Проблемы динамики движения и энергетической эффективности многоногих шагающих машин тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.01 ВАК РФ



и - и.1

На правах рукописи

Жога Виктор Викторович

ПРОБЛЕМЫ ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКСШ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОНОГИХ ШАГАЮЩИХ МАШИН

01.02.01 - теоретическая механика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Волгоград - 1998 год

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты: достор технических наук,

профессор В.Г. Градецкий

доктор физико-математических наук, профессор В.В. Лапшин

доктор технических наук, профессор Н.В. Умнов

Ведущая организация: Федеральный исследовательский испытательный центр сельхозмашиностроения, г. Чехов, Московская область.

Защита состоится «_»_ 1998 г. в_часов на заседании

диссертационного совета Д 002.40.01 в Институте прикладной математики им.М.В.Келдыша РАН по адресу: 125047, Москва, Миусская пл., 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ им. М.В. Келдыша РАН.

Автореферат разослан «_»_ 1998 г.

Учений секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

-

ТА. Полилова

1. Общая характеристика работы 1.1. Актуальность темы

С середины 80-х годов значительно выросло количество работ, посвященных обоснованию потребности разработки, методам исследования динамики и управления движением машин с шагающими движителями. Предполагается; что такие положительные качества шагающего движителя (ШД), как высокая адаптация к неровностям опорной поверхности, принципиально более высокая, чем у колесных и гусеничных движителей, грунтовая проходимость ( на мягком грунте колесо или гусеница, погружаясь в почву, оставляют глубокую колею, что в сочетании со значительной работой по деформации грунта приводит к резкому увеличению сопротивления движению. Шагающий же движитель, проваливаясь в грунт, не ухудшает своих тяговых характеристик ), высокая маневренность, возможное отсутствие сплошной колеи и энергетическая эффективность при движении вне дорог, позволят шагающим машинам (ШМ) занять свою нишу в системе машин, используемых в хозяйственной деятельности человека.

В настоящее время предложено много различных схем шагающих машин. Конкретное исполнение шагающего движителя и применение той или иной степени автоматизации управления движением шагающей машины зависит, в первую очередь, от назначения машины и условий ее применения. Информационные роботы, работающие в экстремальных условиях, "должны использовать сложные бортовые вычислительные комплексы, тогда как для технологических шагающих машин применение их нецелесообразно. Так же можно оценить и требования к техническим характеристикам шагающих машин. Машины, предназначенные для транспортировки аппаратуры, должны обладать большей плавностью хода, тогда как машине, применяемой в качестве тягового органа на пашне, такие требования сг предъявляются. Разная степень маневренности требуется для информационного автомата и для хлопкоуборочного комбайна на шагающем шасси, работающего практически прямолинейно. Важной областью применения машин с шагающими движителями является транспортировка грузов в условиях бездорожья, по грунту с низкой несущей способностью. Однако столь ярко проявившиеся потребности не привели до сих пор к созданию достаточной гаммы действующих шагающих машин. Трудности, связанные с проведением в жизнь идеи активного и целесообразного передвижения с использованием шагающего движителя, оказались существенными и связанными с необходимостью управления большим числом степеней свободы, обеспечивающего требуемые кинематические и динамические параметры шагающих уетройствдСоздание транспортных- шагающих машин большой грузоподъемности требует решения ряда теоретических вопросов, связанных с выбором структурных схем, необходимых энергетических и тяговых характеристик, решения теоретических вопросов при создании рациональных конструкций механизмов шагания, а также развития теории и методов расчета шагающих машин.

Особенности основ теории и расчеха-патпчески устойчивых многоногах шагающих машин большой грузоподъемности с индивидуальными приводами курсово-

го движения, адаптации и поворота изложены в данной работе. Диссертация выполнена в рамках госбюджетных и хоздоговорных исследований на кафедре теоретической механики Волгоградского государственного технического университета,

1.2. Цель и основные задачи исследования

Основная цель работы - исследование динамических и энергетических характеристик многоногих статически устойчивых шагающих машин с индивидуальными приводами механизмов шагания, дискретно взаимодействующих с деформируемым грунтом.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- Разработка классификационных признаков рычажных механизмов шагания, методики анализа структурных схем шагающих машин и формулировка критериев их оценки по геометрическим, кинематическим и динамическим характеристикам, позволяющим обоснованно выбирать адекватную математическую модель динамики движения шагающих машин;

-Разработка математических моделей для динамического и энергетического анализа движения шагающих машин по деформируемому грунту с индивидуальными приводами курсового движения, адаптации и поворота с учетом динамики электро и гидроприводов.;

- Разраишка обобщенной динамической модели механизмов шагания, учитывающей структуру механизма, его массово-геомегрические параметры и трение в кинематических парах;

-Исследование периодического движения механизма шагания и изучение влияния упругих связей между звеньями механизма на динамику привода курсового движения;

-Определение рационального распределения сил, действующих на опорные ноги шагающей машины со стороны фунта при ее программных двшхеншх по поверхности произвольного профиля, минимизирующее мощность приводов, затрачиваемую на упругую деформацию грунта;

- Дифференциация энергозатрат между приводами шагающей машины при ее перемещении статически устойчивыми походками в режимах прямолинейного движения и поворота;

- Исследование кинематических характеристик движения механизмов шагания, обеспечивающих статическую устойчивость машины при повороте.

1.3. Методика исследований

Исследования выполнялись методами аналитической механики, теории механизмов и машин, математического моделирования неоднородных механических систем с применением вычислительной техники.

Результаты теоретических исследований сравнивались с экспериментальными исследованиями макетного образца транспортной машины с шагающими движителями.

1.4. Научная новизна

Проведена классификация рычажных механизмов шагания по сформированным структурным признакам, на основе которых определены качественные показатели уровня совершенства схемных решений шагающих механизмов, предложен комплекс критериев для количественных оценок геометрических, кинематических, динамических и энергетических параметров статически устойчивых многоногих шагающих машин, позволяющий обоснованно выбирать математические модели, адекватные исследуемым процессам.

Разработана пространственная математическая модель многоногой шагающей машины при дискретном взаимодействии ее движителей с деформируемым грунтом, используемая дтя решения задач динамического анализа, проверки упрощающих предположений при выборе моделей различной сложности и определения энергозатрат приводов на движение машины.

Установлено, что колебания машины в плоскости движения вызываются неравномерным распределением касательных сил реакции и являются следствием колебаний машины относительно продольной и поперечной осей, зависящих от характера опорной поверхности.

Разработана обобщенная модель многозвенных механизмов шагания, учитывающая их структуру, массово-геометрические характеристики и трение в сочленениях звеньев и позволяющая давать количественную оценку их энергетической эффективности.

Доказано, что введение в схему механизма шагания нелинейных упругих связей с отрицательной жесткостью в локальных областях деформаций, играющих роль аккумуляторов потенциальной энергии, уменьшает пиковые значения динамического момента привода механизма и увеличивает энергетическузр эффективность движнте--лей.

Создана методика и решена задача рационального распределения реакции в опорных ногах шагающей машины при задаваемых траекториях ее движения в пространстве состоянии, основанная на решении обратной задачи динамики и позволяющая определять требования к системе управления движением машины.

Определена структура энергозатрат на перемещение шагающей машины, получены численные оценки мощности приводов курсового движения, адаптации и поворота, в зависимости от параметров машины, движителей, кинематических характеристик движения и внешних условий.

Установлено, что для сохранения статической устойчивости при повороте шагающей машины с индивидуальными приводами необходимо управление коэффициентами режима шагающих движителей или длиной шага опорных ног, зависящими от радиуса поворота и скорости движения.

Сформулированы и обоснованы требования к макетному образцу шагающей транспортной машины, на основании которых разработана и изготовлена машина грузоподъемностью 3 т.

. I. 5. Положении, вьшссшгые на защиту

- Математическая модель пространственного движения многоногой шагающей машины с движителями, дискретно взаимодействующими с деформируемым грунтом, как электро-гидромеханическая система шарнирно соединенных твердых тел;

-Обобщенная динамическая модель шагающего движителя, описывающая многообразие механизмов шагания на основе рычажных механизмов в соответствии с их классификацией по сформулированным структурным признакам;

- Результаты исследования динамики движения шагающих машин и механизмов шагания, а также количественная оценка ах эффективности по энергетическому критерию;

- Метод снижения динамического момента привода механизма шагания за счет наложения дополнительных нелинейных упругих связей на звенья механизма;

- Методика определения распределения реакций в опорных ногах шагающей машины при ее программном движет® по поверхности произвольного профиля, минимизирующая мощность, затрачиваемую приводами на упругую деформацию грунта;

- Структура энергозатрат на перемещение шагающей машины и методы численной оценки мощности приводов курсового движения, адаптации и поворота по коэффициенту удельных энергозатрат;

- Закономерности изменения коэффициентов режима шагающих движителей и длины шага опорных ног, обеспечивающих сохранение статической устойчивости при повороте шагающей машины.

1.6. Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

. Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и ¡выводов подтверждается применением научно-обоснованных методов построения моделей сложных неоднородных механических систем, фундаментальных методов механики и математики, а также результатами экспериментальных исследований машин с шагающими движителями.

1.7. Реализация результатов работы ы их практическая значимость

Предложенные методы исследования характеристик движения многоногих шагающих транспортных машин позволяют на стадии проектирования выбрать рациональную структуру машины, мощность приводов в зависимости от се назначения и условий эксплуатации. При этом сокращаются объемы натурных и стендовых испытаний.

Разработанные варианты конструкций рекуператоров механической энергии обеспечивают повышетте эффективности шагающих движителей и снижение энер-

употребления. Полученные авторские свидетельства и патенты подтверждают новизну предложенных решений и их практическую значимость.

Практические работы по расчету и проектированию шагающей транспортной машины выполнялись автором з течении 1982 - 1997 гт. по заданшо производственного объединения "Баррикады" совместно с сотрудниками института Машиноведения РАН, института прикладной математики РАН, института механики МГУ и др.

Результаты работы использовались при проектировании дождевальной машины "Кубань" с шагающими движителями и экспериментального образца шагающей транспортной машины, которые изготовлены и прошли испытания в реальных условиях эксплуатации.

1.8. Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на: -ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (1985 - 1997 гг.);

- VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986 г.); -семинаре по исследованию машин под руководством академика РАН К.В. Фролова (институт Машиноведения РАН, 1985);

-Межреспубликанской научно-технической конференции "Совершенствование средстз и методов расчета изделий машиностроения" (Волгоград, ¡988 г.); -Выездном заседании экспертного совета по машиностроению (Волгоград, 1993 г.); -Первой Всесоюзной (1988 г.), второй и третьей Всероссийских (1992, 1995 г.) конференциях по механике и управлению движением шагающих машин (Волгоград);

-Всесоюзной конференции по теории и расчету мобильных машин и длчгателей ■ внутреннего сгорания (Телави, 1985 г.);

- Всесоюзной конференции по вибрационной технике (Кобулети, 1987 г.); -семинаре-совещании "Вопросы теории н проектирования многоногих шагающих машин''(Москва, институт Машиноведения РАН, 1990 г.);

- V Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Геленджик, 1990 г.);

- международном симпоз1гуме "Экология и безопасность жизнедеятельности, научно-прикладные аспекты, инженерные решения" (Волгоград, 1996 г.); -Всероссийском семинаре "Новая поливная техника" (Волгоград, 1995 г.);

- Всероссийской научно-технической конференции "Теория, проектирование и ме- -тоды расчета лесных и деревообрабатывающих машин" (Москва, 1997 г.);

- Всероссяйскрм семинаре "Механика и управление движением роботов " лод руководством академика РАН Д.Е. Охоцимского и профессора Ю.Ф. Голуиева (МГУ, -1997 г.);

- семинаре "Механика и управление движением робототехнических систем " под руководством профессора А.К. Платонова (ИПМ РАН, 1998 г.);

-международной конференции IEEE "Роботизация и автоматизация " (г. Левен, Бельгия, 1998 г.).

1.9. Публикации

По теме диссертации опубликовано 30 научных работ, получено 6 авторских свидетельств и патентов. Результаты работы также отражены в 4 научно-исследовательских отчетах, имеющих государственную регистрацию. Основные положения диссертации опубликованы в работах [1-28].

1.10. Структура и сбьем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 380 страницах, иллюстрирована 85 рисунками, содержит 4 таблицы. Список литературы включает 274 наименования.

2. Содержание работы

Эффективность и качество. шагающих машин должны оцениваться научно обоснованной системой критериев, необходимых при проектировании новых машин, разработки правил их эксплуатации. Система критериев позволяет определить рациональные параметры и типы проектируемых машин, проанализировать направления повышения эффективности в зависимости от их назначения и условий эксплуатации.

Широкое признание в исследовании проблем динамики, энергетической эффективности, создания систем управления и разработки конструкций шагающих машин получили работы И.И. Артоболевского, А.П. Бессонова, Е.С. Брискина, Ю.Ф. Голубева, B.C. Гурфинкеля, Е.А. Девянина, И.А. Каляева, A.JT. Кемурджи-ана, М.В. Кудрявцева, В.Б. Ларина, В.В. Лапшина, И.В. Новожилова, Д.Е. Охоцимс-кого, А.К. Платонова, В.М. Соболева, Н.В. Умнова, A.M. Формальского, В.В. Черкасова, Л.Г. Штильмана, Р. Мак Ги, И. Сазерланда, К. Уолдрона (США), М. Канеко, И. Като, И. Шимоямы (Япония), М. Вукобратовича (Югославия).

2.1. Аналнз кинематических в динамических характеристик шагающих механизмов и структурных схем шагающих машин

Схема механизма шагания существенно влияет на структуру функциональных приводов, на построение системы поворота ШМ, системы адаптации ее к местности и др., в значительной степени определяет-структурную схему всей машины и, в конечном итоге, ее эксплуатационные качества: проходимость, тяговые свойства, экономичность, надежность и т.д.

При рассмотрении структурных схем шагающих механизмов можно выделить н?- олько групп механизмов на основе следующих классификационных признаков:

® Вид основного прямолинейно-направляющего механизма (ПНМ).

• Наличие дополнительного механизма в составе механизма шагания.

- Без дополнительного механизма;

- С механизмом повышения коэффицнеггта режима ходьбы. Дополнительный механизм устанавливается перед входным звеном основного ПНМ с целью изменения распределения горизонтальных скоростей опорной пяты для повышения коэффициента режима ходьбы до заданного значения без изменения формы траектории.

- С механизмом улучшения формы траектории опорной пяты. Дополнительный механизм присоединяется к выходному звену основного ПНМ с целыо увеличения высоты траектории на участке переноса. Коэффициент режима при этом определяется только основным ПНМ.

■а Вид использованного в схеме механизма подъема-опускания опорной пяты: рычажный двухзвеиный механизм; рычажно-ползунный механизм; четырехзвенный рычажный механизм; пантограф; эллипсограф; замкнутая направляющая, плоская или пространственная, по которой перемещается верхний конец опорной стойки.

о Схема опорной стойки.

Во многих движителях опорная стойка представлена в виде: жесткой стойки, длина которой не изменяется при работе механизма; телескопической стопки, подъем которой осуществляется за счет перемещения штока относительно корпуса стойки; рычажного механизма, звенья которого соединены, только парами вращения и к которому прикрепляется опорная пята.

® Способ организации движения спорной стойки в заданной плоскости.

• Простра-^тзенное расположение плоскости основного ПНМ.

Сформулирсзанп критерии, по которым проводилась оценка совершенства шагающих движителей, построенных на основе рычажных механизмов: габароты яви- . жителя: число подвижных звеньев механизма; число плоскостей, в которых движутся звенья механизма; наличие поступательных пар в конструкции движителя; удобство подвода вала трансмиссии к входному звену механизма шагания; наличие нагрузок, перпендикулярных плоскости ПНМ.

При рассмотрении схемы размещения механизмов шагания возможны два основных варианта: пдолъ корпуса ШМ один за другим (последовательное расположение) или группирование их по два (поперечное расположение). На основе структурных особенностей известных механизмов шагания анализируются преимущества и недостатки обоих вариантов расположения движителей. Проводится оценка влияния способа поворота ШМ на ее структурную схему. Получены эмпирические зависимости, позволяющие количественно оценивать габаритные размеры шагающей машины при последовательном и поперечном расположении механизмов шагания различных кинематических схем.

Проведенный анализ множества возможных кинематических схем механизмов шагания, движителей и всей машины позволил сформулировать основные требования к математической модели шагающей машины с индивидуальными приводами механизмов шагания.

Для шагающих транспортных машин большой грузоподъёмности характерно наличие длинной базы, что затрудняет применение механической трансмиссии. Статическая устойчивость машины обеспечивается достаточно большим количеством шагшощих движителей, работающих-по шаговому циклу. Высокая маневренность

шагающей машины и её адаптация к неровностям поверхности может быть достигнута применением .шагающих движителей с тремя степенями свободы. Основными функциональными частями шагающей транспортной машины, обеспечивающими осуществление механических перемещений грузов, являются механическая система (корпус машины, трансмиссия, шагающие механизмы), приводные двигатели и система управления движением машины. Шагающий движитель состоит из следующих узлов: механизмов шагания; приводов курсового движения, поворота, адаптации; системы управления приводами. С целью уменьшения веса механизмов шагания приводные двигатели должны размещаться на корпусе машины. Весовая нагрузка, приходящаяся на опорные нога не должна нагружать приводы шагающего движителя.

Для разработки математической модели ШМ требуется определить основное назначение, условия эксплуатации, технические хараетеристики, показатели качества, специальные требования, предъявляемые к проектируемой шагающей транспортной машине. Для выбора параметров приводных двигателей необходимо разработать математическую модель шагающей машины, позволяющую учитывать влияние этих факторов на эксплуатационные качества проектируемой машины в разнообразных внешних условиях.

Для шагающих транспортных машин показатели назначения включают: тяго-во-скоростные и тормозные свойства, критерии управляемости, технической устойчивости, маневренности, комфортабельности движения и проходимости.

Грузоподъемность - показатель, который определяется в техническом задании на проектируемую машину и рассчитывается исходя из ее назначения. Грузоподъемность зависит от конструктивных и эксплуатационных параметров машины. К конструктивным параметрам относят мощность двигателей, габаритные размеры машины, колею и дорожный просвет, величину удельного давления па фунт. К эксплуатационным - тяговую мощность, тягово-скоростные свойства, тормозные свойства, управляемость, устойчивость, маневренность, комфортабельность движения, удельное сопротивление движению, проходимость.

Тягово-энергетические свойства машины определяют ее способность к совершению полезной транспортной работы. Для машины заданной грузоподъемности эти свойства характеризуются максимально возможной средней скоростью движения.

Наиболее распространенными и достаточными для сравнительной оценки тяговых и .энергетических свойств транспортных машин являются следующие показатели: максимальная скорость движения, минимальная устойчивая скорость, время разгона до заданной скорости, максимальный преодолеваемый уклон, ускорение при разгоне.

Количественную оценку энергетических характеристик движения ШМ в зависимости от ее параметров возможно провести по коэффициенту удельных энергозатрат (КУЭ)

с От-Уср-соза От-й>£р-Х'

где N. , Н, , Ч, - средние мощности за период походки, потребляемые приводами курсового движения, адаптации и поворота; вт, Уср - вес машины и средняя скорость движения; а - преодолеваемый уклон; соср - средняя угловая скорость машины; Ь -продольная база машины.

Оценку эффективности торможения машины проводят по величине тормозного пути, пройденного машиной от начала торможения до полной остановки и максимальному ускорению, достигаемому при торможении.

Под устойчивостью понимается свойство машины сохранять в заданных пределах, независимо от скорости движения, внешних воздействий и инерционных сил, направление скорости движения, ориентации продолыюй и вертикальной осей. В качестве параметров устойчивости принимают: углы и угловые скорости продольного и поперечного опрокидывания, угол и угловую скорость поворота машины. Маневренность ШМ зависит от типа шагающего движителя, схемы машины, системы управления движением, а также от размеров базы и величины опорных плит. При исследовании криволинейного движения определяют как кинематические параметры машины - траекторию, скорость и ускорение, так и силовые - крутящие моменты на валах привода, продольные, боковые и нормальные реакции движителей. В качестве критерия, позволяющего объединить параметры оценки конструктивного совершенства машины, возможно использовать коэффициент удельных энергозатрат машины на единицу утлор.ой скорости попорота (1).

Для двнжеяат машины по опорной поверхности характерны вынужденные колебания, частота которых определяется характером возмущений, а параметры -сложной зависимостью внешних условий и конструктивных параметров. Спектр соб-. ственных частот машины является одним из обобщенных критериев комфортабельности движения.

По отношению к способам исследования комфортабельности движения шагающие машины можно разделеть на два класса: без механизмов адаптации и с меха; низмами адаптации.

Целью исследования комфортабельности движения неадаптируемых шагающих машин является построение амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик координат и ускорений центра масс и характерных точек машины.

При исследовании движений шагающих машин с адаптивными свойствами ставится задача определения реакций в точках опоры ног, обеспечивающих комфортабельное движение машины по заданной траектории.

Под проходимостью понимают способность машины преодолевать препятствия без поломок, остановок и значительной потерн скорости. Проходимость делится на профильную и опорную. Большинство показателей профильной проходимости представляют собой геометрические параметры машины. '

К оценочным показателям опорной проходимости относятся: сцепная масса, коэффициент сцепной массы, удельная мощность, мощность сопротивления движе-1 нию, мощность, идущая на деформацию грунта, сила тяги, максимальное удельное давление на грунт, среднее удельное давление на грунт. Критерий предельного уровня проходимости - возможность преодоления-участков грунта с низкой несущей способностью.

2.2. Динамическая модель пространственного движения многоногой шагающей машины

Предлагаемая математическая модель предназначена для динам1иеского анализа движения, выбора рациональных геометрических, массовых и энергетических характеристик ШМ, анализа ее поведения в процессе эксплуатации, а также для синтеза системы управления движением. Рассматриваемая ШМ состоит из механической части и приводов, обеспечивающих ее движение по деформируемой поверхности. Механическая часть представляется в виде твердого тела (корпуса) и п многозвенных механизмов шагания, положение которых относительно главных центральных осей инерции OXYZ, связанных с корпусом машины, задается тремя независимыми обобщенными координатами qs¡. Движение машины происходит относительно неподвижной системы отсчета 0¡fyr¡C, и определяется вектором скорости V0 ценгра масс корпуса и вектором его угловой скорости со . Принимаем, что контакт с несущей поверхностью происходит в точке, реакция поверхности сводится к силам N¡. Оси OXiYtZi связаны с корпусом машины в точке О и параллельны неподвижным осям О^Лъ ■ Положение системы координат OXYZ относительно осей OX¡Y¡Zi задается с помощью корабельных углов Эйлера <¡>,Чу, и.

Уравнения движения корпуса под действием силы тяжести, снл реакций опорной поверхности в форме Эйлера-Лагранжа относительно квазискоростей Vx, Vy ,

V¡., шх, оу, со2 имеют вид

* _ *

M(Vo+¿jxV0 + <5xrc-t-<5x(ü)xrc)+2¿5xtc + rc) =R , (2)

* * *

¡0o|¿+¡0o|¿5 + ¿x¡Go|¿ + A'ro+ü5x¿r° +M-rcx(Vo + <áxVo)=m0 , (3)

* *4

где М - масса шагающей машины; тс, г с - радиус-вектор, относительные ско-

ÍI * I!

©о - тензор инерции системы в ■ *

точке О и его относительная производная; К?, К? - главный момент относительных количеств движений относительно полюса О и его относительная производная; Л, т0 - главный вектор и главный момент внешних сил относительно полюса О.

В качестве механизма шагания рассматривается многозвенный механизм с тремя степенями свободы, по которым реализуют заданные управляющие воздейст-е. и, Положение j звена i механизма шагания описывают три величины х,^, ycij, z^j, определяющие положение его центра масс в системе осей OXYZ, и три угла <ру, iy¡j, u¡j, задающие ориентацию звеньев в этой системе осей. Для описания относительного

движения механизма шагания с учетом движений корпуса ШМ использованы уравнения Лагранжа для обобщенных координат qsi (xclJ , ydj , z^ , <рц , , Uij). Для m-звенного механизма с тремя степенями свободы получим Зт дифференциальных уравнений, из которых три являются независимыми, а остальные служат для определения внутренних сил.

Эти уравнения, записанные в обобщенной форме, являются универсальными, с их помощью можно составлять дифференциальные уравнения относительного движения звеньев любого механизма, для чего необходимо определить функции Ф;;, являющейся проекциями векторной функции обобщенных координат в разложении вектора угловой скорости j звена через обобщенные скорости на оси координат, связанные с этими звеньями.

Полученная система уравнений дополняется уравнениями, определяющими реакции опорной поверхности, уравнениями приводов, а также шестью уравнениями, выражающими обобщенные скорости, соответствующие координатам корпуса через квазискорости.

Выбор динамической модели ШМ определяется характером исследуемых процессов: скоростью изменения обобщенных координат, частотным спектром действующих сил, а также функциональными возможностями машины. К усложнению расчетной схемы приводит расширение множества возможных программных движений ШМ, исследование которых требует усложнения динамических моделей.

Разработанная полная динамическая модель движения ШМ позволяет переходить к более простым моделям заданием исходных управляющих переменных. В работе определены области применимости различных моделей движения ШМ в зависимости от решаемых задач исследования.

Математическая модель, описывающая динамику пространственного движения ШМ реализована в виде комплекса программ и установлена на IBM PC. Особенностью реализации программ является накопление результатов расчета в промежуточ--них файлах данных. Данные таких файлов можно выводить для визуального анализа или использовать в других программах расчета и обработки.

В качестве примера рассматривается движение двенадцатиногой шагающей транспортной машины с движителями, выполненными на основе прямолинейно-направляющего механизма, имеющего три степени свободы. Движение ШМ осуществляется с помощью привода курсового движения, состоящего из электродвигателя, связанного с кривошипом механизма шагания через редуктор с переменным передаточным отношением. Адаптация ШМ к опорной поверхности и необходимый зазор между стопой ноги и грунтом в режиме переноса обеспечивается гидроприводом механизма адаптации. Маневрирование ШМ происходит njai работе гидропривода механизма поворота, исполнительный механизм которого обеспечивает движение ноги в поперечной плоскости машины.

При численном моделировании движения ШМ задавалась циклическая походка с требуемым коэффициентом режима. Состояние ног шагающей машины в процессе движения определяется матрицей походки и ее расписанием. Коэффициент режима обеспечивается кинематикой механизм^ шагания, передаточным отношением

редуктора и работой механизма адаптации, изменяющего длину опорной стойки в зависимости от угла поворота ведущего звена.

Прямолинейное движение машины задавалось волновой походкой (периодическая походка с регулярной матрицей, коэффициент режима для всех ног одинаковый, точки крепления движителей симметричны относительно вертикальной плоскости, интервалы времени между моментами опускания соседних ног равны между собой и для обеих бортов машины). При этом сумма моментов сия инерции от переносимых масс механизмов шагания относительно вертикальной оси машины равна нулю в любой момент времени. Однако вследствие начальных возмущений машины, возникает момент сил реакций опорных ног относительно вертикальной оси, который вызывает колебательные движения машины в горизонтальной плоскости, что вместе с целенаправленным движением цещра масс приводит к отклонениям машины от прямолинейного движения. Возмущающие силы реакции возникают в результате более раннего момента времени начала взаимодействия опорной точки ноги с фунтом (спотыкание) и более позднего отрыва ноги от фунта (волочение).

2.3. Исследование динамики механизмов шагания и анализ их энергетической эффективности

Существенным недостатком движителей ШМ, по сравнению с колесными, является резкое увеличение потерь на трение в местах сочленения звеньев механизма шагания. Энергетическую эффективность механизмов шагания возможно оценить долей механической энергии, расходуемой на перемещение машины по опорной поверхности. Для сравнения энергетической эффективности конструкций механизмов шагания разделены на три фуппы, различающиеся по способу обеспечения коэффициента режима: механизмы шагания, осуществляющие ускоренный перенос ноги за счет механических ускорителей; механизмы шагания, у которых перенос производится путем изменения режима работы привода; механизмы шагания, объединенные в движитель с помощью замкнутой направляющей (для них у = 1).

Предложенная универсальная математическая модель динамики механизмов шагания позволяет определить характер изменения мощности движущих сил, оце нить влияние сил трения на энергозатраты, выявить наиболее нафуженные в динамическом отношении звенья механизма и исследовать пути повышения его эффективности.

Для оценки эффективности движителя используем обобщенное понятие мгновенного коэффициента энергетической эффективности механизма при неравновесном установившемся движении как отношение мощности фактора сопротивления (за исключением трения) к мощности движущего фактора. При расчете учитывается, чте мощности движущих сил (двигателя), сил инерции и веса в пределах цикла могут вы ступать и в качестве движущего фактора, и в качестве фактора сопротивления.

' Для исследования влияния параметров механизма на его эффективность ис пользовалось понятие циклового коэффициента энергетической эффективности.

Записывая уравнения динамики механизма в форме уравнений кинетостатик1 для каждого звена механизма, получаем систему нелинейных алгебраических уравне

ним относительно движущихся сил, моментов и реакций в кинематических парах, трение в которых и обуславливает нелинейность уравнений. Решение этой системы осуществлялось модифицированным методом Ньютона. В качестве начального приближения принимались значения реакций линейной системы уравнений, полученной из исходной без учета сил трения.

Результаты математических экспериментов для механизмов первой группы показали, что их цикловой коэффициент эффективности практически не зависит от весовой нагрузки, приходящейся на опорную стопу. С ростом силы тяга среднее значение коэффициента эффективности механизмов шагания уменьшается. Скорость ведущего звена практически не влияет на эффективность механизмов. На рис.1 приведены зависимости циклового коэффициента эффективности от скорости движения опорной пяты для постоянного (кривые 1-4) и переменного (кривые 5-8) передаточного отношения редуктора при различных значениях силы тяга. Обнаружено, что с увеличением коэффициента режима ШД его эффективность увеличивается. В работе исследовано влияние величины коэффициентов трения в различных кинематических парах на значения циклового коэффициента эффективности.

Рис.1. Зависимость циклового коэффициента энергетической эффективности от скорости опорной пяты ¡р=соп51 (1-4), ¡р=уаг (5 - 8). Сила тяга N7 , (н): 200 (1,5); 500 (2,6); 700 (3,7); 1000 (4,8)

Приведенный анализ эффективности 111Д по цикловому коэффициенту эффективности показал преимущество движителей третьей груйпы при маршевых режимах движения шагающей машины.

Механическая характеристика шагающих движителей имеет пиковые значения мощности (рис.2), обусловленные разгоном и торможением звеньев механизма в фазе переноса опорной стойки.

Рис.2. Механическая характеристика механизма шагания: I - без рекуператора; 2 - с рекуператором

В работе рассматривается возможность повышения энергетической эффективности механизмов шагания с помощью рекуперации механической энергии за счет наложения упругих связей, являющихся аккумуляторами потенциальной энергии. Для более полной компенсации пиковых значений мощности предложено использовать упругие элементы, включенные в кинематическую схему механизма шагания в виде дополнительных связей, обладающие шггервалами перемещения с отрицательной жесткостыО:

где с - жесткость упругого элемента; I - геометрический параметр; 50 - предварительная деформация упругого элемента.

Выбрав параметры корректора /, с, 60, можно добиться существенного сглаживания механической характеристики шагающего движетеля (рис.2). На этом принципе созданы оригинальные конструкции рекуператоров механической энергии, применение которых позволяет эффективно использовать мощность приводного двигателя в широком диапазоне скоростей движения ШМ. На рис.3 показано влияние введения рекуператора механической энергии на зависимость циклового коэффициента эффективности от скорости движения ШМ.

7

ais ато ass ая

Рис.3. Зависимость циклового коэффициента эффективности от скорости опорной точки: 1 - без рекуператора; 2-е рекуператором

При малых скоростях движения шагающей машины приводной двигатель за счет рекуператора нагружается дополнительным моментом, что приводит к уменьшению эффективности шагающего движителя.

г

-1— 1

0.2F as 07S 1.0

2.4. Движение шагающей транспортной машины по программным траекториям

Под естественным движением шагающей машины понимается движение, которое она совершает при заданных относительных перемещениях опорных точек шагающих движителей. Законы движения опорных точек формируются согласованной работой приводов курсового движения, адаптации и поворота. В этом случае реакции в опорных ногах определяются неуправляемой деформацией фунта. При программном движении ШМ на заданные кинематические законы движения опорных точек движителей накладываются дополнительные управляемые движения, за счет которых и создаются программные усилия.

Решению задачи построения системы управления движением многоногих шагающих машин по программным траекториям посвящены работы Ю.Ф. Голубева, Е.А. Девянина, И.А. Каляева, В.В. Лапшина, Н.В. Умнова, А.Ю. Шнейдера. Ч. Клейна, Дж. Гарднера, К. Уолдрона, и др. Задача управления ШМ заключается в формировании управляющих воздействий для исполнительных двигателей, отработка которых гарантировала бы движения шагающей машины по заданной траектории ^Задачу формирования управляющих воздействий часто сводят к определению рационального распределения усилий на опорах шагающей машины. Для синтеза системы управ» ления движением ШМ необходимо исследовать ее динамические параметры с учетом массово-инерционных характеристик машины и механизмов шагания, а также параметров приводов, обеспечивающих управление.' С этой целью в данной работе движение ШМ по заданной траектории обеспсчиьалось выбором походки и управляемым

распределением реакций опорной поверхности по требуемому закону. Программное движение ШМ задавалось функциями времени ее квазискоростей, V, и походкой, определяющими траекторию в пространстве состояний модели. В качестве управляющих функций принимались компоненты векторов опорных реакций на оси неподвижной системы координат. Число управляющих функций превышает число уравнений модели (ограничений) и осуществление назначенной траектории проводилось из условия минимума следующего критерия

Этим условием накладываются ограничения на компоненты вектора опорных реакций. Значения коэффициентов Х.* определяют степень участия соответствующих реакций в формировании программного движения, ограничивают величины максимальных давлений ноги на грунт и позволяют обеспечить нахождение опорных реакций в конусе трения. С энергетической точки зрения критерий (5) можно интерпретировать как требование минимума мощности энергозатрат приводов на упругую деформацию грунта. Относительное уменьшение значений коэффициентов приводит к росту энергозатрат привода, отвечающего за формирование соответствующих реакций.

Задача распределения усилий с линейными ограничениями типа равенства, определяемыми математической моделью ШМ, является задачей минимизации квадратичной функции при линейных ограничениях:

Эта задача решалась методом неопределенных множителей Лагранжа. Всякое решение задачи (6) определяет точку, в которой может иметь место экстремум функции (5). Структура уравнений задачи (6) позволяет учесть расписание матрицы походки приравниванием нулю коэффициентов при множителях Лагранжа в уравнениях, соответствующих ногам, находящимся в переносе.

На рис.4 представлены законы изменения программных вертикальных составляющих реакций ШМ при прямолинейном равномерном движении ШМ со скоростью 0,8 м/с, с учетом и без учета массово-инерционных характеристик звеньев механизма шагания.

Разработанная методика и программа расчета позволяет определять значения управляющих реакций опорной поверхности для широкого круга задаваемых траекторий движения ШМ (поворот на месте, стационарный и нестационарный повороты, торможение и разгон) с требуемыми кинематическими и динамическими характеристиками. Получаемые временные зависимости программных значений реакций служат исходными данными для определения параметров проектируемой системы управления

(5)

min

{ I(Nik)|N3k>0,k = l)«;fj(Nit) = 0,j = l,6 }.

(6)

х/1 1 §

¥ ! У ' \

аг о.г аз

Рнс.4. Программные вертикальные реакции: 1 - безмассовые нога; 2 - относительная-

масса ног Д т = 3 %

Анализ результатов математических экспериментов показал, что при' программном движении ШМ среднее квадратическое отклонение управляющих сил меньше, чем среднее квадратическое отклонение сил реакций опорных ног при естественном движении ШМ. Частотные характеристики управляющих сил совпадают со спектром частот вынуждающих сил инерции от переносимых масс механизмов шагания, а также частотой смены опорных ног.

Движение ШМ по поверхности с микронеровностями сопровождается изменением коэффициента режима походки, что приводит к увеличению мощности управляющих сил при программном движении.

2.5. Исследование динамических н энергетических характеристик шагающих машин

С целью обобщения и распространения результатов математических экспериментов, а также сравнения их с экспериментальными данными уравнения движения шагающей машины (2,3) записываются в безразмерном виде.

При движении шагающей машины по нежесткой поверхности энергозатраты распределяются на работу сил тяжести, на преодоление сил трения в кинематических парах щих механизмов шагания и трансмиссии, подъем-опускание и перенос ног. деформацию фунта, разгон, торможение н поворот машины, а также на функционирование систем управления.

Обобщенной характеристикой энергозатрат машины в произвольном режиме движения может служить коэффициент удельных энергозатрат (1).

Энергозатраты на работу сил веса шагающей машины зависят от кинематической схемы механизма шагания. У механизмов, обеспечивающих прямолинейность рабочей части относительной траектории опорной точки синтезом механизма с соответствующими функциями положения обобщенных координат, энергозатраты на поддержание веса машины равны нулю. Для механизмов, обеспечивающих заданную относительную траекторию опорной точки за счет управляемых законов изменения обобщенных координат, поддержание веса-машины возлагается на ггриподиые двигатели. Однако из-за неточности офаботки требуемой траектории опорной точки часть

весовой нагрузки воспринимается двигателями и в шагающих машинах с механизмами шагания со специально подобранными функциями положения обобщенных координат.

Бели в качестве программного движения машины выбрать горизонтальное прямолинейное и равномерное движение и при этом не учитывать потери энергии в кинематических парах механизмов шагания и трансмиссии, а также принять массово-инерционные характеристики шагающего движителя равными нулю, то полученный в результате численного моделирования КУЭ характеризует мощность, потребляемую приводами на работу сил'тяжести машины. Приводы ШМ в фазе опоры могут совершать как положительную, так и отрицательную работу. При оценке энергозатрат считалось, что рекуперация энергии в приводных двигателях отсутствует и энергозатраты складываются из положительной работы приводов, а отрицательная работа поглощается приводами и рассеивается в виде тепла.

Результаты расчетов КУЭ на работу сил тяжести машины показали, что он не зависит от веса машины, скорости ее движения и коэффициента режима шагающего движителя. Независимость КУЭ от коэффициента режима движителя позволяет исследовать влияние длины шага Б (расстояние, проходимое опорной точкой относительно корпуса ШМ за время опоры) на энергозатраты шагающей машины. На рис.5 представлена зависимость КУЭ от относительной длины шага 5Н = 3/11 (Н-максимальный клиренс машины).

Рис.5. Зависимость коэффициента удельных энергозатрат на работу сил тяжести машины от относительной длины шага

Шагающий движитель должен обеспечивать перемещение опорной пяты по циклу, состоящему из участка равномерного и прямолинейного движения относительно корпуса машины в фазе опоры нога на грунт и участка переноса нога в исходное положение. С целью увеличения статической устойчивости шагающих машин, снижения удельного давления на грунт, стремятся увеличить значения коэффициента режима, что приводит к резкому росту энергозатрат на перенос ног. Аналитически с помощью математического моделирования (Д.Е. Охощшским, В.В. Лапшиным) и экспериментально установлено, что энергозатраты на перенос опорной стойки растут пропорционально кубу скорости машины.

Для оценки удельных энергозатрат приводов шагающей машины, связанных с переносом ног, рассматривается программное прямолинейное равномерное движение

ШМ но горизонтальной поверхности с весомыми ногами. Чтобы исключить энергозатраты па трепне в кинематических парах механизмов шагания, поддержание веса машины и т.д., КУЭ рассчитывался для ног, находящихся и переносе, а коэффициенты трения о узлах механизма шагания принимались равными нулю. Результаты математического моделирования показали, что КУЭ машины на перенос ног пропорционален квадрату скорости движения машины, увеличивается пропорционально массе переносимых ног и уменьшается с увеличением длины шага (рне.б).

/

100

W

10

0.1

t.o

'Щ •

Рис.6. Зависимость коэффициента удельных энергозатрат на перенос ног от скорости движения машины. Коэффициент режима: у = 0,69 (1), у = 0,51 (2), 5({=1; у = 0,51; Бц = 1,5 (3), Эц - относительная длина шага

Энергозатраты на подъем-опускание опорной части ноги в механизмах шагания с индивидуальным приводом адаптации нетюсредстиенно не зависят от динамических характеристик движения машины, но через параметры циклограммы перемещения опорной точки механизма шагания являются функцией скорости движения машины. В результате математических экспериментов установлено, что КУЭ на подъем-опускапне ног ШМ пропорционален квадрату величины их подъема и обратно пропорционален квадрату времени переноса. Также КУЭ на подъем-опускание ног зависит от закона движения опорной пяты при подъеме-опускании.

Движение шагающей машины по реальному грунту происходит под действием сил реакций в опорах машины, возникающих вследствие деформации грунта. Для определения энергозатрат двигателей на нормальную деформацию грунта при естественном движении ШМ моделировались искусственные уловил внешней среды, при которых касательная жесткость грунта принималась равной нулю, тогда прц-сггсутст-вии потерь в механизмах шагания и за вычетом энергозатрат на поддержание веса машины и массово-инерционных характеристик ног, равных нулю, КУЭ, рассчитанный для опорных ног, характеризует потери энергии на нормальную деформацию грунта. Описанные условия моделирования не учитывают влияние на величину нормальных деформаций фунта касательных еял реакций опорной. поверхности и сил инерции при переносе ног.

Для определения влияния этих факторов рассматривалось движение ШМ в условиях отсутствия, сил тяжести, но при наличии инерционных возмущений и не равных нулю жесткостей грунта в нормальном и касательном направлениях. В этих условиях моделирования энергозатраты связаны как с нормальной, так и с горизооталь-ной деформациями грунта. С целью выделения энергозатрат на нормальную деформацию грунта от возмущающих касательных сил реакций проводились дополнительные математические эксперименты, условия которых отличались от описанных равенством нулю жесткостей грунта в нормальном направлении. Тогда разница в значениях КУЭ, определенных в этих двух условиях моделирования, и характеризует добавочные энергозатраты на нормальную деформацию грунта от касательных сил реакций. Кривые на рис.7 представляют зависимости КУЭ от средней скорости центра масс корпуса ШМ на нормальную деформацию грунта для различных значений параметров его вязкоулругопластичной модели. С увеличением дайны шага энергозатраты на деформацию грунта уменьшаются. Аналогичные математические эксперименты позволяют определить энергозатраты на касательную деформацию грунта.

№

О.!

10

Рис.7. Зависимости коэффициента удельных энергозатрат от средней скорости маши-ны^на деформацию грунта в нормальном направлении: 1 - жесткость грунта С - 187 кН/м, коэффициент вязкого сопротивления ц = 0,6 кН м/с; 2 - С = 100 ' кН/м, ц = 0,6 кН м/с; 3 - С = 137 кН/м, ц = 0,370 кн м/с

Анализ энергозатрат на нормальную и касательную деформации грута, а также влияние касательных сил реакций на энергозатраты в нормальном направлении и нормальных сил на касательную деформацию, позволяют оценить погрешности частных моделей ШМ,- используемых при расчетах ее характеристик в различных режимах движения и условиях внешней среды. На рис.8 приведены зависимости отношения средней мощности привода курсового движения, затрачиваемой на нормальную деформацию грунта, определенную в отсутствии касательных сил реакций, к средней мощности привода, затрачиваемой на полную нормальную деформацию от средней скорости движения машины, а на рис. 9 показаны зависимости отношения мощностей, затрачиваемых на касательную деформацию грунта, вычисленные без учета влияния нормальных сил реакций и с их учетом от средней скорости движения машины. Из этих графиков видно, что взаимное влияние нормальных и касательных сил на энергозатраты, связанные с деформацией фунта, весьма значительно, и пренебрежение этим эффектом (например, при исследованиях параметров поворота и курсо-

вой устойчивости) может привести к значительным ошибкам при определении кинематических параметров машнны и потребляемых мощностей.

аз

о

Рис.8. Зависимость отношения средней мощности привода, затрачиваемой на нормальную деформацию фунта без учета касательных сил реакций к средней мощности привода, затрачиваемой на полную нормальную деформацию груша от скорости движения машины

а.?

\

X 1

с-* УЛ

Рис.9. Зависимость отношения средней мощности привода, затрачиваемой на касательную деформацию грунта, вычисленную без учета влияния нормальных сил к средней мощности привода, затрачиваемой на касательную деформацию с учетом влияния нормальных сил от средней скорости машины. Сила трения покоя: Т„ = N (1) и Тп = 0,6 N (2), N - нормальная реакция

При движении шагающей машины сила тяги реализуется на участках разгона-торможения машнны при движении по склону, а также прц равномерном движении в- -начальный момент касания ноги с грунтом. При программном прямолинейном равномерном движении машины на каждой опорной ноге реализуются касательные силы, величины и направления которых определяются требованием отсутствия колебаний корпуса машины.'

Если из значений коэффициента удельных энергозатрат, определенных при программном движении машины во время ее разгона, вычесть значения коэффициента удельных энергозатрат на поддержание сеча машины и учитывать затраты энергии

только для опорных ног, то полученные значения характеризуют энергозатраты на создание силы тяга.

В реальных условиях движения ШМ сила тяги является следствием деформации грунта в зонах взаимодействия движителей опорных ног с поверхностью. Максимально допустимая величина ускорения машины, при которой отсутствует проскальзывание опорных ног, определяется силой трения ног с грунтом. Зависимость максимального коэффициента удельных энергозатрат от величины относительного ускорения машины при разгоне в течении времени достижения относительной скорости Уота = 0.06 приведена на рис.10 (кривая 1). Зависимость 2 на этом же рисунке получена при моделировании программного движения, т.е. без учета жесткости грунта. Непропорциональный рост КУЭ при относительных значениях ускорения, больших 0.025, свидетельствует о росте потерь энергии на продольные колебания машины при приближении к резонансному значению скорости. Кривая 3 соответствует характеристикам движения ШМ при продольной жесткости грунта в 3 раза меньшей. Горизонтальные прямые (4) характеризуют значения КУЭ при пластической де-. формации грунта.

О. IS

0.1 cos о

as t.o t.s 2.0 аю1

Рис. 10. Зависимость коэффициента удельных энергозатрат от относительного ускоре-■ ния (относительная скорость Кота =0,06): 1, 3 - Сгр= 100 кН/м и 34 кН/м, соответственно; 2 - программное движение; 3 - вязко-пластичный грунт

При исследовании торможения ШМ в качестве тормозов использовались двигатели курсового движения, с помощью которых (с целью сохранения устойчивости) обеспечивались одинаковые замедления опорных стоек движителей машины. Энергозатраты привода курсового движения при исследованном способе торможения идентичны энергозатратам при разгоне ШМ.

Результаты расчетов движения машины вверх по склону показали, что когда корпус машины движется параллельно поверхности, коэффициент удельных энергозатрат растет пропорционально углу наклона опорной поверхности к горизонту. Для движения машины по реальному грушу сила тяги достигает своей предельной величины, и КУЭ стабшшзуруется на значении, зависящем от параметров сцепления ШМ с грузом и угла наклона опорной поверхности. Вследствие скольжения опорных ног относительно поверхности скорость машины уменьшается. На рис. 11 представлены зависимости отношения скорости машины к скорости опорной точки от угла наклона

поверхности и для различных значений реалогнческих параметров вязкоупругопла-стичной модели груша.

Уст

аз

г

о ю го

Рис. 11. Зависимость отношения средней скорости машины к относительной скорости опорной точки от угла склона: 1 - жесткость грунта 34 кН/м; 2 - 70'кН/м; 3 -187кН/м

Многоногая шагающая машина с индивидуальными приводами имеет структурную избыточность - число управляемых движений не соответствует числу степеней подвижности. В этом случае для реализации поворота машины возможно применение принципа пассивных связей (описан Умновым Н.В.), основанного на том, что каждый движитель обеспечивает движение опорной точки относительно корпуса по той траектории и закону движения, которые необходимы для реализации требуемого движения корпуса ШМ. Более простые законы управления приводят к осуществлению приближенного поворота или бортового поворота. Вследствие возмущений от сил инерции при переносе ног и эффектов, возникающих при чередовании фаз их-опоры и переноса, движение машины носит колебательный характер. Для стабилизации заданной траектории движения ШМ использовалось свойство механических систем с избыточностью, а именно, возможность синтеза законов распределения опорных реакций, оптимизирующих некоторый критерий и ограниченных значениями предельными по трению в опорах.

Бортовой поворот моделировался заданием различных относительных скоростей движения опорных точек шагающих движителей, расположенных по разные стороны от продольной оси симметрии машины. Чем больше эта разница, тем меньше радиус кривизны траектории центра масс ШМ. При разных направлениях векторов скоростей по бортам машины теоретически возможен поворот на месте.

Энергозатраты на поворот шагающей машины определялись по коэффициенту удельных энергозатрат (1). На рис.12 приведены зависимости КУЭ на криволинейное движение ШМ, осуществляемое управлением величин относительных, скоростей опорных точек движителей разных бортов в зависимости от их отношения и при различных значениях базовой скорости опорных точек одною из бортов. Значение X = 1 соответствует прямолинейному движению.

' <

-л -г -I о / г з у.Тл V»

Рис.12. Зависимость коэффициента удельных энергозатрат при бортовом повороте от отношения скоростей левого и правого бортов. Относительная скорость правого борта Упр = 0,5 м/с (1); Упр = 1 м/с (2); V,,,, = 1,5 м/с (3);° - экспериментальные значения

Приближенный поворот ШМ, осуществляемый кинематическим управлением моделировался заданием относительных траекторий и скоростей опорных точек шагающих движителей. В этих случаях движения направления векторов относительных скоростей опорных точек ног не изменяется по отношению к корпусу машины. С целью обеспечения статической устойчивости при криволинейном движении машины, ее походку необходимо изменить. При постоянной длине шага коэффициенты режима ног находятся в отношении, равном отношению косинусов углов наклона векторов скоростей точек крепления шагающих движителей на корпусе машины к ее продольной оси. В этом случае минимальный радиус поворота зависит от геометрических размеров машины и определяется максимально допустимым значением коэффициента режима, ограниченного мощностью двигателя привода переноса. Желание сохранить коэффициент режима вызывает необходимость уменьшить длину шага ног, имеющих меньшую относительную скорость в опорной фазе движения.

Результаты математических экспериментов показали, что среднеквадратичное отклонение траектории центра масс ШМ в проекции на горизонтальную плоскость, в зависимости от теоретической скорости центра масс и угловой скорости машины относительно собственной вертикальной оси для различных значений относительного радиуса поворота (отношения теоретического радиуса поворота к продольной базе машины р/£), не зависит от начальных условий вхождения многоногой машины в поворот. С увеличением относительной скорости опорных точек среднее квадратичное отклонение скорости центра масс и угловой скорости машины от их теоретических значений увеличивается.

Анализ полученных результатов дает основание утверждать, что вертикальные силы реакций опорной поверхности вследствие колебаний машины изменяются в достаточно большом диапазоне и влияют на кинематические и динамические характеристики криволинейного движения ШМ. Так при движении ШМ с теоретической скоростью центра масс 0.75 м/с и относительным радиусом поворота р'1 = 2, суще-

ствуют интервалы движения с проскальзыванием опорных ног по поверхности в момент резкого снижения нормальных реакций.

Энергозатраты при описанном способе управления криволинейным движением ШМ характеризуются зависимостями КУЭ (рнс.13 кривая 1) от относительного теоретического радиуса поворота машины. На этом же рисунке кривая 2 характеризует энергозатраты на осуществление приближенного поворота, рассчитанные при моделировании плоско-параллелыюго движения, т.е. без учета динамического характера изменения вертикальных реакций. Приведенные характеристики рассчитаны только для опорных ног, т.е. без учета энергозатрат на перенос ног.

( г э ¥ -у 7 ¿¡ь .

Рис.13. Зависимость коэффициента удельных энергозатрат привода курсового движения на поворот машины от относительного радиуса поворота: 1 - приближенный поворот; 2 - приближенный поворот - плоская модель; 3, 4 - кинематически точный поворот (V = 0,8; 1,5 м/с, соответственно)

Если центр масс ШМ движется с постоянной скоростью по окружности, скорости точек подвеса движителей зависят только от*йх положения относительно корпуса машины и являются постоянными. Так как критерием поворотливости машины служит минимальный радиус поворота, а также время и угол поворота с заданными постоянными радиусом поворота и скоростью центра масс, то в дальнейшем рассматривались тахие движения машины, при которых ее центр масс движется по окружности. Относительные траектории опорных точек ШМ в этом случае также являются окружностями. Система управления движением шагающих движителей при кинематически точном повороте проще, т.к. для статической устойчивости машины достаточно обеспечить нахождением в опоре необходимого числа ног на каждом борТУ-

Анализ результатов движения ШМ показал, что т случае организации криволинейного движения с целенаправленным изменением направления вектора скорости, поворот ШМ происходит более комфортабельно. На рис.13 (кривые 3,4) приведены зависимости КУЭ привода курсового движения при повороте ШМ, осуществляемого кинематически точным способом от относительного радиуса поворота при различных значениях скорости ципра масс машины. На рис. 14 приведены зависимости КУЭ привода поворота ШМ при приближенном и кинематически точном пово-

ротах от относительного радиуса поворота (без учета мощности, затрачиваемой на перенос).

/ аз

о.г

а/

Рис.14. Зависимость коэффициента удельных энергозатрат привода поворота от относительного радиуса поворота: 1 - приближенный поворот; 2 - кинематически точный поворот

Дгя исследования энергетических характеристик криволинейного движения ШМ с силовым управлением использовались уравнения программного движения. Так как эти уравнения записаны относительно проекций векторов скорости центра масс У0 корпуса ЩМ и его угловой скорости а на оса системы координат, связанной с корпусом машины, то и параметры программного криволинейного движения машины удобно задавать функциями ее квазнскоростей. Радиус кинематически точного поворота определяется заданием угловой скорости машины относительно собственной оси перпендикулярной плоскости движения и скоростью центра масс машины. На рис.15 приведены зависимости КУЭ приводов поворота и курсового движения при программном повороте ШМ от угловой скорости машины и различных радиусов поворота.

/ 03 02 а/

О «/ аг <ы а*

Рис.15. Зависимость коэффициента удельных энергозатрат приводов курсового движения (1 - 3) и поворота (4 - 6) от угловой скорости машины при программном повороте р/Ь = 5(1,4); р!Ь =3 (2, 5); р/Ь = 1 (3,6)

\

1 2 ^ 5 6 7 Л

Основные выводы п рекомендации

1. Математическая модель пространственного движения шагающей машины с индивидуальным электрогидравлическими приводами курсового движения, адаптации и поворота позволяет решать задачи динамического анализа, проводить проверку допустимости упрощающих предположений при выборе динамических моделей различной сложности, используемых для решения частных задач - поворота, устойчивости и т.д., а также определять энергозатраты на движение машины. Обобщенная динамическая модель периодического движения многозвенного механизм шагания с тремя степенями свободы, описывающая многообразие механизмов шагания в соответствии с их классификацией по сформулированным структурным признакам, учитывающая силы трения в сочленениях звеньев механизма, позволяет проводить количественную оценку 1гх энергетической эффективности, выявлять наиболее нагруженные в динамическом отношении звенья механизма и исследовать пути повышения его энергетической эффективности.

2. Энергетическую эффективность исследованных механизмов шагания при неравновесном установившемся движении возможно оценить с помощью циклового коэффициента, определяемого как отношение мощности фактора сопротивлений (за исключением сил трения) к мощности движущего фактора. Энергетическая эффективность механизмов шагания не зависит от весовой нагрузки, приходящейся на опорную стойку, уменьшается с ростом силы тяги и увеличивается с ростом скорости опорной пяты в фазе переноса.

3. Методика решения задачи распределения реакций в опорных ногах шагающей машины при задаваемых траекториях движения в пространстве состояний, основанная на решении обратной задачи динамики, позволяет определить требования к параметрам системы управления движением. При этом обеспечивается минимум мощности, затрачиваемой приводами на упругую деформацию фунта. При про-фаммном движении шагающих машин средне квадратичное отклонение управляющих сил меньше, чем средне квадратичное отклонение сил реакций опорных ног при естественном движении шагающей машины. Частотные характеристики управляющих сил совпадают со спектром частот вынуждающих сил инерции от переносимых масс механизмов шагздия, а также частотой смены опорных ног.

Движение ШМ по поверхности с микронеровностями сопровождается изменением коэффициента режима походки, что приводит к курсовой неустойчивости машины при ее естественном движении или к увеличению мощности управляющих сил при профаммном движении.

4. Установлено, что при движении шагающей машины по деформируемой поверхности энергозатраты распределяются на преодоление сил трения в кинематических парах механизмов шагания и трансмиссии, подъем - опускание и перенос ног, на работу сил тяжести при отклонении относительной траектории опорной точки шагающего движителя от прямолинейной в фазе опоры, деформацию фунта, разгон, торможение и поворот машины, а также на функционирование систем управления.

Анализ энергозатрат на работу сил тяжести машины показал, что коэффициент удельных энергозатрат не зависит от веса машины, скорости ее движения и коэффициента режима шагающего движителя, но растет с увеличением длины шага. Коэффициент удельных энергозатрат на перенос ног пропорционален квадрату скорости движения машины и уменьшается с увеличением длины шага. Анализ энергозатрат на нормальную и касательную деформацию грунта, а также влияние касательных сил реакций на энергозатраты в "нормальном направлении и нормальных сил на касательную деформацию, позволили оценить погрешности частных моделей П1М, используемых для расчета их характеристик при исследовании курсового движения, поворота и т.д. Энергозатраты на подъем-опускание ног пропорциональны квадрату величины их подъема и обратно пропорциональны квадрату времени переноса.

5. Исследования динамики и энергетики криволинейного движения шагающей машины по деформируемому грунту различными способами поворота: бортовым, приближенным и кинематически точным, дают основание утверждать, что вертикальные силы реакций опорной поверхности, вследствие колебаний машины, изменяются в достаточно большом диапазоне и влияют на кинематические и динамические характеристики движения ШМ при повороте. Движение ШМ в случае организации криволинейного движения с целенаправленным изменением направления вектора скорости происходит более комфортабельно, с меньшими энергозатратами.

Для обеспечения статической устойчивости движения машшш при повороте необходимо изменить походку машины одним из способов: заданием различных коэффициентов режима или заданием различной длины шага опорных ног. Организация системы управления движением шагающих движителей при кинематически точном повороте проще, чем при приближенном.

6. Реализована возможность повышения энергетической эффективности шагающих движителей и снижения пиковых значений потребной мощности, обусловленных фазами разгона и торможения звеньев механизма в фазе переноса опорной стойки, с помощью рекуперации энергии за счет введения в конструкцию движителя нелинейных упругих связей, обладающих интервалами перемещения с отрицательной жесткостью. Применение описанных рекуператоров позволяет эффективно использовать мощность приводного двигателя в широком диапазоне скоростей движения LLLV1 и увеличивает эффективность движителей. Конструкции движителей с рекуператорами защищены патентами РФ.

7. Проведенные исследования, расчеты и анализ схемных решений позволила сформулировать требования к макетному образцу шагающей транспортной машины, на основании которых разработана и изготовлена полномасштабная транспорта; машина грузоподъемностью 3 т.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:.

1. Жога В.В., Кичеева Л.М. Полная модель динамики шагающей машины // V Lv-есооюзный съезд по теоретической и прикладной механике.- М.: Наука, 1986.-С.278—279.

2. Жога B.B. Действие и использование законов развтия техники на примере машины с шагающим движителем // Применение законов развития и строения техники в поисковом конструировании.-'Волгоград, 1987,-С.72-78.

3. Жога В.В. Динамическая модель управления движением многоприводной шагающей машины //1 Всесоюзная конференция по механике и управлению движением шагающих машин - Волгоград, 1988.-С.38-39.

4. Жога В.В. Исследование динамики шагающего движителя // Совершенствование средств и методов расчета изделий машиностроения,- Волгоград, 1988 - С.67-68.

5. Жога В.В. Динамическая модель пространственного движения многоногой шагающей машины / Деп. в ВИНИТИ. 1989. № 2241-В89. - 47 С.

6. Жога В.В. К оценке эффективности шагающих движителей // Теория механизмов и машин. № 47.- Харьков, 1989- С.3-7.

7. Жога В.В. Система управления движением шагающей машины с индивидуальными приводами // Механика и управление движением шагающих машин. № 1.-Волгоград, 1990.-С.39-45. "

8. Жога В.В. Адаптивная система управления движением шагающей машины // И Всесоюзная конференция по механике и управлению движением шагающих машин-Волгоград, 1992,- С.16.

9. Закуров С.А., Жога В.В. Моделирование односторонних- связей в упругих системах при использовании метода конечных элементов // Известия вузов. Машиностроение. № И,- 1985-С.14-17.

10. Соболев В.М., Жога В.В., Беневоленский В.Ф., Ковташок С.Б. Математическое моделирование управления движением многоногой шагающей машины // V Всесоюзное совещание по робототехническим системам. 4.2.- М., 1990. - С. 130.

11. Соболев В.М., Сливин Ю.А., Жога В.В. и др. Анализ компоновочных решений шагающего трактора / Деп. в ЦНИИТЭИ Тракторосельхозмаш. 1993. № 1552-. ТС93.- 37 с.

12. Соболев В.М., Сливин Ю.А., Жога В.В. и др. К выбору рациональных конструктивных параметров механизмов шагания / Деп. в ЦНИИТЭИ Тракторосельхозмаш. 1993. № 1551-ТС93,- 12 с. ■

13. Жога В.В., Горобцов A.C., Белуха В.Ф. Исследование динамики движения многоногой шагающей машины / Деп. в ВИНИТИ. 1993. № 3184-В93. - 23С.

14. Жога В.В., Григорян Г.Г. Исследование оптимальных резонансных режимов исполнительных механизмов с переменными параметрами // Всесоюзная конференция по вибрационной технике.- Тбилиси, 1987.- С.25.

15. Жога В.В.«Энергетические характеристики программного движения многоприводной шагающей машины // Механика и управление движением шагающих машин. Вып.2.- Волгоград, 1995 - С.61-67.

16. Жога В.В., Дудкин А.Г. Динамика механизма шагания в виде эллиптического прямила // Механика и управление движением шагающих машин. Вып.2.- Волгоград, 1995,-С.68-73.

17. Жога В.В., Сливин Ю.А. Оценка шагающих движителей на основе рычажных механизмов // Механика и управление движением шагающих машин. Вып.2,-Волгоград, 1995.-С.74-79.

18. Брискин Е.С., Жога В.В., Черкасов В.В., Шерстобитов С.В. Шагающие движители для ВПМ ЛП-19В // Теория проектирования и методы расчета лесных и деревообрабатывающих машин.-М.,1996,- С.120-121.

19. Жога В.В. Численные методы оценки энергозатрат шагающей машины // III Всероссийская конференция по механике и управлению движением машин.- Волгоград, 1995.-C.I0.

20. Жога В.В. Динамическая модель грунта при циклическом нагружении // Реология, процессы и аппараты химической технологии: Межвуз. сб. научных трудов.- Волгоград. Изд-во ВолгГТУ, 1996.- С. 142-146.

21. Жога В.В. Система показателей качества шагающих транспортных машин // Инженерный журнал. № 5. - М.: Машиностроение, 1997.- С.21-28.

22. Zhoga V.V. Computation of Walking Robots Movement Energy Expenditure // Proc. 1998 IEEE Internationa! conference on Robotics and Automation, Leuven, Belgium, Vol. l,p. 163-168, 1998.

23. A.c. 1669134 СССР, МКИ2 В62Д 57/02. Шагающий движитель транспортного средства / Жога В.В., Соболев В.М., Флейтман Я.Щ.

24. А.с. 1501446 СССР, МКИ2 В62Д 57/02. Шагающая машина / Брискин Е.С., Жога В.В., Рогаткин В.А.

25. А.с. 1776602 СССР МКИ2 В62Д 57/02. Шагающий движитель / Жога В.В., Тонконогов А.Н.-1992. Бюл.К 43.

26. Патент РФ 2003565 РФ, С1 В62Д 57/032. Шагающее транспортное средство / Соболев В.М., Брискин Е.С., Григорян Г.Г., Жога В.В. и др.

27. Патент РФ 2003566 РФ С1 В62Д 57/032. Шагающий движитель транспортного средства / Жога В.В., Прицкср В.Д.

28. Динамика механизмов и транспортных средств на базе движителей дискретно-импульсного типа // Волгогр. политехи, ин-т. - 1985, №-ГР 01840076472, 170 с.

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Волгоградский государственный технический университет

На правах рукописи УДК 531.8

Жога Виктор Викторович

ПРОБЛЕМЫ ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОНОГИХ ШАГАЮЩИХ МАШИН

01.02.01 - теоретическая механика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Президиум БАК России; \\ присудилученую степень Д(

________

- - С Л '!.-'

Волгоград 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ....................................................... б

1. Актуальность работы ........................................ б

2. Структура шагающих машин.................................. 10

3. Цель, основные задачи и содержание работы ................. 17

1 .. АНАЛИЗ КИНЕМАТИЧЕСКИХ М ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЗМОВ ШАГАНИЯ И СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ШАГАЮЩИХ

* » л т?тт лтт О Л

МАШЙП..................................................... С. А

1.1. Анализ шагающих механизмов с одной степенью свободы ..... 25

1.2. Классификация кинематических схем шагающих движителей

на основе рычажных механизмов ...........................35

1.3. Анализ расчетных схем шагающих механизмов ...............58

1.4. Анализ схемных решений шагающей машины .................. 60

1.5. Влияние способа поворота на структурную схему

шагающей машины .........................................63

1.6. Формирование габаритных размеров шагающей машины ........ 67

1.7. Система показателей комплексной оценки шагающих машин ... 71

1.7.1. Показатели эффективности шагающих машин ............... 72

1.7.2. Тяговые и энергетические показатели ШМ ................ 73

I

1.7.3. Тормозные свойства ШМ...................................75

1.7.4. Устойчивость шагающих машин ...........................78

1.7.5. Маневренность шагающих машин —..........................80

1.7.6. Комфортабельность движения шагающей машины ........................83

1.7.7. Проходимость ИМ .......................................86

1.7.8. Надежность .................................*..........88

1.7.9. Программно-технологические и общетехнические показатели ............................................89

1.7.10. Эргономические и экологические показатели................91

2. ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ДВИЖЕНИЯ

МНОГОНОГОЙ ШАГАЮЩЕМ МАШИНЫ ................................ 96

2.1. Обоснование расчетной схемы ............................. 98

2.2. Уравнения движения корпуса .............................. 98

2.3. Уравнения движения шагающих механизмов ..................................103

2.4. Определение реакций опорной поверхности ................................108

2.5. Частные модели динамики движения шагающей машины ..............121

2.5.1. Установившееся движение корпуса шагающей машины ............122

2.5.2. Движение шагающей машины без учета массы шагающих движителей .....................................................122

2.5.3. Плоское движение шагающей машины ...........................123

2.6. Определение спектра собственных частот шагающей

машины ...............................................................125

2.7. Динамика движения двенадцатиногой шагающей машины ............127

2.7.1. Динамика корпуса шагающей машины .......................130

2.7.2. Модель шагающего движителя на основе прямолинейно-направляющего механизма .......................;..............135

2.8. Алгоритмы и программы расчетов на ЭВМ динамики движения шагающей машины ..................................................142

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ МЕХАНИЗМОВ ШАГАНИЯ И АНАЛИЗ

ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ЭФФЕКТИВНОСТИ ..........................................152

3.1. Методика оценки энергетической эффективности

шагающих движителей ................................................155

3.2. Обобщенные уравнения кинетостатики механизма шагания ... 157

3.3. Основные результаты оценки эффективности

шагающих движителей ...................................'. 160

3,4. Уравнения процессов управления шагающими движителями ... 169

3.4.1. Система управления приводом курсового движения ..............169

3.4.2. Привод адаптации ...............................................185

3'.5. Использование рекуператоров механической энергии для

повышения эффективности шагающих движителей .....................189

4. ДВИЖЕНИЕ ШАГАЮЩЕМ ТРАНСПОРТНОМ МАШИНЫ ПО

ПРОГРАММНЫМ ТРАЕКТОРИЯМ ....................................................................206

4.1. Распределение реакций при движении ШМ ....................................206

4.2 Уравнения программных движений...................... — . 216

4.3. Уравнения возмущенного движения шагающей машины ................225

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ШАГАЮЩИХ МАШИН ......................................240

5.1. Безразмерная форма дифференциальных уравнений движения шагающей машины ......................................................240

5.2. Структура энергозатрат шагающей машины ..................247

5.2.1. Энергозатраты на поддержание веса машины .............250

5.2.2. Энергозатартн на перенос ног .......................................256

5.2.3. Энергозатраты на подъем - опускание ног ..............257

5.2.4. Энергозатраты, связанные с деформацией грунта ................257

5.2.5. Энергозатраты на разгон и торможение шагающей

машины ...............................................269

5.2.6. Энергозатраты при повороте шагающей машины ......................277

5.2.7. Энергозатраты на создание управляющих сил .............297

ОСНОВНЫЕ вывода И РЕКОМЕНДАЦИИ.............................. 303

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................337

П1. Программа расчета пространственного движения шагающей

МЗШКНЫ ...................................................иии

П2. Программа расчета прграммного движения шагающей

машины ..............................................................360

ПЗ. Порядок ¿шода исходных данных для программ расчута

движения шагающей машины .......... ............................................38 и

П4. Программа расчета .динамики механизмов шагания и

коэффициента их энергетической эффективности ............ 392

ПЬ. Частотные спектры шагающих машин .............................401

116. Акты внедрения ........................................................................409

п'т.гтт.тг! л -Т1Л 7 "р> д О Г~\ГТ

Лп 1 ГА ................. а...,,...».. ...................................ии (

Введение

1. Актуальность работы

С середины бО-х годов значительно выросло количество работ,

посвященных обоснованию потребности разработки[8,9,27,44-46,89, 94,117,126,137,141,181,184,201,211,222,239^*355,271], методам исследования динамики [4,7,28,32,33,40-43,47,53,59,64,70-74,78-80,

1

92, 100-102,108,¡111,119,125,136,153,154,166,175,177,179,182,197, 204,207,213-215,252,263,2653 и управления 125,38,39,48,55,57,65-69,77,84,85,88,90,97,105,116,120-122,123,132,155-158,163,178,183, 185,186,188,196,244,246 - 248,250,254,266,268,£723 движением, а также методам расчета [26,140,170,171,191,194,195,200,212,2733 и проектирования И 0^-24,49,52,104,112,115,131,141,142,148,162, 167, 180,189,190,216,217,221,223,230-234,241,2743 транспортных и технологических машин с шагающими движителями. Предполагается, что такие положительные качества шагающего движителя, как высокая адаптация к неровностям опорной поверхности [15,18,46,873, принципиально более высокая маневренность, допускающая перемещение машины в произвольном направлении и повороты на месте [29,42,52, 81,199,213,223,238,241,2433, опорная проходимость по грунтам с низкой несущей способностью [34,41,45,179,211,244,2453, возможность комфортабельного движения [27,69,77,91,97,143,165,1743, позволят шагающим машинам (ШМ) занять свою нишу в системе машин, используемых в хозяйственной деятельности человека.

В настоящее время считается достаточно обоснованной перспективность использования шагающих машин для транспортировки грузов, например, для доставки крупнотоннажного негабаритного

>

оборудования буровых платформ, газгольдеров, ректификационных колонн и другой техники в малоосвоенных районах в условиях бездорожья [27,53,89,91,104].

Предполагается использовать шагающие машины для ликвидации последствий техногенных катастроф [89,181], в военных целях [1843.

Известны проекты применения информационных шагающих роботов при проведении исследований на поверхности планет солнечной системы [126,141,191].

Все более острей становится проблема переуплотнения и разрушения плодородного слоя почвы колесными и гусеничными движителями машин, используемых для обеспечения интенсивных технологий в растениеводстве и лесозаготовках [45,46,137,201,222, 239]. Легко ранимый колесом или гусеницей почвенный покров почти не имеет свойств самовосстановления.

Шагающий харвестер разработан'д финской научно - исследовательской фирмой "Плюстех" при участии специалистов Тимберджека.

Прошла испытания дождевальная машина "Кубань" с шагающими движителями [441. В настоящее время в Волгоградском государственном техническом университете изготовлен образец шагающей транспортной машины грузоподъемностью 3 т.

Однако столь ярко проявившиеся потребности не привели до сих пор к созданию достаточной гаммы действующих шагающих машин [78, 184]. Трудности, связанные с проведением в жизнь идеи активного и целесообразного передвижения с.л использованием шагающего движителя, оказались существенными и связанными с необходимостью управления большим числом степеней свободы, обеспечивающих требуемые кинематические и динамические параметры шагающих устройств [64,71,78,87].

В настоящее ; время предложено много различных схем шагающих машин [10,11, 21-24,37,50,56,82,84,87,91,94,112,117,126,127,139, 142,148,162,180,184,189,201,218,234,236,252,256,257,259,264,2671. Конкретное исполнение шагающего движителя и применение той или иной степени ; автоматизации управления движением шагающей

I 'Л

машины зависит, в первую очередь, от назначения машины и условий ее применения. Информационные роботы, работающие в экстремальных

7

условиях, должны использовать сложные бортовые вычислительные комплексы [481, тогда как для технологических шагающих машин применение их нецелесообразно [44-461. Так же можно оценить и требования к техническим характеристикам шагающих машин. Машины, предназначенные для транспортировки аппаратуры, должны обладать большей комфортабельностью движения, " тогда как машине, применяемой в качестве тягового органа на пашне [2011, такие требования не предъявляются. Разная степень маневренности требуется для информационного автомата и для хлопкоуборочного комбайна на шаговой шасси, работающего практически прямолинейно [141,1841.

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства шагающих машин, различное сочетание и варьирование которых приводит к техническим заданиям на проектирование шагающей машины конкретного назначения, относятся [1041:

- тяговые и энергетические показатели;

- проходимость всех видов (опорная профильная, комбинированная);

- маневренность;

- устойчивость; *

- грузоподъемность (с учетом специфики перевозимых грузов);

- комфортабельность движения;

- структура системы управления;

- наличие дополнительных технологических функций.

Разработка вйедорожного транспортного средства, обладающего более высокой грунтовой проходимостью, определяется необходимостью перемещения объектов больших весов и габаритов по грунтам с низкой: несущей способностью. Использование традиционных транспортных машин для размещения на них объектов весом во много десятков или сотен тонн в таких условиях крайне затруднено. Так как на мягком грунте колесо, погружаясь в почву, оставляет глубокую колею, что в сочетание со значительной работой по деформации грунта приводит к резкому увеличению сопротивления движению. Шагаюпдай же движитель, проваливаясь в грунт, не ухудшает своих тяговых характеристик. В то же время, содержание научных, конструкторских и технологических работ [10-26,30,31,41, 51,56,63,87,98,148,173,177,234,255], позволяет разработать реальную конструкцию транспортного средства с шагающими движителями значительной (свыше 100 т) грузоподъемности, ко развивающего ;удельное давление на грунт не более 5 10~2 МПа и не

оставляющего сплошной колеи, что важно как для выполнения

ч

транспортной функции, так и для защиты окружающей среды, ее почвенного покрова..

Концепцию транспортной машины с шагающими движителями можно сформулировать следующим образом. Шагающая транспортная машина должна иметь возможности, не уступающие традиционным транспортным машинам, она должна вписываться в инфраструктуру существующего транспорта, т.е. ее технические и эксплуатационные характеристики, кроме параметров проходимости, маневренности и скорости, должны быть сравнимы с." соответствующими

характеристиками транспортных машин аналогичной грузоподъемности

и габаритов.

В то же время, основные . параметры проходимости, маневренности и устойчивости шагающей машины (высота преодолеваемых препятствий, минимальный радиус поворота, углы съезда и въезда, угол боковой устойчивости) должны быть принципиально выше, чем у традиционных транспортных машин.

Скорость передвижения шагающей•машины значительно ниже, чем у колесных машин и ограничена 10 км/час [76]. Более высокая скорость, по-видимому, не нужна, учитывая особенности областей применения шагающих машин-. Если шагающая транспортная машина решит поставленную задачу, например, соскоростью 5 км/час, в условиях, где колесные и гусеничные машины достигнут критерия предельного уровня проходимости (скорость их передвижения равна нулю), то экономическая целесообразность таких скоростей в реальных условиях перемещения несомненна.

Основным режимом движения таких машин является условно прямолинейное движение' с радиусом поворота более 1000 м, по практически горизонтальной поверхности с малыми неровностями и препятствиями, имеющими размеры, превышающие базу машины. Эти машины целесообразно оснащать механизмами шагания, работающими по шаговому циклу с регулируемыми параметрами и обеспечивающими адаптацию в: микронеровностям и поворотливость машины.

2. Структура шагающих транспортных машин

Основными функциональными частями шагающей транспортной машины; обеспечивающими осуществление механических перемещений тру-

\

зов являются механическая система (корпус машины, трансмиссия, шагающие механизмы, приводные двигатели) и двухуровневая система управления движением машины.

Для шагающих транспортных машин большой грузоподъемности характерно наличие длинной базы, что затрудняет применение механической трансмиссии. Статическая устойчивость машины при движении обеспечивается достаточно большим (до 12) количеством шагающих движителей. Высокая маневренность шагающей машины и ее адаптация к неровностям поверхности может быть достигнута применением шагающих движителей с тремя степенями свободы.

Шагающий движитель состоит из следующих узлов: механизмов шагания (МШ); приводов курсового движения, поворота, адаптации; системы управления приводами. С целью уменьшения веса звеньев механизма шагания приводные двигатели и редукторы должны размещаться на корпусе машины.

Опыт конструкторско-экспериментальных работ [21,44,46,50,53, 85,115,189,216,241] показал, что для шагающих транспортных машин большой грузоподъемности в качестве двигателя привода курсового

1 I

движения целесообразно использовать электродвигатель [2023, а в приводах системы адаптации и поворота - гидравлические двигатели. Это утверждение основывается как на анализе известных конструкторских решений шагающих механизмов [180,241,264,2721, так и на исследованиях характера движений звеньев механизмов шагания при осуществлении тяги, адаптации и поворота машины. На рис.В.1. показана функциональная схема шагающей транспортной машины.

Для разработки технического задания на шагающую транспортную машину требуется определить основное назначение, условия

с

НС с

ч

в

эдпг |—

эг ЭД/1А —

— эдсп —

МШ

гн

гм

МА

ЛУ~]—| ГМ |—| мсп\

Рис.В.1. Функциональная схема шагающей машины. ИЭ - источник энергии (двигатель внутреннего сгорания, дизельный двигатель, газотурбинный двигатель); ССЧВ - система стабилизации частоты вращения генератора; 3Г - электрогенератор; ЭДПТ - электродвигатель привода тяги; ЗДТА - электродвигатель привода адаптации; ЗДЗП - электродвигатель системы поворота; МШ - механизм шагания; ГО - гидронасос; ГМ - гидрсмотор; МА - механизм адаптации; МСП - механизм системы поворота

эксплуатации, технические характеристики, показатели качества, специальные требования, предъявляемые к проектируемой машине. Для выбора параметров двигателей необходимо разработать

математическую модель шагающей машины, позволяющую учитывать влияние этих параметров на эксплуатационные качества проектируемой машины в разнообразных внешних условиях [206].

Обеспечение заданных эксплуатационных свойств шагающей машины требует развитой системы управления. По функциям, структуре и алгоритмам системы управления ШМ можно разбить на нижний и верхний уровни [120,123]. Нижний уровень системы управления с помощью следящих систем реализует программные траектории опорных точек шагающих механизмов. Верхний уровень системы управления обеспечивает решение поставленной задачи движения [253]. Этот уровень задает тип походки, клиренс машины, параметры шагового цикла. Направление и скорость движения задаются оператором.

Для шагающих транспортных машин опорной проходимости основным режимом движения является маршевый режим [89], для которого характерно почти прямолинейное движение по слабонесущей поверхности с небольшими уклонами. С целью достижения максимальной скорости движения машины при минимальном удельном давлении на грунт, необходимо обеспечить такие движения звеньев механизма шагания, которые позволяют в каждый момент времени находиться в опоре наибольшему числу опорных стоек шагающих движителей. Требуемые движения звеньев механизмов шага ния можно обеспечить как выбором программного управления (законом изменения вход