Підвищення рухливості легкоброньованих гусеничних машин шляхом застосування розподіленого електричного приводу

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 255 – Озброєння та військова техніка (25 – Воєнні науки, національна безпека, безпека державного кордону). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», МОН України, Харків, 2023. Роботу виконано на кафедрі «Інформаційних технологій і систем колісних та гусеничних машин імені О.О.Морозова» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Кирпичова 2. Актуальність теми. Використання електромеханічних трансмісій в гусеничних машинах порівняно з класичними механічними трансмісіями має низку незаперечних переваг: • відмова від жорстких зв'язків та валів дозволяє зберегти і без того дефіцитний об’єм всередині корпусу машини, а також спрощує омпонування загалом; • спрощена система управління тяговими електродвигунами (ТЕД) полегшує керування транспортним засобом, що забезпечує можливість керування рухом будь-яким членом екіпажу в тому числі дистанційно; • можливість плавного рушання з місця та руху з повзучими швидкостями без використання фрикційних або гідравлічних передач; можливість безшумного руху за рахунок накопичувачів енергії, що особливо важливо для військових транспортних засобівпри виконанні бойових завдань; можливість прогнозування несправностей, та спрощення діагностики і ремонту за рахунок використання блочної компоновки систем ТЕД. Але тривіальні питання щодо наставної потужності ТЕД на легкові автомобілі, перетворюються на складні багатогранні питання при встановленні ТЕД на важкий ТЗ, особливо гусеничний. Це обґрунтовується тим, що порівняно з колісними, гусеничні машини є здебільшого «машинами граничних можливостей». Тобто, середовище та умови їх експлуатації змушують максимально використовувати всі можливості агрегатів, при цьому їх ресурс та вагово-габаритні характеристики мають бути мінімальними, а ремонтопридатність максимальною. Широкому розповсюдженню електричного приводу на гусеничних машинах заважав стереотип, що в гусеничному обводі може знаходитись лише одне ведуче колесо, а необхідність реалізації в обводі великої потужності створювала суттєві компонувальні проблеми. Проте у зв’язку з відносно малими габаритами сучасних ТЕД та простим способом підводу потужності з’являється можливість встановлювати декілька ТЕД на один борт гусеничної машини, тому відкритими для дослідження залишаються питання поведінки гусеничного рушія з двома та більше ведучими колесами. Виходячи з викладеного вище, дослідження гусеничного рушіяз розподіленим електроприводом є своєчасним і актуальним. Об'єкт дослідження – процес взаємодії елементів гусеничного обводу ВГМпри усталених режимах руху розподіленого електричного приводу. Предмет дослідження – взаємозв'язки конструктивних, кінематичних і силових параметрів при взаємодії елементів гусеничного обводу з розподіленим електричним приводом при русі машини в усталеному режимі. Методи дослідження. У роботі використані як методи емпіричного, так і теоретичного дослідження, зокрема: метод порівняння, метод лабораторного експерименту для визначення окремих параметрів досліджуваного об’єкту, метод формалізації та метод математичного моделювання з використанням апарату аналітичної механіки, теоретичної механіки, обчислювальної математики у тому складі чисельні методи рішення диференціальних рівнянь, що описують рух системи та її елементів. Метою дисертаційної роботи є підвищення рухливості гусеничних машин при високих показниках економічності та отриманні всіх базових переваг електричної трансмісії шляхом застосування розподіленого електроприводу. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання: –розробити методологію, щодо визначення сумарної наставної потужності ТЕД, необхідної для отримання потрібної динамічності в заданих дорожніх умовах в залежності від прийнятої кількості ступенів механічних редукторів і алгоритму їхнього перемикання; – експериментально та чисельно визначити значення параметрів, необхідних для моделювання процесів взаємодії елементів гусеничного рушія, таких як: коефіцієнт жорсткості та демпфування опорного котка; коефіцієнт тертя в гусеничному шарнірі; залежність розтягнення траків від сили натягу гусеничної стрічки; –математично змоделювати і перевірити стійкість роботи гусеничного рушія з активними мотор-котками при використанні гребеневого зачеплення. Наукова новизна отриманих результатів. Основними науковими результатами, які виносяться на захист, являються: – вперше встановлена закономірність для визначення сумарної наставної потужності тягових електродвигунів, необхідної для отримання заданої динамічності досліджуваних машин у визначених дорожніх умовах, яка враховує не тільки прийняту кількість ступенів механічних редукторів, як у традиційних підходах, а й алгоритм їх перемикання; – дістала подальшого розвитку методика розрахунково-експериментального отримання параметрів матеріалу або виробу за рахунок паралельного до фізичного експерименту використання верифікованої математичної моделі, що описує більш простий фізичний експеримент, і в яку входить необхідний для визначення параметр; – вдосконалено математичну модель гусеничного обводу, у яку додано можливість використання розподіленої електромеханічної трансмісії з установленням декількох ведучих коліс на борт, включаючи мотор-котки з гребеневим зачепленням, що створило підґрунтя для моделювання розподіленого електроприводу в гусеничних машинах. Практичне значення одержаних результатів. – розроблено рекомендації щодо визначення наставної потужності тягових електродвигунів залежно від маси машини, потрібного динамічного фактору, прийнятої кількості ступенів механічних редукторів і алгоритму їх перемикання; – запропоновано новий спосіб визначення коефіцієнту демпфування пневматичних коліс та коліс із гумовим бандажем шляхом комбінації фізичного експерименту і математичного моделювання; – за розробленою математичною моделлю гусеничного обводу з розподіленою електромеханічною трансмісією створено програмний комплекс, який дає можливість досліджувати роботу гусеничного рушія з декількома ведучими колесами на борт, включаючи мотор-котки з гребеневим зачепленням. У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані її мета і основні завдання дослідження, наведені шляхи їхнього рішення, визначено об’єкт і предмет дослідження, наукову новизну та практичну цінність роботи, дана інформація про особистий внесок здобувача, апробацію і впровадження результатів роботи. В першому розділі проведено аналіз існуючих напрацювань в напрямку електричних та електромеханічних трансмісій гусеничних транспортних засобів. Основним висновком розділу є те, що, не зважаючи на доцільність, опису або математичної моделі, яка би включала визначення поведінки гусеничного рушія та машини в цілому при встановленні декількох ведучих коліс в обводі, в тому числі ведучих опорних котків, знайдено не було. В другому розділі описано методологію розрахунку наставної потужності ТЕД та генератора з різними типами редукторів в залежності від прийнятої кількості ступенів механічних редукторів і алгоритму їхнього перемикання. Запропонований алгоритм розрахунку мінімально необхідної сумарної механічної наставної потужності ТЕД та генератора для електромеханічної трансмісії військових або транспортних гусеничних машин залежно від їхньої маси, типу застосовуваних редукторів (одноступінчастий, двохступінчастий та редуктор з пониженою передачею) для машин, що можуть експлуатуватися як на дорогах з твердим покриттям, так і на бездоріжжі. В третьому розділі представлена математична модель ходової частини гусеничної машиниз розподіленим електроприводом з метою перевірки можливості використання мотор-котків, для отримання якої було істотно доопрацьовано та адаптовано комплексну функціональну математичну модель гусеничного рушія. Отримана модель дозволяє оцінювати геометрію, кінематику та втрати у всіх елементах обводу гусеничного рушія з розподіленим електричним приводом. В четвертому розділі описані експериментальні роботи з визначення необхідних для математичного моделювання ходової частини гусеничної машини з розподіленим електроприводом параметрів та розроблена методика розрахунково-експериментального отримання параметрів матеріалу або виробу за рахунок паралельного до фізичного експерименту використання верифікованої математичної моделі, що описує більш простий фізичний експеримент, і в яку входить необхідний для визначення параметр.