Повышение ходкости и тягово-скоростных свойств глиссирующих амфибийных машин малого класса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат наук Филатов Владимир Викторович

• Филатов Владимир Викторович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Филатов Владимир Викторович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА

1.1. Характеристика мотовездеходов и быстроходных катеров малого класса

1.2. Особенности глиссирующих амфибийных машин малого класса

1.3. Анализ научных работ по исследованию ходкости и тягово-скоростных свойств глиссирующих амфибийных машин малого класса

1.4. Постановка цели и задач исследования

ГЛАВА 2. НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОМПОНОВКИ ГЛИССИРУЮЩИХ МАШИН МАЛОГО КЛАССА

2.1. Общая модульная компоновка с симметричной посадкой

2.2. Математические модели конфигурации двухрычажных подвесок, оснащенных системой складывания

2.3. Компоновка и принцип работы дополнительного оборудования

2.4. Описание комбинированной энергетической установки, предназначенной для амфибийных машин

2.5. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЛИССИРУЮЩИХ АМФИБИЙНЫХ МАШИН МАЛОГО КЛАССА

3.1. Теория определения сопротивления движению глиссирующего объекта

3.2. Формирование расчетной модели

3.3. Описание исследуемых моделей

3.4. Анализ результатов, полученных в ходе численного эксперимента

3.5. Выводы по главе

ГЛАВА 4. МЕТОД ОЦЕНКИ ХОДКОСТИ И ТЯГОВО-СКОРОСТНЫХ СВОЙСТВ ГЛИССИРУЮЩИХ АМФИБИЙНЫХ МАШИН МАЛОГО КЛАССА С КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ

4.1. Общие положения

4.2. Режим сухопутного движения за счет задних обратимых электромашин

4.3. Режимы водоходного движения за счет двигателя внутреннего сгорания и центральной обратимой электромашины

4.4. Режимы сухопутного движения за счет совместной работы двигателя внутреннего сгорания и задних обратимых электромашин

4.5. Выводы по главе

ГЛАВА 5. ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЛИК ГЛИССИРУЮЩЕЙ АМФИБИЙНОЙ МАШИНЫ МАЛОГО КЛАССА

5.1. Общая компоновка

5.2. Частные компоновки основных элементов

5.3. Технико-экономическое обоснование создания разработанного прототипа

5.4. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А (Справочное). Копии справки об актуальности и актов внедрения результатов диссертационной работы

Приложение Б (Обязательное). Классификатор мотовездеходов

Приложение В (Обязательное). Определение координат центра тяжести глиссирующей амфибийной машины малого класса

Приложение Г (Обязательное). Влияние параметров составных элементов передней и задней подвесок на их кинематику

Приложение Д (Обязательное). Данные численного эксперимента

Приложение Е (Обязательное). Расчет ходкости и тягово-скоростных свойств прототипа глиссирующей амфибийной машины малого класса

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение ходкости и тягово-скоростных свойств глиссирующих амфибийных машин малого класса»

Актуальность темы исследования:

Согласно Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года, утвержденной Президентом Российской Федерации 8 февраля 2013 г. [83], одним из приоритетных направлений развития является разработка и внедрение в эксплуатацию современных транспортных средств (далее - ТС), обладающих высокими эксплуатационными свойствами и адаптированных к использованию в арктических условиях [60]. В легком, скоростном и проходимом транспортере переднего края нуждаются специальные подразделения силовых структур [22, 25, 41, 42, 58]. Если рассматривать гражданскую сферу применения, то интерес к разработке подобной техники проявляют специалисты ООО «Транснефть Охрана», которым необходимо быстроходное транспортное средство, способное перемещаться по воде и по суше вдоль магистральных трубопроводов, расположенных в труднопроходимых регионах России. В качестве ТС, способных выполнять эти задачи, выступают глиссирующие амфибийные машины малого класса (далее - ГАММК). Перспективные ГАММК могут также использоваться для выполнения других актуальных задач народного хозяйства: рыбного и охотничьего промысла, поисково-спасательных операций и береговой охраны.

Известные расчетные методы теории амфибийных машин, а также сухопутных ТС и быстроходных судов не в полной мере применимы к разработке ГАММК ввиду специфики последних. Необходим системный подход к проектированию перспективных амфибийных машин, предполагающий разработку специальных методов расчета основных компонентов и применение оригинальных технических решений в конструкции.

Таким образом, тема диссертационной работы, посвященная научному обоснованию методов проектирования, обеспечивающих повышенные ходовые и тягово-скоростные свойства ГАММК, является актуальной.

Степень разработанности темы исследования:

Вопросами проектирования амфибийных машин занимаются специалисты МАДИ, МГТУ им. Баумана, НАМИ, МАМИ и других профильных организаций. В данной диссертации рассмотрены труды Гладова Г.И. [33, 34], Лактионова К.Н. и Малахова Д.Ю. [55], Редькина М.Г. [73], Степанова А.П. [81, 82], Тимофеева М.Ю. [90], Gibbs A.T. [4, 8, 91, 92], посвященные разработке амфибий. С точки зрения обеспечения повышенных тягово-скоростных свойств ГАММК представляют интерес труды в области проектирования сухопутных машин Агейкина Я.С. [6, 7], Афанасьева В.Л. [10], Баулиной Е.Е. [13, 14, 15], Бахмутова С.В. [16, 48], Борисевича В.Б. [19, 20], Бочарова Н.Ф. [21], Вахламова В.К. [24], Вольской Н.С. [29], Вонга Дж. [30], Гладыша И.А. [32], Златина П.А. [44], Ившина К.С. [45], Котиева Г.О. [51, 52], Литвинова А.С. [56], Нагайцева М.В., [59], Павлова В.В. и Кувшинова В.В. [64, 65], Пономарева В.М. [69], Раймпеля Й. [71, 72], Смирнова Г.А. [80], Умняшкина В.А. [93, 94, 95], Фещенко А.И. [96], Chan C.C. [105], Popp K. [111]. Методы повышения ходкости малых быстроходных судов, которые могут быть применены к ГАММК, представлены в работах Абдулина А.Я. [1, 2], Апухтина П.А. [9], Басина А.М. [12], Благовещенского С.Н. [17], Васильева В.Ф. [23], Войткунского Я.И. [28], Егорова И.Т. [38, 39], Куликова С.В. [54], Папира А.Н. [66], Сизова В.Г. [77], Хорхордина Е.Г. [99], Clement E.P. и Blaunt D.L. [106].

Целью диссертационной работы является научное обоснование методов проектирования, обеспечивающих повышенные ходовые и тягово-скоростные свойства глиссирующих амфибийных машин малого класса.

Основные задачи исследования:

1. Оценить преимущества и недостатки известных общих компоновок быстроходных амфибий. Разработать общую модульную компоновку с симметричной посадкой и обосновать эффективность ее применения для ГАММК;

2. Проанализировать существующие варианты подвесок, подходящих для ГАММК. Разработать схемы и математические модели конфигурации подвесок, оснащенных системой складывания. Определить влияние параметров основных элементов на характеристики таких подвесок;

3. Изучить гидродинамические свойства ГАММК с различными корпусными обводами и дополнительным оборудованием. Оценить влияние конструктивных мероприятий на ходкость рассматриваемых машин;

4. Разработать схему, принцип работы комбинированной энергетической установки, предназначенной для ГАММК, а также метод оценки ходкости и тягово-скоростных свойств амфибийных машин с таким типом привода;

5. Сформировать технический облик ГАММК.

Объектами исследования являются транспортные средства малого класса: быстроходные амфибийные машины, мотовездеходы и глиссирующие суда.

Предметом исследований являются методы оценки ходкости и тягово-скоростных свойств амфибийных машин, компоновочные и конструктивные решения, направленные на повышение данных эксплуатационных характеристик.

Методология и методы исследования:

Теоретической основой диссертационной работы являются методы теории движения наземного транспортного средства, теории корабля, системного проектирования, компьютерного моделирования, численного расчета и другие.

Научная новизна работы заключается в:

- научном обосновании применения общей модульной компоновки ГАММК с симметричной посадкой, обеспечивающей высокую ходкость амфибий;

- разработке математических моделей конфигурации двухрычажных подвесок с системой складывания, позволяющих выбрать размеры и взаимное расположение составных элементов данных подвесок;

- исследовании гидродинамических свойств ГАММК с различной конфигурацией, в результате которого получены графики зависимости основных показателей ходкости от числа Фруда для рассмотренных амфибий;

- формировании метода оценки тягово-скоростных свойств и ходкости ГАММК с комбинированной энергетической установкой, позволяющего оценить данные эксплуатационные характеристики в основных режимах движения, а также выбрать параметры элементов силового привода и электросистемы машин.

Теоретическую и практическую значимость работы составляют:

- обобщение требований по эксплуатации и особенностей ГАММК, которые могут быть использованы специалистами при разработке перспективных машин;

- формирование схемы общей модульной компоновки ГАММК с симметричной посадкой, обеспечивающей повышенные сухопутные и водоходные эксплуатационные свойства машины;

- выработка рекомендаций по выбору параметров основных элементов двухрычажных подвесок с системой складывания;

- разработка конструктивных мероприятий, улучшающих ходкость ГАММК;

- определение схемы и принципа работы комбинированной энергетической установки, расширяющей функциональные возможности ГАММК;

- формирование технического облика ГАММК, обладающей повышенными ходовыми и тягово-скоростными эксплуатационными свойствами.

Положения, выносимые на защиту:

- научное обоснование применения общей модульной компоновки с симметричной посадкой для ГАММК;

- математические модели конфигурации подвесок с системой складывания;

- результаты численного эксперимента по определению гидродинамических свойств ГАММК различной конфигурации;

- метод оценки ходкости и тягово-скоростных свойств ГАММК с комбинированной энергетической установкой.

Степень достоверности и апробация работы:

Проверка аналитических результатов математических моделей конфигурации подвесок с системой складывания производится графическим способом. Валидация численного эксперимента осуществляется сопоставлением данных компьютерного и натурного моделирования. Достоверность теоретических положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов, средств автоматизированного проектирования и численного расчета.

Эффективность результатов работы подтверждена актами о внедрении:

- в НПО «СПЕЦМАШ» при разработке методов расчета, технических решений и рекомендаций к проектированию ГАММК;

- в учебный процесс ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» при подготовке студентов, обучающихся по программе специалитета по специальности 23.05.02 «Транспортные средства специального назначения» и программе магистратуры по направлению подготовки 15.04.02 «Технологические машины и оборудование».

Копии справки об актуальности и актов внедрения результатов диссертационной работы представлены в Приложении А.

Основные положения работы докладывались на научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ с 2014 по 2019 гг.; на заседании военных экспертов ВДВ и ведущих специалистов МАДИ в рамках выставки вооружений «АРМИЯ», г. Кубинка, 12 сентября 2016 г.; на II Всероссийском научном форуме «Наука будущего - наука молодых», г. Казань, 20-23 сентября 2016 г.; на расширенном заседании кафедры деталей машин и теории механизмов МАДИ, г. Москва, 3 февраля 2017 г.; на III Всероссийском специализированном форуме молодых специалистов автомобильной отрасли «Форсайт Авто», г. Санкт-Петербург, 14-16 марта 2017 г.; на совещании специалистов по материальному обеспечению ООО «Транснефть Охрана», г. Москва, 15 сентября 2017 г.

Публикации:

По теме диссертации опубликованы 2 научные статьи в рецензируемых научных изданиях, а также 2 статьи в других научных изданиях. По результатам работы получено 2 патента на изобретения.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 111 наименований, в том числе 10 на иностранном языке, а также 6 приложений. Работа содержит 144 страницы основного текста, включающего 8 таблиц, 61 рисунок и 6 приложений на 44 страницах.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА

1.1. Характеристика мотовездеходов и быстроходных катеров малого класса

Являясь двухсредным ТС, амфибийные машины имеют преимущества сухопутной и водоходной техники. Для того, чтобы определить основные требования, предъявляемые к перспективным ГАММК, необходимо провести анализ условий эксплуатации, технических характеристик и конструктивных особенностей сухопутных и водоходных машин данного сегмента, использующихся в настоящее время.

На вооружение армии России поступают двухместные квадроциклы АМ-1 (Рисунок 1.1), разработанные на базе серийной гражданской модели РМ500-2 [85]. Квадроциклы производства АО «Русская механика» имеют полную массу 420 кг и оснащены четырехтактным бензиновым двигателем жидкостного охлаждения мощностью 28 кВт, бесступенчатой механической трансмиссией, повышенной и пониженной передачей, а также полным приводом с возможностью блокировки дифференциала. Подвеска квадроцикла выполнена независимой двухрычажной на поперечных рычагах с пружинно-амортизаторными стойками. Бензобак армейского мотовездехода АМ-1 имеет самозатягивающееся покрытие, что исключает утечку топлива при повреждении его целостности в процессе эксплуатации. С целью увеличения запаса хода за пассажирским сидением оборудовано место для размещения двух канистр с топливом. Армейская комплектация машины включает в себя стойку для крепления стрелкового оружия, защиту фар, систему предпускового подогревателя двигателя, подогреватели рукояток пассажира, фару-прожектор, внедорожные шины и электролебедку.

Силы специальных операций (Войсковая часть 92154 «Сенеж») используют квадроциклы Yamaha Grizzly 700 [89] и легкие багги «Гепард» [58], относящиеся к этому же классу ТС.

Рисунок 1.1 - Армейский мотовездеход АМ-1

Специальные мотовездеходы малого класса MRZR [88] в двухместном и четырехместном исполнении (Рисунок 1.2) производства компании Polaris Defence применяются американскими силами специальных операций (USSOCOM). Машины MRZR авиатранспортабельны, обладают модульной конструкцией и могут конфигурироваться различным образом с целью наилучшего соответствия потребностям экспедиционных сил при передовом развертывании. В отличие от российской техники, данный мотовездеход изначально создан для боевого применения, а не разработан на базе серийной гражданской машины с минимальными изменениями в конструкции. Polaris MRZR имеет усилитель рулевого управления, складные дуги для защиты при переворачивании, инфракрасные фары и режим полного затемнения для обеспечения скрытности при передвижении, что является необходимым качеством боевых машин в современных условиях проведения специальных операций.

Согласно обзорам, представленным в статьях [41] и [42], достоинствами мотовездеходов малого класса относительно тяжелых боевых машин являются авиатранспортабельность [36] и малое время развертывания, высокие тягово-скоростные качества, маневренность и проходимость, а также универсальность

применения. Недостатками же являются низкая вместимость из-за малых габаритов, низкая скрытность ввиду создаваемого при передвижении шума, невозможность преодоления глубоких водных преград и низкая эргономика управления специальным оборудованием.

Рисунок 1.2 - Мотовездеход Polaris Defence MRZR 2

Одним из параметров сравнения машин по критерию энерговооруженности является показатель удельной мощности по полной массе кВт/т, который определяется по формуле:

(1Л)

где N6 - эффективная мощность двигателя, кВт, G - полная масса машины, т.

Классификатор мотовездеходов, включающий значения удельной мощности, массогабаритные параметры, характеристики силовой установки, трансмиссии и ходовой части для мотовездеходов российского и зарубежного производства, представлен в Приложении Б.

Для проведения боевых операций, связанных с перемещением по воде, востребованы гидроциклы, которые решают те же задачи, что и мотовездеходы на суше. Данные машины позволяют маневрировать в прибрежных и речных зонах, на мелях, между скал и рифов, где не могут работать крупные суда.

На вооружение сил специальных операций России приняты трехместные гидроциклы BRP SEA-DOO GTX LTD [86] канадского производства (Рисунок 1.3). Четырехтактный трехцилиндровый двигатель рабочим объемом 1494 см3 и мощностью 260 лошадиных сил позволяет достичь максимальной скорости 105 км/ч. Снаряженная масса составляет 446 кг. Машина имеет алюминиевый одноступенчатый водомет осевого типа и стекловолоконный водоизмещающий корпус. Специальные подразделения США USSOCOM в сентябре 2015 года приняли на вооружение гидроциклы Yamaha FX-SVHO [87], снаряженная масса которых составляет 396 кг, а максимальная скорость - 110 км/ч. Гидроциклы обладают высокими ходкостью и маневренностью, а также имеют возможность быстрого развертывания с десантных кораблей. Главным их недостатком является низкая грузоподъемность.

Рисунок 1.3 - Гидроцикл BRP SEA-DOO GTX LTD

На основе проанализированной информации по эксплуатации, основным техническим характеристикам и конструктивным особенностям мотовездеходов и квадроциклов, использующихся в настоящее время силовыми структурами для

решения различных боевых задач, сделаем вывод, что одной из главных целей при проектировании перспективных ГАММК является обеспечение высоких тягово-динамических свойств и ходкости наряду с проходимостью и маневренностью. Помимо этого, необходимо обеспечить модульность конструкции ГАММК и функциональную возможность скрытного передвижения.

1.2. Особенности глиссирующих амфибийных машин малого класса

Комплекс задач, возложенных на мотовездеходы и гидроциклы, способны выполнять быстроходные амфибийные машины малого класса. Согласно классификации по способу гидродинамического поддержания [82], скоростные амфибии могут передвигаться на подводных крыльях, на воздушной подушке и с помощью глиссирующих обводов водоизмещающего корпуса. Вне зависимости от способа поддержания все вышеперечисленные типы машин имеют водоизмещающий корпус, удерживающий их на плаву при отсутствии хода.

Амфибии с установленными подводными крыльями (Рисунок 1.4 (а)) обладают нечувствительностью к качке и развивают высокие скорости движения. Одним из главных недостатков машин такого класса является неспособность передвигаться в скоростном режиме по мелководным участкам из-за возможности поломки крыльевой системы.

Основными преимуществами машин на воздушной подушке (Рисунок 1.4 (б)) являются возможности движения по мелководью и выхода из воды на необорудованный берег, а также неограниченность навигационного периода в зависимости от времени года. Недостатками амфибий данного типа являются отсутствие необходимой профильной проходимости, ухудшенная управляемость, образование обильной пелены из пыли и снега при движении и высокая шумность.

Глиссирующие обводы корпуса (Рисунок 1.4 (в)) чаще всего применяются для маломерных катеров и гидроциклов. Амфибии с таким принципом поддержания способны развивать высокую скорость на воде при сравнительно

низких удельных мощностях, поэтому наиболее экономичны относительно остальных типов машин. Главным недостатком использования глиссирующих обводов корпуса является возникновение сильных ударных нагрузок при движении на волнении, поэтому их применение в морских условиях затруднено.

б) в)

Рисунок 1.4 - Быстроходные амфибии: а - Rinspeed Splash, б - Christy Hovercraft, в - Gibbs Quadski

Для сравнительной оценки параметров ходкости различных видов быстроходных амфибийных машин используем известный в судостроении показатель относительной скорости, выраженный в числах Фруда по объемному водоизмещению Бгв, который определяется по формуле:

V«

¥гв =

^тах

эГЛ (1.2)

М ч г

где - максимальная скорость движения машины по воде, м/с, § = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения, м/с2, В - весовое водоизмещение, Н, у = 9810 Н/м3 - удельный вес воды.

При Бгв < 1 надводный объект движется в водоизмещающем режиме, при 1 < Бгв < 3 в переходном режиме и при Бгв > 3 в режиме глиссирования. Для малых глиссирующих надводных объектов Бгв = 3.. .10.

Относительные скорости и удельные мощности амфибий с различными принципами гидродинамического поддержания представлены в Таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Относительные скорости разновидностей быстроходных амфибий

Принцип поддержания Число Фруда Бгв Удельная мощность Куд, кВт/т

Подводные крылья 3.6 50.100

Воздушная подушка 5.7 80.180

Глиссирующие обводы 2.5 40.80

Как видно из таблицы, наибольшие числа Фруда у амфибий на воздушной подушке, но для формирования воздушной подушки и обеспечения высоких скоростей им необходима наибольшая удельная мощность. Машины на подводных крыльях развивают большую скорость, чем амфибии с глиссирующими обводами, но вместе с тем для постановки на крыло им требуется большая удельная мощность. Таким образом, наиболее экономичным способом обеспечения сил поддержания для быстроходных машин малого класса является применение глиссирующих корпусных обводов, позволяющее достигать приемлемых скоростей при движении на воде.

Многие частные лица и организации обладают авторскими свидетельствами на полезные модели и изобретения в области создания ГАММК [3, 4, 8, 68, 78, 91, 92, 102, 103, 104, 108]. В основном, это зарубежные компании (Gibbs Technologies, Sealegs, WaterCar и прочие). Известны разработки отечественных конструкторов (В.А. Грачев, А.А. Липгард, Д. Кудрячков и других). С 2008 года российскими предприятиями ООО «Балтийская Машиностроительная Компания» (БМК) и ЗАО «КОМПАН МАРИН» ведется разработка быстроходной амфибийной машины среднего класса полной массой 3 тонны, аналогом которой являются Gibbs Hundinga и боевой прототип Gibbs ACC/E [84]. В настоящее время компанией Gibbs Technologies Ltd. [62] выпускаются глиссирующие гидроквадроциклы моделей Quadski XL (Рисунок 1.4 (в)) c продольной посадкой и разрабатываются прототипы Terraquad с поперечной посадкой. Данные амфибии оснащены системой складывания подвески, позволяющей исключить сопротивление ходовой части при движении по воде, что улучшает ходкость.

Так как ГАММК производства Gibbs имеют гражданское назначение, с точки зрения боевого применения они обладают следующими недостатками: неполный привод, недостаточный запас хода, малая грузоподъемность, большие углы свеса, высокая стоимость машины и ее обслуживания, низкая надежность приводных устройств, отсутствие возможности скрытного режима движения. В настоящее время активно разрабатываются боевые амфибии Gibbs [109], предназначенные для загоризонтного десантирования (прибрежной высадки с кораблей на воду, выхода машин на берег и их дальнейшего движения по суше).

Технические характеристики моделей Gibbs Quadski XL и Terraquad, а также ориентировочная техническая характеристика перспективных ГАММК представлены в Приложении Б.

Определим конструктивные особенности, характерные для рассматриваемых быстроходных амфибийных машин:

- ограниченность бортового пространства для размещения компонентов систем вследствие небольших габаритных размеров ГАММК;

- высокое отношение массы груза к снаряженной массе у ГАММК относительно амфибийных машин среднего и тяжелого класса, свидетельствующее о существенном влиянии размещения груза на борту на расположение центра масс;

- ограниченная располагаемая энерговооруженность ввиду малой номенклатуры мощных и компактных двигателей, выпускающихся в России;

- способность подвески работать при движении на суше и иметь возможность складывания в водоходном режиме;

- низкое удлинение корпуса относительно быстроходных малых катеров, обуславливающее малую площадь глиссирующей поверхности и потребность в наличии систем, повышающих гидродинамическое качество амфибий.

1.3. Анализ научных работ по исследованию ходкости и тягово-скоростных свойств глиссирующих амфибийных машин малого класса

Определим степень разработанности тематики, изучив отечественные и зарубежные источники (патенты на изобретения, научно-исследовательские работы, статьи из сборников и периодических изданий, книги, учебники и учебные пособия ВУЗов, нормативно-технические документы), содержащие информацию по методам проектирования сухопутных, водоходных и амфибийных машин.

Основной особенностью создания амфибийных машин любого типа и назначения является необходимость конструкторской разработки большого количества систем, устройств и механизмов, обеспечивающих надежную эксплуатацию машин как на суше, так и на воде. Общие основы процесса проектирования многоцелевых ТС подробно изложены в трудах Орлова П.И. [61].

Чтобы создать эффективную быстроходную амфибийную машину, необходимо рассмотреть комплекс вопросов (Рисунок 1.5). Из данной схемы, составленной Степановым А.П. [82], можно сделать вывод, что в большинстве основных блоков содержатся подблоки «суша» и «вода» с различными степенями

взаимосвязи между ними. Поиск баланса между сухопутными и водоходными характеристиками амфибийных машин является комплексной задачей.

(качка)

Рисунок 1.5 - Схема основных вопросов разработки амфибийных машин

Общая компоновка ГАММК и частные компоновки систем машины в значительной степени определяют эксплуатационные характеристики, в числе которых тягово-скоростные свойства и ходкость. Не менее важным свойством амфибийных машин малого класса является проходимость, исследованию которой посвящены труды Агейкина Я.С. [6, 7]. Для того, чтобы соответствовать характеристикам машин повышенной проходимости, перспективные ГАММК должны обладать полным приводом, иметь высокий дорожный просвет, углы свеса и продольной проходимости, длинноходную подвеску, внедорожные шины с развитыми грунтозацепами, обеспечивающие низкое удельное давление на грунт.

Достоинства и недостатки различных вариантов общей компоновки колесных машин повышенной проходимости рассмотрены в работе Бочарова Н.Ф. [21]. Калимулин М.Р. в своей научной статье [47] формирует технический облик легких подвижных колесных ТС применительно к горным условиям эксплуатации.

Вышеназванные авторы не отражают особенностей компоновок амфибийных машин. В статье Зеера В.А. [43] приведено описание компоновки ТС малого класса повышенной проходимости. Данная амфибийная машина предназначена главным образом для нужд сельского хозяйства, перемещается по воде в режиме водоизмещения и поэтому имеет неудовлетворительную ходкость.

Особенности общих и частных компоновок колесных и гусеничных амфибийных машин подробно изложены в работе Редькина М.Г. [73]. В труде Степанова А.П. [81, 82], помимо этого, приведены оценочные параметры общих компоновок амфибий - коэффициент использования массы, удельные показатели мощности, транспортная эффективность, коэффициенты удельной трудоемкости технического обслуживания и относительной стоимости.

Интерес представляют патенты на изобретения общих компоновок быстроходных амфибийных машин малого класса [3, 4, 8, 92, 102, 103, 104]. В большинстве случаев эти машины представляют собой четырехколесные ТС с колесными формулами 4х2 и 4х4 и независимой подвеской.

На Рисунке 1. 6 представлены три компоновочные схемы в зависимости от расположения двигателя, характерные для амфибийных машин малого класса.

Рисунок 1.6 - Характерные схемы общих компоновок ГАММК по расположению двигателя: а - в носовой части, б - в кормовой части, в - в средней части; 1 - аккумуляторные блоки; 2 - водоходный движитель; 3 - задняя ось; 4 - грузовое отделение; 5 - посадочные места; 6 - топливный бак; 7 - водоизмещающий корпус; 8 - передняя ось; 9 - двигатель

Рассмотрим преимущества и недостатки данных схем:

1. Расположение двигателя в носовой части корпуса (Рисунок 1.6 (а)).

Чаще всего данное компоновочное решение применяется для амфибий, созданных на основе сухопутных машин с передним расположением двигателя. Преимуществами данной схемы являются возможность увеличить грузовое отделение и облегчить к нему доступ, упростить компоновку моторной установки, трансмиссии и системы управления, обеспечить оптимальные условия охлаждения двигателя и удобство компоновки водоходного движителя. К недостаткам относятся наличие существенного начального дифферента на нос при движении по воде, а также сложность привода и системы управления водоходного движителя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Филатов Владимир Викторович, 2019 год

/ Ж f // //

- -—■—-----— — /à / A ' jT ///

1 1 . V 1 1

л //

^—

/ /

/ ^ //' ^ /

1 ;/ / ✓ ■* /

Г/ / Standard Test Condition: А — / пД Т Л Т ЛЛ .> СОТ I .

/ 1 г. лн/ aft 0 f cent roid о »IL \1 f Ap 1 LiY

J

О I 2 3 _ 4 5 6

Рисунок Д.5 - Экспериментальные характеристики для эталонной модели «0»

Рисунок Д. 6 - Теоретические чертежи исследуемых моделей ГАММК

Параметр Номер модели

0 1 2 3 4 5

Конфигурация модели

Тип обводов Моно-гедрон Малой килеватости Моно-гедрон Тримаран

Носовой резервуар - - + + + +

Носовой щит - - + + + +

Кормовые резервуары - - + + - -

Транцевые плиты - - - - + +

Массогабаритные параметры и характеристики плавучести

О, кг 800 800 800 800 800 800

Б, кН 7,85 7,85 7,85 7,85 7,85 7,85

Уб, м3 0,83 0,76 0,8 0,7 0,7 0,65

V, м3 2,45 1,72 2,03 1,27 1,33 1,38

Усзп, % 66 56 61 44 48 53

Хё, м 1,6 1,25 1,3 1,65 1,65 1,65

м 0,3 0,28 0,3 0,32 0,32 0,32

Хс, м 1,76 1,63 1,61 1,54 1,62 1,59

ъ, м 0,18 0,19 0,21 0,19 0,17 0,14

Ьшь, м 3,2 2,55 2,93 2,78 2,77 2,73

В^ь, м 1,6 1,56 1,61 1,56 1,57 1,55

Тшь, м 0,29 0,32 0,25 0,3 0,28 0,24

Ннб, м 0,35 0,28 0,35 0,25 0,27 0,32

5 0,56 0,6 0,68 0,54 0,6 0,64

PwL 2,00 1,63 1,82 1,76 1,76 1,76

Ув, м/с

3

6

9

12

15

Бгв

2

4

5

Н

758

1009

979

1177

1516

0,1

0,13

0,12

0,15

0,19

е,

-1,9

6,6

4,2

3,2

2,7

Кб, кВт

2,3

6,1

8,8

14,1

22,7

Кбуд,

кВт/т

2,8

7,6

11,0

17,6

28,4

Таблица Д.4 - Результаты численного эксперимента для модели «1»

Ув, м/с

3

6

9

12

15

Ргв

2

3

4

5

Яб, Н

1327

3465

5002

4428

2873

0,17

0,44

0,64

0,56

0,37

е,

4

4

4

4

4

Кб, кВт

4,0

20,8

45,0

53,1

43,1

Кбуд,

кВт/т

5,0

26,0

56,3

66,4

53,9

Рк, Па

Уф, м/с

Ус

1

3

8

о

1

8

о

Ув, м/с

3

6

9

12

15

Бгв

2

3

4

5

Яб, Н

754

3354

2470

2288

2535

0,1

0,43

0,31

0,29

0,32

е,

9,4

18

12,8

10,0

8,3

Кб, кВт

2,3

20,1

22,2

27,5

38,0

Кбуд, кВт/т

2,8

Рк, Па

25,2

27,8

34,3

47,5

4*

Таблица Д.6 - Результаты численного эксперимента для модели «3»

Ув, м/с

3

4

5

6

7

Бгв

1,00

1,33

1,66

2,00

2,32

Яб, Н

633

3643

4731

5025

6200

0,08

0,46

0,60

0,64

0,79

е,

4,7

17,2

22,0

20,1

18,2

Кб, кВт

1,9

14,6

23,7

30,1

43,4

Кбуд, кВт/т

2,4

18,2

29,6

37,7

54,2

1

8

о

8

о

Ув, м/с

3

6

9

12

15

Ргв

2

3

4

5

Яб, Н

260

3258

1867

1518

1480

0,03

0,42

0,24

0,19

0,19

е,

1,6

19,0

9,7

5,8

4,7

N6, кВт

0,8

19,5

16,8

18,2

22,2

№уд,

кВт/т

1,0

24,4

21,0

22,8

27,8

1

8

о

Таблица Д. 8 - Результаты численного эксперимента для модели «5»

У в, м/с

3

6

9

12

15

Бгв

2

3

4

5

Яб, Н

506

4356

2253

1583

1455

0,06

0,56

0,29

0,20

0,19

е,

1,1

19,9

10

6,8

4,7

кВт

1,5

26,1

20,3

19,0

21,8

^уд,

кВт/т

1,9

32,7

25,3

23,7

27,3

1

8

о

Приложение Е (Обязательное). Расчет ходкости и тягово-скоростных свойств прототипа глиссирующей амфибийной машины малого класса

Таблица Е.1 - Исходные данные

Наименование характеристики Значение (Описание)

Колесная формула 4x2 (4х4)

Статический радиус колеса Гк, м 0,33

Коэффициент сопротивления качению, f 0,01

Полная масса G, кг 800

Габаритные размеры, мм: - длина L - ширина B - высота H 3367 1640 1200

Полезный объем среднего модуля VCP, м3 1,07

Передаточные отношения элементов КЭУ: - диапазон вариатора иВАР - раздаточной коробки на повышенной передаче - раздаточной коробки на пониженной передаче t/pK" - главной передачи Urn - колесного редуктора передней оси UnKP 0,70...2,88 1,5 3 3 2

КПД механических элементов КЭУ: - сцепления псц - вариатора Пвар - раздаточной коробки пРК - главной передачи пГП - колесного редуктора передней оси пшр - колесного редуктора задней полуоси пЗКР - согласующего редуктора водомета пСР 0,98 0,89 0,96 0,93 0,98 0,97 0,96

КПД электрических элементов КЭУ: - задних обратимых электромашин Пзоэм - центральной обратимой электромашины Пцоэм - электронного блока управления пэбу - преобразователя ппр 0, 9 0,9 0,95 0,95

Коэффициент запаса сцепления, рщ 2,5

Приведенный момент инерции, /д, кг/м2 0,2

Пзоэм, об/мин изоэм, В 1зоэм, А Wзоэм, Вт Кзоэм, Вт Пзоэм,% Мзоэм, Н-м

0 47,6 89,7 3227 1205 91,2 14,3

500 47,5 90,1 3468 1529 89,2 14,2

1000 47,5 90,0 3583 1935 87,4 14,2

1500 47,6 89,9 3622 2329 87,2 14,2

2000 47,6 88,6 3727 2958 86,9 14,3

2135 47,6 87,8 3842 3127 87,3 14,2

2374 47,5 88,1 4189 3468 82,8 13,9

2548 47,5 89,4 4250 3583 84,3 13,3

2737 47,5 89,5 4256 3622 85,1 12,6

2965 47,5 89,7 4270 3727 87,3 11,9

3243 47,6 90,1 4288 3777 88,1 11,1

3563 47,7 90,0 4294 3917 91,2 10,4

3860 47,7 89,9 4295 3831 89,2 9,4

4025 47,8 85,6 4094 3578 87,4 8,4

4123 47,8 76,3 3651 3185 87,2 7,3

4214 47,9 66,9 3207 2788 86,9 6,3

4309 47,9 57,5 2758 2408 87,3 5,3

4399 48,0 48,5 2329 2001 85,9 4,3

4488 48,0 40,3 1935 1609 83,2 3,4

4566 48,1 31,8 1529 1227 80,2 2,5

4626 48,1 25,0 1205 893 74,1 1,8

4673 48,1 19,0 916,6 612 66,8 1,2

4711 48,1 14,4 696,1 389 56 0,7

Таблица Е.3 - Выбор ЗОЭМ и колесного редуктора задних полуосей

Параметр Источник Величина

Ушах, КМ/Ч Задаем 50

Як, Н Формула (4.4) 238

Рл, м2 Формула (4.6) 0,59

Яв, Н Формула (4.5) 68

Ядв, Н Формула (4.3) 306

N0, Вт Формула (4.7) 4249

^оэм, Вт Формула (4.8) 2190

Wзoэм, Вт Формула (4.9) 2433

пЗОЭМ, об/мин Рисунок 4.2 3550

г/Расч иЗКР Формула (4.10) 8,9

изкр Подбираем 10

Диапазон скоростей ПзоэмЪ об/мин 2^зоэмЬ кВт Уг, км/ч Яв1, кН /д! д

1 0 2,4 0,0 0,00 0,00 0,00

2 500 3,1 6,2 0,00 0,22 0,22

3 1000 3,9 12,4 0,00 0,14 0,14

4 1500 4,7 18,7 0,01 0,11 0,11

5 2000 5,9 24,9 0,02 0,11 0,11

6 2135 6,3 26,6 0,02 0,10 0,10

7 2374 6,9 29,5 0,02 0,10 0,10

8 2548 7,2 31,7 0,03 0,10 0,10

9 2737 7,2 34,1 0,03 0,09 0,09

10 2965 7,5 36,9 0,04 0,09 0,09

11 3243 7,6 40,3 0,04 0,08 0,08

12 3563 7,8 44,3 0,05 0,08 0,08

13 3860 7,7 48,0 0,06 0,07 0,07

14 4025 7,2 50,1 0,07 0,06 0,06

15 4123 6,4 51,3 0,07 0,06 0,06

16 4214 5,6 52,4 0,07 0,05 0,05

17 4309 4,8 53,6 0,08 0,04 0,04

18 4399 4,0 54,7 0,08 0,03 0,03

19 4488 3,2 55,8 0,08 0,03 0,03

20 4566 2,5 56,8 0,09 0,02 0,02

21 4626 1,8 57,6 0,09 0,01 0,01

22 4673 1,2 58,1 0,09 0,01 0,01

23 4711 0,8 58,6 0,09 0,01 0,01

Этап разгона у, км/ч х'), м/с2 ) с с

0 0,0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

1 2,5 0,12 0,06 0,43 1,63 1,63

2 5,1 0,20 0,16 1,30 0,54 2,17

3 7,6 0,22 0,21 1,74 0,41 2,58

4 10,2 0,17 0,20 1,61 0,44 3,02

5 12,7 0,14 0,16 1,26 0,56 3,59

6 15,3 0,13 0,14 1,09 0,65 4,24

7 17,8 0,12 0,13 1,00 0,71 4,95

8 20,4 0,11 0,12 0,91 0,78 5,72

9 22,9 0,11 0,11 0,87 0,82 6,54

10 25,5 0,11 0,11 0,85 0,84 7,37

11 28,0 0,11 0,11 0,82 0,86 8,23

12 30,6 0,10 0,10 0,82 0,86 9,10

13 33,1 0,10 0,10 0,78 0,91 10,01