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.Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 255 -Armament and military equipment(25 -Military sciences, national security, security of the state border). -National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", MES of Ukraine, Kharkiv, 2023. The work was carried out at the department of "Information technologies and systems of wheeled and tracked vehicles named after O.O. Morozov" of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" at the address: 61002, Kharkiv, str. Kirpychova 2. Actuality of theme. The use of traction electric motors in tracked vehicles, compared to classic internal combustion engines, has a number of undeniable advantages: the rejection of toughconnections and shafts allows you to preserve the already scarce volume inside the machine body, and also simplifies the layout in general; a simplified TED control system makes it easier to control the vehicle, which provides the ability to control any crew member, including remotely; the possibility of smooth starting from a standstill and movement at crawling speeds without the use of clutches or hydraulic clutches.; the possibility of silent movement due to energy storage, which is especially important for military vehicles, when performing tasks; due to the fact that for the TED, along with the location of the zone of maximum torque in the region of rotor revolutions close to zero, there is the possibility of a very smooth increase in the input power, the maximum traction qualities of the machine are ensured without breaking the soil when starting, which is important in the conditions of movement of which soils, as well as when going uphill; the possibility of predicting malfunctions, and simplifying diagnostics and repairs due to the use of a block layout of the TEM system. Buy trivial questions about the rated power of the traction electric motor on passenger cars turn into complex multifaceted questions when installing TEM on a heavy vehicle, especially a tracked vehicle. This is justified by the fact that the remaining wheeled, tracked machines are more "machines of extreme capabilities". That is, the environment and conditions of their operation force to use all the capabilities of the units to the maximum, while their resource and weight-dimensional characteristics should be minimal, and maintainability should be maximal. Wide spread of the electric drive on tracked machines was hindered by the stereotype that only one drive wheel can be located in a tracked chain, and the need to implement a large power in the chain created significant design problems. But thanks to the relatively small dimensions of modern TEMs and a simple method of power supply, several engines can be installed on one side of the tracked vehicle, so questions arise regarding the behavior of a tracked engine with two or more driving wheels. Based on the above, the research of a crawler drive with a distributed electric drive is relevant. The object of investigation is the process of interaction of elements of the tracked circuit of military tracked vehicles under fatigue conditions of the rotor of a distributed electric drive. The subject of investigation is the interconnection of structural, kinematic and power parameters during the interaction of track elements with a separate electric drive when the machine is running in set mode. Investigation methods. The work uses both empirical and theoretical research methods, in particular: the comparison method, the laboratory experiment method for determining the individual parameters of the research object, the formalization method, and the mathematical modeling method using the apparatus of analytical mechanics, theoretical mechanics, and computer technology. mathematics, including numerical methods for solving differential equations describing the movement of the system and its elements. The purpose of the work is to increase the mobility of tracked machines with high efficiency indicators and obtain all the main advantages of electric transmission due to the use of a distributed electric drive. To achieve the goal, it is necessary to complete the following task: - to develop a methodology for determining the total nominal power of traction electric motors, necessary to obtain the necessary dynamics in given road conditions, depending on the permissible number of stages of mechanical gearboxes and their switching algorithm; – experimentally and numerically change the values of parameters, some for the process of modeling the interaction of track destruction elements, such as: stiffness coefficient and damping of the support roller; coefficient of friction in the track joint; dependence of the track tension on the tension force of the track web; - mathematical modeling and verification of the stability of a crawler drive with active motor-rollers when using a rail transmission. Scientific novelty of the obtained results. The main scientific results submitted for defense are: - the method of calculating and experimentally obtaining the parameters of the material or product was further developed due to the use of a verified mathematical model, parallel to the physical experiment, which describes a simpler physical experiment, and which includes the parameter necessary for determination; – a remote method of experimentally obtaining the parameters of a material or product using a proven mathematical model, similar to a physical experiment, which describes a simpler physical experiment and contains the parameter necessary for determination; – the mathematical model of the tracked circle was improved, which added the possibility of using a distributed electromechanical transmission with the installation of several drive wheels on board, including a driving suspension wheel with comb engagement, which created the basis for modeling a distributed electric drive in tracked machines. Practical significance of the obtained results. – recommendations were developed for determining the instaling power of traction electric motors depending on the weight of the machine, the required dynamic factor, the accepted number of stages of mechanical gearboxes and their switching algorithm, new method of determining the damping coefficient of pneumatic wheels and wheels with rubber tires by combining physical experiment and mathematical modeling is proposed; – a new method of determining the damping coefficient of pneumatic wheels and wheels with rubber tires by combining physical experiment and mathematical modeling is proposed; – on the basis of the developed mathematical model of a caterpillar wheel with a distributed electromechanical transmission, a software complex was created, which makes it possible to study the operation of a caterpillar drive with several driving wheels on board, including driving suspension wheel with track ridge engagement. The introduction substantiates the relevance of the topic of the dissertation, formulates its purpose and main tasks of the research, gives ways to solve them, defines the object and subject of the research, scientific novelty and practical significance of the work, and also gives according to the research results, information is provided about the laureate's personal contribution, approval and implementation of the work results. In the first chapter, an analysis of existing developments in the direction of electric and electromechanical transmissions of tracked machinery is carried out. The main conclusion of the chapter is that, despite the feasibility, a description or mathematical model that would include the determination of the behavior of the track drive and the machine including, several drive wheels, and driving support rollers, are installed in the circuit, not found. The second chapter describes the methodology for calculating the instaled power of the TED and generator with different types of gearboxes depending on the accepted number of mechanical gears and their switching algorithm. The proposed algorithm for calculating the minimum required total instaling mechanical power of the TED and generator for the electromechanical transmission of military or transport tracked vehicles depending on their mass, the type of gearboxes used (single-stage,two-stage and reduction gear) for machines that can be operated both on paved roads, and off-road. The third chapter presents a mathematical model of the undercarriage of a tracked machine with a distributed electric drive to ensure the verification of the possibility of using motor-support wheel, for which the complex functional mathematical model of the tracked drive was significantly improved and adapted. The obtained model makes it possible to estimate the geometry, kinematics and losses in all elements of the tracked drive scheme with a distributed electric drive. The fourth chapter describes experimental work with the determination of individual parameters for mathematical modeling of the undercarriage of a tracked machine with a distributed electric drive and the development of calculation-experimental obtaining of material or product parameters through the use of a proven mathematical model, which describes a simpler physical experiment in parallel with a physical experiment and in which it is necessary define a parameter.