Design characteristics of an armored tractor for hot climate

Full Text

Введение Статья относится к области тракторостроения, конкретно - к гусеничным и колесным тракторам, и связана с комплексной проблемой обеспечения теплового режима и пассивной защиты от средств поражения (пуль и осколков). Далеко не все трактора и машины на их базе (в том числе инженерные) пригодны для эксплуатации в специфических условиях государств с жарким климатом, к тому же в условиях войны и ее последствий (невыявленные и ненейтрализованные мины, неразорвавшиеся снаряды и т.д.). Это - серьезная проблема. И пример ее актуальности - ситуация в Сирии и ряде других «горячих точек». Поэтому приемлемые технико-эксплуатационные характеристики обеспечивают если не изначально заложенными в конструкцию нового трактора техническими решениями, то путем модернизации тех или иных серийных изделий. Несколько слов о базовом изделии и его аналогах. Пример промышленных гусеничных тракторов с бронезащитой - Caterpillar (США), а также D9L АОИ, D9N АОИ, D9R и D7R-II (Израиль) [1-3]. На перечисленных изделиях установлены бронированные кабины и капоты, ограждающие моторные установки. На боковых стенках капотов размещены створки с планками жалюзи или участками перфорации, которые откидываются или снимаются для доступа к узлам моторных установок для их обслуживания и монтажа-демонтажа при ремонте. Другое назначение створок - обеспечить поступление наружного воздуха в подкапотное пространство для охлаждения двигателя. В числе аналогов в «параллельном автомобильном мире» интересно устройство для бронирования моторного отсека автомобиля, выполненное в виде коробчатой пространственной конструкции в форме, максимально приближенной к габаритам подкапотного пространства. Оно расположено внутри подкапотного пространства и крепится к раме автомобиля, при этом передняя его часть выполнена в виде жалюзи, с интегрированными элементами для крепления к оперению автомобиля, при этом передняя панель устройства, выполнена в виде жалюзи и является радиаторной решеткой [4]. В описанных выше устройствах удовлетворительная работа силовой установки в экстремальных условиях с температурой воздуха выше 40 °С, что характерно при применении трактора или других машин в южных широтах, является задачей сложно выполнимой. Приходится или снимать полностью створки, складируя их на хранение, чтобы установить вновь при изменении условий работы, или откидывать их на петлях. Но в последнем варианте исключается возможность работы трактора в условиях его обстрела из стрелкового оружия и воздействия осколков гранат, снарядов, бомб и т.д. Кроме того, откинутые створки значительно выступают за габарит капота и перекрывают поле зрения оператора, необходимое для управления рабочим оборудованием. Еще больший интерес под углом представляемой разработки представляет конструкция бронированного трактора - уже упомянутого бульдозера D9R [1, 2], капот которого выполнен с большими по площади планками жалюзи на боковых стенках, что снижает уровень его защиты. За базовый объект при разработке принят бронированный трактор с рабочим оборудованием, который включает кабину с рабочим местом оператора, силовое отделение, ограниченное капотом с передней решеткой, боковыми стенками, крышей, воздухозаборными отверстиями для подачи воздуха в подкапотное пространство, теплообменным люком с откидываемой броневой крышкой на крыше капота перед кабиной с возможностью ее фиксируемого откидывания вверх-вперед на угол α, обеспечивающим положение верхней кромки крышки ниже зоны обзора, определяемой вертикальным углом β поля зрения оператора, который необходим для управления рабочим оборудованием [5]. Базовый проект защищает модернизацию системы обеспечения теплового режима моторной установки трактора. Однако авторы базовой разработки, как следует из содержания описания устройства и функционирования, не соотносят с другой обозначенной выше ключевой проблемой - броневой защиты. Замалчивание не может остаться незамеченным. Да, организация дополнительного «стравливающего тепло» люка в крыше капота позволяет несколько усилить броневую защиту стенок капота путем уменьшения площади планок жалюзи на боковых стенках. Но фраза «без снижения уровня защиты при обстреле трактора» в описании прототипа, к сожалению, остается частично декларативной, недостаточно обоснованной, при всей несомненной полезности предложений. В результате, рекомендации в описании прототипа по геометрическим характеристикам конструкции могут усугубить ситуацию с необходимостью обеспечения защиты трактора (и оператора в кабине в особенности) от указанных средств поражения. Здесь имеется в виду вероятность рикошета средств поражения (пуль, осколков и т.д.) от ключевого конструктивного элемента, согласно сути модернизации, а именно от откидываемой броневой крышки теплообменного люка в ее поднятом рабочем положении, в кабину. Кабина же является наиболее уязвимым местом на бронированном тракторе, поскольку стеклянное бронирование проблематичнее металлического или композитного бронирования. Это обусловливает еще недостаточно высокие технико-эксплуатационные характеристики трактора. Цель исследований Увязать известные мероприятия по усилению штатной системы охлаждения подкапотной моторной установки бронированного трактора с его броневой защитой, исключив, как минимум, негативные последствия «теплотехнических рецептов» для эксплуатационной безопасности в первую очередь тракториста, и тем самым улучшить технико-эксплуатационные характеристики бронированного трактора. Материалы и методы Исходные материалы включают в себя конструктивные предложения (результаты интеллектуальной деятельности) коллег из ООО «Челябинский тракторный завод - УРАЛТРАК», которые изложены ими в описании к патенту [5]. Использованные в исследовании методы: теоретические (расчет, синтез, абстрагирование, обобщение, дедукция, аналогия) и эмпирические (описание, сравнение). Результаты и обсуждение Перейдем к самим авторским предложениям по устранению отмеченных недостатков объекта, выбранного за базовый. Бронированный трактор с рабочим оборудованием содержит (рис. 1, 2) кабину 1 с рабочим местом оператора 2 (условно представлен «глазом», согласно правилам изображения оптических схем), силовое отделение 3, ограниченное капотом с передней решеткой 4, боковыми стенками (левой 5 и правой 6), крышей 7, воздухозаборными отверстиями 8 для подачи воздуха в подкапотное пространство, теплообменным люком 9 с откидываемой броневой крышкой 10 на крыше 7 капота перед кабиной 1. Предусмотрена возможность фиксируемого откидывания крышки 10 вверх-вперед на угол α, обеспечивающий положение верхней кромки крышки ниже зоны обзора, которая определяется вертикальным углом β поля зрения оператора 2, необходимым для управления рабочим оборудованием (перед решеткой 4; не показано). В тракторе дополнительно предусмотрено ограничение (т.е. второе ограничение) угла α откидываемой броневой крышки 10, по условию безопасного рикошета средств поражения 11 от нее в пространство перед кабиной 1 (пространство левее от изображенной на рис. 2 «критической» траектории отрекошетированного средства 11) в соответствии с геометрическим соотношением (1): (1) где H - возвышение верхней передней кромки 12 кабины 1 над крышей 7 капота; b - расстояние между проекциями на крышу 7 капота верхней передней кромки 12 кабины 1 и верхней кромки 13 поднятой крышки 10; ℓ - длина крышки 10. В частном, рекомендуемом как оптимальный, случае (примере), в уже охарактеризованном выше тракторе заложено комплексное ограничение угла α по обоим условиям, а именно по расположению крышки 10 вне упомянутой зоны обзора (β) и сформулированной гарантии безопасного рикошета средств поражения 11 от нее, подчиненное геометрическому условию (2): (2) где L - длина крыши 7 капота. Рассмотрим, как функционирует устройство. При работе силовой установки, когда открыта откидываемая крышка 10 люка 9, в подкапотное пространство поступает дополнительный воздушный поток, улучшая там тепловой режим (в частности, снижая температуру воды и масла в двигателе трактора), повышается надежность нормальной работы системы охлаждения силовой установки в экстремальных условиях (при высоких температурах окружающего воздуха - выше 40 °С). При рекомендуемой по формуле (1) компоновке и величине угла α откидывания крышки 10 в рабочее ее положение, которая (формула) включает в себя изначальное требование неэкранирования зоны видимости рабочего оборудования трактора из кабины 1 оператором 2, т.е. не сужается угол β, поскольку точка P остается в положении не выше пограничной линии ОЕ. Главное же содержание условия (1) заключается в том, что при нем исключается рикошет от любой точки на внешней стороне крышки 10 в кабину средств поражения 11, прилетающих с любого направления в секторе между линиями ОР и КР. Пули, осколки и прочие «нежеланные гости», попадая в крышку 10, рикошетируют вверх или вперед. При рекомендуемом соотношении (2) «геометрия» (компоновка) рассматриваемых составных частей трактора совпадает для обоих условий: и (1), и (2), что благоприятно для теплотехнической стороны обозначенной комплексной проблемы вследствие обеспечения максимального сечения (а значит и объемного расхода) конвективного потока воздуха через люк 9. Происхождение (обоснование) условий (1) и (2) - в следующих математических выкладках (с разумно-достаточными сокращениями). На расчетной схеме (рис. 2) изображен предельно-допустимый случай движения средства поражения 11 (пули, осколка, и т.д.) под углом минус β по касательной к точке О с последующим отрекошетированием от крышки 10 в точке Р по касательной к точке К на передней верхней кромке кабины 1 в общем с крышкой 10 вертикальном продольном сечении, причем, при максимально-допустимой по высоте точке Р из условия неэкранирования обзорности. Явление рикошета подразумевает равенство углов падения и отражения в точке Р (угол γ). Все это определяет ключевой конструктивный показатель - угол α установки (откидывания) крышки 10 в рабочем ее положении. Из треугольников АРР′, РКЕ и прямоугольника РР′К′Е получаем: (3) Все обозначения, используемые в формуле (3) и последующих формулах, пояснены на рис. 2. С учетом равенства углов ОРА, КРС и СРЕ (это и есть угол γ) и уравнения (3) минимально-необходимое расстояние b между проекциями точек Р и К (точки Р′ и К′ соответственно) определяется равенством: (4) полезным, если определяют допустимое расстояние b. Угол же α можно определить из этого уравнения (4) численным методом максимум за три итерации или графоаналитически. Крышку 10 можно выполнять (при заданных значениях b и α) длиной ℓ не более (т.е. меньшей или равной) «критической» величины, рассчитанной по формуле (4). Или, при заданной по иным, например, компоновочным или теплотехническим, соображениям, можно закладывать в конструкцию рабочий угол α больше расчетного «критического» его значения, разумеется, с уменьшением длины ℓ в соответствии с зависимостью РР′ = l · sin α. В более универсальном виде это и представляем зависимостью (1). По заложенному и в базовый объект, и в данную конструкцию условию неэкранирования обзорности, длина ℓ не должна превышать величину ℓ1 : (5) А по предлагаемому дополнительному условию защищенности кабины 1, как вытекает из уравнения (4), длина ℓ не должна превышать величины ℓ2: (6) Система уравнений (5) и (6), т.е. их совокупность, определяет количественно заявляемую конструктивную особенность трактора. Отсюда можно вычленить оптимальное условие для угла α, конкретно αopt (как дополнительный, частный признак), когда l1 = l2 = l, т.е. когда компоновка обеспечивает максимальное сечение воздушного потока при конвективном теплообмене через люк 9 (изначальное предназначение люка 9 с крышкой 10). Это будет иметь место, очевидно, при равенстве правых частей уравнений (5) и (6), откуда и вытекает условие (2). В конкретных конструктивных авторских проработках этот угол находится в пределах 45˚. Использование предложения позволяет повысить технико-эксплуатационные характеристики бронированного трактора за счет такого взаимного расположения (компоновки) рассматриваемых составных частей трактора (включая кабину 1 с рабочим местом оператора 2, силовое отделение, ограниченное капотом 7, и теплообменный люк 10), при котором максимально соблюдены требования как обзорности из кабины 1, так и защиты кабины 1 от средств поражения 11, попадающих в крышку 10. Возможность промышленной реализации предложения очевидна для специалистов в области транспортного машиностроения. Техническое решение признано изобретением с выдачей патента Российской Федерации на имя Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого [6]. Заключение Реализация предлагаемых конструктивных решений и конкретных рекомендаций позволяет решить поставленную задачу: увязать известные мероприятия по усилению штатной системы охлаждения подкапотной моторной установки трактора с его броневой защитой (упомянутые конструктивные особенности трактора), исключив, как минимум, негативные последствия таких «теплотехнических рецептов» для обеспечения безопасности работы. И тем самым улучшить характеристики объекта исследования и модернизации с целью адаптации к специфическим, экстремальным эксплуатационным условиям. Патентная защита разработки свидетельствует о мировом уровне новизны и изобретательском уровне разработки. Полученные результаты представляются достаточным основанием для оптимистического прогноза внедрения разработки в существующий технологический уклад отечественной экономики. Рис. 1. Передняя часть трактора, вид сбоку: H - возвышение верхней передней кромки кабины над крышей капота; L - условная длина крышки капота (до проекции точки К передней верхней кромки кабины на крышку капота); b - расстояние между проекциями на крышу капота верхней передней кромки кабины и верхней кромки поднятой броневой крышки теплообменного люка; ℓ - длина упомянутой броневой крышки; α - угол наклона (откидывания) броневой крышки люка в рабочем ее положении; β - угол, характеризующий обзорность из кабины, конкретнонижнюю границу зоны видимости перед трактором Рис. 2. Расчетная схема, совмещенная по условиям обеспечения заданной зоны видимости и обеспечения защиты кабины от рикошетируемых от крышки средств поражения, вид сбоку: О, К, А, Р, Е. С, Р′, К′ - характерные точки; γ - угол попадания средства поражения по траектории ОР

About the authors

A. G Semenov

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: agentnomer117@meil.ru
PhD in Engineering St. Petersburg, Russia

References

Supplementary files