Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ АМФИБИЙНОЙ ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ С АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ ДВИЖИТЕЛЕМ

Соколов Г.М. 1 Киркин С.Ф. 1 Коротков П.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»
Проведен анализ режимов движения амфибийной транспортной машины с аэродинамическим движителем. Установлено, что процесс выхода груженой машины из воды на лед является наиболее сложным эксплуатационным режимом, определяющим основные характеристики движительной установки машины – мощность двигателя и величину максимального тягового усилия воздушного винта. Построена математическая модель процесса выхода машины в груженом состоянии из воды на лед, позволяющая оптимизировать рабочие параметры амфибии, определяющие ее топливно-энергетическую экономичность. Рассчитаны основные рабочие параметры амфибийной транспортной машины «Каспий-2» при выходе из воды на лед. Установлено, что рабочие параметры амфибии «Каспий-2» не являются оптимальными. Основные резервы по улучшению ее рабочих характеристик содержатся в оптимизации продольного профиля корпуса машины, расположения центра тяжести в сочетании с весовыми характеристиками, высоты крепления винта и рядом других факторов.
аэродинамический движитель
аэроботы
аэроглиссеры
вездеходы
амфибии
1. Киркин С.Ф. К вопросу экологической безопасности транспортных машин, эксплуатируемых на слабых почвах // Материалы научной конференции ППС, докторантов, аспирантов, студентов МарГТУ по итогам НИР за 2007 г. – Йошкар-Ола : МарГТУ, 2008. – С. 63-65.
2. Киркин С.Ф. Опыт разработки и эксплуатации новых типов экологически безопасных внедорожных транспортных машин // Всероссийская научно-практическая конференция «Инновационные разработки вузовской науки – российской экономике» (Йошкар-Ола, 11-12 декабря 2008 г.). – Йошкар-Ола : МарГТУ, 2008. – С. 49-45.
3. Киркин С.Ф. Совершенствование оценки экологического состояния линейных частей нефтепроводов на территориях с интенсивным карстообразованием // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия «Лес. Экология. Природопользование». – 2011. – № 2. – С. 84-93.
4. Киркин С.Ф., Иванов А.Г., Охотин Ю.В. Разработка и изготовление колесно-гусеничного вездехода-амфибии с комбинированной системой управления // Наука в условиях современности : сборник статей ППС, докторантов, аспирантов и студентов по итогам научно-технической конференции МарГТУ в 2010 г. – Йошкар-Ола : МарГТУ, 2010. – С. 105-107.
5. Киркин С.Ф., Поздеев А.Г. Методика оценки экологической устойчивости функционирования автодорожной сети агропромышленного комплекса региона // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия «Лес. Экология. Природопользование». – 2008. – № 2. – С. 72-81.

Введение

Поволжский государственный технологический университет по заказам ряда промышленных организаций, связанных с выполнением транспортных и транспортно-технологических работ в районах со слаборазвитой дорожной сетью (предприятия нефтяной и газовой промышленности, энергетики, рыбного хозяйства и др.) проводит работы по созданию экологически безопасных амфибийных транспортных машин, способных круглогодично эксплуатироваться в условиях бездорожья.

За последние годы в университете по заказам рыбопромышленных предприятий каспийского бассейна был разработан, изготовлен и испытан ряд моделей амфибийных машин с аэродинамическими движителями типа «Каспий». Эти машины предназначены для выполнения грузопассажирских перевозок в зимнее время на Северном Каспии и могут быть также использованы на других замерзающих внутренних водоемах, реках, прибрежных участках морей (Белом море, озере Байкал и др.). Одна из таких моделей – транспортная амфибия с аэродинамическим движителем «Каспий-2» была принята к серийному производству, изготавливалась в объеме установочных серий и эксплуатировалась при подледном лове рыбы и промысле тюленей на Северном Каспии.

В зимний период поверхность этого моря покрыта непрочным льдом, имеющим значительное количество трещин и промоин, характеризуется большими участками битого льда с водой и участками открытой воды, мелководьем. В таких условиях ни один из традиционных наземных или водных видов транспорта работать не может. Указанные чрезвычайно сложные условия эксплуатации обусловили большую техническую сложность создания амфибии «Каспий-2».

Цель исследования

Оптимизация рабочих параметров амфибийной транспортной машины с аэродинамическим движителем «Каспий-2», обеспечивающих минимальные энергозатраты при эксплуатации в наиболее сложном режиме движения – выходе полностью груженой машины на лед.

Материал и методы исследования

Одним из самых характерных и наиболее сложных режимов движения амфибии «Каспий-2» является ее выход в груженом состоянии из воды на лед (рис. 1). Этим режимом фактически определяются основные характеристики аэродинамического движителя амфибии – установленная мощность двигателя и величина максимального тягового усилия, развиваемого воздушным винтом. От указанных параметров напрямую зависит топливно-энергетическая экономичность машины.

 

Рис. 1. Выход амфибии «Каспий-2» из воды на лед в условиях Северного Каспия.

Характер режима выхода амфибии из воды на лед определяется рядом факторов, среди которых можно выделить следующие.

1. Постоянные факторы: вес машины, положение ее центра тяжести и тягового винта, мощность двигателя, форма контура продольного профиля и др.

2. Случайные факторы: высота ступеньки и состояние льда, величина и направление вектора скорости машины при подходе к ступеньке, погодные условия (скорость и направление ветра, высота и направление волн, температура воздуха и состояние льда), скорость движения амфибии и угол тангажа при подходе к кромке льда и др.

Многообразие указанных факторов обусловило введение следующих допущений.

1. Направление вектора скорости амфибии перпендикулярно к кромке льда.

2. Движение амфибии происходит в безветренную погоду;

3. Амфибия имеет общую вертикальную продольную плоскость геометрической и массовой симметрии, совпадающую с направлением движения.

4. Упругие деформации тела амфибии и кромки льда винта пренебрежимо малы.

5. Влияние гироскопического момента воздушного винта пренебрежимо мало.

6. Сила сопротивления скольжению в точке контакта с кромкой льда пропорциональна силе нормального давления.

Согласно этим допущениям считаем движение амфибии плоским, параллельным вертикальной продольной плоскости его геометрической и массовой симметрии.

Расчетная схема процесса выхода амфибии на лед представлена на рисунке 2.

 

Рис. 2. Расчетная схема процесса выхода амфибии на лед.

Силы, действующие на амфибию: сила тяжести (приложена в центре масс C), где – масса амфибии, ; сила тяги винта T (приложена в точке S); нормальная реакция (приложена в точке K); сила трения , где f – коэффициент трения скольжения; выталкивающая сила , где: – удельный вес воды, – объём погруженной части амфибии, – площадь погружения, – ширина корпуса амфибии.

Дифференциальные уравнения движения имеют вид:

(1)

где угол .

Наиболее трудным режимом представляется преодоление препятствия без начальной скорости, когда корпус амфибии проходит через ряд последовательных положений статического равновесия. Такой подход обеспечивает запас в результатах расчета, так как из-за начальной скорости машина обладает кинетической энергией, что облегчает преодоление ступеньки. Для этого случая система уравнений (1) сводится к трансцендентному уравнению (2) относительно угла.

(2)

где выталкивающая сила .

В качестве основных критериев проходимости амфибии были приняты следующие.

1. Максимальное значение силы тяги Tmax, необходимое в процессе выхода из воды на лёд.

2. Работа силы тяги, необходимая для преодоления ступеньки.

Развиваемая сила тяги определяется мощностью двигателя, размерами, скоростью вращения и характеристиками аэродинамического движителя. Для преодоления ступеньки должно выполняться неравенство .

Работа, необходимая для выхода на лед, определяется соотношением:

.

Значение работы, совершаемой силой тяги, должна превышать значение работы, требуемой для преодоления ступеньки .

Результаты исследования и их обсуждение

Рассмотрим случай преодоления амфибией ступеньки льда при следующих исходных данных: масса амфибии , длина , ширина , координаты точек ; ; ; высота ступеньки льда ; уравнение контура на первом участке прямая , на втором участке (окружность радиуса).

Результаты расчета представлены на рисунке 3.

Обращает на себя внимание, что сила тяги, необходимая для преодоления ступеньки, имеет резко выраженный скачкообразный характер, а остальные величины, за исключением работы выхода, также не отличаются плавностью изменения. Поэтому исследования проводились в направлении сглаживания этих зависимостей.

 

Рис. 3. Графики зависимостей сил – ,, , угла тангажа и работы от положения точки K на корпусе амфибии.

На стадии проектирования и экспериментальной доработки велись также поиски оптимального продольного профиля конструкции амфибии, отрабатывались другие конструктивные параметры. В результате удалось добиться плавного изменения требуемой силы тяги и уменьшить ее максимальное значение в 1,67 раза. Было достигнуто «сглаживание» остальных кривых.

Выводы

1. Проведенные расчеты показали, что рабочие характеристики и параметры амфибийной транспортной машины с аэродинамическим движителем «Каспий-2» в отношении к наиболее сложному режиму эксплуатации – процессу выхода из воды на лед – не являются оптимальными.

2. Обращает на себя внимание наличие ярко выраженного (пикообразного) экстремума на графике силы T, необходимой для обеспечения преодоления препятствия в виде ступеньки льда (рис. 3).

3. Оптимальным вариантом направления дальнейших исследований является проведение исследований по совершенствованию конструкции амфибийной транспортной машины с аэродинамическим движителем «Каспий-2», цель которых состоит в «сглаживании» имеющегося «пика» за счет изменения параметров, определяющих значения силы T.

4. Основные резервы по улучшению рабочих характеристик и параметров амфибийной транспортной машины с аэродинамическим движителем «Каспий-2» следует искать в направлении оптимизации продольного профиля корпуса машины, особенно ее носовой части, а также расположения центра тяжести в сочетании с весовыми характеристиками, высоты крепления винта.

Поволжский государственный технологический университет продолжает работы по совершенствованию амфибий «Каспий-2».

Рецензенты:

Полянин Игорь Александрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой транспортно-технологических машин, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», Министерство образования и науки Российской Федерации, г. Йошкар-Ола.

Наводнов Владимир Григорьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой прикладной математики и информационных технологий, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», Министерство образования и науки Российской Федерации, г. Йошкар-Ола.


Библиографическая ссылка

Соколов Г.М., Киркин С.Ф., Коротков П.А. РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ АМФИБИЙНОЙ ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ С АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ ДВИЖИТЕЛЕМ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8183 (дата обращения: 09.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074