В Поволжском государственном технологическом университете по заказу ряда рыбопромышленных организаций Каспийского бассейна выполнены НИОКР по созданию амфибийных транспортных машин, предназначенных для грузопассажирских перевозок при подлёдном лове рыбы в дельте реки Волги и промысле тюленей на Северном Каспии в зимнее время. В этот период Северный Каспий покрыт тонким непрочным льдом, имеющим большое количество трещин и промоин. Встречаются большие участки битого льда с водой и участки открытой воды. В подобных условиях ни один из традиционных наземных или водных видов транспорта работать не может. Указанные чрезвычайно тяжелые условия эксплуатации обусловили большую техническую сложность создания машин.
В результате выполнения темы в университете были разработаны, изготовлены и испытаны в производственных условиях первые образцы таких машин («Каспий»). Их эксплуатация показала, что наиболее характерным и тяжелым режимом движения является выход амфибии в полностью груженом состоянии из воды на лед. Этим режимом фактически определяются основные характеристики движительной установки машины: установленная мощность двигателя и величина максимального тягового усилия воздушного винта. От указанных параметров прямо зависит топливно-энергетическая экономичность машины. Производственная эксплуатация амфибий «Каспий-1» и «Каспий-2» показала, что величины энергетических затрат, необходимых для осуществления наиболее тяжелого режима движения (выхода полностью груженой машины из воды на лед), в значительной степени зависят от формы продольного профиля машины, в том числе профиля ее носовой части, а также ряда других параметров: массы машины, координат центра тяжести, расположения воздушного винта [5].
На основании результатов производственной эксплуатации был проведен анализ указанного наиболее тяжелого режима движения, показавший, что продольный профиль машин «Каспий-1» и «Каспий-2» не является оптимальным и может быть изменен с целью минимизации энергетических затрат. В результате анализа были определены требуемые для этого геометрические параметры (обводы) продольного профиля его носовой части, а также координаты центра тяжести амфибии. С целью уточнения полученных аналитическим путем результатов и подтверждения их достоверности был выполнен комплекс необходимых экспериментальных исследований.
Рис. 1. Схема опытного определения силы T на модели: 1 – динамометр ДОР – 0,02; 2 – модель
Цель исследования – обоснование оптимальных конструктивных параметров амфибийной транспортной машины с аэродинамическим движителем: формы продольного профиля и расположения центра тяжести с целью минимизации эксплуатационных энергетических затрат.
Задачи исследования:
1. Обосновать оптимальную форму продольного профиля амфибийной транспортной машины с аэродинамическим движителем.
2. Обосновать выбор положения центра тяжести амфибийной транспортной машины с аэродинамическим движителем.
3. Провести экспериментальные исследования для проверки результатов расчетов и для получения объективной картины взаимосвязи изучаемых параметров.
Материалы и методы исследования
Поиск оптимальной формы продольного профиля проводился по двум направлениям:
1) в предположении, что профиль носовой части амфибии описывается степенной функцией с показателем степени z, определялось оптимальное значение z;
2) определение длины носовой части – размера b.
Для оценки влияния положения центра тяжести амфибии в сочетании с весовыми характеристиками был произведен расчет процесса выхода из воды на лед четырех вариантов амфибии:
1. G = 5400 Н; μc = –0,66 м; νc = 0,25 м.
2. G = 3000 Н; μc = –0,5 м; νc = 0,15 м.
3. G = 3900 Н; μc = –0,49 м; νc = 0,24 м.
4. G = 4500 Н; μc = –0,68 м; νc = 0,19 м.
где G – сила тяжести, приложенная в центре тяжести C амфибии, μc, νc – координаты центра тяжести C в подвижной системе координат μО1ν [5].
Экспериментальные исследования проводились для проверки результатов расчетных работ и получения объективной картины взаимосвязи изучаемых параметров (рис. 1).
Объектом испытаний была модель амфибийной транспортной машины с аэродинамическим движителем «Каспий-2М», изготовленная в масштабе 1:2 (длина – 1,5 м; ширина – 0,6 м; высота борта – 0,19 м). Испытания проводились на чистом льду при температуре окружащего воздуха t = +3 °C для двух форм носовой части амфибии.
Измерялись следующие параметры:
– положение центра тяжести модели;
– сила сопротивления троганию с места;
– сила сопротивления движению;
– сила сопротивления при выходе модели из воды на лед.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты исследований по выявлению оптимальной формы продольного профиля по направлениям представлены на рис. 2 и 3.
Выбираем значение z = 3, размер b = 0,98 м.
Результаты расчетов процесса выхода из воды на лед четырех вариантов амфибии приведены на рис. 4.
Результаты экспериментальных исследований (измерения параметров) представлены в сводных табл. 1 и 2.
Рис. 2. Зависимости Ti = Ti(μk) при различных значениях z
Рис. 3. Зависимости Ti = Ti(μk) при различных значениях размера b
Таблица 1
|
Положение центра тяжести модели xc, м |
0,37 |
0,47 |
0,57 |
0,77 |
|
Сила сопротивления троганию с места, Н |
41,2 |
37,3 |
53,0 |
38,2 |
|
47,1 |
34,3 |
45,1 |
46,1 |
|
|
40,2 |
39,2 |
41,2 |
46,1 |
|
|
51,0 |
48,0 |
35,3 |
31,4 |
|
|
Сила сопротивления движению, Н |
11,8 |
18,6 |
15,7 |
21,6 |
|
15,7 |
19,6 |
23,5 |
17,7 |
|
|
17,7 |
14,7 |
19,6 |
19,6 |
|
|
14,7 |
15,7 |
21,6 |
25,5 |
Рис. 4. Расчет вариантов 1–4 выхода амфибии из воды на лед
Таблица 2
|
Положение центра тяжести модели xc, м |
0,54 |
0,67 |
0,74 |
0,80 |
0,86 |
|
|
Сила сопротивления при выходе модели из воды на лед, Н |
Новая форма носовой части амфибии |
49,0 |
58,8 |
51,0 |
63,7 |
70,6 |
|
44,1 |
49,0 |
49,0 |
68,6 |
73,5 |
||
|
53,9 |
53,9 |
58,8 |
68,6 |
70,6 |
||
|
49,0 |
53,9 |
51,0 |
63,7 |
73,5 |
||
|
Старая форма носовой части амфибии |
53,9 |
58,8 |
68,6 |
78,4 |
83,4 |
|
|
53,9 |
58,8 |
63,7 |
68,6 |
78,4 |
||
|
53,9 |
53,9 |
68,6 |
73,5 |
73,5 |
||
|
53,9 |
53,9 |
63,7 |
73,5 |
78,4 |
||
Выводы
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.
1. При новой форме носовой части модели амфибийной транспортной машины с аэродинамическим движителем «Каспий-2М» сила сопротивления при выходе амфибии из воды на лед меньше, при этом оптимальная центровка лежит в пределах 540 < xc < 800 мм, что соответствует на натурном образце 1080 < xc < 1600 мм.
2. При движении модели по ровному льду влияние положения центра тяжести на силу сопротивления не выявлено.
На основании результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований была проведена модернизация амфибий «Каспий-2» и изготовлена опытная партия амфибий с улучшенными параметрами «Каспий-2М». Амфибии были переданы заказчику для промышленной эксплуатации. Эксплуатация этих машин на Северном Каспии значительно повысила производительность труда промышленников, сделала его менее опасным для жизни и более легким физически. Амфибии «Каспий-2М» были приняты к серийному производству и изготавливались на Астраханском судостроительном заводе.