru/l/3334617/ (accessed 24 December 2015).

3. Osipov A.G., Poddubnyi I.T. Analiz primeneniia gidropnevmatiche-skikh podvesok na kolesnykh i gus-enichnykh mashinakh [Analysis of hydropneumatic suspension application on wheeled and tracked vehicles]. Sbornik statei VI zaochnoi Vserossiiskoi nauch.-tekhn. konf. "Aviamashinostroenie i transport Sibiri" [Collection of articles of VI All-Russia correspondence scientific and engineering conference "Aircraft mechanical engi-

neering and transport in Siberia]. Irkutsk, 2016, pp. 268-272.

4. Iaponskii osnovnoi boevoi tank Tip 10 [Japanese main battle tank Tip 10]. Available at: http://topwar.ru/27216-yaponskiy-tank-tip-10.html (accessed 8 February 2016).

5. Volkov Iu.P., Drozdov V.P., Osipov A.G., Tsvetkov V.A. Povyshenie rabotosposobnosti gidropnevmatich-eskikh podvesok [Improving efficiency of hydropneumatic suspensions]. Sbornik nauchnykh trudov "Dina-mika vibroaktivnykh sistem i konstruktsi" [Collection of scientific works "Dynamics of vibroactive systems and structures]. Irkutsk, 1990, pp. 120-126.

6. Volkov Iu.P., Drozdov V.P., Osipov A.G., Resh-etov V.A., Solov'ev V.M. Issledovanie na EVM sta-bil'nosti kharakteristik gidropnevmaticheskikh podvesok

[Computer study of the hydropneumatic suspension stability characteristic]. Sbornik nauchnykh trudov "Dinamika vibroaktivnykh sistem i konstruktsi" [Collection of scientific works "Dynamics of vibroactive systems and structures]. Irkutsk, 1990, pp. 138-143. 7. Osipov A.G. Metod raschetnoi otsenki vliianiia temperatury na izmenenie kharakteristik GPP i plavnost' khoda gusenichnykh mashin [Estimation method of temperature influence on the change in GLP characteristics and smooth progress of tracked vehicles]. Sbornik nauchnykh trudov "Mekhanika i protsessy upravleniia v tekhnologicheskikh protsessakh" [Collection of scientific

works "Mechanics and control in technological processes']. Novosibirsk, 1992, pp. 122-130.

8. Osipov A.G. Programmnoe izdelie dlia rascheta kharakteristik gidrop-nevmaticheskikh podvesok [The software product for calculating the characteristics of hydropneumatic suspensions]. Sbornik tezisov nauchnykh rabot Irkutskikh vuzov [Collection of abstracts of scientific works of Irkutsk higher schools]. Irkutsk, 1993, pp. 128-129.

9. Shagovyi elektrodvigatel'. [The stepper step motor]. Available at: http://pandia.ru/text/79/420/53465.php (accessed 24 December 2015).

УДК [531.8+536.248.1]

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-4-46-53

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ УСТЬЕВОЙ НЕФТЕГАЗОВОЙ ТРУБЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ

© П.Л. Павлова1, П.М. Кондрашов2, И.В. Зеньков3

1,2Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.

3Красноярский филиал Специального конструкторско-технологического бюро «Наука» ИВТ СО РАН, 660049, Россия, г. Красноярск, пр. Мира, 53.

Представлены результаты исследования изменения температуры вдоль ствола трубы в приустьевом секторе при действии охлажденной поверхности скважинного термоэлектрического устройства, предназначенного для уменьшения количества выделяемого теплового потока на устье скважины в районах с многолетнемерзлыми породами. Обоснован вывод о том, что в случае применения термоэлектрических устройств для охлаждения стенок нефтегазовые трубы должны изготавливаться из материалов, обладающих высокой теплопроводностью. Ключевые слова: термоэлектрическое устройство; труба нефтегазовая; аналитическая модель; изменение температуры; исследование; коэффициент теплопроводности.

RESULTS OF TEMPERATURE CHANGE STUDY IN A WELLHEAD OIL AND GAS PIPE WITH THE USE OF A THERMOELECTRIC COOLING DEVICE P.L. Pavlova, P.M. Kondrashov, I.V.Zenkov

Siberian Federal University,

79 Svobodny Prospect, Krasnoyarsk, 660041, Russia.

I.V. Zenkov

Krasnoyarsk branch of Special Design and Technological Bureau "Nauka" ICT SB RAS, 53 Mira Prospect, Krasnoyarsk, 660049, Russia.

The article introduces the results of studying the temperature changes along the pipe in the wellhead under the action of the cold surface of the downhole thermoelectric device designed for the reduction of the amount of heat flow at the wel l-head in permafrost rocks. A well-founded conclusion is made on the advisability to use high thermal conductivity materials in the production of oil and gas pipes.

Keywords: thermoelectric device; oil and gas pipes; analytical model; temperature change; research; coefficient of thermal conductivity

1Павлова Прасковья Леонидовна, аспирант, ассистент кафедры машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов, e-mail: praskovya2611@yandex.ru

Pavlova Praskovya, Postgraduate student, Assistant Professor of the Department of Machines and Equipment of Oil and Gas Fields, e-mail: praskovya2611@yandex.ru

2Кондрашов Пётр Михайлович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов, e-mail: pkondrashov@sfu-kras.ru

Kondrashov Petr, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Machines and Equipment of Oil and Gas Fields, e-mail: pkondrashov@sfu-kras.ru

3Зеньков Игорь Владимирович, доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, e-mail: zenkoviv@mail.ru

Zenkov Igor, Doctor of technical sciences, Associate Professor, Leading Researcher, e-mail: zenkoviv@mail.ru