Имитационное моделирование движения быстроходной гусеничной машины с независимым гидрообъёмным механизмом поворота

Известна кинематическая схема дифференциального механизма поворота (МП), примененная на основных современных боевых танках и машинах пехоты «Абрамс», «Леопард-2», «Челленджер», БМП «Мардер», БМП-3 [1,2].

Несмотря на очевидные преимущества этих механизмов поворота им присущи и недостатки, главным из которых являются высокие требования к установочной мощности гидрообъёмной передачи (ГОП) [3], невозможность маневрирования на тяжелых грунтах с малыми радиусами, снижение управляемости при резком изменении кривизны траектории движения на высоких скоростях и больших радиусах. В традиционной дифференциальной схеме вся мощность, затрачиваемая на поворот, проходит через ГОП. Считается доказанным, что установочная мощность ГОП должна равняться мощности двигателя [4].

Для устранения указанных недостатков в машинах применены различные технические решения, направленные на помощь ГОП другими механизмами, например гидромуфта механизма поворота в «Леопарде-2» и БМП «Мардер», блокировочный фрикцион ГОП в опытных отечественных машинах.

Авторами предложено изменить кинематическую схему механизма поворота таким образом, чтобы при входе в поворот несколько снижалась скорость машины, что благотворно сказывается на тяговом балансе [5] и на управляемости быстроходной гусеничной машины (БГМ) [6], а также уменьшить долю мощности, затрачиваемой на поворот, проходящей через ГОП.

Имитационная модель, опубликованная в работах [7-9], позволила провести исследование поведения БГМ в условиях наиболее тяжелых для механизма поворота. Таковым является поворот вокруг отстающей гусеницы, когда от ГОП требуется наибольшая скорость вращения мотора и наибольшее давление одновременно. Именно этот режим поворота формулирует требования к установочной мощности ГОП [10].

Для сравнения взяты две машины - БМП-3 (рис. 1) и се двойник с независимым механизмом поворота (рис. 2), у которого забегающий борт в повороте не ускоряется, что снижает скорость геометрического центра машины и, уменьшает мощность ГОП, требуемую для поворота. Движение обеих машин в повороте осуществляется с одинаковыми параметрами: радиус 3,2 м, скорость 3,2 м/с, что соответствует первой передаче БМП-3 и движению вокруг отстающей гусеницы. Коэффициент сопротивления повороту д = 0,7, коэффициент сцепления гусеницы с грунтом ф = 0,7.

Целевая функция исследования: чем меньше мощность, проходящая через ГОП при повороте вокруг остановленной гусеницы при одной и той же скорости, тем совершеннее механизм поворота.

Рис. 1. Кинематическая схема БМП-3

Рис. 2. Кинематическая схема машины с независимым гидрообъемным механизмом поворота

Для достижения одинаковых условий поворота пришлось в независимой схеме включить вторую передачу с передаточным числом 2,2 и изменить согласующий редуктор между солнечной шестерней суммирующего планетарного механизма отстающего борта и мотором ГОП, назначив ему передаточное число 2,1 вместо прежних 3,92.

Четыре результирующих графика изображены на рис. 3, 4.

Рис. 3. Давление и скорость мотора ГОП для дифференциального механизма поворота

Рис. 4. Давление и скорость мотора ГОП для независимого механизма поворота

Подача ГОП одинакова и максимальна в обоих расчетах, скорости моторов ГОП максимальны и равны 340 рад/с. Разница в давлениях как в переходный период, так и в установившемся повороте: 0,35 от максимума у БГМ с независимым МП и 0,7 - у БМП-3. Это полностью согласуется с результатами статических оценок, проведенных ранее [И, 12]. Мощность, проходящая через ГОП, у БГМ с бортовым МП в 2 раза меньше, чем у БМП-3.

Главный интерес имитационного моделирования состоит в оценке переходного процесса. Из рис. 3, 4 видно, что перегрузка ГОП по давлению для независимого МП в 2 раза меньше по времени, а время переходного процесса сократилось с 3,2 с у БМП-3 до 1,8 с у независимого МП. Уместно напомнить, что для БГМ 1 с времени в данных расчетах - это 3,2 м пройденного пути, а при максимальной скорости - 20 м.

Таким образом, показано, что математическая модель не противоречит статическим оценкам и может быть использована для оценки динамических процессов в новом бортовом гидрообъем-ном механизме поворота, перспективном с точки зрения снижения требований по установочной мощности ГОП.

Большой интерес представляет движение по тяжелым грунтам. Для различных pmaX проведено несколько вариантов расчета, в которых pm^ = 0,7; 0,9; 1 соответственно. Результаты сведены в табл. 1.

Сравнительный анализ приведенных в таблице результатов свидетельствует о том, что на тяжелых грунтах БМП-3 не может поворачивать, в ГОП срабатывают предохранительные клапана, мотор ГОП не развивает нужных оборотов, нарушается заданная штурвалом траектория. В отличие от БМП-3 БГМ с независимым МП устойчиво проходит заданный маршрут, полностью подчиняясь водителю.

Таблица 1

Параметры установившегося движения БМП-3 и БГМ с независимым гидрообъемным механизмом поворота при ртах = 0,7; 0,9; 1

	Относительное давление ГОП	Скорость мотора, рад/с	Радиус, м	Скорость центра тяжести, м/с
БМП-3	0,7; 0,92; 1	340;310; 250	3,21; 3,58; 4,8	3,2; 3,18; 3,18
БГМ с независимым МП	0,35; 0,55; 0,65	340;330; 330	3,21; 3,58; 3,71	3,2; 3,15; 3,14

Так как часто односторонний анализ движения при малых скоростях противоречит кинематике или силовым параметрам движения при больших скоростях, то дополнительно оценено движение на большой скорости (табл. 2).

Таблица 2

Параметры установившегося движения БМП-3 и БГМ с независимым гидрообъемным механизмом поворота при ртах = 0,7 при скорости 17 м/с

	Относительное давление ГОП	Скорость мотора, рад/с	Радиус, м	Пиковое давление ГОП
БМП-3	0,23	100	77	0,5
БГМ с независимым МП	0,13	-106	75	0,35

Выводы

• 1.    Предложенный авторами независимый гидрообъемный механизм поворота позволяет БГМ поворачивать в сложных грунтовых условиях, где с задачей не справляется дифференциальный МП БМП-3.

• 2.    В равных условиях поворота с радиусом 3,2 м близким к повороту вокруг отстающей гусеницы с одинаковой скоростью (3,2 м/с) центра машины независимому МП требуется вдвое меньшая мощность, чем традиционному дифференциальному МП БМП-3.

• 3.    В равных условиях поворота на большой скорости 17 м/с и радиусом 75 м выявлена аналогичная тенденция: требуется вдвое меньшая мощность ГОП (относительное давление ГОП у независимого МП 0,13 и 0,23 у дифференциального).

• 4.    Имитационное моделирование позволило выявить преимущество независимого МП и по качеству переходного процесса - время работы «на клапане» при входе в поворот уменьшилось на 40 % с 3,2 до 1,8 с.

• 5.    При большой скорости уменьшился пик давления при входе в поворот: с 0,5 у дифференциального МП до 0,35 у независимого МП.