ПОЛЕВЫЕ иССЛЕДОВАНИЯ тягово-сцепных свойств и прОХОДИМОСТИ ШАГАЮЩИХ МАШИН НА СЛАБЫХ

 И ЭКОЛОГИЧЕСКИ РАНИМЫХ ГРУНТАХ

 

Чернышев В.В. (ВолгГТУ, г. Волгоград, РФ)

 

The results of the field investigations of walking machines are under consideration. In the process of execution of the field tests dragging-dynamic characteristics and top ground practicability of walking machines on the different types of soils were determined.

 

Шагающие машины, как показывают исследования, практически не разрушают почвенный покров и обладают высокими возможностями по проходимости. По этой причине в ряде стран ведутся разработки шагающих машин для новых почвосберегающих технологий, в частности, для лесного хозяйства. Так, в Финляндии разработана шестиногая машина Plustech, снабженная грузовым манипулятором. Ноги машины имеют по три активных степени подвижности с индивидуальным следящим гидроприводом каждой. Большое число управляемых степеней подвижности обуславливает высокую стоимость указанной машины, небольшой ресурс и низкую ее надежность.

В Волгоградском государственном техническом университете разрабатываются машины другого типа - с работающими в противофазе спаренными цикловыми механизмами шагания, вследствие чего один из них всегда находится в фазе опоры на грунт. Это позволяет не заботиться о сохранении походки и устойчивости, и позволяет ограничиться пассивным подрессориванием вместо разработки управляемой системы адаптации. В итоге машина имеет минимальное число управляемых степеней свободы, становится существенно проще и намного дешевле зарубежных аналогов.

Механизм взаимодействия шагающего движителя с реальным грунтом существенно отличается от колесного и гусеничного движителя. Используемые для них математические модели грунта малопригодны. В случае слабого грунта дело осложняется тем, что кроме сжатия объема грунта, происходит его боковое течение из-под опорной поверхности и выпирание вверх, являющееся следствием касательных напряжений. Это приводит к невозможности применения теории упругости и пластичности изотропных твердых тел для исследования общего случая взаимодействия стопы с грунтом даже при большом количестве допущений.

С целью оценки тягово-сцепных свойств, проходимости и проверки разработанных математических моделей слабого грунта, были организованы полевые испытания опытного образца шагающей машины в условиях слабого и экологически ранимого грунта. Опытный образец выполнен на базе многоцелевого шагающего шасси предназначенного для работы с различным навесным оборудованием. Его вид и основные технические характеристики представлены на рис.1 и в таблице.

 

Рисунок 1- Опытный образец многоцелевой шагающей машины

 

 

Таблица - Основные технические характеристики шагающей машины

Масса машины, кг	3000
Масса перемещаемого груза, кг	2000
Скорость передвижения, м/с	0.067 / 0.235
Тип привода	Электромеханический
Питание	От бортового дизель-генератора
Полная мощность электропривода, кВт	16
Мощность привода шагания, кВт	4.5
Число ног	4 пары
Башмаки (стопы)	Сменные
Ширина колеи (В), м	2.5
Поворот	Бортовой, с радиусом 0 и В/2
Грузоподъемность манипулятора, кг	1500

 

Шагающий движитель с хорошей траекторией, сочетающий простоту конструкции и компактность, пока не известен. Для экспериментальной отработки был использован наиболее простой четырехзвенный механизм шагания лямбдаобразного типа с шарнирно закрепленной стопой. Исследовалось несколько типов стоп. Лыжеобразные стопы «ski-foot» снабжалась съемными грунтозацепами нескольких видов, и обеспечивали, в зависимости от загруженности машины, среднее давление на грунт в пределах 0,01-0,03 МПа. Круглые стопы с неразвитой опорной поверхностью «hoof-foot» обеспечивали давление на грунт порядка 0,15 МПа.

Тягово-динамические характеристики машины определялись методом видеосъемки процесса движения при варьировании усилия на крюке (менялось тормозное усилие буксируемого трактора) с непрерывной фиксацией потребляемой мощности, с последующей покадровой обработкой видеозаписи. Для этого на исследуемом грунте устанавливались два ряда параллельных щитов. Внутри полученного «коридора» горизонтально крепилась бумажная лента с масштабно–координатной сеткой. Видеокамеры жестко устанавливались на бортах машины таким образом, что в их поле видимости попадала центральная часть сетки и механизмы шагания. Это позволяло при движении машины вдоль щитов непрерывно фиксировать горизонтальные и вертикальные перемещения метки экрана видеокамеры по координатной сетке и угол поворота кривошипов механизмов шагания. Видеокамеры работали в режиме секундного отсчета времени, что давало возможность синхронизировать показания различных видеокамер.

При исследовании грунтовой проходимости определялись условия, при которых наблюдалась полная потеря проходимости. Для этого выбирались наиболее тяжелые, с точки зрения грунтовой проходимости, заболоченные участки (с водой и слоем ила до 0,8 м). Варьировалось давление опорных элементов на грунт, измерялась осадка машины. При исследовании профильной проходимости преодолевались типовые локальные препятствия (ступени, рвы и др.) с непосредственной видеосьемкой процесса взаимодействия стопы с препятствием. Покадровое сопоставление положения фиксированных точек стопы с меткой экрана неподвижной видеокамеры, позволяло определить закон движения стопы и исследовать динамику взаимодействия движителя с локальным препятствием.

При проведении полевых исследований был опробован простейший вариант пассивного управления стопой в фазе переноса. Была реализована траектория опорной точки обеспечивающая, в совокупности с трением в шарнире стопы, подъем носка лыжеобразной стопы в фазе переноса при прямолинейном и реверсивном (задним ходом) движении. Это позволяет машине преодолевать препятствия, почти вдвое превышающие по высоте величину подъема опорной точки шагающего движителя.

Проведенные полевые исследования показали, что шагающие машины рассматриваемого типа отличаются высокой грунтовой проходимостью на слабых и экологически ранимых грунтах, имеют отличные тягово-сцепные свойства и могут успешно применяться в новых почвосберегающих технологиях в лесном и сельском хозяйстве.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 01-01-00521) и Межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования РФ и Министерства природных ресурсов РФ.