Транспортное средство для строительства в условиях бездорожья

Журнал: «Строительство: новые технологии - новое оборудование», №1-2, 2018г.

В настоящее время в дальневосточном регионе Российской Федерации реализуются очень крупные проекты по строительству газо- , нефтепроводов, линий связи и электропередач, в процессе выполнения которых приходится решать проблему доставки рабочих и грузов в условиях практически полного отсутствия транспортной инфраструктуры в зоне строительства. Отсутствуют дороги, существующие транспортные средства имеют высокую стоимость, негативно воздействуют на окружающую среду, расходуют много топлива, поэтому их использование нередко экономически и экологически нецелесообразно.

С 80-х годов прошлого века в стране интенсивно развивается новый вид транспорта для движения по бездорожью – легкие вездеходы на пневматиках сверхнизкого давления. Созданы, прошли успешные испытания и эксплуатируются в настоящее время как изготовленные самодельщиками, так и выпускаемые заводами многочисленные модели таких вездеходов: трехколесные, четырех-, шестиколесные, с традиционным рулевым управлением и с бортовым поворотом, разной мощности, грузоподъемности и пассажировместимости. Всех их объединяет одно замечательное качество – это высокая проходимость вплоть до преодоления вплавь водных препятствий в сочетании с экологичностью по отношению к почве вследствие низкого удельного давления на грунт.

Исследования, выполняемые на протяжении более двух десятилетий в ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет», показали перспективность использования вездеходов на пневматиках сверхнизкого давления в качестве транспортных средств в строительстве [1]. Теоретической основой исследований стали работы ведущих отечественных и зарубежных ученых по анализу движения колесных и гусеничных машин в условиях бездорожья, научные работы по проектированию и совершенствованию транспортных машин, материалы международных и всероссийских конференций по проблемам строительного производства.

Анализ различных аспектов создания и применения экологичной вездеходной техники в виде легких вездеходов на пневматиках сверхнизкого давления показывает, что она может стать ключевым звеном при ведении строительства в суровых малоосвоенных районах с их бездорожьем, болезненной уязвимостью природы. На рис. 1 показана классификация лесных препятствий и их воздействие на вездеход.

Рис. 1. Классификация лесных препятствий и их воздействие на вездеход

Анализ встречающихся в природе препятствий в условиях Дальнего Востока и их воздействий на вездеход показал, что наиболее трудными из них, с точки зрения проходимости и тяжести воздействия на конструкцию вездехода, являются поверхности, покрытые кочками, лесистая местность с крупными деревьями, препятствия порогового или бугрообразного типа (пни, камни, поваленные деревья, кочки).

Экспериментальные исследования статистических характеристик кочек как препятствий для движения вездехода показали, что:

● рассеивание высот кочек подчиняется нормальному закону распределения с математическим ожиданием mh = 35,79 см и средним квадратичным отклонением σh = 7,53 см;

● расстояние между кочками наиболее точно можно представить двумя законами распределения: равномерным распределением на интервале (25–90 см), которое можно представить уравнением прямой f(x) = 0,012, и нормальным распределением с параметрами m = 59,3 см и σr = 28,3 см на интервале (90–140 см);

● рассеивание плотности расположения кочек подчиняется нормальному закону распределения с математическим ожиданием mp = 1,757 шт/м2 и средним квадратичным отклонением σρ = 0,335 шт/м2;

● рассеивание длины кочек подчиняется нормальному закону распределения с математическим ожиданием mг = 33,61 см и средним квадратичным отклонением σl = 7,49 см.

В результате проведенных аналитических исследований о влиянии конструктивных параметров вездехода и условий его эксплуатации на профильную проходимость при движении под пологом леса было установлено, что движение по лесной почве должно происходить без ее разрушения, то есть без образования колеи. Были разработаны математические модели столкновения вездехода с препятствиями, позволяющие рассчитать усилия, действующие на колеса и раму вездехода при различных режимах его движения. Выполненный анализ движения вездехода по поверхности, покрытой кочками, показывает:

● вероятность свободного проезда без столкновения колес с кочками равна 41,9 % при объезде передним колесом 80 % кочек;

● вероятность наезда на препятствие одним колесом – 44 %;

● вероятность столкновения с препятствиями одновременно двух колес – 13 %;

● вероятность столкновения с препятствиями всеми колесами составляет лишь 0,7 % при стремлении к нулю при повышении маневренности вездехода.

Иными словами, наиболее тяжелым с точки зрения формирования нагрузок на ходовую часть вездехода следует признать режим наезда на препятствия одновременно передним и одним из задних колес. Его можно рекомендовать в качестве расчетного при прочностных расчетах колес и рамы вездехода.

Был разработан новый метод анализа профильной проходимости вездехода при движении под пологом леса, основанный на изучении взаимодействия горизонтальной проекции вездехода на плоскости при его перемещении под пологом леса с нанесенными на ней препятствиями – деревьями. В качестве количественной характеристики профильной проходимости предлагается использовать такой показатель, как вероятность преодоления участка местности, покрытого лесом. Математическое моделирование движения легких вездеходов под пологом леса позволило определить влияние конструктивных параметров вездехода и условий движения на профильную проходимость. Установлены факторы, лимитирующие профильную проходимость вездехода, – его ширина, плотность расположения деревьев и их диаметр. Кроме них на профильную проходимость влияют маневренность (возможность движения задним ходом), форма вездехода в плане и способ его поворота.

Целью испытаний под пологом леса стала проверка работоспособности вездехода в реальных условиях. При этом методами оценки проходимости вездехода были приняты визуальное наблюдение и непосредственные измерения результатов движения: пройденного пути, времени движения, расхода топлива, скорости движения (рассчитывалась по времени и длине пути). Измерительная и регистрирующая аппаратура, использованная при испытаниях вездеходов, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема измерительной и регистрирующей аппаратуры

Основные параметры, измеряемые при испытании, – это пройденный путь, расход топлива и сила сопротивления движению. Кроме аппаратуры, представленной на рис. 2, при проведении испытаний по снятию характеристик движителей использовался динамометр ДОСМ-3-1 для измерения нагрузки на колесо. Контроль давления воздуха в камерах производился цифровым индикатором давления DPI-705.

Испытательная трасса, общая протяженность которой составляла 1000 м, была разделена на 7 участков, их границы определялись по изменению условий движения. Во время испытаний по трассе было осуществлено 4 заезда – один подготовительный и три опытных. Целью подготовительного заезда была оценка условий движения вездехода и прокладка маршрута движения. Во время опытных заездов вездеход двигался по проложенному маршруту с максимально возможной скоростью. При этом фиксировались передачи в КПП, используемые во время движения, пройденный путь, время движения и расход топлива. Исходя из пройденного пути и времени движения, рассчитывалась скорость движения. Сравнительные данные прохождения всей трассы испытуемым вездеходом ВСНД-1 приведены в таблице.

Таблица

Данные прохождения трассы испытуемым вездеходом

Номер заезда Длина трассы, м Факт. длина пути, м Коэфф. удлин. трассы Исп. перед. КПП Время в пути, ч Факт. скор., км/ч Расход топлива, л/100 км Технол. расход топл., л/тыс. км
1 1000 1189 1,189 1 и 2 0,113 10,5 15,3 0,30
2 1000 1210 1,210 1 и 2 0,112 10,8 15,1 0,296
3 1000 1175 1,175 1 и 2 0,105 11,2 15,8 0,31
Средние 1000 1191 1,191 1 и 2 0,110 10,82 15,73 0,302

Данные таблицы свидетельствуют о том, что цель эксперимента, состоящая в доказательстве возможности преодоления участка местности, покрытого лесом, достигнута. Вездеход продвинулся под пологом леса из точки А в точку Б, расстояние по прямой между которыми составляло 1000 м, пройдя при этом расстояние в 1191 м со средней скоростью 10,82 км/ч, 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 0,4–1,0 шт/м2, поваленные деревья, крутые косогоры ему пришлось объезжать.

При отсутствии возможности движения задним ходом вездеход при столкновении с первым же деревом прекращает движение, вероятность преодоления вездеходом участка лесистой местности в этом случае зависит от его протяженности и в целом ничтожна. При высокой же маневренности эта вероятность не зависит от длины участка, определяется шириной вездехода, плотностью расположения деревьев и их диаметром, при наиболее вероятных значениях этих параметров движение вездехода теоретически достоверно.

Выполненные экспериментальные исследования опытных образцов вездеходов позволили получить данные для проведения численного эксперимента, подтвердили адекватность полученных математических моделей по расчету профильной проходимости вездеходов при движении под пологом леса, а также по определению усилий, действующих на колеса вездехода при столкновении с препятствиями порогового и бугрообразного типа. Кроме того, позволили определить удельное сопротивление движению вездехода (в лесу fлес = 0,08, по мари fмари = 0,14) и коэффициент сцепления колес с опорной поверхностью (в лесу φлес = 0,67, по мари φмари = 0,74). Разработанная в исследовании методология проектирования и расчета вездеходов позволяет обоснованно выбрать параметры основных его агрегатов, спроектировать движители в виде колес на пневматиках сверхнизкого давления, обосновать общую компоновку вездехода, разработать конструкцию и выполнить прочностной расчет рамы вездехода с использованием метода конечных элементов (МКЭ).

Выполненные исследования позволяют сделать вывод о том, что повышение эксплуатационных свойств легких колесных вездеходов в условиях Дальнего Востока может быть обеспечено:

● установкой в силовой цепи вездехода передачи заднего хода, которая обеспечивает при столкновении с деревом возможность сделать один шаг назад для того, чтобы выбрать новое направление движения, при этом повышается профильная проходимость при движении под пологом леса;

● выбором ширины вездехода с учетом плотности расположения деревьев и заданной вероятности движения под пологом леса;

● выбором диаметра колес с учетом предельной высоты препятствия в виде кочек;

● расчетом рамы вездехода на прочность пошаговым последовательным принятием решений с использованием при расчете МКЭ;

● внедрением в конструкцию легкого вездехода предлагаемых технических решений, выполненных на уровне изобретений (в рамках исследований получено 13 патентов на изобретения и полезные модели).