Омск, Омская область, Россия
с 01.01.2015 по настоящее время
Омская область, Россия
Омск, Омская область, Россия
с 01.01.2017 по настоящее время
Омск, Омская область, Россия
Проведен обзор такого типа инженерных машин как мостоукладчики. Проанализированы методы их работы и формализация процессов их проектирования. Исследования выполнены на примере существующих мостоукладчиков, с целью разработки нового программного обеспечения для автоматизации и оптимизации процессов проектирования элементов их конструкций. Разработан алгоритм проектирования элементов конструкции мостоукладчика – определение максимально допустимой массы и длины моста. По описанному алгоритму выполняется разработка математической модели процесса проектирования элементов конструкции мостоукладчиков, реализующую алгоритм в виде программы расчета элементов конструкции мостоукладчика. В результате выполнения и последующего внедрения программы, разработчики будут обеспечены надежным и эффективным инструментом, обеспечивающим повышение качества и сокращение времени, необходимого на проведение расчетов в выполняемых проектах. Унификация в части типовых операций и деталей конструкций обеспечит снижение стоимости изготовления мостоукладчиков. Цель исследования состоит в формализации процессов проектирования мостоукладчиков по результатам анализа конструкций мостоукладчиков и принципов их работы. Задача состоит в автоматизации проектирования элементов конструкции мостоукладчиков. Методы исследования: анализ и синтез математических моделей изделий. Новизна работы заключается в построении математической модели мостоукладчика, а также разработке алгоритма и реализации его компьютерного моделирования. Результатами исследования являются алгоритм и математическая модель мостоукладчика.
компьютерное моделирование, алгоритм, мостоукладчик
Введение
Актуальность темы статьи определяется необходимостью интенсивного развития отечественной машиностроительной отрасли, в частности специальных инженерных машин. При этом следует повысить удобство и степень автоматизации их разработки, в частности выбор начальных параметров проектируемой техники. Для этого требуется широкое применение современных методов проектирования. Правильный выбор параметров разрабатываемых машин на ранних стадиях проектирования позволяет значительно сократить время, затрачиваемое на поиск и выбор нужного решения, и уменьшить стоимость готового изделия.
Постановка задачи
В современных условиях для осуществления оперативного передвижения людей и техники по пересеченной местности необходимы оперативная подготовка путей движения, а также оборудование переправ на водных преградах, в том числе строительство мостов. Для выполнения каждой из перечисленных задач разработаны и действуют специальные машины.
Так, для подготовки дорог предназначены инженерные машины разграждения, выполняющие инженерные работы для обеспечения передвижения людей, оборудования колонных путей, проходов в каменных и лесных завалах, а также земляные и погрузочно-разгрузочные работы. Также инженерные машины представлены оборудованием для оперативного развёртывания временного дорожного полотна.
Для оперативного преодоления водных преград имеются инженерные машины, возводящие мостовые и паромные переправы, а также работающие как паромы.
Для наведения мостов через речные преграды предназначены мостоукладчики. Они разделяются на механизированные мосты и мостоукладчики [1]. К первым относятся такие устройства, как тяжелые механизированные мосты, позволяющие построить мост длиной порядка ста метров или мостовые механизированные комплексы, ко вторым – мостоукладчики.
В мировой практике машиностроения существуют различные способы укладки мостовых блоков. Этими вопросами успешно занимались в том числе сотрудники АО «Омсктрансмаш» [2 – 4]. В данных работах описаны конструкции моста, оборудования и мостоукладчика, но никак не затронута тема выполнения разработки, проектирования, а точнее специализированных систем автоматизированного проектирования элементов конструкции мостоукладчиков.
Анализ перечисленных образцов данного вида техники позволяет представить общий принцип их работы по укладке моста [5 – 7], заключающийся в размещении моста в транспортном положении в точку укладки, раскрытии секций моста, выдвижении моста и опускании моста на грунт. В указанных работах была разработана 3D-модель, проведены кинематический анализ и инженерные расчеты.
Комплексный анализ и учет результатов кинематического и прочностного анализа узлов и механизмов укладки моста дает возможность производителям оценить функциональные особенности, а также разрабатывать более эффективные механизмы. В результате применения компьютерных систем можно с высокой точностью рассчитывать реальное динамическое поведение конструкции, что помогает выбрать оптимальный вариант без изготовления прототипов и прохождения испытаний. Научная новизна работы заключается в построении математической модели мостоукладчика, а также разработке алгоритма и реализации его компьютерного моделирования.
Решение задачи
Был разработан, а также формализован алгоритм для проектирования элементов конструкции мостоукладчика, в том числе определения максимально допустимой массы и длины моста. Схема алгоритма представлена на рис. 1.
В данном алгоритме учтены характеристики ходовой части мостоукладчика, механизма укладки моста, узла передней опоры. Кроме того, разработана схема для проектирования мостоукладчиков, имеющих телескопический механизм укладки моста. Данный тип механизма представляется наиболее перспективным механизмом для проектирования мостоукладчиков с мостами увеличенных габаритов в связи с его компактностью в транспортном положении, и способностью воспринимать значительную нагрузку при наводке моста на препятствие.
Подробно элементы конструкции описаны в патенте [8].
В данной работе особое внимание уделено добавлению дополнительного опорного катка в конструкции, позволяющего сделать мостоукладчик более устойчивым к нагрузкам от выдвигаемой мостовой конструкции.
Описание алгоритма
В соответствии с предлагаемым алгоритмом, проектирование производится в следующей последовательности.
1. Начало работы по проектированию предполагает ввод исходных данных: массы шасси, массы поворотной и выдвижной рам, массы моста и массы передней опоры.
2. Производится ввод координат узловых точек: шасси мостоукладчика, поворотной рамы и крепления поворотной рамы к шасси.
3. Выполняется ввод номера точки крепления гидроцилиндра поворотной рамы к шасси и крепления гидроцилиндра поворотной рамы непосредственно к поворотной раме.
4. Выполняется ввод длины гидроцилиндра поворотной рамы.
5. Производится вычисление угла поворота рамы поворотной относительно шасси и вычисление координат поворотной рамы в системе шасси по формулам:
;
;
;
.
где 
угол поворота системы координат рамы поворотной относительно системы координат шасси; 
расстояние между точками крепления рамы поворотной и гидроцилиндрами рамы поворотной к шасси; 
расстояние между точками крепления рамы поворотной к шасси и гидроцилиндрами к раме поворотной; 
длина гидроцилиндра рамы поворотной; 
координаты узловой точки крепления рамы поворотной в системе шасси мостоукладчика; 
координаты узловой точки крепления гидроцилиндра рамы поворотной в системе шасси мостоукладчика; 
координаты рамы поворотной точки крепления гидроцилиндра рамы поворотной в системе рамы поворотной.
Рис. 1. Алгоритм проектирования элементов конструкции мостоукладчика
Fig. 1. The algorithm for designing the structural elements of the bridge
6. Выполняется ввод координат выдвижной рамы.
7. Вводится номер точки крепления выдвижной рамы, ввод выдвижной рамы (на значения от 0 до 4 м).
8. Вычисляются координаты выдвижной рамы в системе шасси:
;
;
.
9. Вводятся координаты моста, ввод данных о расстоянии, на которое выдвинут мост.
После этого производится вычисление координат моста в системе шасси:
;
;
,
затем вводятся координаты передней опоры.
10. Вводится номер точки крепления гидроцилиндра передней опоры к шасси, крепления передней опоры к шасси и крепления гидроцилиндра к передней опоре.
11. Выполняется ввод длины гидроцилиндра передней опоры, вычисляются угол наклона системы координат передней опоры относительно системы координат шасси:
;
;
,
и координаты передней опоры в системе шасси:
;
;
;
12. Вводится номер точки передней опоры, и вычисляются координаты:
– шасси:
;
;
;
– поворотной рамы:
;
;
;
– выдвижной рамы:
;
;
;
– моста:
;
;
;
– передней опоры:
;
;
,
(в системе координат точки опоры).
13. Выполняется вычисление опрокидывающего и восстанавливающего момента:
;
,
вычисление угла дифферента шасси и вычисление координат:
– шасси:
;
;
;
;
– поворотной рамы:
;
;
;
;
– выдвижной рамы:
;
;
;
– моста:
;
;
;
– передней опоры:
;
;
;
в системе координат поверхности.
14. Вводятся координаты осей торсионов в системе шасси, и происходит вычисление координат торсионов в системе опоры:
;
;
.
15. Выполняется ввод исходных данных: длины балансира, диаметра опорного катка, диаметра и длины торсиона, высоты трака гусеницы и деформации шины опорного катка.
16. Вводятся выставки балансиров опорных катков, и производится вычисление координат опорных катков в выставочном положении в системе координат передней опоры:
;
.
17. Вычисляются:
– углы закрутки торсиона:
;
;
– выставка балансиров опорных катков после закрутки торсионов:
;
– реакции, действующие на балансиры от опорных катков:
;
– координаты осей опорных катков в системе координат передней опоры:
;
;
Таким образом, в результате расчета конструктор получает все параметры кинематики мостоукладчика.
Заключение
Описанный алгоритм позволяет автоматизировать расчеты параметров конструкции мостоукладчиков, для чего в настоящее время разрабатывается программная реализация алгоритма. В результате ее разработки и последующего внедрения специалисты будут обеспечены надежным и эффективным инструментом, обеспечивающим повышение надежности и сокращение времени, необходимого на проведение расчетов в выполняемых проектах. Описанные преимущества улучшают качество проектируемого оборудования в целом. Кроме того, унификация, состоящая в использовании типовых операций и элементов конструкций, существенно снизит стоимость изготовления мостоукладчиков.
1. Названы отличия военных переправ НАТО и России - Hi-Tech https://hi-tech.mail.ru/review/60484-dostat-mosty-kak-voyska-forsiruyut-reki-esli-vse-perepravy-unichtozheny/#anchor488156
2. Тяжелый штурмовой мост: пат. 36114 Рос. Федерация: МПК E01D 15/12 / Апарин А.Ф., Беляков В.Ф., Вандяев И.М., Жуков А.И., Захаров В.А., Киткин В.В., Мишин В.И., Хиневич Г.А., Шумаков И. К., Шаповалов В. В., владелец патента: Федеральное государственное унитарное предприятие Конструкторское бюро транспортного машиностроения. – № 2003129341/20, заявл. 10.06.03; опубл. 27.04.04.
3. Комплект съемного оборудования для погрузки штурмового колейного моста на железнодорожную платформу: пат. 2 415 222 Рос. Федерация: / Беляев В.В., Дрожжин А.В., Киткин В.В., Тропников М.А. владелец патента: Федеральное государственное унитарное предприятие Конструкторское бюро транспортного машиностроения. – № 2009144830/03, заявл. 12.02.09; опубл. 27.03.11.
4. Мостоукладчик: пат. 2 102 556 Рос. Федерация: / Еременко Б.И., Кокорев И.М., Куракин Б.М., Малышев В.А., Одинцов Г.А., Попов Н.Л., Хиневич Г.А., Яковлев И.С. владелец патента: Федеральное государственное унитарное предприятие Конструкторское бюро транспортного машиностроения. – № 96107456/03, заявл. 18.04.96; опубл. 20.01.98.
5. Национальная научно-техническая конференция. Мостоукладчик МТУ-2020. Краморов А.В., АО «Омсктрансмаш» https://nntk-smr.ru/archive/400/
6. Краморов А.В., Янишевская А.Г. Использование компьютерного моделирования при проектировании новых изделий // Динамика систем, механизмов и машин. – 2020. – Т. 8. – № 2. – С. 44-49.
7. Практическое применение математического пакета Mathcad при выполнении инженерных расчетов. Краморов А. В., Сборник: Информационный бюллетень Омского научно-образовательного центра ОмГТУ и ИМ СО РАН в области математики и информатики. Материалы IX Международной молодежной научно-практической конференции с элементами научной школы «Прикладная математика и фундаментальная информатика», посвященной 80-летию со дня рождения академика РАН Евтушенко Ю. Г. – 2019. – С. 189-191.
8. Мостоукладчик на шасси базового танка (варианты): пат. 35346 U1 Рос. Федерация: / Беляков В.Ф., Еремеев Г.Д., Киткин В.В., Кондратьев И.А., Мишин В.И., Шумаков И.К., Ташков А.В., Хиневич Г.А. владелец патента: Федеральное государственное унитарное предприятие Конструкторское бюро транспортного машиностроения. – № 2003125730/20, заявл. 20.08.03; опубл. 10.01.04.
