Движитель Монина.

Техническая лаборатория
Ответить
Аватара пользователя
Сообщения: 17738
Зарегистрирован: 30 янв 2010, 07:06
Контактная информация:

Движитель Монина.

Сообщение Suicide »

На данный момент все известные контактно-опорные типы движителей, так или иначе, являются комбинацией из колес различных видов: твердые колеса, мягкие колеса, колеса объединенные гусеницами различных типов. При всем разнообразии их облика общими остаются их недостатки: колесо имеет пятно контакта намного меньше, чем его размер в плане, а проходимость колеса по неровностям соствляет малые доли от радиуса колеса.
Любой из известных колесных или гусеничных движителе пасует при встрече с грунтами в пограничном фазовом состоянии или с рельефом смешенного типа.
Способность к движению возможна, только если транспортное средство не проваливается глубоко в грунт, а глубина проваливания, в свою очередь, определяется величиной максимальных давлений в пятне контакта: чем ниже давление на грунт, тем меньше проваливается в грунт движитель транспортного средства.
Борьба за повышение проходимости вездеходов свелась к попыткам снижения давления на грунт в пятне контакта, что достигалось укрупнением диаметров колес и увеличением их количества. Так за 20-й век конструкторами были опробованы практически все мыслимые комбинации из колес и гусениц различных размеров и типов, но создать реального амфибийного вездехода так и не удалось. Болота и толстый снег в настоящий момент считаются непреодолимыми грунтами.
Считается, что движение по снегу станет возможным за счет активных контактных движителей при снижении максимальных давлений в пятне контакта ниже значения в 8кПа. В настоящий момент наилучший показатель среди движителей составляет 15кПа (0,15атм) у пневмоколес сверхнизкого давления, но даже на таких пневмоколесах удается создать только небольшие легкие транспортные средства. Невозможность построить крупное транспортное средство большой грузоподъемности на колесах сверхнизкого давления не позволяет применять их для коммерческого использования на бездорожье. У легких гусеничных снегоходов (ратраков) схожие показатели по давлению, но и они не подлежат укрупнению из-за конструктивных ограничений.
Таким образом, к концу 20-го века в технических кругах сложилось общее мнение, что создать полноценный вездеход-амфибию для движения по сложным рельефам, болоту и снегу без ограничения глубины слоя невозможно на данном уровне техники.
При этом желаемые показатели давления на грунт на крупных образцах техники достигались только у судов на воздушной подушке и у лыжных снегоходов с воздушными ходовыми винтами. Оба этих варианта способны решать только крайне ограниченный круг задач своего предназночения: ТС с ВП движется по воде с выходом на мелководье и пологий ровный берег, а лыжный снегоход только по ровному гладкому снегу. Любой пересеченный рельеф и чередование различных грунтов для них не проходимы.

В МГТУ им.Н.Э.Баумана две профилирующие кафедры занимающиеся проблемами вездеходности: «Быстроходные гусеничные машины» и «Колесные машины высокой проходимости». Для обеих кафедр данная ситуация в технике была хорошо известна и означала практически полную остановку в техническом развитии в обширном классе транспортных средств.
Наиболее актуальной темой исследований стал поиск путей реализации на грунте сверх малых пиковых давлений. Для анализа были выбраны нетрадиционные типы движителей с пневматическими элементами, так как потенциал развития в этом направлении у традиционных жестких колесных и гусеничных движителей был уже исчерпан еще в 20-ом веке.
Для получения низких давлений подходят только очень легкие и при этом крайне прочные конструкции. К такого рода объектам относятся крупные пневмооболочки под заданным избыточным давлением.
Анализ взаимодействия идеальной цилиндрической мягкой оболочки с грунтом под внешней нагрузкой привел к выводам, которые позволяют производить расчеты геометрических и тяговых параметров потенциально возможных движителей с пневмооболочкой сверхнизкого давления.
Основной проблемой применения крупных пневмооболочек в качестве движителей является их малая устойчивость под нагрузкой. При малейшем отклонении от положения равновесия, оболочка стремится опрокинуться - это подобно акробатическому балансированию стоя на шаре, при этом еще и мягком.
Кроме цилиндрических оболочек рассматривались еще сферические и тороидальные конфигурации оболочек.
Использовать сферическую оболочку в качестве колеса или пневмокатка не удается из-за крайне низкой жесткости боковин оболочки на скручивание, т.е. удержать нагрузку оболочка с осью сможет, но перемещаться у нее уже не получится. Таким образом, оболочкам отводится роль пневматического домкрата, которые сейчас широко применяется в МЧС при спасении людей из завалов рухнувших домов.
Тороидальный движитель известен уже несколько десятилетий. Он использует тороидальную пневмооболочку в качестве движителя, который приходит в движение в процессе постоянного выворачивания себя через центральное отверстие. Такой способ движения крайне сложно реализовать в материале, да и устойчивости движителя столь же сложно добится, как и при нагружении сверху цилиндрической или сферической оболочки.
Но мысль не стоит на месте. В ситуации, практически тупиковой, возникла идея, приведшая к изобретению нового типа движителя. Этот движитель названный Сферическим Пневмо Гусеничным Движителем (СПГД) использует цилиндрическуюоболочку с герметично замкнутыми концами (что является топологической сферой), нагружая ее изнутри, а не снаружи. В СПГД нагрузка опирается на оболочку изнутри в нижней части, что обеспечивает самостабилизацию оболочки. Таким образом, конструктивное решение исключает возможность самопроизвольного опрокидывания движителя, предавая ему свойство самостабилизации.
В качестве опоры на оболочку выбраны вращающиеся валки. Если к этим валкам подвести крутящий момент, то они покатятся по внутренней стороне оболочки, тем самым выводя всю систему из равновесия. Так как система самостабилизирующаяся, то после смещения валков оболочка с нагрузкой вновь займет устойчивое положение уже в новой точке. Таким образом, СПГД обретает способность двигаться, при этом к мягкой оболочке никаких крутящих моментов не прикладывается.
От чистой идеи до реального воплощения движителя, в виде малогабаритной действующей модели, дистанция оказалась весьма не длинной. Модель СПГД удалось собрать из подручных средств: деревянные бруски, обрезки пластиковых труб, полиэтиленовая оболочка, сервоэлектрический привод от дворников автомобиля и вентилятор высокого давления от старого пылесоса. Через несколько месяцев с момента возникновения идеи готовая модель СПГД уже демонстрировалась в действии на заседании кафедры «Гусеничных машин» МГТУ им.Н.Э.Баумана. После успешной демонстрации модели СПГД, заведующий кафедрой порекомендовал автору изобретения незамедлительно заняться его патентованием, что впоследствии и было сделано (патент №2240250 от 05 февраля 2004г.).

СПГД способен реализовывать на грунте давления в диапазоне1..5кПа(100..500мм.вод.столба), то есть когда человек бредет по колено вводе ТС с СПГД рядом с ним уже плывет, не касаясь дна.
СПГД сверхнизкого давления, в отличии от всех прочих известных движителей, не может быть маленьким – так как его высота должна быть не менее, чем в 4 раза выше чем давление в оболочке, выраженное в миллиметрах водяного столба (100мм.вод.столба= 100кг/м.кв=1кПа=0,01атм). Этот критерий связан с условием незатопляемости кромок торцевого уплотнения оболочки в режиме плавания СПГД по открытой воде. Для наиболее легких моделей ТС высота СПГД составит около одного метра, а для грузовых ТС с СПГД высота составит от 2 до 5 метров. Дальнейшее увеличение становится нецелесообразным, так как наращивание грузоподъемности может быть сделано объединением нескольких СПГД в единое сверхкрупное ТС.
Особенностью СПГД является то, что с грунтом контактирует только мягкая оболочка, которая работает только на растяжение от избыточного давления воздуха внутри. У движителя нет ни жестких тяжелых гусеничных траков, ни многочисленных колес и элементов их подвески. Весь движитель состоит из прочной оболочки из прорезиненной синтетической ткани, двух несущих валков, опирающихся изнутри на оболочку, и силовой рамы, удерживающей несущее валки и передающей на валки усилия от полезной нагрузки и грузовой плаформы ТС.

Изображение

В конструкции СПГД практически все элементы работают только на сжатие-растяжение, изгибные нагрузки присутствую только во вращающихся несущих валках, да и они могут быть снижены установкой поддерживающих промежуточных опор. Благодаря конструктивным особенностям и большим размерам СПГД, силовые элементы их рам могут быть выполнены из пространственных жестких ферм, что резко усиливает жесткость и прочность конструкций, при этом сохраняя относительно малую массу ТС в целом. И чем крупнее ТС, тем более эффективным может быть отношение полезной нагрузки к собственной массе ТС.
У СПГД всего одно пятно контакта огромного размера, ни один другой контактный движитель такого реализовать не может. ТС с воздушной подушкой не может быть поставлено в сравнение, так как в реализации движения участвует также тяговые вентиляторы, опирающиеся на воздух, а не на грунт. Таким образом, ВП не является самостоятельным контактным движителем, а лишь грузоподъемной частью сложного комбинированного аэродинамического движителя, состоящего из нескольких частей, объединенных в единое транспортное средство-движитель.
Характер распределения давления в пятне контакта неравномерный, а закон распределения давлении зависит от характеристик грунта, степени загруженности и конструктивных особенностей ТС с СПГД. Так при плавании или движении по болоту возможен режим, когда максимальная глубина погружения в грунт (воду) равна среднему погружению по пятну контакта, что соответствует одинаковому давлению грунта на все точки оболочки СПГД. Такой режим возможен и на твердых грунтах, но он требует идеально гладкой и ровной поверхности, что практически не встречается в природе (только искусственные полы в цехах). На прочных однородных грунтах давление плавно повышается от краевых участков пятна контакта к внутренним зонам, при этом несущие валки не касаются грунта, зависая на некоторой высоте за счет сил натяжения оболочки, огибающей валки.
Высота зависания валков над грунтом является аналогом клиренса для колесных или гусеничных машин. То есть при встрече с препятствием высотой меньшей, чем высота зависания валков, препятствие проходит под СПГД, не касаясь жестких валков или рамы, контактируя только со свободно натянутой мягкой оболочкой.

Изображение

Маневрирование ТС с СПГД будет сильно отличаться от движения привычных транспортных средств. Огромное пятно контакта и мягкая оболочка не позволят совершить проворот СПГД по грунту, подобно тому, как это происходит у известных колесных или гусеничных машин. На твердом грунте ТС с СПГД сможет развернуться только полностью остановившись и оторвав СПГД от грунта, что потребует создания механизма подъема и разворота всего ТС с СПГД целиком, подобно тому, как разворачивают на месте локомотивы в депо на поворотных столах. Исходя из способа реализации поворота выбирается компоновочное решение ТС с СПГД.
Основных схем компоновки может быть несколько:
- ТС с одни СПГД и опускаемой поворотной опорой;
- ТС с двумя СПГД, связанных внешней грузовой платформой, где роль поворотной платформы выполняет опускаемая на грунт грузовая платформа, оснащаемая поворотным столом;
- ТС с двумя СПГД, связанных внешней грузовой платформой, где поворот одного СПГД выполняется при его полной разгрузке на другой СПГД, таким образом возможно реализовать даже режим шагания ТС с одного движителя на другой.
Все прочие схем компоновки будут являться комбинацией этих трех базовых вариантов.


Замыкание оболочки.

Замыкание оболочки на торцах движителя очень важная проблема, которая может решаться различными конструктивными способами. От выбора варианта замыкания оболочки СПГД зависят многие характеристики СПГД и ТС в целом. Так выбор характера замыкания может сделать ТС или узко специализированной машиной, или универсальным многозадачным амфибийно-вездеходным транспортным средством для экстремальных условий движения.
В качестве примера стоит рассмотреть несколько предельных вариантов исполнения замыкания оболочки: замыкание оболочки на тонкую цилиндрическую ось и замыкание на жесткую фасонную пластину. Остальные варианты замыкания будут некоторым компромиссом между этими случаями.
Фасонная пластина повторяет сечение оболочки СПГД в некотором определенном, наиболее эффективном рабочем состоянии.
При замыкании оболочки на фасонную пластину край рабочей ленты оболочки должен двигаться по пластине по некоторой кривой, повторяющей сечение оболочки СПГД в некотором состоянии. При этом узел соприкосновения оболочки с пластиной должен обеспечивать герметичность оболочки и свободное скольжение края оболочке в зацеплении. Исполнение этого узла скольжения является основной проблемой воплощения СПГД с замыканием на фасонную пластину.
СПГД с замыканием оболочки на фасонную пластину становится похож на первые английские танки времен I Мировой войны.
В жестких боковых пластинах могут быть установлены люки для доступа внутрь СПГД, вентиляторы воздушных нагнетателей, механизмы перемещения точек приложения нагрузки от внешней грузовой платформы, а так же трансмиссия и двигатели СПГД.
В предельном случае, для использования внутреннего пространства СПГД возможно соединение боковых пластин сплошным туннелем, связанным с атмосферой, и являющимся полноценным грузовым отсеком (см.рис.).

Изображение

Замыкание оболочки на фасонную пластину обеспечивает так же жесткое позиционирование грузовой платформы и валков по отношению к оболочке, что гарантирует от сползания платформы с рабочей ленты оболочки при движении по косогорам.
При замыкании на тонкую цилиндрическую ось технические проблемы исполнения обретают совершенно иной характер.
Так проблема герметичности и надежности узла скольжения кромки оболочки по цилиндрической оси решается элементарно. Оболочка крепится к внешнему кольцу подшипника, а внутренне кольцо герметично сажается на ось от грузовой платформы. Герметичное же уплотнение зазора между стальными кольцами подшипника является простейшей технической задачей, имеющей множество отработанных решений.
При замыкании на ось резко усложняется конфигурация оболочки на участке от кромки рабочей ленты до уплотнения на оси. Расстояние от кромки рабочей ленты до оси на различных участках контура оболочки могут изменяется в несколько раз в зависимости от исходной конфигурации СПГД.
Для снижения влияния переменности расстояния до оси возможно применить не плоское, а пространственные замыкания, которые можно разделить на два основных типа: яблоковидное и веретенообразное.

Из-за больших деформаций материала на замыкающей части оболочки становится целесообразным использовать материалы с ярко выраженными эластичными свойствами при сдвиге, но нерастяжимые по основе. Таким характеристикам соответствуют сетки с заполнением ячеек тонкими эластичными диафрагмами.
При вытягивании точек замыкания оболочки на максимальное удаление от опорных валков, оболочка приобретает веретенообразную форму. При таком способе замыкания напряжения в замыкающей части минимизированы, а сама оболочка получает крайне устойчивое позиционирование относительно валков при возникновении боковых сдвигающих усилий (движение по косогору). Таким образом, СПГД, с веретенообразным замыканием оболочки на тонкую ось, становиться чрезвычайно растянутым вбок, напоминая при этом перекатывающийся батон вареной колбасы. Такая конфигурация может применяться на ТС с двумя СПГД, катящимися друг за другом, и грузовой платформой между ними.

Изображение

Веретенооборазная форма позволяет использовать СПГД транспортного средства в качестве поплавков катамарана при движении по открытой воде. При этом мореходные качества ТС становятся настолько хорошими, что возможно будет совершать достаточно длинные переходы по обширным акваториям на высоких скоростях с использование опускаемых специализированных гребных винтов или водометов.
Яблоковидное замыкание делает СПГД более компактным, так узел замыкания на ось может находиться в габаритах силовой платформы. Недостатком такого замыкания является меньшая стабильность СПГД на косогоре. Таким образом, данное замыкание применимо для крупных транспортных ТС с СПГД, эксплуатируемых на плоских рельефах: вода, лед, болота.

Изображение

Топливная экономичность движения ТС с СПГД.

Сверхнизкое давление на грунт приводит не только к увеличению проходимости, но и резко снижает потребность в энергии при движении по бездорожью.
Рассчитаем разницу в необходимой мощности для движения танка массой 50тонн со средним давлением 100 кПа и шириной фронта колеи 1м, и транспортного средства с СПГД той же массы с удельным давлением на грунт 5кПа и квадратным в плане пятном контакта каждого из двух СПГД.
Площадь пятен контакта у ТС с СПГД составит 100м.кв, а у танка 5м.кв.
Ширина фронта колеи у ТС с СПГД составит 7м, а у танка 1м.

Примем жесткость грунта 500кПа/м, что приблизительно равно жесткости слежавшегося снега (снег считается наиболее сложным для движения типом грунта). Давление 100кПа обеспечивается при глубине проминания танком колеи 0,2м, а при давлении 5кПа для СПГД глубина погружения окажется в 20раз меньше, и составит всего 0,01м (10мм).

Изображение

Так как энергия затрачиваемая на продавливанивание грунта подчиняется квадратичному закону от глубины погружения, а сопротивление движению численно равно энергии на продавливание колеи, пройденной в единицу времени, то при равной скорости движения силы сопротивления сравниваемых ТС будут относится как квадраты глубины колеи к ширине фронта колеи, что для данного случая ( 20-ти кратная разница в глубине колеи и 7-ми кратная в ширине) даст выигрыш в сопротивлении движению для СПГД более чем в 57 раз. То есть при движении в одинаковых грунтовых условиях с равной скоростью гусеничное ТС будет потреблять в 57 раз большую мощность, чем ТС с СПГД равной массы.
Если учесть неизбежные постоянные потери на буксование гусеничного движителя, экскавационный вынос грунта из колеи, неэкономичный режим работы двигателя и трансмиссии танка на низких скоростях движения, то разрыв увеличится еще больше. При этом у ТС с СПГД режим буксования на твердом грунте и экскавационнные потери практически отсутствуют, тогда как у колесных и гусеничных составляет около 35% от общего сопротивления движению.
Таким образом, при использовании ТС с СПГД на плоском рельефе с низкой несущей способностью грунта получается фантастический по экономичности эффект.
На дорогах с твердым покрытием разница в экономичности становится незаметной.
Данная зависимость позволяет четко ограничить области массового применения ТС высокой грузоподъемности с СПГД сверхнизкого давления. Для этого идеально подходят пустынные равнинные регионы с отсутствием развитой сети дорог с твердым покрытием, где строительство дорог невозможно или чрезвычайно дорого, а именно те, которые образуются водной или разжиженной водой средой (обширные болота, мелкие водоемы, прибрежные зоны), или покрытые толстым снегом и льдом.
К таким территориям относится практически вся северная часть нашей страны. Российский север в настоящее время в наименьшей степени обеспечен надежными транспортными средствами. Сейчас транспортная проблема в таких местностях почти полностью решается за счет авиации, что крайне дорого и зависимо от метеорологических условий. Северные Сибирь и Дальний восток из-за удаленности могут снабжаться только морским северным завозом или самолетами (вертолеты уже не долетают по дальности). Зимой, когда вода замерзает и погода резко ухудшается, северные районы вовсе оказываются изолированными от мира, причем в снегах становятся непреодолимыми даже малые расстояния в десятки километров.
ТС с СПГД обладает столь высокой амфибийностью и проходимостью, что ему даже по силам преодолевать реки в период ледохода и ледостава, прибрежные тонкие льды на мелководье, топкие и торфяные болота, мелкие каменистые реки. То есть там, где застревают привычные гусеничные вездеходы, начинают работать ТС с СПГД.
Благодаря большой грузоподъемности крупные ТС с СПГД могут выполнять роль сухопутных барж, доставляющих грузы в любое время года по равнинным областям: по снегам, льду, болотам и открытой воде в любых сочетаниях.

Кроме амфибийно-вездеходного применения у ТС с СПГД возможно эффективное применение и на дорогах с твердым покрытием. Благодоря способности обеспечить одно большое пятно контакта равного давления, на базе СПГД высокого давлении возможно создать грузовую платформу для транспортировки сверхтяжелых компактных грузов по дорогам общего пользования.
В настоящий момент специальные колесные грузовые платформы имеют грузоподъемность до 100тонн. Дальнейшее увеличение грузоподъемности за счет увеличения числа колес на платформе становится почти невозможным, так как при размещение большего числа колес платформа перестает вписываться в дорожные габариты и при этом рост собственной массы начинает опережать прирост грузоподъемности от установки дополнительных колес.
В случае создания СПГД высокого давления (600кПа=60000кг/м.кв=6атм), как у колесных грузовиков), то ТС в габаритах обычного шоссейного грузовика 3х10м сможет поднять до 1000тонн, из них большая часть составит полезную нагрузку. При этом брус 3х4х10м (габарит ТС) отлитый из чугуна будет весить всего 936тонн. К таким сверхтяжелым компактным грузам могут относиться неразборные реакторы и крупные узлы энергетических машин (турбин, генераторов) требующих полной сборки в заводских условиях. В настоящее время их приходится делать разборными, что резко снижает их надежность и повышает стоимость производства и эксплуатации.


Будет интернесно - продолжу.
Аватара пользователя
Сообщения: 3248
Зарегистрирован: 02 дек 2009, 12:39
Контактная информация:

Re: Движитель Монина.

Сообщение Bladerunner »

почему то вспомнились Фейнмановские лекции :-)
Егорка, :co_ol:

черт, зачетку забыл....
Изображение
Подключение переднего привода в Ниве - вопрос не столь технический, сколь философский.(с) вовчик

КЛУБНЫЕ НАКЛЕЙКИ ПРИОБРЕСТИ МОЖНО ЗДЕСЬ
Аватара пользователя
Сообщения: 132
Зарегистрирован: 26 апр 2010, 00:42

Re: Движитель Монина.

Сообщение Мямс »

Это ты с кем щас разговаривал?!
Лифт-лифт-лифт!
Сообщения: 2432
Зарегистрирован: 07 июн 2010, 23:02

Re: Движитель Монина.

Сообщение Faithful »

Мямс
Это кому вопрос?
Нивоводы чето все поняли.
Лично я прочитав 2 раза. И еще прочитаю.
Аватара пользователя
Сообщения: 132
Зарегистрирован: 26 апр 2010, 00:42

Re: Движитель Монина.

Сообщение Мямс »

Faithful писал(а):Мямс
Это кому вопрос?
Нивоводы чето все поняли.
Лично я прочитав 2 раза. И еще прочитаю.
;;-)))
Лифт-лифт-лифт!
Сообщения: 11
Зарегистрирован: 24 дек 2022, 19:02

Движитель Монина.

Сообщение Григорий 79 »

Шнекоходы ещё при СССР изобрели, и проще и надёжнее.
Сообщения: 1549
Зарегистрирован: 31 мар 2018, 11:55
Контактная информация:

Движитель Монина.

Сообщение Эксплуататор »

Григорий 79 писал(а): 04 янв 2023, 14:41 Шнекоходы ещё при СССР изобрели, и проще и надёжнее.
И стартуют в ЛЮБОМ направлении , им даже разворачиваться для этого не нужно.
6634 16042019
Ответить

Вернуться в «Suicidelab»