Selection of the characteristics of the suspension system of the high-speed tracked robot

Full Text

Введение Быстроходные гусеничные роботы становятся всё более востребованными к применению как в целях выполнения боевых задач и обеспечения безопасности, так и для решения общепромышленных, сельскохозяйственных проблем. Создание таких средств и их использование на практике сопряжено с определенными трудностями. Безэкипажные машины (роботы) как продукт отдельной области машиностроения появились сравнительно недавно. Существующие потребности в такой технике вынуждают увеличивать разрыв между созданием опытных образцов изделий и научного обоснования при выборе технических решений при их проектировании. На сегодняшний день наблюдается некоторое отставание теоретических знаний от готовой продукции, которая уже сегодня применяется для решения тех или иных задач. Данное несоответствие может негативно сказываться на технических характеристиках или заведомо снижать эффективность изделия, его надежность и долговечность. В частности, для быстроходных гусеничных роботов не решен вопрос о том, какими характеристиками должна обладать система подрессоривания. В случае традиционной машины, внутри которой находится человек, существуют определенные требования, предъявляемые к подвеске. В соответствии с этими требованиями есть критерии, которые должны быть выполнены. В основе таких требований заложено условие, которое заключается в том, чтобы обеспечить нормальное самочувствие экипажа во всех возможных режимах движения машины. Применение данных требований к подвескам быстроходных гусеничных роботов является нецелесообразным. С учетом перспективы развития безэкипажной техники выявленная проблема является актуальной. Цель исследования В связи с изложенным целью настоящего исследования является формирование специальных требований, учитывающих особенности быстроходных гусеничных роботов и позволяющих принимать целесообразные технические решения при выборе характеристик системы подрессоривания. Известно, что боевой робот «Уран-9» (рис. 1) российского производства уже применялся в реальных боевых операциях, в результате чего была выявлена необходимость в его доработке [1]. Пример зарубежного аналога - боевой робот Ripsaw M5 (рис. 2), который является возможным участником американской программы боевых робототехнических машин (Robotic Combat Vehicle), направленной на использование боевых роботов в качестве помощников солдат на поле боя [2]. Рис. 1. Боевой робот «Уран-9» Fig. 1. Uran-9 robot Рис. 2. Боевой робот Ripsaw M5 Fig. 2. Ripsaw M5 robot В качестве исследуемых быстроходных гусеничных роботов будут рассматриваться образцы, масса которых находится в диапазоне от 1000 до 10000 кг. Машины массой менее 1000 кг, как правило, не являются быстроходными и система продрессоривания для них не требуется. Объекты массой более 10000 кг входят в номенклатуру существующих машин. Для них будет производиться модернизация с целью использования в качестве мобильного робота, что является экономически целесообразным решением. Проектирование подвески сопровождается расчетом системы подрессоривания, основной задачей которого является выбор характеристик упругого элемента и амортизатора с учетом определенных ограничений. Для экипажных машин эти ограничения основаны на присутствии человека в корпусе и необходимости обеспечить его нормальное самочувствие во всех возможных режимах движения. Известно, что одним из основных требований, предъявляемых к подвескам экипажных машин, является обеспечение высокой плавности хода. К характеристикам плавности хода относят динамическое воздействие на корпус при прохождении неровностей местности и значение скорости прямолинейного движения, которое можно реализовать в данных условиях без возникновения пробоя. В соответствии с этими характеристиками показателями плавности хода являются скорость прямолинейного движения машины по неровностям, ускорения колебательного движения корпуса, проходная высота неровностей. Из перечисленных показателей ограничения накладываются на ускорения колебательного движения корпуса, так как медицинскими нормами установлено допустимое воздействие на организм человека кратковременных перегрузок не более 3,5g (g - ускорение свободного падения), в то же время значения высокочастотных ускорений не должно превышать 0,5g. Согласно [3], в случае пробоя вертикальные ускорения корпуса могут достигать значений 50-100 м/с2. В случае безэкипажных машин такие ограничения теряют актуальность. В связи с этим обоснована необходимость сформулировать критерии, которые будут использоваться при выборе характеристик системы подрессоривания безэкипажных машин. Описание методики выбора характеристик системы подрессоривания Выбор характеристик упругого элемента экипажных машин производится исходя из рекомендуемых значений периода продольно-угловых колебаний корпуса, находящихся в диапазоне 0,5…1,8 с [4]. Выход за пределы данного диапазона, как правило, приводит к возрастающим высокочастотным ускорениям или сильным раскачиваниям корпуса, что ведет к ухудшению самочувствия экипажа. Период продольно-угловых колебаний и частота собственных частот колебаний для безэкипажной машины таких ограничений не имеют. В связи с этим предлагается увеличить собственную частоту колебаний корпуса с целью выведения ее из области частот, в которой наиболее вероятен режим резонанса с возникновением пробоя подвески. Для исключения пробоя рекомендуется принимать значения периода колебаний менее 0,5 с, что соответствует повышению жесткости упругих элементов и влечет за собой увеличение собственной частоты колебаний корпуса (рис. 3). Также следствием повышения жесткости подвески является снижение влияния продольных сил на колебания корпуса машины при разгоне и торможении [5]. Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика; 1 - подвеска экипажной машины; 2 - подвеска повышенной жесткости безэкипажной машины Fig. 3. Amplitude-frequency characteristic: 1 - suspension of the crew vehicle; 2 - suspension of increased stiffness of an unmanned vehicle На рис. 4 представлен условный график упругих характеристик, качественно демонстрирующий, как изменяются реализуемые упругим элементом силы при повышении жесткости упругого элемента. При увеличении жесткости характеристика упругого элемента из 1 переходит в 2, при этом увеличивается коэффициент динамичности подвески Кд (Кд1=5, Кд2=15). При расчете на прочность направляющих элементов подвески (балансиров) экипажных гусеничных машин максимальное усилие, которое возникает при пробое подвески, принимается 3Рmax, [4]. В случае подвески повышенной жесткости , то есть нагрузки, реализуемые характеристикой упругого элемента 2 при движении без пробоев будут меньше или равны тем нагрузкам, которые используются при традиционных расчетах. Следовательно, можно снизить размер сечения и массу балансиров. Рис. 4. Схема характеристик упругого элемента подвески: 1 - обычная жесткость; 2 - повышенная жесткость Fig. 4. Diagram of the characteristics of the elastic suspension element: 1 - standard stiffness; 2 - increased stiffness Далее, при определении нагрузок в ходовой части предлагается моделировать движение машины по разбитой грунтовой дороге или по гармоническому профилю согласно требованиям к подвескам быстроходных гусеничных машин - с высотой неровностей 0,2 м и длиной неровностей 1,5; 2,0 и 2,5 базы машины на максимальной скорости. При этом с ростом скорости будут увеличиваться прыжки машины и их количество. Следовательно, будут увеличиваться хода подвески и возникающие нагрузки. Пробоев подвески не будет вследствие большого коэффициента динамичности подвески. В итоге исходя из требований по скорости движения для мобильного робота определяются максимальные часто возникающие усилия в направляющем элементе подвески, а по ним прогнозируются размеры и вес ходовой части робота. Это позволит установить связь между скоростью движения машины и относительной массой ходовой части, что даст возможность на начальном этапе проектирования мобильного робота при заданной скорости движения оценить массу ходовой части, а, следовательно, и полезную нагрузку. Так как соотношение полезной нагрузки к полной массе машины является одним из основных аспектов, которые определяют соответствие машины своему назначению, а также дает возможность в дальнейшем применять решения по модернизации машины без каких-либо существенных изменений конструкции, в частности, подвески, данное исследование является актуальным. Выбор характеристик системы подрессоривания Используя изложенные положения, проводим исследование по выбору характеристик независимой торсионной системы подрессоривания с гидравлическими амортизаторами из состава быстроходного гусеничного робота, имеющего массу 10000 кг. Период продольно-угловых колебаний Т корпуса принимается равным 0,4 с, что соответствует диаметру торсиона 0,06 м для рассматриваемого объекта. Коэффициент динамичности подвески - отношение максимальной силы Pmax к статической силе Pст в данном случае составляет 9,4. Полученная характеристика упругого элемента представлена на рис. 5. Рис. 5. Характеристика упругого элемента подвески (торсиона), приведенная к вертикальному перемещению катка Fig. 5. The characteristic of the elastic suspension element (torsion bar), reduced to the vertical displacement of the roller Следующим шагом является выбор характеристики амортизатора. Учитывая, что резонансный режим движения не достигается, уровень демпфирования может быть меньше по сравнению с характеристиками, выбираемыми для экипажных машин. Данное решение позволит избежать избыточных силовых воздействий на каток. На первом этапе проводится исследование на трассе с периодическими неровностями высотой 0,2 м в соответствии с характеристиками полигонных трасс. Скорость движения, соответствующая режиму резонанса 14,3 м/с (51,5 км/ч) [4]. Расчетная скорость - 12,5 м/с (45 км/ч). Длина неровностей принимается равной двум базам машины. Рис. 6. Характеристика амортизатора: 1 - прямой ход катка, 2 - обратный ход катка Fig. 6. Shock absorber characteristic: 1 - straight run of the roller, 2 - reverse run of the roller Выбор коэффициента сопротивления амортизатора на прямом ходе должен осуществляться исходя из условия обеспечения минимальной силы, действующей на каток, с учетом обеспечения гашения колебаний корпуса. Коэффициент сопротивления амортизатора на обратном ходе следует подбирать, обеспечивая независание катка. Полученная характеристика представлена на рис. 6. Анализ результатов исследования По результатам моделирования заезда каток не достиг отбойника, пробоя не возникло. Запись хода катка представлена на рис. 7. Значение силы, действующей на каток, составило 9,6Pст (рис. 8). Рис. 7. Запись хода катка Fig. 7. Roller track recording Рис. 8. Запись силы в подвеске Fig. 8. Recording of force in suspension На втором этапе проведено моделирование движения по трассе типа разбитая грунтовая дорога, которая имеет случайный профиль. Выбранные характеристики подвески позволяют двигаться на скорости 8,3 м/с (30 км/ч). При этом ход катка (рис. 9) не достигает максимального значения, сила в подвеске ниже значения Pmax (рис. 10), следовательно пробой отсутствует. Рис. 9. Запись хода катка Fig. 9. Roller track recording Рис. 10. Запись силы в подвеске Fig. 10. Recording of force in suspension Дальнейшее повышение скорости приводит к сильным раскачиваниям корпуса и непрерывному отрыву катков от поверхности земли. Заключение Таким образом, при формировании требований к подвеске быстроходных гусеничных роботов учтено отсутствие ограничений по диапазону собственных частот колебаний корпуса, на основании чего предложено вывести резонансную скорость из диапазона возможных значений скоростей. По результатам расчета с применением предложенного метода полученная система подрессоривания позволяет реализовать движение по разбитой грунтовой дороге со скоростью 8,3 м/с (30 км/ч). В резонансном режиме при движении по трассе с периодическими неровностями пробой подвески отсутствует. В случае дальнейшего повышения скорости движения необходимо проводить оценку нагруженности элементов подвески с последующей оценкой относительной массы подвески, которая влияет на массовую долю полезной нагрузки. Следует отметить, что в рассмотренном методе выбора характеристик системы подрессоривания уровень ускорений корпуса машины не учитывается и не ограничивается.

About the authors

YE. B Sarach

Bauman Moscow State Technical University

DSc in Engineering Moscow, Russia

YA. A Tkachev

Branch of the Center for operation of space ground-based infrastructure

Email: check-26@yandex.ru
Moscow, Russia

M. E Krokhin

Bauman Moscow State Technical University

Moscow, Russia

References

Supplementary files