Minimalizacja obciążeń udarowych załogi gąsienicowego wozu bojowego

Transkrypt

1 BIULETYN WAT VOL. LV, NR 3, 2006 Minimalizacja obciążeń udarowych załogi gąsienicowego wozu bojowego MACIEJ ZAJĄC Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej, Sulejówek, ul. Okuniewska 1 Streszczenie. W artykule przedstawiono sposób modelowania zawieszenia pojazdu gąsienicowego wyposażonego w podatne ograniczniki krańcowe ruchu wahacza (zderzaki elastomerowe). W sposób szczegółowy przedstawiono opis siły powstającej w zderzaku w fazie współpracy z wahaczem. Przedstawiono wyniki badań symulacyjnych w zakresie wartości pionowych przyspieszeń w miejscu siedziska kierowcy, podczas przejazdu przez przeszkodę, dla różnych wariantów zderzaków. Słowa kluczowe: modelowanie, pojazd gąsienicowy, zderzak elastomerowy, ergonomia Symbole UKD: Wprowadzenie Biorąc pod uwagę aktualny stan i perspektywy rozwoju struktur organizacyjnych wojsk lądowych Sił Zbrojnych RP, można z dużą dozą prawdopodobieństwa założyć, że podstawowym komponentem tych zgrupowań będą pododdziały czołgów, piechoty zmechanizowanej i piechoty zmotoryzowanej, wyposażone w nowoczesne i funkcjonalne wozy bojowe. Wojskowe pojazdy gąsienicowe są konstrukcyjnie przystosowane do poruszania się w różnorodnych warunkach terenowych. Ich właściwości dynamiczne, a przede wszystkim manewrowość, charakteryzują się głównie mocą silnika napędowego, układem przeniesienia napędu na taśmy gąsienicowe oraz jakością zawieszenia. Pojazdy te mogą poruszać się po drogach utwardzonych z prędkością nawet do 80 km/h, jednakże z ich przeznaczenia wynika konieczność poruszania się z dużymi prędkościami przede wszystkim po drogach gruntowych.

2 52 M. Zając Zwiększenie manewrowości wozów bojowych opiera się głównie na zwiększaniu prędkości, jednakże zarówno możliwa do osiągnięcia prędkość, jak i skuteczność prowadzonego ognia wozów bojowych są w znacznym stopniu ograniczone oddziaływaniami dynamicznymi ruchu pojazdu na załogę i niską odpornością człowieka na tego typu obciążenia wywoływane przede wszystkim ruchem wozu bojowego po nierównym podłożu. Negatywnym skutkiem tych oddziaływań jest zwolnienie reakcji psychicznych człowieka, zmniejszenie ostrości wzroku i sprawności fizycznej załogi wozu bojowego. Uciążliwość obciążeń udarowych działających na załogę pojazdów jest bardzo istotna w ograniczaniu takich parametrów operacyjno-taktycznych, jak m.in. czas skutecznego działania załogi na polu walki. Jazda wozami bojowymi w terenie poligonowym powoduje powstawanie obciążeń pionowych oddziaływujących na załogę. Przekroczenie dopuszczalnych, z punktu widzenia biomechaniki, wartości obciążeń prowadzi do ciężkich urazów kręgosłupa u ludzi, kalectwa oraz utraty przez nich przytomności. Na polu walki oznacza to wyeliminowanie wozu bojowego z dalszych działań bojowych. Z analizy ruchu pojazdu gąsienicowego wynika, że działaniu o największym obciążeniu udarowym poddawany jest kierowca wozu bojowego. Wynika to z tego, iż znajduje się on w przedniej części pojazdu, najbardziej oddalonej od środka masy oraz z uwarunkowań zabudowy przedziału kierowania, wymuszających niekorzystne położenie ciała. [1]. Rys. 1. Pozycja kierowcy czołgu podczas jazdy: a) wyprostowana; b) podczas jazdy w warunkach bojowych Bezpośrednim źródłem występujących ww. obciążeń są siły powstające podczas uderzeń wahaczy kół jezdnych pojazdu w stalowe ograniczniki ich przemieszczeń.

3 Minimalizacja obciążeń udarowych załogi gąsienicowego wozu bojowego 53 Do zmniejszenia tych niekorzystnych sił udarowych służą różnorodne rozwiązania konstrukcyjne, np. zawieszenie hydropneumatyczne niezwykle kosztowne i zawodne na polu walki, zderzaki gumowe lub sprężynowe mało efektywne oraz amortyzatory krańcowe, czyli przeciwudarowe zderzaki-amortyzatory. 2. Model zawieszenia ze zderzakiem elastomerowym Rozpatrywany pojazd gąsienicowy posiada zawieszenie składające się z elementu sprężystego w postaci wałka skrętnego z wahaczem oraz elementu tłumiącego drgania (rys. 2). Dodatkowo przy wahaczu pierwszego, drugiego i szóstego koła nośnego znajdują się sztywne zderzaki, ograniczające ich przemieszczenia kątowe. Rys. 2. Uproszczony model pojazdu gąsienicowego Celem niniejszej pracy jest określenie wpływu elastomerowych ograniczników ruchu wahaczy kół nośnych na przyspieszenia kadłuba pojazdu powstające podczas pokonywania przeszkód terenowych. W tym celu został opracowany model matematyczny pojazdu gąsienicowego, w którym uwzględniono opis działania takich ograniczników. Opracowując model, przyjęto szereg założeń upraszczających, na przykład założono, że korpus pojazdu wraz z armatą i wieżą stanowią jedno ciało sztywne, bandaże kół jezdnych są nieodkształcalne, a prędkość pojazdu jest stała. Model ten służy do wyznaczenia przyspieszenia nadwozia w obszarze, w którym znajduje się siedzisko kierowcy. Strukturę pojedynczego zawieszenia obecnie istniejącego w pojeździe oraz z proponowanym zderzakiem-amortyzatorem dla pierwszego, drugiego i szóstego koła jezdnego przedstawiono na rysunku 3. Modyfikacja polega na dodaniu do

4 54 M. Zając modelu elementu sprężysto-tłumiącego, włączającego się do pracy w końcowej fazie obrotu wahacza. Rys. 3. Struktura pojedynczego zawieszenia: a) rozwiązanie istniejące; b) rozwiązanie rozpatrywane Siła reakcji R zderzaka elastomerowego oddziaływuje pomiędzy zderzakiem a wahaczem, przez co uzyskuje się rodzaj progresywnej charakterystyki sztywności zawieszenia. Do opis ruchu układu z rysunku 3 wybrano następujące współrzędne uogólnione: [ ] Q = X, Y, Z,,,,,...,, SC SC SC 1 12 gdzie: X SC, YSC, Z SC są przemieszczeniami liniowymi kadłuba;,, są kątami obrotu kadłuba; j jest kątem obrotu j-tego wahacza względem kadłuba, gdzie j {1, 2,... 12}. Ponadto odkształcenia zderzaków elastomerowych opisują współrzędne u i, z i, gdzie i {1, 2, 6, 7, 8, 12}. Na rysunku 4 przestawiono w powiększeniu reologiczną strukturę zderzaka zaproponowanego do zastosowania w zawieszeniu czołgu. Na rysunku 5 przedstawiono schemat zabudowy zderzaka elastomerowego. Na rysunku zaznaczono współrzędne opisujące obrót wahacza względem korpusu oraz odkształcenie zderzaka elastomerowego. Współrzędna i opisująca ruch wahacza oraz współrzędna u i opisująca odkształcenie zderzaka elastomerowego powinny spełniać poniższą nierówność: u L sin( + ) i {1, 2, 6, 7, 8, 12}. i w i oi T

5 Minimalizacja obciążeń udarowych załogi gąsienicowego wozu bojowego 55 Rys. 4. Struktura reologiczna zderzaka: S 2, S 3 elementy sprężyste zderzaka; W 2, T 2 elementy dyssypacyjne zderzaka Rys. 5. Schemat zabudowy zderzaka elastomerowego: o kąt określający położenie zderzaka Ponieważ przemieszczenia kątowe wahacza w zakresie współpracy wahacza ze zderzakiem, tzn. gdy i + oi 0, są stosunkowo niewielkie, można przyjąć w tym przypadku uproszczenie linearyzacyjne sin( + ) +, czyli: i oi i oi u + L ( + ) 0 gdy + 0 i {1, 2,6,7,8,12 }. i w i oi i Do matematycznego opisu siły R powstającej w zderzaku oraz odkształceń określonych współrzędnymi u i, z i rozpatrzono równania opisujące równowagę węzłów struktury reologicznej z rysunku 4: f1( ui ) + T0 ( ui ) + f2( ui zi ) = Ri, f3( z i ) f2( ui zi ) = 0 przy dodatkowych warunkach, które wynikają z reakcji ograniczenia [3]. oi

6 56 M. Zając Wyżej opisane zależności matematyczne zostały wykorzystane w modelu komputerowym, w którym symulowano przejazd czołgiem przez poprzeczną przeszkodę półokrągłą o promieniu 0,35 m z różnymi prędkościami (zgodnie z [6]). 3. Badania symulacyjne Do celów badań symulacyjnych niezbędne było określenie charakterystyk S 3 i W 2 czołgowego zderzaka elastomerowego. Ich wyznaczenie powinno zostać dokonane w sposób eksperymentalny poprzez oddziaływanie określoną masą z określoną prędkością. Z uwagi na fakt, iż nie było możliwości praktycznego wykonania tego eksperymentu, doboru ww. charakterystyk dokonano poprzez ocenę jakościową z charakterystykami dynamicznymi zderzaka kolejowego uzyskanymi podczas zderzeń wagonów. Na rysunku 6 przedstawiono wartość siły w zderzaku elastomerowym w funkcji jego odkształcenia, podczas przejazdu pojazdem przez przeszkodę z prędkością 4 m/s. Porównano tzw. zderzaki 4-tonowe oraz zderzaki 6-tonowe (tzn. takie, których charakterystyki uzyskano podczas symulacji uderzenia ciała o masie odpowiednio 4 i 6 ton. Widoczne jest, iż przy porównywalnych odkształceniach zderzaka, występuje większa wartość siły w zderzakach 6 tonowych. Rys. 6. Przebieg sił w zderzaku dla wariantów zderzaka 4-tonowych oraz 6-tonowych podczas przejazdu przez przeszkodę z prędkością V = 4 m/s W badaniach symulacyjnych zasadniczą wielkością podlegającą wyznaczeniu była wartość przyspieszenia pionowego na miejscu pracy kierowcy. Uzyskane wartości przyspieszeń pionowych oceniano w aspekcie spełnienia wyznaczonego kryterium odporności kierowcy na obciążenia udarowe oraz określenia maksymalnej prędkości pokonywania danej przeszkody przy określonej wersji zderzaków elastomerowych. Na podstawie danych literaturowych oraz własnych analiz usta-

7 Minimalizacja obciążeń udarowych załogi gąsienicowego wozu bojowego 57 lono, że dla obciążenia o długości trwania 0,015 s odporność kierowcy czołgu jest na poziomie 266,7 ms 2. Na rysunku 7 przedstawiono wybrany fragment wartości maksymalnych przyspieszeń dla wersji zderzaków o długości 52 mm oraz zaznaczono dla nich maksymalne wartości prędkości przejazdu, które nie powodują przekroczenia poziomu odporności kierowcy. Rys. 7. Wartości maksymalnych przyspieszeń pionowych dla wszystkich zderzaków 52 mm wraz z zaznaczonymi dopuszczalnymi prędkościami przejazdu 4. Podsumowanie Po analizie uzyskanych rezultatów badań stwierdzono, że zastosowanie omawianej struktury zderzaka w zawieszeniu pojazdu gąsienicowego pozwala na znaczące zmniejszenie występującego poziomu obciążeń oddziaływujących na załogę oraz zwiększenie prędkości jazdy przez określone przeszkody terenowe. Biorąc pod uwagę opracowane kryterium odporności człowieka na obciążenia udarowe oraz uzyskane podczas symulacji wartości i czas trwania impulsu obciążenia udarowego przedstawione na rysunku 7, stwierdzono iż dla zderzaków o długości 52 mm kryteria odporności kierowcy czołgu: nie są spełnione podczas przejazdu czołgiem z ogranicznikami sztywnymi przy prędkości przejazdu 4 m/s i powyżej;

8 58 M. Zając spełnione są dla wybranych wariantów zderzaków elastomerowych dla prędkości przejazdu pojazdem 5,8 7,6 m/s; nie są spełnione dla pojazdu ze zderzakami elastomerowymi dla prędkości przejazdu powyżej 7,6 m/s. Artykuł wpłynął do redakcji r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w kwietniu 2006 r. LITERATURA [1] W. GRZESIKIEWICZ, M. ZAJĄC, Obciążenia udarowe kierowcy wozu bojowego, VIII Międzynarodowa Konferencja Transcomp2004, prace naukowe Transport 2(20) Radom Zakopane, [2] W. GRZESIKIEWICZ, M. ZAJĄC, Modelowanie zderzaków elastomerowych stosowanych w zawieszeniu pojazdów gąsienicowych, VII Międzynarodowa Konferencja CAD, Polanica Zdrój, [3] W. GRZESIKIEWICZ, Dynamika układów mechanicznych z więzami, WPW, Warszawa, [4] W. BORKOWSKI, S. KONOPKA, L. PROCHOWSKI, Dynamika maszyn, WNT, Warszawa, [5] A. CHODKOWSKI, Konstrukcja i obliczanie szybkobieżnych pojazdów gąsienicowych, WKiŁ, Warszawa, [6] AVTP STANAG 4357 i 4358, NATO AC 225. M. ZAJĄC Minimization of impact loads of tracked vehicle s crew Abstract. The author shows procedure of modelling of tracked vehicle s suspension equipped with elastic bumpstops (elastomer bumpstops). The force generated by bumpstop during cooperation with roadarm has been described in details. As an example of simulation research, vertical accelerations have been presented at the driver s position, during surmounting heavy obstacle, for different characteristics of bumpers. Keywords: modelling, tracked vehicle, elastomer bumpstop, ergonomics Universal Decimal Classification: