Движитель Монина
Добавлено: 24 окт 2007, 19:05
Применение новых нетрадиционных типов движителей для разгрузки судов с моря на неподготовленный берег в районах Северного Морского пути и обеспечения транспортных операций в заполярье.
Разгрузка судов с моря на неподготовленный берег в настоящее время является насущной проблемой. Без решения этой проблемы становится весьма проблематичным освоение полярных областей России вдоль Cеверного Морского пути.
До сих пор решение этой задачи тормозило отсутствие полноценного вездеходного транспорта большой грузоподъемности, способного преодолеть прибрежное мелководье и разжижено-заболоченый береговой грунт, а за тем забраться на откос берега со значительным уклоном.
Использовать для этого суда на воздушной подушке (ВП) не возможно из-за их неспособности преодолевать пересеченную местность с уклонами и рытвинами.
Недавнее изобретение нового вездеходного типа движителя, сделанное в МГТУ им.Н.Э.Баумана на кафедре «Гусеничные машины специального назначения и мобильные роботы», позволяет добиться качественного прорыва в области создания контактных большегрузных амфибийно- вездеходных транспортных средств.
Новый тип движителя получил название Сферический ПневмоГусеничный Движитель (СПГД). СПГД способен создавать огромное пятно контакта сверхнизкого давления, что выводит проходимость и грузоподъемность транспортного средства с СПГД (ТС с СПГД) в область значений, недостигнутых ранее ни одним другим контактным транспортным средством и и реализуемые сейчас только судами с ВП.
СПГД представляет из себя герметичную пневмооболочку под избыточным давлением, по внутренней поверхности которой катится грузовая платформа. Особенность СПГД состоит в том, что грузовая платформа опирается на опорные валки изнутри оболочки, не касаясь грунта. Платформа с опорными валками как бы зависает над землёй, а на грунт опирается только мягкая оболочка, обеспечивающая равномерное распределение давления от движителя по грунту.
Рис.1 Схема действия сил в СПГД (в разрезе).
При внимательном рассмотрении, принцип передачи усилия от грузовой платформы к грунту мало чем отличается от взаимодействия обычного автомобильного пневмоколеса с асфальтом, только давления в пятне контакта могут отличатся на порядки: в автомобильных колесах давление в диапазоне 1..6 атм (100…600кПа), а в СПГД эффективное давление на предельном бездорожье (жидкое болото) составляет всего 0,05атм (5кПа).
При давлении в 5 кПа движитель при полной загрузке не может погрузится в воду глубже, чем на 50см. То есть когда человек бредет по колено в воде, то рядом с ним ТС с СПГД уже плывет не касаясь дна. Таким образом, крупное ТС с СПГД сверхнизкого давления (10 тонн грузоподъемности и более) приобретает практически неограниченную проходимость по слабонесущим гунтам, снегу и болоту! При движении ТС с СПГД по травяному полю трава лишь приминается, стебли не расплющиваются ( как при контакте с колесами и гусеницами обычных вездеходных машин), а на грунте отпечатка вовсе не остается.
Внешне СПГД в разрезе очень сильно напоминает очень короткий и широкий ленточный конвеер, боковые кромки которого загерметизировали мембранами, а во внутреннюю полость которого накачали воздух под давлением, раздувающим ленту-оболочку подобно детскому шарику. Движение СПГД осуществляется также как и у конвеера, то есть за счет вращения одного или нескольких мотор-барабанов, вызывающих перматывание ленты-гусеницы вокруг грузовой платформы.
Ленточные транспортеры являются системами непрерывного линейного транспорта. ТС с СПГД способен исполнять роль дискретного линейного транспорта в тех местах где транспортер или карьерный большегрузный самосвал (типа БелАЗ) невозможно использовать.
Рис.2 Возможный вид ТС с СПГД
Как раз к такому случаю относится операция по разгрузке судов с моря на неподготовленный берег.
При разгрузке судна специальное большегрузное ТС с СПГД совершает челночные рейсы от корабля до разгрузочной площадки на берегу по прямой и практически без дополнительных маневров-разворотов. При небольших дальностях от берега возможно даже использовать бугельный привод для ТС с СПГД, направляя его движение с помощью натянутого между кораблем и берегом троса. При этом корабль должен стоять на мертвом якоре, а движение ТС с СПГД осуществляется за счет стоящей на берегу стационарной лебедки. При таком решении резко повышается полезная загрузка ТС с СПГД, так как вся двигательная установка с трансмиссией оказывается на берегу, а само ТС с СПГД становится пассивным прицепом на перекатывающихся по грунту мягких понтонах, почти столь же конструктивно простых, как и обычные колеса у автомобильного прицепа.
Рис.3 Схема разгрузки судна на неподготовленный берег с применением буксируемых ТС с СПГД на тросовом приводе от береговой стационарной лебедки.
Система с тросово-лебедочным приводом позволяет обеспечить точность позиционирования ТС с СПГД относительно разгружаемого корабля, как в момент погрузки, так и при маневрах подхода-отхода. Лебедка также обеспечивает высокую энергетическую эффективность движения ТС с СПГД по воде, значительно превосходящую эффективность гребных винтов и водометных движителей. При выходе на сушу СПГД может продолжить двигаться в ведомом режиме или же переходит на самостоятельное движение по произвольному маршруту.
При движении по суше в ведомом режиме ТС с СПГД перестает завесить от сцепных качеств грунта. На буксире оно становится способно преодолевать склоны любой крутизны, вплоть до вертикальных (если это обеспечат тяговые характеристики лебедки).
Для доставки на берег мощной тяговой лебедки используется самоходное ТС с СПГД, которое способно с грузом преодолеть любое бездорожье. Если из-за мелководности прибрежной полосы судно не может достаточно близко подойти к берегу, то разгрузка осуществляется исключительно силами самоходных ТС с СПГД, что значительно увеличивает длительность, стоимость и сложность разгрузочно-погрузочной операции, как из-за удлинения пути, так и из-за меньшей полезной грузоподъемности самоходных ТС с СПГД равного с несамоходным ТС размера.
Применение подобной системы разгрузки позволит значительно снизить затраты на строительство временных и постоянных портовых сооружений для разгрузки-погрузки судов на Северном Морском пути при снабжении нефтегазовых месторождений заполярья.
Невозможность обеспечить полноценное транспортное сообщение по суше сделало невозможным разработку месторождений по-ова Ямал еще в советское время. Теперь же, с появлением возможности создания ТС с СПГД большой грузоподъемности, освоение материковых участков заполярья со стороны Северного Морского пути становится реально разрешимой технической задачей.
Благодаря сверхнизкому давлению на грунт СПГД практически не создает колеи, что сводит к минимуму сопротивление движению со стороны грунта. Именно это обстоятельство позволяет широко применять ведомые несамоходные СПГД в качестве буксируемых прицепов вместо саней-волокуш. При равном пятне контакта и давлении на грунт сани при движении скользят по поверхности, преодолевая силы трения, что является значительно более затратным способом движения, чем качение СПГД.
У саней при троганье с места возникает необходимость преодоления трения покоя, которое может в разы превосходить трение скольжение на данной поверхности (именно это явление используется при движении классическим ходом на беговых лыжах). При движении по снегу и влагонасыщенным грунтам у тягача может не оказаться необходимого запаса тяги для срыва саней с места в начале движения, что называется «залипанием» или «примораживанием». Необходимость срыва лыж в начале движения стало серьезным ограничение в развитии аэросаней в качестве транспорта: зачастую аэросани просто не могли тронутся с места после остановки.
При движении ведомого СПГД проскальзывание отсутствует, при этом залипание не создает столь значительного сопротивления движению, а, наоборот, создает возможность обеспечения дополнительной курсовой устойчивости при движении по косогорам или под давлением бокового ветра.
Отличие срыва пятна контакта у саней от качения СПГД заключается в разности площадей всего пятна контакта у саней и площади линии отрыва оболочки от грунта у СПГД. Так как площадь линии бесконечно мала, то трение покоя перестает быть значимой величиной при движении бусируемого СПГД.
Сопротивление отрыва оболочки от грунта возможно рассматривать как преодоление силы поверхностного натяжения водяной пленки в пятне контакта на длине фронта колеи СПГД. Сила поверхностного натяжения воды составляет всего около 1Н/м.п, что при фронте колеи 10м (для большегрузного ТС с СПГД) составит силу сопротивления всего 10Н, а этой величиной в расчетах можно пренебречь. На сухих и сыпучих грунта смачивания и вовсе не возникает, так как не образуется сплошной водяной пленки (гидроклина) в пятне контакта.
Ведомый СПГД конструктивно очень прост и надежен, а энергозатраты на его перемещение ниже, чем у саней той же грузоподъемности. Это обстоятельство позволяет наладить регулярное зимнее транспортное сообщение по замерзшим водоемам (рекам, озерам), где вместо саней будет использоватся прицепная платформа на СПГД, а в качестве буксира – легкий гусеничный тягач.
Эффективность буксирно-прицепной схемы намного выше, чем непосредственная загрузка на вездеходное ТС. Это связано с соотношением запаса тяги по движителю с сопротивлением на крюке от прицепа с СПГД. На плоскостях замерзших водоемов сопротивление от прицепа очень мало, а запас тяги по сцеплению с грунтом у гусеничного вездехода велик. Таким образом, вездеход способен перевозить грузы на буксире во много раз превосходящие его собственную массу, тогда как грузоподъемность самого вездехода составляет незначительную долю от его полной массы.
При эксплуатации на водоемах крайне важно, что СПГД обладает плавучестью, во много раз превосходящей его же грузоподъемность, что обеспечивает безопасную от затопления эксплуатацию буксирно-прицепного транспортного комплекса с СПГД даже в период ледохода и ледостава. Для этого достаточно разместить тягач в габаритах транспортной прицепной платформы между двумя СПГД (см.рис.4). Тогда даже при проезде над полыньёй вездеход не утонет: тягач лишь повиснет на постромках, создав небольшую добавку к общей загрузке прицепа с СПГД.
Рис.4. Схема применения непотопляемой буксирно-прицепной транспортной системы с СПГД сверхнизкого давления.
Массированное применение буксирно-прицепной транспортной системы с СПГД сверхнизкого давления на сибирских реках позволит значительно облегчить решение вопроса транспортного сообщения с неосвоенными районами. Северный Завоз возможно будет осуществлять не только во время короткой летней навигации, но и в течении долгой зимы, длительность которой превосходит полгода.
Эта транспортная систем сможет применяться и в освоенных районах для доставки крупных грузов в сельскохозяйственных районах по пашням и лугам без разрушения и переуплотнения грунта.
Также ТС с СПГД будут незаменимы для МЧС при ликвидации последствий стихийных бедствий в местах, где тяжелые вездеходы самостоятельно двигаться уже не могут.
Разгрузка судов с моря на неподготовленный берег в настоящее время является насущной проблемой. Без решения этой проблемы становится весьма проблематичным освоение полярных областей России вдоль Cеверного Морского пути.
До сих пор решение этой задачи тормозило отсутствие полноценного вездеходного транспорта большой грузоподъемности, способного преодолеть прибрежное мелководье и разжижено-заболоченый береговой грунт, а за тем забраться на откос берега со значительным уклоном.
Использовать для этого суда на воздушной подушке (ВП) не возможно из-за их неспособности преодолевать пересеченную местность с уклонами и рытвинами.
Недавнее изобретение нового вездеходного типа движителя, сделанное в МГТУ им.Н.Э.Баумана на кафедре «Гусеничные машины специального назначения и мобильные роботы», позволяет добиться качественного прорыва в области создания контактных большегрузных амфибийно- вездеходных транспортных средств.
Новый тип движителя получил название Сферический ПневмоГусеничный Движитель (СПГД). СПГД способен создавать огромное пятно контакта сверхнизкого давления, что выводит проходимость и грузоподъемность транспортного средства с СПГД (ТС с СПГД) в область значений, недостигнутых ранее ни одним другим контактным транспортным средством и и реализуемые сейчас только судами с ВП.
СПГД представляет из себя герметичную пневмооболочку под избыточным давлением, по внутренней поверхности которой катится грузовая платформа. Особенность СПГД состоит в том, что грузовая платформа опирается на опорные валки изнутри оболочки, не касаясь грунта. Платформа с опорными валками как бы зависает над землёй, а на грунт опирается только мягкая оболочка, обеспечивающая равномерное распределение давления от движителя по грунту.
Рис.1 Схема действия сил в СПГД (в разрезе).
При внимательном рассмотрении, принцип передачи усилия от грузовой платформы к грунту мало чем отличается от взаимодействия обычного автомобильного пневмоколеса с асфальтом, только давления в пятне контакта могут отличатся на порядки: в автомобильных колесах давление в диапазоне 1..6 атм (100…600кПа), а в СПГД эффективное давление на предельном бездорожье (жидкое болото) составляет всего 0,05атм (5кПа).
При давлении в 5 кПа движитель при полной загрузке не может погрузится в воду глубже, чем на 50см. То есть когда человек бредет по колено в воде, то рядом с ним ТС с СПГД уже плывет не касаясь дна. Таким образом, крупное ТС с СПГД сверхнизкого давления (10 тонн грузоподъемности и более) приобретает практически неограниченную проходимость по слабонесущим гунтам, снегу и болоту! При движении ТС с СПГД по травяному полю трава лишь приминается, стебли не расплющиваются ( как при контакте с колесами и гусеницами обычных вездеходных машин), а на грунте отпечатка вовсе не остается.
Внешне СПГД в разрезе очень сильно напоминает очень короткий и широкий ленточный конвеер, боковые кромки которого загерметизировали мембранами, а во внутреннюю полость которого накачали воздух под давлением, раздувающим ленту-оболочку подобно детскому шарику. Движение СПГД осуществляется также как и у конвеера, то есть за счет вращения одного или нескольких мотор-барабанов, вызывающих перматывание ленты-гусеницы вокруг грузовой платформы.
Ленточные транспортеры являются системами непрерывного линейного транспорта. ТС с СПГД способен исполнять роль дискретного линейного транспорта в тех местах где транспортер или карьерный большегрузный самосвал (типа БелАЗ) невозможно использовать.
Рис.2 Возможный вид ТС с СПГД
Как раз к такому случаю относится операция по разгрузке судов с моря на неподготовленный берег.
При разгрузке судна специальное большегрузное ТС с СПГД совершает челночные рейсы от корабля до разгрузочной площадки на берегу по прямой и практически без дополнительных маневров-разворотов. При небольших дальностях от берега возможно даже использовать бугельный привод для ТС с СПГД, направляя его движение с помощью натянутого между кораблем и берегом троса. При этом корабль должен стоять на мертвом якоре, а движение ТС с СПГД осуществляется за счет стоящей на берегу стационарной лебедки. При таком решении резко повышается полезная загрузка ТС с СПГД, так как вся двигательная установка с трансмиссией оказывается на берегу, а само ТС с СПГД становится пассивным прицепом на перекатывающихся по грунту мягких понтонах, почти столь же конструктивно простых, как и обычные колеса у автомобильного прицепа.
Рис.3 Схема разгрузки судна на неподготовленный берег с применением буксируемых ТС с СПГД на тросовом приводе от береговой стационарной лебедки.
Система с тросово-лебедочным приводом позволяет обеспечить точность позиционирования ТС с СПГД относительно разгружаемого корабля, как в момент погрузки, так и при маневрах подхода-отхода. Лебедка также обеспечивает высокую энергетическую эффективность движения ТС с СПГД по воде, значительно превосходящую эффективность гребных винтов и водометных движителей. При выходе на сушу СПГД может продолжить двигаться в ведомом режиме или же переходит на самостоятельное движение по произвольному маршруту.
При движении по суше в ведомом режиме ТС с СПГД перестает завесить от сцепных качеств грунта. На буксире оно становится способно преодолевать склоны любой крутизны, вплоть до вертикальных (если это обеспечат тяговые характеристики лебедки).
Для доставки на берег мощной тяговой лебедки используется самоходное ТС с СПГД, которое способно с грузом преодолеть любое бездорожье. Если из-за мелководности прибрежной полосы судно не может достаточно близко подойти к берегу, то разгрузка осуществляется исключительно силами самоходных ТС с СПГД, что значительно увеличивает длительность, стоимость и сложность разгрузочно-погрузочной операции, как из-за удлинения пути, так и из-за меньшей полезной грузоподъемности самоходных ТС с СПГД равного с несамоходным ТС размера.
Применение подобной системы разгрузки позволит значительно снизить затраты на строительство временных и постоянных портовых сооружений для разгрузки-погрузки судов на Северном Морском пути при снабжении нефтегазовых месторождений заполярья.
Невозможность обеспечить полноценное транспортное сообщение по суше сделало невозможным разработку месторождений по-ова Ямал еще в советское время. Теперь же, с появлением возможности создания ТС с СПГД большой грузоподъемности, освоение материковых участков заполярья со стороны Северного Морского пути становится реально разрешимой технической задачей.
Благодаря сверхнизкому давлению на грунт СПГД практически не создает колеи, что сводит к минимуму сопротивление движению со стороны грунта. Именно это обстоятельство позволяет широко применять ведомые несамоходные СПГД в качестве буксируемых прицепов вместо саней-волокуш. При равном пятне контакта и давлении на грунт сани при движении скользят по поверхности, преодолевая силы трения, что является значительно более затратным способом движения, чем качение СПГД.
У саней при троганье с места возникает необходимость преодоления трения покоя, которое может в разы превосходить трение скольжение на данной поверхности (именно это явление используется при движении классическим ходом на беговых лыжах). При движении по снегу и влагонасыщенным грунтам у тягача может не оказаться необходимого запаса тяги для срыва саней с места в начале движения, что называется «залипанием» или «примораживанием». Необходимость срыва лыж в начале движения стало серьезным ограничение в развитии аэросаней в качестве транспорта: зачастую аэросани просто не могли тронутся с места после остановки.
При движении ведомого СПГД проскальзывание отсутствует, при этом залипание не создает столь значительного сопротивления движению, а, наоборот, создает возможность обеспечения дополнительной курсовой устойчивости при движении по косогорам или под давлением бокового ветра.
Отличие срыва пятна контакта у саней от качения СПГД заключается в разности площадей всего пятна контакта у саней и площади линии отрыва оболочки от грунта у СПГД. Так как площадь линии бесконечно мала, то трение покоя перестает быть значимой величиной при движении бусируемого СПГД.
Сопротивление отрыва оболочки от грунта возможно рассматривать как преодоление силы поверхностного натяжения водяной пленки в пятне контакта на длине фронта колеи СПГД. Сила поверхностного натяжения воды составляет всего около 1Н/м.п, что при фронте колеи 10м (для большегрузного ТС с СПГД) составит силу сопротивления всего 10Н, а этой величиной в расчетах можно пренебречь. На сухих и сыпучих грунта смачивания и вовсе не возникает, так как не образуется сплошной водяной пленки (гидроклина) в пятне контакта.
Ведомый СПГД конструктивно очень прост и надежен, а энергозатраты на его перемещение ниже, чем у саней той же грузоподъемности. Это обстоятельство позволяет наладить регулярное зимнее транспортное сообщение по замерзшим водоемам (рекам, озерам), где вместо саней будет использоватся прицепная платформа на СПГД, а в качестве буксира – легкий гусеничный тягач.
Эффективность буксирно-прицепной схемы намного выше, чем непосредственная загрузка на вездеходное ТС. Это связано с соотношением запаса тяги по движителю с сопротивлением на крюке от прицепа с СПГД. На плоскостях замерзших водоемов сопротивление от прицепа очень мало, а запас тяги по сцеплению с грунтом у гусеничного вездехода велик. Таким образом, вездеход способен перевозить грузы на буксире во много раз превосходящие его собственную массу, тогда как грузоподъемность самого вездехода составляет незначительную долю от его полной массы.
При эксплуатации на водоемах крайне важно, что СПГД обладает плавучестью, во много раз превосходящей его же грузоподъемность, что обеспечивает безопасную от затопления эксплуатацию буксирно-прицепного транспортного комплекса с СПГД даже в период ледохода и ледостава. Для этого достаточно разместить тягач в габаритах транспортной прицепной платформы между двумя СПГД (см.рис.4). Тогда даже при проезде над полыньёй вездеход не утонет: тягач лишь повиснет на постромках, создав небольшую добавку к общей загрузке прицепа с СПГД.
Рис.4. Схема применения непотопляемой буксирно-прицепной транспортной системы с СПГД сверхнизкого давления.
Массированное применение буксирно-прицепной транспортной системы с СПГД сверхнизкого давления на сибирских реках позволит значительно облегчить решение вопроса транспортного сообщения с неосвоенными районами. Северный Завоз возможно будет осуществлять не только во время короткой летней навигации, но и в течении долгой зимы, длительность которой превосходит полгода.
Эта транспортная систем сможет применяться и в освоенных районах для доставки крупных грузов в сельскохозяйственных районах по пашням и лугам без разрушения и переуплотнения грунта.
Также ТС с СПГД будут незаменимы для МЧС при ликвидации последствий стихийных бедствий в местах, где тяжелые вездеходы самостоятельно двигаться уже не могут.