Исследование работы колесно-шагающего движителя и двигателя для передвижения по лестничным маршам

В транспортных устройствах для передвижения по особо сложным препятствием таким, как каменные завалы, ограждения, лестницы гражданских и промышленных зданий нужны рабочие, выполняющие отделочные работы на объектах, при строительстве дорог, а также в аварийных и чрезвычайных ситуациях при выполнении нетрадиционных видов работ.

В движителях особо высокой проходимости также нуждается автомобилестроение, разрабатывающее различного рода транспортные средства для горного туризма, оборонного назначения, а также транспорта для отдыха граждан на природе. Особо важное значение имеет разработка конструкции подобного движителя коляски, в которой остро нуждаются инвалиды для передвижения по лестничным маршам.

В настоящее время указанные трудности не разрешены. В научной литературе и в патентном фонде еще недостаточно материалов для построения конструкции движителя, способного преодолевать такие сложные препятствия, как подъем и опускание по лестничным маршам.

Поэтому тема диссертационной работы является актуальной.

Цель работы: Разработка конструктивной схемы и определение основных параметров движителя коляски, способного передвигаться по лестничным маршам.

Для осуществления поставленной цели решены следующие задачи:

Разработаны требования, предъявляемые к конструкциям движителя, способного передвигаться по лестницам стандартных размеров и маневрировать на лестничных площадках.

Произведено сопоставление кинематических возможностей известных конструкций движителей с разработанными требованиями, и на этой основе выявлены их конструктивные недостатки.

Разработаны конструкции трех движителей, снабженные шагающими колесами, и определены их основные параметры на основе кинематических и силовых расчетов.

Разработаны технические предложения на изготовление опытных образцов шагающей коляски, передвигающейся по лестничным маршам.

На защиту выносятся:

Разработанные требования, предъявляемые к конструкциям движителя, способного передвигаться по лестницам стандартных размеров и маневрировать на лестничных площадках.

Сопоставление кинематических возможностей известных конструкций движителей с разработанными требованиями, и на этой основе выявлены их конструктивные недостатки.

Разработанные конструкции трех движителей, снабженные шагающими колесами, и определены их основные параметры на основе кинематических и силовых расчетов.

Разработанные технические предложения на изготовление опытных образцов шагающей коляски, передвигающейся по лестничным маршам.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании взаимодействия лестницы с шагающим колесом и в разработке конструкции нового шагающего движителя для подъема и опускания груза (инвалида) по лестничным маршам.

Достоверность научных результатов исследования проверена аналитическими расчетами и экспериментальными исследованиями опытно – экспериментальных образцов инвалидной коляски с шагающими колесами.

Практическая значимость результатов работы заключается в решении одной из сложных производственно – социологических проблем – создание конструкций коляски, способной передвигаться по лестничным маршам зданий с маневрированием на лестничных площадках как ручным, так и электрическим приводом.

Реализация работы.

По результатом исследования изготовлен уменьшенный действующим макет и экспериментальной образец коляски. Теоретические основы движителя коляски внедрены в учебный процесс КУПС.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на: заседаниях кафедр «ДП и ТМ» и «СТС» (г. Алматы, КУПС), II-ой Международной научно-практической конференции «Транспорт Евразии: взгляд в XXI век» (г. Алматы, 2002 г.); IV-ой Международной научно-практической конференции «Транспорт Евразии: взгляд в XXI век» (г. Алматы, 2004 г.); Республиканской научно-технической конференции с участием зарубежных ученых «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (г. Ташкент, Узбекистан, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 95 страницах, состоит из ведения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников, содержащего 76 наименований. Диссертация иллюстрирована 46 рисунками и дополнена 2 приложениями.

В первом разделе проводится обзор отечественной и зарубежной литературы, посвященный исследованиям повышения проходимости колесных машин. Отмечены фундаментальные работы Я.С. Агейкина, М.Г. Беккера, В.Ф. Бабкова, А.К. Бидуля, В.М. Сиденко, Г.А. Смирнова, И.А. Бескина, В.И. Кнороз, В.А. Скотникова, А.М. Муратова, Р.И. Сазанбаевой, М.С. Сарыпбекова, А.К. Кайнарбекова и др., а также анализируется работы изобретателей из патентного фонда Республики Казахстан и зарубежных стран по созданию конструкции движителей для передвижения по лестницам жилых и промышленных зданий.

Во втором разделе разработаны требования, предъявляемые к конструктивным особенностям движителей, способных передвигаться по лестничным маршам с маневрированием на лестничных площадках. Проанализировано соответствие конструкций известных движителей к разработанным требованиям, и на этой основе выявлены их конструктивные недостатки. Разработаны новые конструктивные решения движителя, который приспособлен к передвижению по сложным препятствиям.

В третьем разделе изложены кинематические и силовые расчеты движителей, оснащенных шагающими колесами. Выбрана наилучшая конструкция шагающего движителя и рассмотрено взаимодействие одиночного колеса со стандартными размерами лестницы, и на этой основе определены его основные параметры. Произведен синтез схемы рабочего органа шагающего движителя первой модификации. А также рассмотрена динамическая модель движителя коляски, обоснованы некоторые её рабочие параметры.

В четвертом разделе разработаны технические предложения для проектирования инвалидной коляски, передвигающейся по лестничным маршам жилых зданий. Построена круговая диаграмма изменения основных параметров коляски, из которой можно легко определять взаимосвязь параметров коляски, изменяя некоторые параметры в ходе проектирования схемы коляски.

Требования, предъявляемые к конструкциям движителя, способного передвигаться но лестничным маршам и межэтажным лестничным площадкам

Выдвигаемые требования к конструкциям движителей, способных передвигаться по лестничным маршам и межэтажным площадкам, разработаны на основе расчетов взаимодействия лестницы с опорными органами движителей, и учтены все необходимые движения для того, чтобы движитель мог подниматься и опускаться по лестнице, а также свободно мог маневрировать на лестничных площадках.

Эти требования следующие:

1. Ограничение габарита. Согласно стандартному размеру лестничной клетки гражданских зданий, в большинстве случаев отведено одинаковое пространство для установки лестницы. Поэтому габарит движителя для свободного перемещения при подъеме и опускании по лестнице установлен: длина – 1м и ширина – 0,75 метров, а высота не ограничивается. Отклонение допускается на 4 класса размеров, длина 1,05 м; 1,1 м; 1,15 м; 1,20 м; а ширина – 0,75 м, 0,76 м, 0,77 м, 0,78 мм. Все отклонения в сторону увеличения от номинала – 1 м, 0,75 м, снижают оценку качества конструкции.

2. Сложность конструкции. Сложность конструкции обуславливается многозвенностью и наличием в ней сложно изготавливаемых и прецизионных деталей гидравлических и пневматических устройств. Как правило, сложная конструкция работает не надежно и стоит дорого, а также имеет лишний вес. Поэтому сложность конструкции отрицательно сказывается на качестве.

Установлены 4 степени сложности конструкции:

к 1 степени сложности относятся простые конструкций, не требующие точной обработки деталей, состоящие из небольшого количества деталей;

ко 2 степени сложности относятся конструкции движителей, состоящие из многозвенных механизмов, хотя в составе не содержат прецизионные, сложно изготавливаемые узлы и детали;

к 3 степени сложности относятся конструкции, состоящие из узлов и деталей, изготовление которых требует много станков и оснастки, а также имеющие большой вес;

к 4 степени сложности относятся конструкции движителей, укомплектованные из различных сложных узлов и прецизионных пар, изготовление которых требует специально оснащенные рабочие места.

3. Маневренность конструкции. Маневренность движителя определяется кинематической возможностью поворачиваться на месте или с минимальным радиусом поворота, а также реверсивным ходом вперед и назад. Установлены 4 вида маневренности: 1 вид – поворот относительно вертикальной оси симметрии движителя, 2 вид – поворот относительно вертикальной оси ведущих колес, 3 вид – поворот с радиусом 0,5 м, 4 вид – отсутствие возможности поворота.

4. Проходимость движителя. Проходимость движителя определяется его способностью преодолевать рельефные и фрикционные препятствия с определенными параметрами. Предусмотрены 4 степени проходимости.

По 1 степени проходимости движитель должен преодолевать неровности поверхности дороги высотой более 2/3 радиуса колеса и любого вида фрикционной сопротивляемости дороги.

По 2 степени проходимости движитель должен преодолевать неровности дороги высотой до 0,5 радиуса колеса и по податливому основанию при погружении колеса до 0,25 радиуса.

По 3 степени проходимости движитель должен преодолевать рельефную поверхность высотой до 0,25 радиуса колеса.

По 4 степени проходимости движитель не рассчитан на преодоление рельефных неровностей и фрикционной сопротивляемости дороги.

5. Универсальность хода. Универсальным ходом обладают движители, способные передвигаться одинаково, без скольжения как в ведущем режиме, так и в прицепном режиме. Предусмотрены два вида движителя: 1 вид – движители с универсальным ходом и 2 вид – движители, передвигающиеся только в ведущем режиме.

6. Устойчивость движения. Устойчивость движителя определяется по расположению центра масс движителя относительно опорной площадки, образующейся между контактными точками опор. Для каждой конструкции движителя существует определенный угол подъема и опускания, когда направление вектора силы веса выходит из области опорной площадки, т.е. наступает предельная устойчивость. Поэтому установлены 4 шкалы устойчивости, которые не доходят до предела устойчивости:

1 шкала устойчивости – 45°;

2 шкала устойчивости – 40°;

3 шкала устойчивости – 30°;

4 шкала устойчивости – 20°.

Шкала устойчивости как угол определяется из треугольника, основанием которого является прямая, соединяющая точки передней и задней опоры движителя. Вершина этого треугольника совпадает с центром масс движителя. Угол шкалы устойчивости отсчитывается от вертикальной прямой, проходящей через точку центра масс до одной из сторон треугольника. Этот угол показывает предельную устойчивость движителя. Чем выше расположен центр масс относительно опорной плоскости, тем меньше угол устойчивости, тем хуже конструкция.

7. Автономность движителя. Автономность движителя определяется тем, что движитель имеет свой привод и свой источник питания. Для передвижения и маневрирования не нуждается в посторонней помощи. Ходовая часть универсальная, т.е. передвигается одинаково по ровной поверхности и по рельефной, и по податливой поверхности опоры.

Установлено два вида: 1 вид – автономный и 2 вид – неавтономный.

Определение качества конструкции движителя по степени соответствия к установленным требованиям

Сегодняшний потребительский спрос проходимости транспортных средств соответствует выполнению указанных семи требований, каждый из которых имеет четыре шкалы соответствия. Это есть стандарт проходимости транспортных средств. Дальнейший рост потребительского спроса может быть другой, т.е. более ужесточенным. Соответственно с этим и может изменяться стандарт по качеству проходимости транспортных средств.

В данной работе для сравнения качества конструкции своей разработки автор сравнивает ее со всеми известными на сегодня конструкциями движителей, предназначенных для передвижения по лестничным маршам гражданских зданий.

Экраном сравнения является квадратно-координатная сетка, разработанная профессором А. Муратовым.

Из сравнения конструктивных решений, известных до 2007 года движителей, предназначенных для передвижения по лестничным маршам, как в странах постсоветского пространства, так и в дальнем зарубежье, на квадратно-координатной сетке (рисунок 1) видно, что все известные решения основываются на использовании крайне сложных конструктивных элементов, таких как прецизионные механизмы, планетарные зубчатые механизмы, требующие высокой точности изготовления. Как правило, рекомендуются многозвенные механизмы с низким коэффициентом полезного действия. Все это увеличивает мощность двигателя привода движителя. Тогда как источником энергии на таких движителях могут быть только аккумуляторные батарейки.

Рисунок 1 – Квадратно-координатная сетка

Устройство и принцип работы нового предлагаемого движителя для передвижения по лестничным маршам

Предлагаемый движитель, оснащенный шагающим колесом, является самым простым по конструкции движителем, предназначенным для передвижения по лестницам (рисунок 2). Шагающим колесом названо колесо без обода, опирающееся к опоре своими спицами. Опорное устройство с крестовиной, сочлененной несколькими колесами, является известным устройством, также предназначенным для передвижения по лестницам.

Движитель состоит из рамы 1, имеющей кулачковые направляющие 2, и сквозной направляющей 4, выполненный вдоль вертикальной оси симметрии кулачкового направляющего, шагающего колеса, жестко выполненного своей ступицей 5 и снабженного роликовыми опорами 3 в каждой спице. Для обеспечения устойчивости движителя раме на 1 установлено опорное устройство, состоящее из крестовины 6, сочлененной с четырьмя опорными колесами 7. Движитель работает следующим образом: вращение от рычага управления (при ручном приводе) или от привода (при электрическом приводе) передается к шагающему колесу со ступицей 5 и от ступицы 5 передается к раме 1 через направляющий паз 4 рамы.

Рисунок 2 – Движитель, оснащенный шагающими колесами

Роликовые опоры 3 шагающего колеса, удерживая рамы, перекатываются по кулачковой направляющей рамы 2.

Взаимодействие лестницы жилых зданий с колесом при подъеме и опускании по лестничным маршам

Рассмотрим процесс взаимодействия шагающего колеса с лестницей (рисунок 3). Для того чтобы при движении по лестнице, спицы шагающего колеса все время наступали на полки лестницы на одинаковом расстоянии от ее кромки, необходимо, чтобы величина радиуса колеса и количество спиц шагающего колеса должны быть взаимосвязанными. Принимаем в расчет общепринятые стандартные размеры полки лестницы. Длина полки L = 300 мм, высота полки – h = 150 мм. Шаг шагающего колеса равен хорде «ab» окружности. Эту хорду обозначим через S, а дугу окружности, огибающую эту хорду, обозначим соответственно через «D».

Длина хорды:

. (1)

Из треугольника aob (рисунок 3, a) можно определить величину радиуса r шагающего колеса так:

, (2)

. (3)

Величину угла можно задавать с учетом устойчивости хода шагающего колеса, передвигающегося по лестнице. Этот угол, согласно указанному ограничению, может быть задан меньше чем 90º от линии наклона лестницы (то же самое от хорды S). Число спиц определяется исходя из условия:

, (4)

т.е. длина дуги окружности равна произведению радиуса окружности и растягивающего эту дугу угла из aob.

Рисунок 3 – Взаимодействие шагающего колеса с лестницей

Тогда число спиц равно:

. (5)

Если задаться углом:

, (6)

.

Аналогично определяются параметры опорной части движения, состоящей из крестовины и опорных колесников, исходя из условия взаимодействия лестницы опорным устройством движителя.

Диаметры опорных колес могут быть определены исходя из других условий, т.к. этот параметр не зависит от взаимодействующих параметров лестницы. При проектировании ведущего шагающего колеса стараются закладывать в проект большое количество спиц, т.к. с уменьшением количества спиц, увеличивается амплитуда вертикального колебания колеса при передвижении по ровной дороге.

А при проектировании опорного устройства стараются закладывать в проект как можно меньшее количество спиц крестовины, т.к. опорное устройство при передвижении по ровной поверхности дороги перекатывается с помощью опорных колес. Принято выполнять конструкции крестовины из трех или из четырех спиц. Центр ступицы трехспицевой крестовины располагается ниже четырехспицевой крестовины. Поэтому требуется приложить относительно больше усилий для перешагивания на следующую ступеньку лестницы. Количество спиц также определяется путем задания угла γ из равенства:

. (7)

Если задаться то .

Если задаться то .

• Взаимодействие шагающего колеса с поверхностью дороги
• Движитель, оснащенный шагающим колесом модификации С

Другое по теме:

Общая конструкция ведущего моста, назначение основных механизмов
Мосты автомобиля служат для поддерживания рамы и кузова и передачи от них на колеса вертикальной нагрузки, а также для передачи от колес на раму (кузов) толкающих, тормозных и боковых усилий. В зависимости от типа устанавливаемых колес м ...

Направления улучшения финансового состояния Пушкинского автобусного парка
Проведенный во второй главе анализ финансового состояния Пушкинского автобусного парка на основании изложенной в дипломном проекте методики позволяет отнести предприятие к 3-ей группе предприятий - неплатежеспособ­ные 2 категории. Финансо ...

Характеристика проектируемой системы электрической централизации
Блочную электрическую централизацию с раздельным управлением применяют для станций, имеющих до 30 централизованных стрелок. В связи с большим числом групп поездных и маневровых маршрутов построение разрозненных схем для каждой группы при ...