Сравнительная оценка эффективности систем передвижения планетоходов

гидромотор — привод регулируемого насоса. Регулируя рабочий объём насоса, можно добиться требуемой скорости опускания груза с использованием энергии опускания для зарядки аккумулятора. Такая схема является энергосберегающей как при подъёме груза, так и при его опускании.

Следует отметить, что эти схемы позволяют в качестве аккумулятора использовать маховики, которые, согласно исследованиям профессора Н. В. Гулия [2], проще и эффективнее пневмогидравлического аккумулятора. Ещё более эффективно, по мнению автора, использование теплового аккумулятора [3]. Но эти новации необходимо предварительно всесторонне исследовать в составе привода строительных и дорожных машин.

Библиографический список

1. Щербаков В. Ф. Рекуперативная система привода грузоподъемных машин // Строительные и дорожные машины - 2008. - №9.- С. 49-51.

2. Гулия Н. В. Удивительная механика. В поисках «Энергетической капсулы». М.: НЦ ЭНАС, 2006. 176 с.

3. Гринчар Н. Г. Надежность гидроприводов путевых, строительных и грузоподъемных машин: учеб. пособие для вузов / Н. Г. Гринчар - М.; МИИТ, 2001. - 112 с.

TO THE QUESTION OF INCREASE OF ENERGY EFFICIENCY HYDRAULIC ACTUATOR OF MACHINE

V. N. Kuznetsov, V. V. Savinkin

In article ways of modernization of a hydraulic actuator of construction and road cars for an energy conversion are considered. Rationalization of use of kinetic energy will allow to increase power efficiency of operation of equipment essentially.

Keywords: machine, hydraulic actuator, energy, conversion.

Bibliographic list

1. Shcherbakov V. F. The regenerative drive system lifting equipment / / Building and road machines -2008. - № 9. - P. 49-51.

2. Hulya N. V. amazing mechanic. On the quest for the "Energy capsules." M. NTs ENAS 2006. 176 p.

3. Grinchar N. G. Reliability Hose travel, construction and lifting equipment: studies. manual for schools / N. G. Grinchar - M.; MIIT, 2001. - 112 p.

Кузнецова Виктория Николаевна - доктор технических наук, профессор Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основные направления научной деятельности: Оптимизация рабочих органов землеройных и землеройно-транспортных машин. Общее количество опубликованных работ: более 90. E-mail: dissovetsibadi@bk. ru

Савинкин Виталий Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобильный транспорт» Северо-Казахстанского государственного университета им. М. Козы-баева. Основные направления научной деятельности - повышение долговечности и надежности СДМ технологичными методами. Общее количество опубликованных работ: 56. E-mail cavinkin 7@mail. ru.

УДК 629.1.032.001

\

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ПЛАНЕТОХОДОВ

С. И. Матросов

Аннотация. Рассматривается методика сравнительной оценки эффективности различных систем передвижения планетоходов с учетом их конструктивных особенностей и условий движения. Методика позволяет на этапе разработки планетохода объективно оценить способность машины перемещаться по неподготовленной поверхности планет

Ключевые слова: планетоход, шасси, оценка эффективности, устойчивость, проходимость, подвижность

Введение оснащенных различными комплектами обору-

Контактные методы исследования планет дования. В качестве шасси такой лаборатории требуют создания передвижных лабораторий, выступает специфическая транспортная ма-

шина - планетоход. В настоящее время в России и за рубежом выполнены многочисленные проекты планетоходов. Актуальным становится вопрос сравнительной оценки существующих и разрабатываемых конструкций систем передвижения для планетоходов. В настоящее время наиболее известны планетоходы с системой передвижения:

• колесные с четырьмя, шестью и восемью колесами (типа Луноход-1-2);

• гусеничные с двумя и четырьмя гусеницами (первые макеты Луноходов);

• колесно-шагающие (типа Марсоход-96) с жесткими и шарнирными рамами.

Для решения этого вопроса требуется предложить базу критериев и методику сравнительной оценки.

Методики сравнительной оценки конструкций разработаны применительно к автомобилям [1] и шасси боевых и транспортных гусеничных машин [2]. Однако, планетоход отличается от прочих транспортных машин, и применяемые подходы [1,2 и др.] требуют существенной корректировки. Главным свойством планетохода является способность сохранять подвижность, что определяется эффективностью работы его системы передвижения.

Поэтому на этапе разработки планетохода важным является возможность оценить эффективность различных систем движения и выбрать систему, наиболее удовлетворяющую ожидаемым условиям эксплуатации.

Методика оценки должна позволять учитывать конструктивные особенности системы передвижения (включая возможность реализации разных режимов движения, допускаемых, например, колесно-шагающим и гусенич-но-шагающим движителями) и условий движения.

В настоящее время такая общепринятая методика неизвестна. Основы рассматриваемой в данной статье методики сравнительной оценки систем передвижения были разработаны В.В. Громовым (ОАО «ВНИИ Трансмаш», Санкт-Петербург).

Основная часть

Примем в качестве показателя эффективности системы передвижения показатель Кэ, определяемый, как сумма частных показателей:

Кэ = X Кэ = Кзоп + Кэпп + Кэуст .

Здесь Кщ/ - частные показатели, характеризующие работу системы передвижения (Кэоп - показатель эффективности по опорной

проходимости; Кэпп - показатель эффективности по профильной проходимости; Кэусг -

показатель эффективности по устойчивости от опрокидывания на склонах с твердой поверхностью).

Каждый из этих частных показателей может быть определен по выражению вида:

Кэ = М]К1)

/ -

X Kj¡ , то есть:

Кэоп = М о

Кэпп = Мп

Кэ уст Муст

К

К

X Коп i

i= 1

X Кпп i

Куст/ X Ку

Здесь М] - коэффициент значимости (весовой коэффициент [3]) для рассматриваемого показателя К], п - число сравниваемых

систем передвижения (то есть: Моп - коэффициент значимости показателя Коп опорной проходимости; Мпп - коэффициент значимости показателя Кпп профильной проходимости; Муст - коэффициент значимости показателя Куст устойчивости от опрокидывания).

В качестве показателя проходимости Коп используется площадь под графиком зависимости «коэффициент тяги Кт - коэффициент буксования ст», отнесенная к коэффициенту тяги на подъем с углом естественного откоса Ктог; (Кт = tgа, где а - угол подъема):

К =1К (ст) ёст К .

оп I т \ / / т ог 0 /

На рисунке 1 показана зависимость Кт (ст),

полученная при ходовых испытаниях шести-колесного макета планетохода, разработанного в рамках проекта «Марс-96».

0,6 0,4 0,2

2

/

/ 1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Рис. 1. Изменение коэффициента свободной силы тяги Кт от буксования а для режимов работы

В первом приближении считая зависимость Кт (а) линейной, выделим два частных случая.

Для системы передвижения с колесно-шагающим движителем:

К о (1 -а) + 0,5К о а

К = -)_—!—= 2-а.

оп Т^ V /

т ог

Множитель 2 введен для того, чтобы обеспечить преемственность показателя Коп с

показателем

К

Tmax, применяемым для ха-проходимости традиционных

рактеристики движителей.

Для системы с традиционным колесным движителем Кт = Кттах; при а = 1 имеем:

к _ к /к

оп т max I т

При более строгом подходе при определении значения показателя Коп следует учесть

нелинейность зависимости Кт (а).

Из выражений (1) и (2) следует, что при значении Коп >1 система передвижения преодолевает подъемы с углом естественного откоса грунта; при Коп <1 преодоление таких подъемов невозможно.

Показатель профильной проходимости определен, как:

н

K _ max

L

Bl + Н в н

Здесь Нтах - максимальная высота преодолеваемого препятствия; L - база движителя; В - ширина рабочей части движителя;

B - ширина движителя; Нкл - клиренс; Нцт -

высота центра тяжести (центра масс) планетохода.

Второй сомножитель в выражении (3) характеризует геометрию движителя. В частности, его первое слагаемое характеризует соотношение ширины рабочей части движителя, взаимодействующей с поверхностью, и его внешний габарит.

Частный показатель устойчивости от опрокидывания на склонах определи, как:

Куст a max ,

где amax - максимальный угол подъема с твердой поверхностью, на котором сохраняется устойчивость планетохода.

Коэффициенты значимости Моп, Мпп,

Mуст определяются условиями движения

(таблица 1). В одних ситуациях определяющей является опорная проходимость (ровная без препятствий поверхность со склонами различной крутизны и грунтами с различной несущей способностью). В других (поверхность, насыщенная препятствиями) - профильная проходимость. В реальных условиях значения коэффициентов лежат в пределах от 0 до 1:

0 < M. < 1.

Значение весового коэффициента можно определять методом экспертных оценок [3] или получать на основе статистической обработки данных.

Таблица 1 - Зависимость значений весовых коэффициентов от условий движения

Условия движения Значение весового коэффициента Поверхность

М оп М пп М уст

Крутые склоны с рыхлым грунтом 1 0 0 Склоны кратеров, барханов

Крутые склоны с твердой поверхностью 0 0 1 Выходы скальных пород

Скопление камней 0 1 0 Выбросы разрушенных скальных пород

Сложный рельеф поверхности с сыпучим грунтом и скоплением камней 1 1 0 Бровки кратеров, каньоны

Для более объективной оценки системы передвижения целесообразно ее рассматривать относительно системы, принятой за базовую, используя показатель уровня Ку :

Ку = Кэ/Кэб ,

где Кэб - показатель эффективности базовой системы передвижения.

Результаты расчетов показателей эффективности систем передвижения для некоторых вариантов конструкций приведены в таблице 2. В качестве базовой системы передвижения выбрано шасси Лунохода-1, -2.

Согласно расчетам, наиболее высокие показатели эффективности получены для системы передвижения В1 (3-х модульная с шарнирной рамой и колесно-шагающим движителем). Показатель уровня этой системы в 4,3 раза выше, чем для шасси Лунохода-1 ,-2.

Одна из конструктивных особенностей этой системы состоит в том, что движитель занимает практически всю ширину шасси (В  Вр), делая его практически бесклиренс-

ным при минимальной базе (конструкция шасси позволяет управлять величиной базы).

Колесно-шагающий движитель обеспечивает движение по слабым и сыпучим грунтам, а также преодоление максимально возможных подъемов, то есть подъемов с углом естественного откоса грунта (для сыпучего грунта а шах = 33°), что подтверждено при испытаниях макета. Планетоходы с традиционными типами движителя такие подъемы не преодолевают.

Кроме того, бесклиренсный колесно-шагающий движитель с шарнирной рамой

обладает существенным преимуществом по профильной проходимости (показатель Кпп более чем на порядок выше по сравнению с шасси Лунохода-1,-2). Следствием является сокращение количества маневров по объезду сложных по рельефу и грунтовым условиям участков. Благодаря этому движение осуществляется по более короткой траектории.

Остальные варианты систем передвижения, согласно расчетам, по величине обобщенного показателя эффективности расположились между вариантом В1 и шасси Луно-хода-1 ,-2.

Интерес представляет расширение набора анализируемых конструкций систем передвижения, что и производится по мере поступления необходимых исходных данных.

Заключение

Приведенные результаты сравнительной оценки показывают, что наиболее эффективной системой передвижения планетоходов является трехмодульная с шарнирной рамой и колесно-шагающим движителем (6x6).

Методика оценки позволяет при необходимости расширить критериальную базу, что в итоге дает возможность повысить точность оценки.

Предложена методика сравнительной оценки эффективности систем передвижения планетоходов и критериальная база, позволяют работать с большинством используемых типов движителя (исключение составляет прыжковый движитель, разработанный для проекта «Фобос»).

Таблица 2 - Сравнительная оценка эффективности различных вариантов систем передвижения

Вариант Устойчивость от опрокидывания Опорная проходимость Профильная проходимость Показатели эффективности

Куст М ус к т шах К0п М о н шах м L , м Нцт , м В , м В , м Нш , м Кпп Мп К, Кэ К у

В1 - 0 0,65 1,800 1 1,00 1,4... 2,5 (ср, 1,8) 0,5 1,68 1,55 0,265 - 0 0,403 1,38 4,30

2,50 1 - - 0 - 0 0,539

- 0 - - 0 0,810 1 0,337

В2 - 0 0,50 0,170 1 0,60 2,7 1,4 2,00 0,53 0,700 - 0 0,172 0,44 1,38

0,97 1 - - 0 - 0 0,134

- 0 - - 0 0,170 1 0,130

В3 - 0 0,40 0,615 1 0,80 3,0 0,6 2,00 0,50 0,250 - 0 0,138 0,55 1,72

2,00 1 - - 0 - 0 0,14

- 0 - - 0 0,178 1 0,27

В4 - 0 0,47 0,725 1 0,43 3,3 2,0 2,80 0,30 0,736 - 0 0,162 0,31 0,97

0,84 1 - - 0 - 0 0,039

- 0 - - 0 0,050 1 0,113

Луно-ход-1(2) - 0 0,36 0,555 1 0,25 1,7 0,8 1,80 0,40 0,300 - 0 0,124 0,32 1,00

1,10 1 - - 0 - 0 0,047

- 0 - - 0 0,080 1 0,148

Примечания:

В1 - трехмодульная с шарнирной рамой и колесно-шагающим движителем (6x6); В2 - с жесткой рамой и 4-х гусеничным движителем (4x4); В3 - 3-х модульная с шарнирной рамой и колесным движителем (6x6); В4 - с жесткой рамой и 4-х колесным движителем переменной базы (4x4).

Библиографический список

1. Фаробин Я. Е. Оценка эксплуатационных свойств автопоездов для международных перевозок / Я. Е. Фаробин, В. С. Щупляков. - М.: Транспорт, 1983. - 200 с.

2. Добрецов Р. Ю. Комплексная оценка потерь мощности в шасси гусеничной машины на этапе

проектирования // «Научно-технические ведомости СПбГПУ» Наука и образование. - 2009. - №3 - С. 163-168.

3. Орлов А. И. Теория принятия решений. Учебное пособие. - М.: Издательство «Март», 2004. - 656

COMPARATIVE ESTIMATION OF EFFICIENCY OF MOVEMENTSYSTEMS OF PLANETROVERS

S. I. Matrossov

The methodology of the comparative assessment of the effectiveness of different locomotion systems of planetrovers with regard to their design features and conditions for moving. This technique allows the development stage planetrover objectively evaluate the ability of the rover to move on unprepared surface of planets.

Keywords: planetrover, locomotion system, estimation of efficiency, maneuverability, mobility.

Bibliographic list

1. Farobin I. E. Otsenka ekspluatatsionnykh svoistv avtopoezdov dlia mezhdunarodnykh perevo-zok / I. E. Farobin, V. S. Shchupliakov. - M.: Transport, 1983. - 200 s.

2. Dobretsov R. Yu. Kompleksnaia otsenka poter' moshchnosti v shassi gusenichnoi mashiny na etape proek-tirovaniia // «Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbGPU» Nauka i obrazovanie. - 2009. - №3 - S. 163-168.

3. Orlov A. I. Teoriia priniatiia reshenii. Uchebnoe posobie. - M.: Izdatel'stvo «Mart», 2004. - 656 s.

Матросов Сергей Ильич - Заслуженный машиностроитель РФ, начальник отдела международной кооперации ОАО «ВНИИ Транспортного машиностроения» (Санкт-Петербург); Генеральный директор НТ ЗАО «Ровер». Основное направление научных исследований - робототехника. Общее количество публикаций - более 40. E-mail: rover@peterlink.ru.

УДК 621.878.6

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КОВША СКРЕПЕРА

Л. А. Хмара, М. А. Спильник

Аннотация. Экспериментально доказана возможность снижения усилия процесса выгрузки грунта из ковша скрепера, за счёт изменения формы днища на полукруглое и задней стенки на стенку радиусного типа.

Ключевые слова: скрепер, выгрузка, полукруглое днище, задняя стенка радиусного типа, снижение усилия.

Введение

Основные усовершенствования ковшей скреперов направлены на улучшение поступления грунта в ковш как с применением различных интенсификаторов, так и с изменением форм элементов ковша [1].

Целью статьи является повышение эффективности рабочего процесса ковша скрепера с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа [2].

Задачи исследования:

- разработать модели ковшей скреперов с полукруглым днищем и задними стенками маятникового типа различной кривизны в условиях изменения места приложения усилия гидроцилиндра по её высоте;

- провести экспериментальные исследования процесса копания и выгрузки грунта из

моделей ковша скрепера с полукруглым днищем и задней стенкой маятникового типа;

- определить рациональные параметры ковша скрепера с задней стенкой маятникового типа.

Основная часть

За основу взята физическая модель самоходного скрепера Д -357 [3], выполненная в масштабе 1:10. Модель ковша позволяет изменять днище и заднюю стенку (рис.1., бд). Крепление привода задней стенки ковша скрепера изменялось по её высоте (рис. 2 .). Одна из боковых стенок модели ковша скрепера выполнена прозрачной, что обеспечивает возможность визуально наблюдать за процессом взаимодействия рабочего органа со средой, фотографировать процесс.

Экспериментальные исследования процесса выгрузки грунта из ковшей скреперов