Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению и может быть использовано при конструировании машин для фермерских хозяйств.
Известны транспортные средства преимущественно для сельскохозяйственных работ (см. например а.с. СССР N 347232), использующее в качестве движителя с криволинейно-выпуклой поверхностью днища, приводимый в вибрационное движение парой синхронно и встречно вращающихся дебалансов, размещенных в передней части корпуса наклонно по ходу движения. Известное средство обладает высокими вездеходными свойствами, т.е. может двигаться по поверхностям с малой несущей способностью, например, по снегу, песку, болоту и т.п., но даже при установке на него силовой установки с большой мощностью не может осуществляться движение со скоростью, приемлемой для пассажирских вездеходов, т.к. предельно достижимая скорость движения для таких машин не превышает значения нескольких метров в секунду.
Известны и другие устройства, использующие вибрационно-импульсные движители с генератором вибраций различного типа, например, со свободно-поршневым тепловым двигателем, как в транспортном средстве про а.с. СССР N 388943. Предельно достижимая скорость всех таких устройств меньше, чем 5 м/сек.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому транспортному средству является транспортное средство, содержащее установленный на корпусе тяговый движитель с приводом, а также средство уменьшения сопротивления перемещению по опорной поверхности. Поступательное движение таких машин осуществляется двигателем с воздушным винтом, а отрыв от грунта с целью уменьшения его сопротивления движению обеспечивается формированием между днищем машины и грунтом воздушной подушки с повышенным давлением путем нагнетания специальными вентиляторами в эту зону воздуха. Вездеходы на воздушной подушке способны двигаться со значительными скоростями. Основным их недостатком является чрезмерно высокая энергоемкость вентиляторов. Так, например, транспортное средство ВС-7 фирмы "Бертин" (Франция) при весе до 3 тонн имеет два приводных двигателя по 45 л.с., достигает скорости 50-80 км/час и оснащен вентилятором для создания воздушной подушки с приводным двигателем мощностью 150-180 л.с. (см. там же).
Целью изобретения является устранение отмеченного недостатка, а именно снижение энергопотребления транспортного средства и повышение эксплуатационных возможностей.
Указанная цель достигается тем, что средство уменьшения сопротивления перемещению по поверхности выполнено в виде генератора механических вибраций, выходное звено которого связано с транспортным средством.
Поиск, проведенный по патентной и научно-технической литературе, показал, что предлагаемое техническое решение неизвестно, т.е. соответствует критеpию "новизна". Поскольку предложенная конструкция выполнена из известных составляющих, то предложенное соответствует критерию "промышленная применимость". А так как в результате использования получается новый эффект - резкое снижение энергопотребления, то предложенное соответствует критерию "изобретательский уровень".
На фиг. 1 представлено транспортное средство; на фиг. 2 - его применение. Средство включает корпус 1, приводной двигатель 2, воздушный винт 3, генератор механических вибраций 4 (например, вибратор), кабину экипажа 5, подвеску 6, рабочие сельскохозяйственные органы 7.
На корпусе 1 размещен приводной двигатель 2 с воздушным винтом 3, приводной двигатель 2 соединен с вибратором 4. Кабина 5 для размещения пассажиров связана с корпусом 1 посредством подвески 6, содержащей амортизаторы и упругие элементы - виброизоляторы.
Транспортное средство сельскохозяйственного назначения работает следующим образом.
При включении приводного двигателя 2 вращение воздушного винта 3 создает горизонтальную силу тяги. Одновременно вращение ротора двигателя 2 передается на вибратор 4, в котором создаются направленные перпендикулярно к опорнной поверхности корпуса 1 вибрации за счет вращения дебалансов вибратора 4. Эти вибрации приводят к периодическому отрыву опорной поверхности корпуса 1 от грунта, что, как показывают расчеты, эквивалентно уменьшению коэффициента трения на порядок, т. е. создается как бы "виброподушка". Вследствие этого транспортное средство двигается по поверхности, обладающей большим трением, подобно устройству на воздушной подушке под действием приложенной воздушным винтом 3 силы тяги. Кабина 5 виброизолирована от корпуса 1 посредством подвески 6, включающей упругие и диссипативные элементы, как это сделано в подвесках других транспортных средств, например, автомобилей. Управление направлением движения транспортного средства осуществляется либо посредством поворота воздушного винта, либо с помощью руля, размещенного в струе винта. Торможение обеспечивается снижением амплитуды вибраций и, следовательно, увеличением трения.
Физической основой работы предлагаемого средства является давно замеченный и применяемый в технике эффект снижения трения в присутствии вибраций. Этот эффект используется, например, в устройствах для вибротранспортирования сыпучих грузов, горных пород, деталей, он известен в физике под названием эффекта Жуковского. Однако в вибротранспортерах и других подобных устройствах скорости направленного перемещения невелики (доли м/c).
В то же время разработки различных по устройству инерцоидов (или вибрационно-импульсных движителей), как, например, упомянутых устройств по а. с. N 347232 и по а. с. N 388943, приводят к созданию транспортных средств-вездеходов с малой предельно-достижимой скоростью движения.
Проведенный автором теоретический анализ движения самоходных средств показал, чтo:
1. Средняя скорость движения обратно пропорциональна частоте вибраций и, следовательно, ограничена сверху;
2. Средняя скорость движения прямопропорциональна амплитуде вибраций и вследствие ограничений по массе и прочности элементов конструкции также ограничена сверху.
П р и м е р расчета для вибраций, ориентированных под углом γ = 45о к горизонту, выполненного для практически предельных параметров, дает значение средней скорости Vср = 3,5 м/с. При этом в расчете принято:
ак = 5, где ак = 
,
Р - вес устройства с грузом (200 кг)
Fm - амплитуда вибрационной силы (1000 кг)
ω = 10 сек-1 (f = 1,7 гц) - частота вибраций.
Понятно, что ни ак, ни ω не могут быть значительно изменены с целью повышения значения Vср.
На фиг. 3 показан закон изменения ускорения в первом периоде движения средства; на фиг. 4 - траектория его движения.
Дальнейший анализ движения показывает, что в режиме движения с ак > 1 часть периода тело движется со скольжением, часть - с отрывом от грунта ("полет"). При этом потери энергии на перемещение складываются из двух составляющих: трение при скольжении и удар при приземлении. При этом потери на трение уменьшаются при росте ак и при росте ω, потери на удар растут при росте ак и уменьшаются при росте ω.
Эти же зависимости сохраняются и при наличии внешней тяги.
Кроме того, в случае приложения внешнего тягового усилия, как это делается в предлагаемом средстве, потери мощности на трение прямо пропорциональны скорости движения, а потери мощности на удар при приземлении от средней скорости не зависят.
Все изложенное позволяет подобрать удовлетворительные характеристики конструктивных элементов устройства.
Прежде всего, отсутствие у вибратора функции тяги позволяет ориентировать вибрации вертикально, хотя это и не обязательно, и, тем самым получить тот же эффект при меньших значениях ак, что облегчает конструктивную реализацию. Кроме того, при внешней тяге становится возможным повысить частоту вибраций до пределов, ограниченных только жесткостью конструкции.
П р и м е р расчета для вертикально ориентированных вибраций:
При ак = 2, ω = 200 сек-1 (f = 32 гц), fтр = =2, Р = 200 кг для достижения скорости Vск = 20 м/сек требуется суммарная мощность N = 0,5 л.с. Для сравнения: при простом скольжении при тех же параметрах требуется мощность 10,5 л.с., т.е. "виброподушка" эквивалентна уменьшению коэффициента трения в 21 раз.
Результаты сравнительного расчета прототипа и предлагаемого средства сведены в таблицу. Расчет выполнен для таких значений параметров, которые для прототипа известны из литературы (см. ссылку выше).
Как видно из таблицы, для прототипа требуется рассеиваемая мощность на порядок больше, чем у предлагаемого транспортного средства, а полная потребляемая мощность у предлагаемого устройства в 2,5 раза меньше, чем у прототипа.
Применение данного средства при работе с сельскохозяйственными орудиями позволяет получить очень эффективные мобильные сельскохозяйственные комплексы. Так, при орошении наиболее важным является создание сети транспортных путей для перемещения многосотметровых оросительных механизмов. В данном случае размещение генератора механических вибраций на каждой опорной лыже фермы позволит избежать строительства ряда колей, поскольку столь малое удельное давление на почву, которое достигается применением предложенного средства, позволяет использовать естественный профиль поля без его предварительного выравнивания. Кроме того, поскольку проходимость данного устройства очень велика, создается возможность обработки на ней в труднодоступных местах техникой, доставляемой в эти места предлагаемым средством, которое используется как в транспортном, так и в тяговом режимах. Это позволяет создать многопрофильные сельскохозяйственные агрегаты с единым силовым и транспортным звеном, что является новым в сельскохозяйственном машиностроении.
Использование: сельскохозяйственное машиностроение и может быть использовано при конструировании машин для фермерских хозяйств. Сущность изобретения: на корпусе резмещен тяговый двигатель с приводом и генератором механических вибраций. При работе последнего резко уменьшается сила трения между опорной поверхностью корпуса и землей. Тяговый движитель при этом позволяет направлять транспортное средство. 3 з.п.ф - лы, 1 табл., 4 ил.
