Введение к работе
Актуальность исследования. Наземное транспортное средство может перемещаться в различных эксплуатационных условиях в зависимости от своего целевого назначения. Если этими условиями являются территория с хаотически расположенными препятствиями, то применение машин с традиционными движителями может быть весьма затруднено. Передовыми научными коллективами ведутся исследования по созданию шагающей техники: экзоскелетов (США: компания Raytheon, Япония: компании Cyberdyne и Daiwa Hous), антропоморфных роботов (Япония: компания HONDA, США: компания BostonDynamics), шагающих грузотранспортеров (США: компания BostonDynamics, Финляндия: компания Plustech, Россия: Волгоградский государственный технический университет) соответствующей подобным условиям. При передвижении крупногабаритных грузов по поверхностям с низкой несущей способностью (транспортировка тяжеловесных конструкций промышленного назначения) или территориям, принадлежащим к не возобновляемой категории (торфозаготовка, полевые самоходные системы дождевального орошения) оправдано использование шагающей техники типа машины «Восьминог» (ВолгГТУ). Цикловые сдвоенные шагающие движители в составе привода этой машины отличаются простотой конструкции и управления (одна степень подвижности), но обладают недостатками (отсутствие прямолинейной опорной фазы у траектории характерной точки стопы, неравномерность горизонтальной скорости центра масс корпуса), снижающими энергоэффективность шагающей машины (периодические подъем - опускание, разгон - торможение центра масс корпуса). Поэтому актуальной задачей является создание циклового шагающего движителя с прямолинейной траекторией стопы и постоянной скоростью центра масс корпуса в опорной фазе.
Объект исследования: цикловый механизм шагания с направляющей, как составная часть привода движителя шагающей машины.
Цель исследования: совершенствование привода машины с цикловым шагающим движителем для снижения энергозатрат.
Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие задачи:
-
Анализ критериев энергетической эффективности шагающих движителей;
-
Синтез кинематической схемы энергетически эффективного циклового шагающего механизма.
-
Разработка математической модели шагающей машины с движителями на основе синтезированного механизма;
4. Сопоставление результатов натурных и численных исследований;
Научная новизна работы.
-
Предложено и научно обосновано применение циклового шагающего механизма с криволинейной направляющей, реализующего прямолинейность траектории опорной точки в фазе взаимодействия с грунтом.
-
Определены законы программных режимов движений исполнительных приводов, обеспечивающих перемещение центра масс корпуса шагающей машины вдоль прямой линии (с постоянной скоростью и одинаковой продолжительностью фазы опоры и переноса механизмов шагания) и отсутствие ударов в приводе поворота при ее плоском движении.
-
Получены условия асимптотической устойчивости программных режимов движения шагающей машины на базе цикловых шагающих механизмов с направляющими вдоль прямой линии с постоянной скоростью и одинаковой продолжительностью фазы опоры и переноса механизмов шагания.
Положения, выносимые на защиту:
-
Кинематическая схема циклового шагающего механизма с направляющей, реализующего прямолинейную опорную фазу траектории стопы;
-
Методика синтеза циклового шагающего механизма с направляющей;
-
Математическая модель шагающей машины с цикловыми движителями на основе сдвоенных механизмов шагания с направляющими;
-
Методы расчета программных устойчивых, энергоэффективных режимов работы приводов шагающей машины с движителями на базе сдвоенных цикловых механизмов шагания с направляющими.
-
Лабораторная модель циклового шагающего механизма с криволинейной направляющей и движителя - на его основе.
Методы исследования. Использовались методы теории машин и механизмов, теоретической механики, сопротивления материалов, теории управления техническими системами, оптимизации, планирования эксперимента. Решение дифференциальных уравнений движения осуществлялось методами численного интегрирования при помощи специальных программ и программного инструмента, разработанного автором.
Достоверность научных результатов. Адекватность предложенных методик подтверждается корректностью использования математических методов, согласованностью с научными результатами других авторов и результатами физического моделирования.
Практическая значимость результатов исследования.
Синтезированный цикловой механизм с направляющей представляет собой новый механизм [Пат. № 2422317 РФ], который может быть использован, как в составе привода энергоэффективного шагающего движителя, так и в области техники, где требуется преобразование вращательного движения в прямолинейное перемещение исполнительного звена. Предложенные критерии энергоэффективности шагающего движителя и качества цикловых шагающих механизмов позволяют проводить качественную и количественную оценку
циклового шагающего механизма. С помощью разработанных методик синтеза циклового шагающего механизма с направляющей, силового анализа и расчета на прочность конструкции нового механизма можно создавать цикловые механизмы с направляющей с заданными параметрами соответствующими решаемой задачи. Рассмотренные методики управления шагающим движителем, состоящим из сдвоенных механизмов, позволяют реализовать энергоэффективные режимы работы приводов шагающей машины.
Апробация. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на конференциях: — XII, XIII, XIV, XVI регион, конф. молодых исследователей Волгоградской области (2007 - 2011 гг., Волгоград, ВолгГТУ);
— внутривуз. научн. конф. ВолгГТУ (2008 - 2013 гг., Волгоград, ВолгГТУ)
— IV, V междунар. науч.-практ. конф. «Прогресс транспортных средств и
систем» (2009 г., 2013 г., Волгоград, ВолгГТУ);
— Всероссийская молодежная конференция «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ
РОБОТОТЕХНИКА» (2011 г., Санкт - Петербург, ЦНИИ РТК );
Четвёртая Всероссийская мультиконференция по проблемам управления. МКПУ-2011 (2011 г., с. Дивноморское, Геленджик, Ин-т машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, НИИ многопроцессорных вычислит, систем им. проф. А.В. Каляева ЮФУ);
Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах - УТЭОСС-2012 (2012 г., Санкт - Петербург, ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор");
Проблемы механики современных машин, V междунар. конф. (2012 г., Улан-Удэ, ВСГУТУ);
Математические методы в технике и технологиях - XXV междунар. науч. конф. (2012 г, Волгоград, ВолгГТУ);
Молодые учёные - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке (2013 г., Ижевск, ИжГТУ им. М. Т. Калашникова).
Общее количество конференций: 17.
Публикации. По результатам диссертационного исследования
опубликовано 18 печатных работ, из них 4 в периодических издания по списку ВАК РФ. В том числе выдано положительное решение на Пат. 2422317 РФ, МПК В 62 D 57/032. Работа выполнена при поддержке РФФИ и Минобрнауки России, результаты работы нашли отражение в научно - исследовательских отчетах, имеющих государственную регистрацию.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации (без списка литературы) - 148 с, в тексте содержится 23 таблицы и 112 рисунков. Список литературы из 133 наименований представлен на 15 с.
