Гусев Сергей Артурович. Развитие методологии расчета и проектирования гусеничных и колесных машин для работы на радиоактивно зараженной местности

Краткое описание

Гусев Сергей Артурович. Развитие методологии расчета и проектирования гусеничных и колесных машин для работы на радиоактивно зараженной местности;[Место защиты: ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)»], 2021

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ Г ОСУ ДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
(национальный исследовательский университет)»
На правах рукописи

Гусев Сергей Артурович
РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ГУСЕНИЧНЫХ И КОЛЕСНЫХ МАШИН ДЛЯ РАБОТЫ НА
РАДИОАКТИВНО ЗАРАЖЕННОЙ МЕСТНОСТИ
Специальность 05.05.03 - «Колесные и гусеничные машины»
Диссертация на соискание ученой степени
доктора технических наук
Научный консультант: доктор технических наук, доцент Кондаков С.В.
Челябинск - 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ТЕРМИНЫ И АББРЕВИАТУРЫ 6
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 9
ВВЕДЕНИЕ 12
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 24
1.1. Общая оценка радиационного загрязнения природной среды 24
1.2. Специальная техника для работы на радиоактивно зараженной
местности 28
1.2.1. Машины с защитой оператора от радиации 34
1.2.2. Особенности использования робототехнических средств, с учетом их применения при ликвидации аварий на ЧАЭС и
ФАЭС 41
1.3. Существующие методы расчета и проектирования машин для
работы на радиоактивно зараженной местности 51
1.4. Основное противоречие влияния противорадиационной
защиты на параметры машины. Цель и задачи исследования 62
1.5. Выводы по первой главе 66
ГЛАВА 2. ОСНОВЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ МАШИН, РАБОТАЮЩИХ НА РАДИОАКТИВНО ЗАРАЖЕННОЙ МЕСТНОСТИ 68
2.1 . Основные положения предлагаемой методологии проектирования машин с противорадиационной защитой 69
2.2. Основы комплексной технико-экономической оценки машины с
противорадиационной защитой оператора 76
2.3. Оценка эффективности работы машины на радиоактивно
зараженной местности 79
1

2.4. Предлагаемая методика проектирования и расчета машин с
противорадиационной защитой 84
2.4.1. Выбор базового шасси 86
2.4.2. Расчет противорадиационной защиты узлами машины 87
2.4.3. Алгоритм определения оптимальных и рациональных
технических параметров машины при установке защиты 89
2.5. Выводы по второй главе 9 7
ГЛАВА 3. ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШАССИ, РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ, КАБИНЫ И УРОВНЯ ПРОТИВОРАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ 100
3.1. Методика оценки защищенности оператора узлами шасси 101
3.2. Исследование влияния отдельных параметров шасси на
противорадиационную защиту 107
3.2.1. Шасси колесной грузовой машины 108
3.2.2. Шасси гусеничного трактора 111
3.2.3. Оценка сходимости результатов предлагаемой методики
с расчетами по ГОСТ и экспериментом 116
3.3. Расчет защиты оператора узлами рабочего оборудования 117
3.4. Влияние параметров рабочего оборудования на защиту оператора 124
3.4.1. Отдельные параметры оборудования и уровень защиты 125
3.4.2. Оценка сходимости результатов предлагаемой методики
с результатами предшествующих исследований 128
3.5. Методика расчета основных параметров защитной кабины 130
3.5.1. Зависимость массы кабины от базового шасси для
гусеничных и колесных машин 132
3.5.2. Определение толщины стенок кабины, в зависимости от
ее массы, объема, конструкции стенок и размещения экипажа 142
3.5.3. Проверка сходимости основных параметров реальной
кабины и рассчитанных по предлагаемой методике 155
3.6. Выводы по третьей главе 157
2

ГЛАВА 4. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ БАЗОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАШИН С УЧЕТОМ УСТАНОВКИ ПРОТИВОРАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ i60
4.1. Технические параметры и общая компоновка машины,
работающей на радиоактивно зараженной местности 163
4.1.1. Г усеничная машина 163
4.1.2. Колесная машина 167
4.2. Связь технических характеристик с габаритно-массовыми
параметрами машины 171
4.3. Влияние установки противорадиационной защиты на
производительность работы машины 174
4.3.1. Сопротивление движению и буксование 175
4.3.2. Тяговый КПД и оптимальные тяговые усилия 178
4.4. Определение параметров рабочего оборудования в зависимости
от массы машины с учетом защиты 181
4.5. Влияние противорадиационной защиты на прочностные
характеристики шасси 187
4.6. Расчетно-экспериментальная оценка производительности машин
с учетом перемещения между объектами своим ходом 196
4.7. Оценка схемы силового привода грузового автомобиля по
эффективности 200
4.8. Технико-экономическая оценка машины с противорадиационной
защитой 207
4.9. Выводы по четвертой главе 211
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ И КОНСТРУКЦИЙ МАШИН С ЗАЩИТОЙ ОТ РАДИАЦИИ 214
5.1. Экспериментальная оценка защиты от радиации узлами машины 215
5.1.1. Цель, объекты и методика испытаний 215
3

5.1.2. Определение уровня защиты узлами машины от радиации
на установках «Имитатор» и «Арка» 219
5.1.3. Проверка противорадиационной защиты кабины на
плоском гамма-облучателе. Оценка качества изготовления кабин 222
5.1.4. Результаты экспериментов по оценке защиты конкретных машин. Сравнение с результатами теоретических исследований 226
5.2. Тяговые испытания машин 229
5.2.1. Цель, объекты и методика испытаний 229
5.2.2. Результаты эксперимента 231
5.3. Экспериментальные исследования производительности
различных машин 232
5.3.1. Цель, объекты и методика испытаний 232
5.3.2. Эксперименты и основные результаты на технике с
механической и гидромеханической трансмиссиями 236
5.3.3. Экспериментальные исследования и основные результаты
на бульдозерах с электромеханической трансмиссией 239
5.4. Экспериментальная проверка прочностных характеристик шасси 246
5.5. Выводы по пятой главе 250
ГЛАВА 6. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ И КОНСТРУКЦИИ ЗАЩИТНЫХ КАБИН И МАШИН В ЦЕЛОМ 252
6.1. Определение максимально возможного уровня
противорадиационной защиты и рекомендации по повышению
защиты конкретной техники 253
6.1.1. Мероприятия по базовому шасси, повышающие
уровень защиты оператора 255
6.1.2. Мероприятия по защитной кабине, повышающие
уровень защиты оператора 256
4

6.2. Выбор рациональных передаточных чисел трансмиссии при
установке противорадиационной защиты у конкретных машин 261
6.3. Оценка защиты машины (в том числе ослабленных зон)
методом круговых диаграмм 265
6.4. Выбор рабочего оборудования в зависимости от массы
конкретных машин с учетом защиты 267
6.5. Практические рекомендации по доработке конструкции машин
с противорадиационной защитой 271
6.5.1. По доработке конструкции шасси машин 272
6.5.2. По конструкции и технологии изготовления защитной
кабины 280
6.6. Рекомендации по конструкции радиоуправляемой техники 289
6.7. Примеры расчетов эффективности конкретных гусеничных и
колесных машин на радиоактивно зараженной местности 291
6.7.1. Гусеничный бульдозер на базе трактора Т10 292
6.7.2. Грузовой автомобиль на базе Урал-4320 294
6.8. Расчет рациональных параметров конкретных машин (по п. 6.7)
для работы на конкретной радиоактивно зараженной местности 297
6.9. Оценка практического применения результатов работы 301
6.10. Выводы по шестой главе 313
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 316
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 321
Приложение 1. Некоторые образцы техники с противорадиационной защитой, в которой применены результаты диссертации 349

Список литературы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. Разработана новая концепция и методология комплексного системного подхода к КГМ для работы на РЗМ, основанные на рассмотрении защиты как подсистемы в системе «РЗМ - машина - оператор», применении новых математических моделей расчета и проектирования, изменении параметров базовой машины в соответствии с установленной ПРЗ, введении оценки использования машины на РЗМ по критерию «эффективность - затраты». По существу разработаны основы выбора параметров и конструкций КГМ с ПРЗ (при минимуме исходных данных), значительно повышающих эффективность машины на РЗМ.
Эффективность машины на РЗМ определяется переменными критериями, элементы которых являются функциями параметров машины и поля ГИ, а задача получения максимальной эффективности в общем виде определяется производительностью, временем работы на РЗМ (уровнем ПРЗ) и приведенными затратами на единицу выполненной работы. Поскольку ПРЗ в основном определяет эффективность КГМ на РЗМ и влияет на другие технические параметры машины, то проектирование таких машин необходимо осуществлять после определения необходимого уровня защиты оператора, а также соответствующего изменения зависящих от этой защиты значений базовых параметров и характеристик (производительности, массово-габаритных, тягово-скоростных и др.).
2. Разработаны новые математические модели и на их базе экспресс-методики оценки уровня защиты оператора от ГИ узлами шасси, рабочего оборудования и конструкцией кабины, позволяющие рассчитать ПРЗ без подробной компоновочной схемы машины (расхождение с расчетом по ГОСТ В 26457 по компоновочной схеме не превышает 10%).
Для оценки влияния узлов шасси на ПРЗ оператора предложены две базовые модели: «автомобиль» и «трактор». Модели учитывают
особенности шасси машины (тип ходовой системы, грузоподъемность,
габаритно-массовые параметры, место размещения операторов) и
316

характеристику РЗМ (мощность, энергия и место расположения источника излучения). Получена и подтверждена экспериментально оценка влияния габаритных параметров шасси и места расположения оператора на уровень его защиты. Изменение места положения кабины на шасси колесных машин изменяет ПРЗ оператора от ГИ грунта до 30%, у гусеничных машин до 50%.
Реальное увеличение длины, ширины рабочего оборудования и его удаление от расчетных точек приводит приближенно к линейному росту защиты оператора от ГИ грунта. Предельный уровень ПРЗ оператора для единицы рабочего оборудования КГМ составляет до 1,15 крат.
Математическая модель защитного экрана кабины описывается в виде куба, толщина стенок которого определяется действительным решением уравнения третьей степени и зависит от материала стенок, массы и объема кабины. Уменьшение толщины крыши (толщины ПРЗ) равнозащищенной со всех направлений кабины на 30% позволяет увеличить толщину других защитных стенок на 6%, при этом их кратность ослабления дозы ГИ (Еу = 0,8МэВ) для рассматриваемых условий повышается в 1,5...2 раза.
3. Смещение ЦМ машины (в связи с установкой ПРЗ) приводит к росту сопротивления движению, уменьшению удельных тяговых усилий и снижению тягового КПД, которые можно исправить путем пропорционального изменения передаточного числа трансмиссии. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что для рассматриваемых условий при установке ПРЗ на трактор Т10 оптимальный тяговый КПД фКопт = 0,7 обеспечивается за счет резерва имеющихся рабочих передач, а на ДЭТ-250М2 для обеспечения фКопт = 0,41...0,81 требуется замена передаточного числа механической части трансмиссии с 33,24 до 36,64.
Теоретически получены и верифицированы новые значения показателей степени в аналитической зависимости буксования с тяговым КПД для КГМ при значительном смещении ЦМ.
317

Введен коэффициент эффективности трансмиссии колесной машины, позволяющий определять рациональную колесную формулу проектируемого автомобиля в зависимости от ПРЗ и дорожных условий.
На основе статистической обработки получены новые корреляционные зависимости параметров различного БО (масса, объем, ширина и высота отвалов) разных по классу БА от массы трактора (в том числе при установке ПРЗ).
Использование рациональных передаточных чисел трансмиссии и соответствующих рациональных параметров отвала обеспечивает расчетный рост производительности БА с ПРЗ (при разработке грунтов II категории):
- на базе тракторов классов 10, 15 с МТ и ГМТ при добавке массы ПРЗ АМПРЗ = 5500кг к общей массе базового агрегата - на 30%;
- на базе тракторов класса 25 с ЭМТ при добавке массы ПРЗ АМПРЗ = 6200кг - на 34%.
Для оценки влияния ПРЗ на прочностные характеристики гусеничного шасси разработана динамическая математическая модель БА, имитирующая эксплуатацию на РЗМ. Модель отличается учетом влияния ПРЗ на параметры машины и отражает силовое нагружение со стороны рабочих органов и кинематическое возбуждение (колебания) со стороны случайного профиля дороги. Расчет по модели показал, что увеличение массы БРА за счет ПРЗ на 25% приводит к росту напряжений в опасных зонах в 1,5 раза и более, напряжения в балансирной балке в зоне контакта с упором в 3.. .4 раза выше уровня общей напряженности.
4. Экспериментально подтверждены расчетные значения кратности ослабления ГИ оператора узлами БА на базе тракторов Т-170.61, ДЭТ- 250М2 и колесных грузовых машин Урал-4320, ЗИЛ-131, ГАЗ-66 с погрешностью до 13% (погрешность измерения до 10%). Экспериментально подтверждена теоретическая оценка зависимости ослабленных зон машины от места расположения кабины на шасси.
318

Предложено и обосновано применение метода гаммаграфии и плоского гамма-облучателя при экспериментальной проверке уровня и качества изготовления ПРЗ кабины. Совместно с РФЯЦ ВНИИТФ подобраны параметры метода, позволяющие проводить дефектоскопию свинцовой защиты толщиной до 50мм с разрешением дефектов 5 мм.
Эксперимент по оценке производительности подтвердил ее увеличение за счет реализации в тягу массы ПРЗ и соответствующего изменения передаточного числа трансмиссии до рационального (эксперименты проводились без изменения рабочего оборудования):
- для БРА с МТ и ГМТ (на базе тракторов Т10, Т15) с ПРЗ увеличение массы и передаточного числа трансмиссии на 14% повысило производительность на грунтах II категории на 14,5%, за счет увеличения призмы волочения на 24,6%, при снижении рабочей скорости на 11,6%;
- для БРА с ЭМТ с ПРЗ (на базе трактора ДЭТ-250М2) увеличение массы на 5265кг и передаточного числа механической части трансмиссии на 10,2% обеспечило прирост производительности на грунтах II категории с включением отдельных участков III и IV категорий на 19,1%.
Расхождение экспериментальной и расчетной оценок производительности БРА с ПРЗ не превышает 13%.
Полученные зависимости рассмотренных расчетных и реальных параметров отвалов БА имеют высокие значения коэффициента корреляции Пирсона (как правило, R > 0,9), что подтверждает достаточно точное описание взаимосвязей этих параметров по предлагаемым уравнениям и графикам.
Экспериментальная и теоретическая оценка прочностных характеристик рассмотренных шасси показала сходимость результатов с погрешностью до 9%.
5. Приведены примеры реализации предлагаемых методик для оценки КГМ и выбора их параметров при минимуме исходных данных. Получены
расчетные значения параметров КГМ с ПРЗ (конкретные тракторы и
319

автомобили), в том числе в сравнении с базовой машиной, на различных заданных РЗМ:
- максимально достижимого уровня ПРЗ;
- максимальной эффективности машины.
Расчетные значения увеличения эффективности рассмотренных машин с рациональными параметрами на рассмотренной РЗМ по критерию «эффект - затраты», составляют (в сравнении с базовой КГМ):
- для БРА с ПРЗ на базе трактора Т10 - 4,75 (максимальная эффективность применения ПРЗ) и 5,32 (с дополнительным изменением параметров базового шасси и рабочего оборудования);
- для грузового автомобиля на базе Урал-4320 с ПРЗ - 7,10 (с учетом максимальной эффективности применения ПРЗ и изменением параметров базового шасси).
6. Проведен анализ и даны рекомендации по выбору конкретных базовых шасси для КГМ с ПРЗ. Разработаны новые конструкторско¬технологические решения, улучшающие технические характеристики машин, в том числе по защите оператора, повышающие эффективность КГМ, качество и безопасность работ при изготовлении ПРЗ и машины. Основные разработки защищены 33 патентами РФ на изобретения, промышленные образцы и полезные модели.
Полученные практические результаты исследований на стадии предпроектных и проектных работ дают возможность расчетного определения значений основных параметров техники для работы на РЗМ, повышающих эффективность работы КГМ и защиту оператора от ГИ. Разработанные рекомендации сокращают время и материальные затраты на проведение НИР и ОКР при создании КГМ с ПРЗ, ускоряют процесс постановки на производство, освоение новых и совершенствование существующих машин.
320