Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблема транспортного обслуживания лесопродукционного производства 14
1.1. Современное состояние использования и воспроизводства лесных ресурсов Дальневосточного региона .14
1.2. Характеристика лесопродукционного производства как объекта транспортного обслуживания 18
1.3. Создание и развитие легких колесных вездеходов 23
1.4. Философские и социально–экономические аспекты создания
и использования экологически безопасной техники для природополь зования 30
1.4.1. Глобальный кризис и пересмотр стратегии природопользо вания на рубеже эпохи 30
1.4.2. Выравнивание давления цивилизации на природу 34
1.4.3. Новой стратегии природопользования – лесные машины нового поколения 39
1.4.4. Социально – экономические аспекты создания и использо вания экологически безопасной техники для природопользования 42
1.5. Выводы по главе 1... 47
ГЛАВА 2. Моделирование условий эксплуатации и характеристик лесных препятствий 50
2.1. Классификация лесных препятствий 50
2.2. Вероятностные модели кочек как препятствий для движения вездехода 57
2.2.1. Общая характеристика и морфология кочек 57
2.2.2. Методика отбора проб и проведения исследований 59
2.2.3. Высота кочек 66
2.2.4. Расстояние между кочками 72
2.2.5. Плотность расположения кочек 83
2.2.6. Длина кочек .85
2.2.7. Отношение максимальной длины кочки к минимальной .88
2.3. Моделирование характеристик деревьев и древостоев 90
2.4. Выводы по главе 2 .93
ГЛАВА 3. Математическое моделирование взаимодействия высокоэластичного колеса и вездехода с лесными препятствиями 94
3.1. Состояние вопроса 94
3.2. Цель, программа и методика исследований 98
3.3. Движение вездехода по поверхности без препятствий 102
3.3.1. Движение ведомого колеса по поверхности без препятствий ..102
3.3.2. Движение ведущего колеса в составе вездехода по поверхности без препятствий 107
3.4. Динамика движения вездехода по поверхности с препятствиями порогового типа 115
3.4.1. Столкновение вездехода ведомым колесом с препятствием...115
3.4.2. Столкновение вездехода ведущим колесом с препятствие 137
3.5. Динамика движения вездехода по поверхности с препятствиями бугрообразного типа 162
3.5.1. Столкновение вездехода ведомым колесом с препятствием бугрообразного типа 163
3.5.2. Столкновение вездехода ведущим колесом с препятствием бугрообразного типа 169
3.6. Преодоление препятствий при равномерном движении вездехода...173
3.6.1. Преодоление препятствия ведомым колесом .174
3.6.2. Преодоление препятствия ведущим колесом .181
3.7. Выводы по главе 3 187
ГЛАВА 4. Аналитические исследования профильной проходимости вездехода под пологом леса .189
4.1. Состояние проблемы и обоснование критерия оценки профильной проходимости 189
4.2. Постановка задачи и методика ее решения 194
4.3. Проходимость при ограничении маневренности .199
4.4. Проходимость при минимизации шага перемещения 205
4.5. Проходимость при высокой маневренности 210
4.6. Расчет ширины вездехода при заданной плотности расположения деревьев .217
4.7. Влияние формы вездехода в плане и способа его поворота на профильную проходимость 220
4.7.1. Общие положения 220
4.7.2. Перемещение вездехода прямоугольной формы с жесткой рамой 222
4.7.3. Перемещение вездехода прямоугольной формы с шарнирно-сочлененной рамой 226
4.7.4. Перемещение вездехода треугольной формы 240
4.7.5. Сравнительная оценка профильной проходимости вездеходов 244
4.8. Выводы по главе 4 254
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования вездехода 256
5.1. Программа экспериментальных исследований 256
5.2. Оборудование для экспериментальных исследований 256
5.3. Измерительная и регистрирующая аппаратура 259
5.4. Испытание вездехода на проходимость под пологом леса .264
5.5. Исследование характеристик движителей вездехода 271
5.5.1. Экспериментальное определение моментов инерции колес вездехода 271
5.5.2. Исследование нормальной жесткости шин 274
5.6. Исследование тягово–сцепных качеств вездехода 278
5.7. Исследование сопротивления движению при преодолении передним колесом препятствия порогового типа 284
5.8. Выводы по главе 5 286
Заключение 353
Список использованных источников
- Характеристика лесопродукционного производства как объекта транспортного обслуживания
- Вероятностные модели кочек как препятствий для движения вездехода
- Движение ведомого колеса по поверхности без препятствий
- Перемещение вездехода прямоугольной формы с жесткой рамой
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Дальневосточный регион РФ кроме древесины обладает значительными запасами ценных природных ресурсов Только в Хабаровском крае можно ежегодно безболезненно для природы собирать порядка 9 тыс. тонн ягод, около 4,7 тыс. тонн орехов, 1,5 тыс. тонн папоротника, 3,7 тыс. тонн грибов, практически неограниченный объем березового сока и около 1 тыс. тонн лекарственного сырья. Однако этот потенциал используется далеко не в полную меру. Процент освоения ресурсного потенциала в советские времена составлял порядка 10 %, а при переходе в экономике к рыночным отношениям резко снизился и в настоящее время составляет ничтожную величину, измеряемую 1-2 процентами.
Основная причина такого положения заключается в практически полном отсутствии транспортной инфраструктуры в зоне заготовки лесных продуктов Отсутствуют дороги, существующие транспортные средства имеют высокую стоимость, негативно воздействуют на окружающую среду, энергонасыщенны расходуют много топлива, поэтому их использование в лесопродукционном производстве экономически нецелесообразно.
Исследования, выполняемые на протяжении более двух десятилетий в Тихоокеанском государственном университете (г. Хабаровск), показали перспективность использования вездеходов на пневматиках сверхнизкого давления в качестве транспортных средств лесопродукционного производства.
В связи с этим возникла необходимость изучения условий эксплуатации транспортных средств на лесопродукционном производстве с учетом региональной специфики, исследования взаимодействия вездехода с лесными препятствиями и на основе этого формирование рекомендаций по их проектированию, улучшающих эксплуатационные свойства.
Поэтому разработка научных основ теории легких колесных вездеходов которую необходимо использовать при обосновании их параметров, выборе основных агрегатов и узлов, проведении прочностных расчетов является важной народнохозяйственной задачей, определяющей актуальность работы.
Степень разработанности темы исследований. Диссертация представляет собой законченное научное исследование, включающее в себя изучение состояния проблемы и постановку цели и задач, теоретический анализ изучаемых процессов с составлением математических моделей и их исследование на ПЭВМ по специально составленным программам, изготовление опытных образцов вездеходов и их экспериментальное исследование практическую реализацию исследования в виде рекомендаций по выбору основных параметров вездехода для конкретных природно-производственных условии эксплуатации и методики прочностного расчета рамы вездехода с использованием метода конечных элементов.
Целью диссертационной работы является формирование теоретических предпосылок, позволяющих повысить эффективность использования легких колесных вездеходов в качестве транспортных средств лесопродукционного производства обоснованием параметров и улучшением их эксплуатационных качеств.
Объект и предмет исследований. Объектом исследования являются опытные образцы вездеходов на высокоэластичных движителях и природне— производственные условия их эксплуатации.
Предметом исследования являются математические модели взаимодействия вездехода на высокоэластичных движителях с лесными препятствиями.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования:
- определение места и роли экологичных вездеходов на пневматиках сверхнизкого давления в современной организации лесопользования, философских и социально-экономических аспектов их создания и использования;
- изучение природно-производственных условий эксплуатации
вездеходов при обслуживании лесопродукционного производства,
моделирование характеристик наиболее распространенных лесных препятствий и древостоев;
- исследование взаимодействия вездехода на высокоэластичных движителях с лесными препятствиями с целью обоснования его параметров и оценки нагруженности деталей вездехода при расчете конструкции на
прочность;
- аналитические исследования профильной проходимости вездехода под пологом леса с целью выявления влияния конструктивных параметров и производственных условий на его эксплуатационные качества и на основе этого разработка и реализация теоретических моделей и экспериментальных методик обоснования технических решений по обоснованию параметров и повышению эффективности использования вездеходов;
- проведение экспериментальных исследований с целью изучения характеристик движителей и вездеходов в целом, проверки и подтверждения полученных теоретических зависимостей, обоснования параметров транспортного средства для лесопродукционного производства и определения его работоспособности при выполнении различных технологических операций;
- разработка методологических основ проектирования и расчета легких колесных вездеходов, обоснование расчетных режимов движения и методики проектирования рамы вездехода с использованием метода конечных элементов (МКЭ).
Научная новизна.
1. Разработаны теоретические основы создания и использования
экологически безопасных, высокопроходимых транспортных средств для целей
лесопродукционного производства, позволяющие оценить условия их
эксплуатации, обосновать основные параметры, обеспечивающие повышение
эксплуатационных качеств, прогнозировать нагрузки на агрегаты вездехода,
производить корректный расчет основных элементов на прочность, повысить
надежность и безотказность их эксплуатации.
2. Впервые разработана методика анализа профильной проходимости
вездехода под пологом леса по критерию вероятности преодоления участка
местности под пологом леса и получены аналитические зависимости,
позволяющие оценить влияние различных параметров вездехода и условий его эксплуатации на профильную проходимость.
3. Предложена математическая модель взаимодействия легких колесных
вездеходов на высокоэластичных движителях с препятствиями в условиях
лесной среды их применения, позволяющая обосновать основные параметры
вездеходов с целью улучшения их эксплуатационных свойств, а также
прогнозировать нагрузки на элементы ходовой части.
4. Разработаны методологические основы проектирования и расчета легких
колесных вездеходов, позволяющие аргументированно выбирать основные их
агрегаты, выполнить общую компоновку вездехода, обоснованно выбрать
расчетные режимы движения, произвести расчет на прочность рамы вездехода с
использованием метода конечных элементов (МКЭ).
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. Предложено решение принципиально важной для создания новой
машины задачи - обоснование параметров и расчет основных элементов с
учетом конкретных характеристик природно-производственных условий ее
эксплуатации.
2. Практическая реализация предлагаемой технологии организации
лесопродукционного производства с использованием легких колесных
вездеходов позволяет увеличить площадь обслуживаемых угодий более, чем в ?5
раз с соответствующим увеличением объемов заготавливаемой и
перерабатываемой продукции.
-
Разработанные математические модели динамического взаимодействия вездехода с лесными препятствиями позволяют установить рациональное распределение масс между передними и задними колесами, выбрать параметры движителя, обеспечивающие преодоление этих препятствий, получить данные для прочностного расчета колес и рамы.
-
Внедрение результатов исследований создает предпосылки повышения конкурентоспособности вновь проектируемых вездеходов за счет улучшения показателей проходимости и надежности.
-
На основе теоретических и экспериментальных исследований создан ряд конструкций вездеходов с разными движителями, компоновкой и энергонасыщенностью.
6. Разработанная методика проектирования и расчета вездеходов
применяется в учебном процессе при изучении дисциплины "Теория и
конструкция лесотранспортных машин", а также при выполнении выпускных
квалификационных работ.
Методология и методы исследования. Теоретической основой исследований явились работы ведущих отечественных и зарубежных ученых по анализу движения колесных и гусеничных машин в условиях бездорожья, научные работы по проектированию и совершенствованию лесных машин! материалы международных и всероссийских конференций по проблемам лесных ресурсов и лесного дела.
В работе использованы базовые методы научно-технического познания теоретической механики, математического моделирования, математической
статистики, теории вероятностей, сопротивления материалов, измерения и обработки экспериментальных данных.
Автор в своих исследованиях опирался на фундаментальные работы видных ученых в области теории лесопромышленных и лесохозяиственных машин, их проектирования и использования - Александрова А.В., Анисимова Г.М., Бартенева И.М., Варавы В.И., Герасимова Ю.Ю., Григорьева И.В., Добрынина Ю.А., Жукова А.В., Ковалева Р.Н., Котикова В.М., Кочнева A.M., Курьянова В.К., Орлова С.Ф., Патякина В.И., Полетайкина В.Ф., Провоторова Ю.И., Семенова Н.Ф., Силаева Л.А., Силукова Ю.Д., Сюнева B.C., Холопова В.Н. и др.
На рис. 1 представлена структура и общая методология исследований.
Постановка проблемы со-ианіїя -жолошчпых транспортных средств для лесопользования
Изучение лесных препятствий
Непосредствсітос
наблюдение, системний
апаліп
Классификация лесных
прспятствігіі и их воздействия ид вездеход
ІІсследопаїше препятствии
Статистические методы
Математические модели
распределения параметров
кочек
Изучениевлияния конструктивных параметров везлехола на профильную проходимость
Методы математического
анализа, методы теории
вероятностей, метод
плапиметрпроваппя
Математические модели,
основные параметры
вездехода
I (сслсювэппс
взаимодействия
вездехода на
высокоэластичных
шіпіах с
препятствиями
Экспериментальные
исследования
трехколесных
везлехолоп
1'а іработка
методологии
проектирования II
расчета вездеходов
Математическое
моде.тпроваіпіе, метод
нзучетга динамики
механических систем,
метод Дзламбера, методы
теории удара взаимодействующих тел
Степдопне и
эксплуатационные
пспьгтаїшя
Техническая теория
стержней, метод
конечных элементов,
программный комплекс
SCAD
Математические модели
по расчету усилий из
колесах вездехода,
алгоритмы расчета
Данные хля проведения
численного эксперимента.
нагрузочные
характеристики тли.
производительность,
энергоемкость
Рекомендации но проектированию и расчету
Внедрение результатов исследований
Рис. 1. Структура и методология исследований
Она включает семь взаимоувязанных задач, позволяющих достигнуть намеченную цель путем решения их с использованием современных методов исследований.
Положения, выносимые на защиту:
- методологические основы проектирования и расчета легких колесных вездеходов для использования их в качестве транспортных средств лесопродукционного производства;
- статистические характеристики кочек как основных препятствий для движения вездехода;
-математические модели взаимодействия вездехода на высокоэластичных движителях с лесными препятствиями;
- математические модели влияния конструктивных параметров вездеходов и условий их эксплуатации на профильную проходимость при движении под пологом леса.
Основная идея работы заключается в том, что уровень развития и эффективность лесопродукционного производства, занимающегося использованием и воспроизводством лесных ресурсов, могут быть существенно повышены за счет использования в его технологическом процессе специальных транспортных средств - легких вездеходов на шинах сверхнизкого давления. Их использование позволяет значительно увеличить площади обрабатываемых лесных угодий, уменьшить отрицательное экологическое воздействие техники на природную среду, повысить объемы заготавливаемой продукции, снизить ее себестоимость и тем самым повысить эффективность производства.
Степень достоверности и апробация результатов обеспечивается применением современных методов исследования, подтверждается обоснованностью принятых допущений, обоснованностью методов расчета и моделирования, а также подтверждается экспериментальными исследованиями опытных образцов вездеходов.
Основные положения диссертации доложены и обсуждались на:
- II международной конференции "Лесные биологически активные ресурсы
(березовый сок, живица, эфирные масла, пищевые, технические и лекарственные
растения)", Хабаровск, ФГУ "ДальНИИЛХ", 10 октября 2004 г.;
- региональной конференции "Перспективы и методы повышения
многоцелевого лесопользования на Дальнем Востоке", Хабаровск ФГУ
"ДальНИИЛХ", 26 февраля 2004 г.;
- расширенном научном семинаре кафедры "Машины и оборудование
лесного комплекса" Тихоокеанского государственного университета в 2005 г.;
^- расширенном научном семинаре кафедры "Автомобили и тракторы" Сибирского государственного технологического университета в 2006 г.;
межвузовской научно-практической конференции "Проблемы и перспективы лесного комплекса", Воронеж, ВГЛА, 26-27 мая 2005 г.;
международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы лесного комплекса", Брянск, БГИТА, 2005 г. (2), 2010 г.
В 2010 году разработка "Экологически безопасный транспорт для
лесопродукционного производства" в номинации "Новые
высокотехнологические разработки оборудования и наукоемкие технологии" на
Петербургской технической ярмарке "Высокие технологии. Инновации. Инвестиции" (г. Санкт-Петербург, март 2010) удостоена диплома I степени с вручением золотой медали, а также золотой медали на X Московском международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, 7-10 сентября 2010
Монография "Основы теории легких колесных вездеходов , в которой изложено основное содержание диссертации, признана победителем с вручением диплома I степени на Всероссийском смотре-конкурсе монографий по специальности 150405 "Машины и оборудование лесного комплекса", проведенного в рамках УМО в 2011 году.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 53 научные работы, в том числе две монографии, 32 статьи (из их 15 в изданиях, рекомендованных ВАК), получено 19 авторских свидетельств СССР и патентов
РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 154 наименований и приложений. Изложена на 370 страницах машинописного текста, содержит 145 рисунков и 37 таблиц.
Характеристика лесопродукционного производства как объекта транспортного обслуживания
Вектор развития лесопользования [6, 8–16] должен быть направлен от простых и низших организационных форм в виде заготовки в лесу только древесины к более сложным и совершенным, позволяющим максимально реализовать полезные функции леса для человека. То есть от моноресурсного лесопользования, повсеместно распространенного в настоящее время, к лесопользованию многоцелевому [1, 2, 11], при котором немалая роль отводится заготовке растительных продуктов леса и лекарственного сырья. Это направление развития отражено в нормативных документах по организации лесопользования [10, 12], диктуется логикой всего развития отношений человека и природы и на практике заключается в организации комплексных лесных предприятий на арендованных лесных территориях [9], осуществляющих рачительную эксплуатацию и воспроизводство природных богатств. Однако на пути практической реализации этого предстоит решить немало очень сложных проблем, одной из которых является проблема транспорта, так как лес занимает огромные территории и без решения транспортных проблем его освоение невозможно.
Общепризнано, что для обеспечения технического прогресса транспорт в своем развитии должен идти на один шаг впереди по сравнению с развитием производства.
При выборе транспортных средств для лесопродукционного производства и обоснования их параметров необходимо в первую очередь изучить природно–производственные условия (ППУ) их эксплуатации в конкретном районе, в данном случае в условиях Дальнего Востока.
Любое производство как объект транспортного обслуживания должно, прежде всего, иметь весовые и объемные характеристики предмета труда, характеристики упаковки и тары, временные ограничения транспортировки, расстояние перемещения груза, условия работы транспортного средства, необходимость использования специальных погрузочных и разгрузочных средств и другие характеристики процесса транспортировки груза.
Технологический процесс заготовки растительных продуктов леса имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при организации лесопродукционного производства и выборе используемых транспортных средств [116].
Первой особенностью является то, что он носит ярко выраженный собирательный характер. Природные растительные продукты (ягоды, соки, грибы, овощи) рассредоточены на большой территории и прежде, чем они попадут на стол потребителю или на пункт переработки, их необходимо переместить на значительные расстояния. Поэтому в технологическом процессе лесопродукционного производства высокую долю составляют транспортные операции, и они во многом определяют эффективность производства и себестоимость продукции. Очевидно, что для обслуживания лесопродукционного производства транспортное средство должно быть только мобильное и высокоманевренное.
Единичный объект труда (ягода, гриб, растение) обладает незначительной массой и объемом, поэтому человек с ним может работать без использования дополнительных механизмов и, в то же время, возникает необходимость применения в технологическом процессе специальных контейнеров в виде корзин, коробов, ведер и т.д. для хранения продуктов и их транспортировки. Условия произрастания природных продуктов таковы, что практически исключают использование при их сборе специальных машин и механизмов, их сбор можно осуществлять только вручную с использованием труда сборщиков. Лишь при заготовке отдельных видов ягод можно использовать специальные приспособления, которые, следует отметить, значительно повышают производительность труда сборщика. Так при заготовке жимолости используют приспособление, которое называют зонт. Зрелая ягода жимолости легко отделяется от куста при его стряхивании, поэтому зонт представляет собой отрез ткани, который натягивается на круг из проволоки и подставляется под куст при сборе ягоды.
При заготовке брусники, голубики, шиповника можно использовать приспособление в виде ковша с установленной спереди гребенкой, которая прочесывает куст, пропуская стебли, ветки, листья и отделяя от них ягоды.
Производительность труда при ручном сборе ограничивается физическими возможностями человека и сравнительно невысока. Если при этом сборщик будет осуществлять переходы утром до места сбора продуктов на расстояние до 5 км и в конце рабочего дня обратно с собранной продукцией, затрачивая на это 2–3 часа, то такую организацию труда нельзя признать рациональной. Напрашивается решение сбор осуществлять с временных пунктов или станов, которые размещаются рядом с угодьями и на которых работают 3–5 сборщиков в зависимости от продуктивности угодий и их размера. Транспортировку же продукции от места сбора до пункта переработки при этом необходимо осуществлять специальным транспортом сравнительно небольшой грузоподъемности.
При обслуживании одной машиной даже нескольких бригад сборщиков грузоподъемность машины может быть сравнительно невелика и достаточна в пределах 2,0-5,0 кН, что составляет сменную производительность сборщиков.
Следующей особенностью, которую необходимо учитывать при организации транспортного обслуживания лесопродукционного производства, является ограниченность по времени от момента сбора продуктов до момента их первичной переработки, то есть многие лесные продукты являются скоропортящимися или теряющими со временем свою кондицию и не подлежат длительному хранению. Так папоротник орляк должен быть переработан и засолен не позднее 4 часов с момента сбора [17, 18], для черемши, березового сока срок переработки составляет 24 часа [1, 2] и т.д. Поэтому проблема доставки лесных продуктов от места сбора к пункту переработки в кратчайшие сроки является актуальной не только с точки зрения повышения производительности труда, но и обеспечения качества продукции.
Совершенно определены и специфичны условия передвижения транспортного средства при функционировании лесопродукционного производства. Они трактуются тем, что к каждому лесному угодью дорогу не построишь, поэтому передвижение может осуществляться только по бездорожью с соответствующими требованиями к транспорту по проходимости, маневренности и соблюдению экологических норм и правил. Транспортное средство должно быть в состоянии преодолевать единичные препятствия в виде камней, пней, поваленных деревьев, неровностей поверхности, а также иметь возможность передвигаться по лесу, по мари, по заболоченным участкам, покрытым кочками, преодолевать при необходимости водные преграды, иметь хорошую управляемость и маневренность.
Эксплуатация транспортного средства в условиях первозданной природы накладывает на него повышенные требования со стороны экологии. Строго говоря, на лесопродукционном производстве может использоваться только экологически безопасная техника. Экологически безопасной можно признать только такую машину, которая минимально негативно воздействует на окружающую среду (в пределе вообще не действует). Допустимые пределы воздействий определяются тем, что эти воздействия не вызывают необратимых изменений окружающей среды и требованиями безусловной регенерации природы в исходное состояние в кратчайшие сроки [19].
Таким образом, специфика предмета труда, условий эксплуатации транспортных машин при организации лесопродукционного производства ставит задачу создания высокопроходимого, маневренного, экологически безопасного, экономичного транспортного средства сравнительно небольшой грузоподъемности, способного осуществлять доставку небольших партий грузов по бездорожью. Таких машин, к сожалению, отечественная промышленность в настоящее время не выпускает. Попытки использования на этих операциях существующей гусеничной вездеходной техники не привели к успеху, так как существующие вездеходы экологически небезопасны и очень дороги в эксплуатации.
Как отмечалось выше, лесопродукционное производство носит собирательный характер, концентрация предмета труда по территории незначительна. В этих условиях транспортные операции в технологическом процессе выдвигаются на первое место, именно они в конце концов будут определять себестоимость продукции и эффективность производства. Применение дорогостоящей, пусть и экологически безопасной техники при этом экономически нецелесообразно, так как будет ставить выпускаемую продукцию в неконкурентное положение за счет высоких амортизационных отчислений.
По нашему убеждению, будущее в лесопродукционном производстве за транспортом сравнительно недорогим в изготовлении и в эксплуатации, несложным и поэтому надежным и в то же время обладающим такими необходимыми качествами, как высокая проходимость и экологическая безопасность. Такими качествами обладают легкие колесные вездеходы на пневматиках сверхнизкого давления, исследованию которых посвящена данная диссертация.
Что же может дать для лесопродукционного производства использование легких вездеходов? Главное, то, что дает использование техники на любом производстве – это замена ручного труда на механизированный, в данном случае по доставке природных растительных продуктов от места их сбора до пункта переработки и связанное с этим повышение производительности труда. То есть использование вездеходов позволяет выполнить главное условие для организации любого производства - это обеспечить производство сырьем в необходимых объемах для функционирования рентабельного производства. Имеющиеся ресурсные резервы в природе в настоящее время далеко не исчерпаны, скорее наоборот, используются очень плохо.
В настоящее время ресурсы природных растительных продуктов осваиваются на Дальнем Востоке крайне слабо и неравномерно, в среднем освоенность составляет около 1–2 % [1]. Основная причина такого положения заключается в труднодоступности таежных угодий. Поэтому растительные продукты собирают в пределах досягаемости дневного пешего перехода с учетом возвращения в тот же день, то есть в радиусе 4–5 км от населенных пунктов или рядом с дорогами, по которым можно проехать на транспорте общего пользования. При использовании легких вездеходов зону обслуживаемых лесов можно довести по радиусу до 20–25 км от населенного пункта и, соответственно, освоенность урожая по площади до 25–30 % [2].
Вероятностные модели кочек как препятствий для движения вездехода
Кочки являются наиболее распространенным препятствием для движения вездехода в условиях Дальнего Востока. Как было отмечено выше, их характерной особенностью является то, что в отличие от других препятствий, встречающихся на пути движения вездехода, кочки невозможно обрулить или объехать. Вездеход должен обязательно через них переехать, причем преодолевая при этом не обязательно одну кочку, а может быть ситуация, когда под каждым его колесом будет находиться по кочке.
Между тем, кочки как препятствия для движения вездехода совершенно не изучены. Кочки являются природными образованиями, происхождение которых связано с переувлажнением почвы и характерно для территорий Дальневосточного региона. Они полностью покрывают низменные места рельефа местности, растут плотными колониями и являются труднопреодолимым препятствием для легкого вездехода.
По внешнему виду кочки в профиль напоминают грибовидное облако, образующееся после мощного взрыва. Внизу располагается ножка кочки (рисунок 2.2), вверху утолщенная по сравнению с ножкой и имеющая неправильную форму головка кочки.
Кочки от основания до верха пронизаны живыми и отмершими волокнами корней. Волокна корней травы практически не перегнивают, с годами они образуют мощный скелет кочки, позволяющий ей выдерживать значительные нагрузки, и придают кочкам жесткость.
По характеру воздействия на вездеход кочки близки к таким препятствиям как и пни, камни или поваленные деревья. Но если последние во время движения можно объехать, то поверхности местности, покрытые кочками, объехать невозможно. Это объясняется тем, что кочки покрывают водосборную сеть низин, болот, ручьев, озер и рек, которая имеет замкнутую систему. Поэтому сколько бы вездеход ни пытался объехать расположенные в этой сети кочки, это сделать невозможно. Для продолжения движения по заданному направлению вездеход должен обязательно где-то преодолевать их, переезжая через них.
Поэтому для оценки проходимости вездехода и обоснования его параметров важно знать характеристики кочек как препятствий для движения транспортного средства. Прежде всего это относится к их высоте, длине и расстоянию между кочками, а также к количеству кочек, приходящихся на единицу площади, например, на 1 м2.
Очевидно, что все эти величины являются случайными, и их исследование необходимо производить с использованием методов математической статистики.
Изучение параметров кочек производилось путем их измерения на пробных участках, расположенных в различных местах их произрастания, с тем, чтобы обеспечить представительную и достоверную статистику.
Для обеспечения этих требований в реальных условиях задача требует двухступенчатого решения: вначале необходимо произвести отбор характерных площадей данной территории, покрытых кочками, а затем выделить конкретные участки на этих площадях для взятия проб.
Выбор характерных площадей производился субъективно на основании мнения опытных таежников: охотников, лесников, экологов. Их опыт вряд ли может быть заменен более точными критериями.
После определения площадей, представляющих большие участки геологически, гидрологически и экологически однородных территорий, производился выбор на них пробных площадей, на которых производились измерения параметров кочек.
При планировании эксперимента по изучению параметров кочек необходимо обеспечить требуемую точность определения их характеристик при минимизации трудозатрат. Основной вопрос в определении пробных участков заключается в том, чтобы найти наименьший размер участка, при котором еще можно определить плотность распределения кочек. Специальными исследованиями препятствий растительного происхождения [49, 66] установлено, что достаточная точность может быть получена, если число препятствий на пробном участке будет не менее 30.
Предварительными исследованиями плотности расположения кочек было установлено, что она подчиняется нормальному закону распределения со следующими характеристиками: математическое ожидание m = 1,757 шт./м2, среднее квадратичное отклонение = 0,355 шт./м2.
Второй вопрос – это методика определения местонахождения пробного участка. Координаты центра пробного круга можно охарактеризовать направлением расположения и расстоянием относительно какого-либо центра. Если эти два параметра выбрать из таблицы случайных чисел, то представительность и независимость выборки будут обеспечены [49]. Методика, изложенная в работе [49] и предназначенная для изучения деревьев, была трансформирована для проведения исследований параметров кочек.
Для этого точку отсчета предполагается расположить на берегу поймы ручья (рисунок 2.4), покрытой кочками. Из точки отсчета примерно перпендикулярно пойме ручья под углом 400 друг к другу проводятся два луча. В этом секторе должен находиться центр пробной площади. Для конкретного определения положения центра пробного круга необходимо провести азимут, отсчитанный от верхнего луча сектора по часовой стрелке. Его значение берется из таблицы случайных чисел методом перебора, пока не выпадет значение от 0 до 40. таблицы случайных чисел методом перебора, пока не выпадет любое число от 15 до 30, то есть центр пробного круга должен находиться на площади, ограниченной двумя лучами, расположенными под углом 400, и двумя окружностями радиусами 15 и 30 метров.
Третий вопрос – это общее количество наблюдений. По рекомендациям Беккера М.Г. [49] для оценки параметров препятствий растительного происхождения минимальное количество измерений должно быть не менее 100. В связи с необходимостью иметь выборки из разных массивов расположения кочек, относительно небольшой трудоемкостью измерения параметров кочек, а также для повышения точности количество измерений принимаем в пределах от 150 до 300.
Обработка результатов измерений, подбор теоретических законов распределения случайных величин, оценка соответствия теоретических законов эмпирическим данным производилась по общепринятым методикам обработки статистических данных [67]. Расчеты массивов и построение графиков производилось с использованием пакетов прикладных программ Microsoft Excel и КОМПАС – 3D V9.
Движение ведомого колеса по поверхности без препятствий
Рассмотрим динамический процесс ведомого колеса вездехода в момент окончания удара (столкновения) правого заднего колеса о ступенчатое препятствие порогового типа высотой h. Выделим ведомое колесо и составим для него расчетную схему (рисунок 3.19).
Так как задняя колесная пара в момент окончания удара изменила свое первоначальное положение относительно Axyz и свое кинематическое состояние (вращательное движение вокруг A), то это означает, что и динамическое состояние задней пары колес, как и в целом всего вездехода, изменилось. Кроме сил сцепления колес, параллельных оси y, мгновенно появляются и боковые силы сцепления. Искомая сила, действующая от корпуса на колеса, уже не направлена вдоль движения вездехода. Эту силу можно разложить на силу , направленную вдоль у, и силу, перпендикулярную плоскости ведомого колеса и уравновешенную боковой силой сцепления.
В расчетах нас интересует продольная сила S, параллельная оси движения вездехода Ау. На переднее колесо действуют также уже ранее отмеченные силы: - вес вездехода и груза, распределенный на переднее колесо, - вес ведомого колеса, N1 – нормальная реакция поверхности, Мк1 = к1N1 – момент сопротивления качению колеса, за счет деформации колеса и поверхности.
Составим уравнение динамики переднего колеса относительно инерциальной системы отсчета . Учитываем, что ось ведомого колеса продолжает перемещение прямолинейно вдоль параллельно Ау, а, следовательно, скорость с1 и ускорение , направлены вдоль . Плоскость сечения колеса расположена в плоскости ; ось перпендикулярна этой плоскости. Относительно уравнения динамики запишутся так:
После столкновения одного из ведущих колес с пороговым препятствием задняя колесная пара совершает вращательное движение вокруг неподвижной оси А (рисунок 3.20). Поэтому все точки оси совершают вращательное движение до момента преодоления порогового угла. Векторы угловой скорости и углового ускорения направлены вдоль оси А (в противоположную сторону положительного направления этой оси), то есть где – орт оси А, определяемый в координатной системе Axyz выражением Ускорение точки (точки симметрии пары ) в конце столкновения определяется векторной формулой:
Таким образом, ускорение в конце удара представляет собой вектор, пространственно ориентированный относительно Axyz.
Отрезок, соединяющий центры , – после столкновения остается параллельным направлению движения вездехода, то есть оси Ay, но с другой стороны совершает сложное винтовое движение: вращательное вокруг оси c угловой скоростью и поступательное вдоль оси , причем так, что , направлены вдоль , а скорость и ускорение определяются по формулам (3.35) и (3.59) соответственно. При столкновении с препятствием структурная система вездехода не меняется, то есть остается жесткой. Поэтому отрезок рассматривается как абсолютно твердое тело, совершающее винтовое движение. Тогда, выбрав как полюс тела, скорость и ускорение центра ведомого колеса определяются следующими векторными зависимостями:
На рисунке 3.21 представлены графики, характеризующие усилия на ведущих колесах и ведомом колесе вездехода в случае его столкновения одним из ведущих колес с препятствием порогового типа в зависимости от высоты препятствия. Ведомое колесо при этом движется по горизонтальной поверхности без препятствий. Толкающее усилие, необходимое для его перемещения сравнительно незначительно и постоянно. Рис. 3.21. Усилия на колесах при столкновении вездехода ведущим колесом с пороговым препятствием
Касательная сила тяги, формируемая на задних ведущих колесах вездехода крутящим моментом двигателя, резко возрастает при увеличении высоты преодолеваемого препятствия до высоты препятствия примерно равному 0,3 м. После этого рост усилия замедляется, асимптотически приближаясь к своему максимуму.
При движении вездехода по болотистой местности ему довольно часто приходится преодолевать препятствия бугрообразного типа, к которым относятся болотистые кочки, поваленные деревья и бревна, неровности поверхности. Особенностью таких препятствий является отсутствие ребер и углов, свойственных препятствиям порогового типа. В процессе их преодоления колесо находится в контакте не с точкой, а образует пятно взаимодействия с поверхностью бугрообразного типа. Это следует учитывать в динамических расчетах преодоления таких препятствий.
Рассмотрим динамический процесс наезда переднего колеса на препятствие, поверхность которого отличается от ступенчатого вида. Поверхность соприкосновения колеса и препятствия имеют общую касательную. А так как колесо вездехода пневматическое и высокоэластичное, то следует учесть деформацию шины, а, следовательно, ввести в расчетные уравнения такие параметры как коэффициент качения к или коэффициент сопротивления .
На рисунке 3.22 изображена расчетная схема высокоэластичного ведомого переднего колеса вездехода при его наезде на препятствие в виде поверхности с неравной нулю кривизной (бугор, бревно, кочка).
Расчетная схема представляет распределение внешних сил, действующих на переднее колесо в момент завершения удара при наезде на бугрообразное препятствие. В отличие от схемы, изображенной на рисунке 3.6, здесь сила выдвинута на расстояние к1 от С1U1. Она порождает момент сопротивления качению колеса, тем самым увеличивая затраты энергии двигателя вездехода на преодоление препятствия.
Для рассматриваемого момента движения уравнения динамики ведомого колеса будут иметь вид: (3.67) Так как и в этом случае колесо при соприкосновении с препятствием совершает движение без проскальзывания, то ускорение и угловое ускорение находится по той же методике, как в рассмотренном выше случае препятствия порогового типа. При этом
Перемещение вездехода прямоугольной формы с жесткой рамой
Участок 7–8 (протяженность 88 м). Участок покрыт осинами и лиственницами с плотностью расположения 0,1 шт./м2 с обильно расположенным подростом. Движение по участку происходило вдоль оси трассы с большим маневрированием между деревьями и подростом. В точке 8, которая одновременно являлась и точкой Б – точкой окончания трассы, вездеход останавливался.
Во время испытаний по трассе было осуществлено 4 заезда – один подготовительный и три опытных. Целью подготовительного заезда являлась оценка условий движения вездехода и прокладка маршрута движения. Во время опытных заездов вездеход двигался по проложенному маршруту с максимальной скоростью. При этом фиксировались передачи в КПП, используемые во время движения, пройденный путь, время движения и расход топлива. Исходя их пройденного пути и времени движения, рассчитывалась скорость движения.
Средние значения 1000 1191 1,191 1–2 0,110 10,82 15,73 0,3 Данные таблицы 5.4 свидетельствуют о том, что цель эксперимента, состоящая в доказательстве возможности преодоления участка местности, покрытого лесом, достигнута. Вездеход продвинулся под пологом леса из точки в точку Б, расстояние между которыми составляло 1000 метров, пройдя при этом расстояние в 1191 метр со средней скоростью 10,82 км/ч и израсходовав при этом 0,1573 л топлива. В процессе движения вездеход преодолел участки лесистой местности без отклонений от маршрута с плотностью расположения деревьев до 0,4 шт./м2, пойму ручья с кочками высотой до 0,4 м, грунтовые неровности, в то же время участки местности с плотностью расположения деревьев от 0,4 до 1,0 шт./м2, поваленные деревья, крутые косогоры ему пришлось объезжать.
При анализе динамики взаимодействия вездехода с различными препятствиями существенное влияние на формирование нагрузок в трансмиссии вездехода, на его двигатель и на раму оказывает инерционность колес. Мерой нагрузки при вращательном движении колеса вокруг его оси является момент инерции. Колесо с точки зрения механики имеет неправильную форму, поэтому расчетным путем его момент инерции определить невозможно, это можно сделать только экспериментальным путем.
В основу разработанной методики по определению момента инерции колеса легкого вездехода положены классические законы механики, характеризующие неравномерное вращательное движение твердого тела. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 5.12.
При проведении исследований вездеход 1 устанавливается на горизонтальную площадку, переднее колесо вывешивается с помощью упора 2 таким образом, чтобы оно могло свободно вращаться. На внешнюю поверхность покрышки колеса закрепляется и наматывается тонкая прочная нить 4, которая далее пропускается через блок 3 и к концу которой закрепляется груз 5 массой .
Определение момента инерции заднего колеса производилось по аналогичной методике. Колесо в этом случае устанавливалось в вилку переднего колеса с помощью фальшвала. В результате было получено, что момент инерции заднего колеса составляет .
Шинами высокоэластичных движителей на пневматиках сверхнизкого давления, как правило, являются резино–кордные оболочки, силовым элементом которых служит каркас, состоящий из нескольких слоев корда, отделенных друг от друга резиновыми прослойками.
На экспериментальных вездеходах были установлены шины, изготовленные в соответствии с техническими решениями, защищенными патентами РФ № 2192968, №2242373, №2292268 [125, 127, 132], также в конструкции колес использовались отдельные элементы, защищенные патентами на полезную модель № 86142, № 84783, № 85401, № 84784, № 91937 [137–141]. Размер экспериментальных шин 1300х450.
Исследование нормальной жесткости шин производилось с целью получения опытных данных для расчета нагрузок в ходовой части вездехода, формирующихся при движении по горизонтальной поверхности, а также при взаимодействии его движителей с препятствиями порогового или бугрообразного типа. Расчет нагрузок производился по математическим моделям, полученным в главе 3. В связи с высокой эластичностью шин была выдвинута гипотеза о формировании разного динамического радиуса при взаимодействии колеса вездехода с различными типами препятствий: у препятствия порогового типа это будет треугольный профиль с прямым углом при вершине, у препятствия бугрообразного типа это будет профиль с определенным радиусом закругления, при движении по горизонтальной поверхности без препятствий это будет плоская поверхность. Естественно, что на величину нормальной деформации должно существенно влиять давление воздуха в шинах.
Статические характеристики шин исследовались многими учеными [51, 73, 74, 123, 124, и др.]. Однако, все исследования проводились с шинами нормального (0,6 – 0,8 МПа), низкого (0,2 – 0,3 МПа) давления или пневмокатками (0,02 – 0,08 МПа). Исследование статических характеристик высокоэластичных шин сверхнизкого (0,005 – 0,02 МПа) давления, влияние на них формы контактирующих поверхностей не производилось.
Экспериментальная установка для снятия статических характеристик высокоэластичного движителя представлена на рисунке 5.14. Для снятия характеристик испытуемое колесо 8 закрепляется своей осью на двух стойках 1. Сверху на шину колеса устанавливается одно из трех контртел 2, на котором располагается домкрат 3 для создания давления на колесо и динамометр ДОСМ-3-1 4 для измерения этого давления. Приведенная погрешность измерения усилия составляет по технической характеристике прибора . Контроль давления воздуха в камерах производился цифровым индикатором давления DPI – 705 7 с точностью до . Нагрузка на колесо устанавливалась в соответствии с реально действующими нагрузками на колеса вездехода и варьировалась от 0 до 5 кН. Давление воздуха в шинах при проведении опытов устанавливалось последовательно 0,005 МПа, 0,01 МПа,
