BARTNICKI Adam 1 Hydrostatyczny układ napędowy samobieżnego promu przeprawowego dużej ładowności WSTĘP Pokonywanie przeszkód wodnych podczas działań bojowych to jedno z trudniejszych zadań stojących przed pododdziałami inżynieryjnymi, które nabiera szczególnego znaczenia w przypadku przepraw ciężkiego sprzętu i uzbrojenia. Zgodnie z klasyfikacją przepraw przedstawioną w [9] dla potrzeb przeprawy czołgów i innego ciężkiego sprzętu bojowego (artyleria, ciężki sprzęt inżynieryjny), którego masa lub wymiary przekraczają możliwości środków desantowych organizuje się przeprawy promowe. Obecnie przeprawy promowe urządza się w oparciu o elementy parku pontonowego PP-64, a budowane promy napędzane są z wykorzystaniem kutrów holowniczych KH-200 (rys.1). Rys. 1. Przeprawa ciężkiego sprzętu przez przeszkodę wodną z wykorzystaniem promu zbudowanego z elementów parku pontonowego PP-64 [10] Efektywność tego typu działań można zwiększyć poprzez wykorzystanie samobieżnych promów przeprawowych, których na dzień dzisiejszy nie posiadają siły zbrojne RP. Stąd też poszukiwania tego typu rozwiązań jest jak najbardziej zasadne. Problematykę zadań stawianych promom samobieżnym w aspekcie realizowanych zadań przeprawowych przedstawiono w [1]. Dynamika prowadzonych działań bojowych, pewność ich powodzenia wymaga odpowiednich parametrów trakcyjnych od uczestniczących w nich pojazdach. W przypadku samobieżnych promów wymagania te dotyczą zarówno przemieszczania się po lądzie (zwykle w trudnych warunkach terenowych w pobliżu rzek i zbiorników wodnych) jak również pływania w przeszkodach wodnych. Poruszanie się pojazdów w trudnych warunkach terenowych wiąże się z koniecznością dysponowania przez nie odpowiednio wysoką mobilnością terenową. Jest to związane między innymi z takimi parametrami jak: kąt natarcia, zejścia, prześwit, zwrotność, nacisk jednostkowy na podłoże czy kąt rampowy. Ze względu na pożądaną dynamikę prowadzenia działań ważna jest dla nich również 1 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego. Wydział Mechaniczny, Instytut Budowy Maszyn; 00-908 Warszawa; ul.gen.s.kaliskiego 2. Tel: +48 22 683 93 88, Fax: +48 22 683 72 11, abartnicki@wat.edu.pl 1762
prędkość jazdy, która nie powinna być niższa niż v j >30-40 km/h. Na przeszkodach wodnych prędkość poruszania się powinna kształtować się na poziomie kilkunastu kilometrów na godzinę, a zwrotność promów powinna zapewnić łatwą manewrowość nimi, szczególnie przy wchodzeniu i wychodzeniu z przeszkody wodnej. Tak wysokie wymagania dla pojazdu amfibijnego jednoznacznie dyktują wymagania dla jego układu napędowego. Analizując charakterystyki różnych układów napędowych, możliwość zapewnienia szerokiego zakresu realizowanych prędkości przemieszczania się i pływania, bezstopniowość napędu, łatwość przekazywania momentu napędowego od silnika do elementów wykonawczych, odporność na przeciążenia należy stwierdzić, że dobrym rozwiązaniem wydaje się zastosowanie hydrostatycznego układu napędowego do napędu samobieżnego promu przeprawowego[1,2,3,4]. 1 DOBÓR UKŁADU NAPĘDOWEGO DLA POTRZEB PRZEMIESZCZANIA SIĘ PROMU PO LĄDZIE Jak wcześniej wspomniano układ napędowy jazdy promu powinien zapewnić odpowiednią mobilność terenową przy zachowaniu stosunkowo dużych prędkości przemieszczania się. Rozpatrując zapotrzebowanie mocy układu jezdnego przyjęto, że na przemieszczający się w terenie pojazd działać będą następujące opory ruchu (rys.2): opór toczenia F t, opór wzniesienia F w, opór powietrza F p, bezwładność ruchu postępowego F b. Ponieważ podczas przemieszczania się pojazdów gąsienicowych po podłożach odkształcalnych współczynnik oporu gruntu jest znacznie większy od współczynnika oporu toczenia kół nośnych po gąsienicy, stąd opór toczenia kół nośnych po gąsienicy można pominąć. Ponieważ przy prędkościach maksymalnych osiąganych przez prom (50 km/h) siła oporu powietrza osiąga nieznaczne wartości opór ten można pominąć w procesie obliczania zapotrzebowania mocy. Podobnie bezwładność ruchu postępowego przy założeniu stosunkowo niewielkich opóźnień i przyspieszeń pojazdu może zostać pominięty. Stąd też czynnikami decydującymi o wielkości jednostki napędowej dla promu poruszającego się w terenie będą opory toczenia i wzniesienia [6,7]. Całkowite opory ruchu podczas przemieszczania się po lądzie oszacowano dla następujących przypadków: przemieszczanie się po płaskiej (nachylenie 0%), suchej drodze gruntowej (współczynnik oporów toczenia f = 0,08) z maksymalną prędkością -50 km/h (ok. 13 m/s), przemieszczanie się po suchej drodze gruntowej o nachyleniu 30% (13,5 ) z prędkością 15 km/h (ok. 4 m/s), wyjazd na podmokły brzeg (współczynnik oporów toczenia f = 0,10) o nachyleniu 60% (27 ) z prędkością 7 km/h (ok. 2 m/s). Analizę przeprowadzono przy założeniu, że pojazd o masie 3000 kg i promieniu koła napędowego 0,2 m będzie przemieszczał się po prostej (nie rozpatrywano oporów skrętu). Otrzymane wyniki zestawiono w tabeli 1. Na tej podstawie stwierdzono iż największe opory ruchu występują podczas jazdy po wzniesieniu o nachyleniu 60% z prędkością 2 m/s, jednak największe zapotrzebowanie na moc charakteryzuje jazdę po wzniesieniu o nachyleniu 30% z prędkością nie przekraczającą 4 m/s. Jazda po płaskim terenie ze stosunkowo wysoką prędkością (14 m/s) generuje najmniejsze zapotrzebowanie na moc. Oszacowana na podstawie tabeli moc niezbędna do napędu pojazdu bazowego podczas jazdy po lądzie, przy założonej sprawności hydrostatycznego układu przeniesienia napędu na poziomie 60% wyniesie 610 kw. 1763
Rys.2. Siły działające na pojazd poruszający się po wzniesieniu (opis w tekście) Tab.1. Moc potrzebna do napędu pojazdu bazowego w zależności od pochylenia terenu Pochylenie terenu [%] Wymagana prędkość Prędkość obrotowa koła napędowego Moment napędowy [Nm] Całkowite opory ruchu [kn] Moc potrzebna do napędu promu [kw] 0 13 496 5886 23,5 306 30 4 153 22899 91, 6 366 60 2 77 39957 160,0 320 2 DOBÓR UKŁADU NAPĘDOWEGO DLA POTRZEB PORUSZANIA SIĘ PROMU NA PRZESZKODZIE WODNEJ Wyznaczając zapotrzebowanie mocy układu napędowego dla promu przemieszczającego się w przeszkodzie wodnej rozpatrywano dwa przypadki: pływania nieobciążonego promu z prędkością 16 km/h i promu przeprawiającego kołowy transporter opancerzony Rosomak z prędkością 12 km/h. Wartość mocy jaką musi dysponować jednostka napędowa, aby prom mógł osiągnąć założone parametry pływania, w obydwu przypadkach zależy wprost od wielkości oporów pływania. Całkowity opór środka pływającego jest sumą następujących oporów [8]: oporu tarcia opływu kadłuba, oporu falowego, oporu ciśnienia zwanego oporem wirowym lub oporem kształtu oporu części wystających zanurzonej części kadłuba, oporów powietrza nadwodnej części kadłuba. Wielkości poszczególnych oporów uzależnione są między innymi od kształtu kadłuba jednostki pływającej, prędkości nurtu przeszkody wodnej, gładkości powierzchni zanurzonej części kadłuba, prędkości przemieszczania się, a także odległości od brzegu i dna przeszkody wodnej, a także oporu wiatru elementów promu znajdujących się nad poziomem lustra wody. Szczegółowy sposób wyznaczania oporów przedstawiono w [8], przy czym niektóre z nich mogą zostać pominięte jako małoistotne z punktu widzenia zapotrzebowania mocy jednostki napędowej. Przeprowadzona analiza występujących oporów pływania promu przy założonym kształcie i budowie kadłuba, z uwzględnieniem sprawności układu napędowego, śruby napędowej i sprawności 1764
rotacyjnej pozwoliła oszacować wielkość mocy niezbędnej do napędu promu z założonymi prędkościami na poziomie 535 kw dla pustego promu i 580 kw dla promu przeprawiającego Rosomaka. 3 HYDROSTATYCZNY UKŁAD NAPĘDOWY SAMOBIEŻNEGO PROMU PRZEPRAWOWEGO DUŻEJ ŁADOWNOŚCI Układ napędowy promu ma za zadanie zapewnić środkowi pływającemu zdolność do poruszania się zarówno po lądzie jak i w przeszkodzie wodnej. Wymóg ten powoduje, że napęd będzie przekazywany na koła napędowe gąsienic lub pędniki śrubowe, a przypadku wchodzenia do przeszkody wodnej i wychodzenia z niej zarówno na koła napędowe gąsienic jak i pędniki śrubowe jednocześnie. Tak więc kluczowymi aspektami w kontekście doboru rodzaju układu napędowego promu są: umożliwienie płynnego i powolnego rozpędzania pojazdu bez utraty przyczepności, także w przypadku przemieszczania się po podłożach o niskiej nośności; umożliwienie płynnej realizacji skrętu pojazdu bazowego przy stosunkowo niskich oporach skrętu; umożliwienie realizacji napędu gąsienic, śrubo-gąsienic oraz śrub bez konieczności zatrzymywania pojazdu w celu włączenia/wyłączenia śrub napędowych; umożliwienie nawrotnej pracy śrub napędowych (zwiększenie manewrowości promu podczas pływania). Powyższe czynniki sprawiają, że uzasadnione staje się wykorzystanie do napędu promu układu hydrostatycznego. Oprócz spełnienia wymienionych wyżej wymagań zapewnia on również: wysoką niezawodność i trwałość, możliwość bezstopniowej zmiany prędkości jazdy, możliwość rozwijania maksymalnej siły napędowej przy małych prędkościach oraz zabezpieczenie układu napędowego i silnika napedowego przed przeciążeniami. Na rysunku 3 przedstawiono propozycję rozwiązania hydrostatycznego układu napędowego dla samobieżnego promu przeprawowego. Każda ze stron promu (gąsienice i śruby lewej i prawej burty) napędzana jest niezależnie pompą o zmiennej wydajności (1-rys.3). Pompy te napędzają silniki hydrauliczne o zmiennej (2-rys.3) i stałej chłonności (3-rys.3). Silniki te z kolei przekazują napęd (bezpośrednio lub za pomocą przekładni) na śruby napędowe kadłuba (4-rys.3) oraz koła napędowe gąsienic (5-rys.3). Zaproponowany układ umożliwia realizację napędu w wymaganych wariantach: praca gąsienic; praca gąsienic oraz śrub napędowych kadłuba; praca śrub napędowych kadłuba. Skręt pojazdu podczas jazdy może być realizowany z wykorzystaniem systemu Differential Steering opracowanym przez firmę CATERPILLAR. Dodatkowa pompa hydrauliczna umieszczona na wale silnika napędowego napędza silnik hydrauliczny połączony z mechanizmem różnicowym, który zwiększa prędkość obrotową koła napędowego jednej z gąsienic. Wykorzystanie tego typu rozwiązania powoduje, że podczas skrętu w gąsienicach nie występują straty mocy. 4 DOBÓR JEDNOSTEK GŁÓWNYCH HYDROSTATYCZNEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO PROMU Dobierając silnik spalinowy dla projektowanego promu oprócz oporów ruchu oraz założonej sprawności układu przeniesienia napędu, uwzględniono również konieczność posiadania nadwyżki mocy niezbędnej do zapewnienia ruchu pojazdu w przypadku wystąpienia dodatkowego zapotrzebowania mocy (np. podczas wyjazdu z rejonu przeprawy po grząskim gruncie). Wielkość tej nadwyżki określono jako 10% oszacowanego wcześniej zapotrzebowania. Na tej podstawie do napędu promu proponuje się wykorzystanie 12-cylindrowego, wysokoprężnego silnika spalinowego MTU 2000 C22 z turbodoładowaniem. Podstawowe parametry silnika przedstawiono w tabeli 2. 1765
Rys.3. Schemat hydrostatycznego układu napędowego samobieżnego promu przeprawowego (opis w tekście) Jednostki główne hydrostatycznego układu napędowego (pompy hydrauliczne zmiennej wydajności, silniki hydrauliczne zmiennej i stałej chłonności) proponuje się dobrać na podstawie pożądanych parametrów przemieszczanie się promu po lądzie, pływania bez obciążenia i z obciążeniem. Założono, że w czasie pływania prom będzie napędzany dwoma pędnikami śrubowymi umieszczonymi w kadłubie pojazdu bazowego. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń wymaganej siły uciągu promu, przyjęto pędniki w postaci śrub trójłopatkowych DYNA-JET 30 firmy Michigan Wheel Marine o stałym skoku 24 i średnicy 762 mm, wykonanych ze stopów aluminium, umieszczone w dyszy Korta [12]. W układzie napędowym pływania zaproponowano pompę firmy Bosch Rexroth AA4VSO 250H i dwa wielotłoczkowe silniki hydrauliczne, osiowe o stałej chłonności Bosch Rexroth A2FM 1000, natomiast w układzie napędu kół gąsienicowych - wielotłoczkową, osiową pompę hydrauliczną o zmiennej wydajności Bosch Rexroth AA4VSO 250H i dwa wielotłoczkowe silniki osiowe o zmiennej chłonności Bosch Rexroth AA6VM 1000 [13]. WNIOSKI Trudne warunki pracy maszyn inżynieryjnych i pojazdów wojskowych, duże i zmienne obciążenia ich układów roboczych i jezdnych, eksploatacja w relatywnie niekorzystnych warunkach pracy, sprawiają iż poszukuje się efektywniejszych układów przenoszenia mocy, obniżających koszt eksploatacji maszyn i pojazdów. Postępujący rozwój elementów hydraulicznych, ich niezawodność i wprowadzanie nowoczesnych układów sterowania nimi (CAN-bus) sprawia, że układy hydrostatyczne znajdują coraz szersze zastosowanie. Podstawowymi aspektami przemawiającymi za ich wykorzystywaniem do napędzania zarówno układów bieżnych, śrub napędowych i elementów wykonawczych są [1,2,3,4]: łatwość kształtowania układu przenoszenia napędu od silnika spalinowego do kół bieżnych, możliwość uzyskania bezstopniowej zmiany przełożenia, 1766
wykorzystywanie korzystnego obszaru pracy silnika spalinowego, eliminacja rozłączalnych sprzęgieł, skrzyń biegów, przekładni rozdzielczych za silnikiem napędowym, eliminacja przekładni rozdzielczych za skrzyniami biegów, do napędu urządzeń dodatkowych wykorzystując energię hydrauliczną cieczy, możliwość realizowania napędu odwróconego, zabezpieczenie silnika napędowego przed przeciążeniem. Stąd też zastosowanie hydrostatycznego układu napędowego dla potrzeb napędu jazdy, pływania i systemu rozkładania i składania bloków pontonowych szybkobieżnego promu przeprawowego wydaje się zasadne. Złożoność struktury układu napędowego i jego systemu sterowania, wymóg doprowadzenia momentu napędowego do wielu elementów wykonawczych na znaczne odległości sprawiają, iż zastosowanie mechanicznego układu napędowego jest w zasadzie niemożliwe a przynajmniej niezasadne. Streszczenie W artykule podjęto problematykę przepraw ciężkiego sprzętu wojskowego przez przeszkody wodne. Utrzymanie odpowiedniego tempa działań bojowych warunkuje posiadanie przez pododdziały wojsk inżynieryjnych, na których spoczywa problem zabezpieczenia przepraw, odpowiedniego sprzętu w postaci samobieżnych promów przeprawowych. Ich parametry techniczne i eksploatacyjne powinny spełniać wymagania wynikające z realizowanych zadań i ograniczeń transportowych. Wykorzystywane obecnie promy budowane z elementów parku pontonowego PP-64 są zbyt pracochłonne i wymagają zaangażowania znacznych sił i środków do ich budowy, co uniemożliwia realizację przeprawy przez przeszkodę wodną z marszu. Ponadto promy te wymagają dodatkowych jednostek napędowych w postaci kutrów holowniczych, których manewrowość jest zdecydowanie gorsza w porównaniu z promami wyposażonymi we własne układy napędowe. Stąd też wydaje się, iż podjęcie problematyki stworzenia nowej jednostki przeprawowej dla wojsk inżynieryjnych, wyposażonej w hydrostatyczny układ napędowy jest jak najbardziej zasadne. The hydrostatic driving system for self-propelled heavy duty ferry Abstract In paper the problem of crossings of heavy military equipment by water obstacles was taken. Maintaining the the appropriate pace of combat conditions determines the possession of units of military engineering, on which bears problem of security crossings, the right equipment in the form of self-propelled ferries. Their technical and operational parameters should fulfill requirements arising from the realized tasks and transport limitations. Presently used ferries built from elements of the pontoon park PP-64 are too time-consuming and require the investment of considerable effort and resources to build them what makes impossible realization of crossing the water obstacle in stride. Moreover these ferries require any additional drive units in the form of boats towing which maneuverability is definitely worse than that of ferries equipped with its own drive systems. Hence, it seems that taking the issue of creation of a new ferry unit for military engineering, with hydrostatic driving system is the most appropriate. BIBLIOGRAFIA 1. Bartnicki A., Muszyński T., Wymagania dla samobieżnego promu przeprawowego dużej ładowności. LOGISTYKA nr 6/2014. 2. Bartnicki A., Sprawka P., Zastosowanie hydrostatycznych układów napędowych we współczesnych maszynach i pojazdach lądowych. LOGISTYKA nr 2/2008. 3. Budny E., Napęd i sterowanie układów hydraulicznych w maszynach roboczych. ITE, Radom 2001. 4. Garbacik A. i inni. Studium projektowania układów hydraulicznych. Ossolineum, Kraków 1997. 5. Moskwa M.. Sprzęt przeprawowy. Podstawy teorii i budowy środków pływających. WAT, Warszawa 1973. 6. Prochowski L., Teoria ruchu i dynamika pojazdów mechanicznych. Cz. 2. WAT, Warszawa 1997. 7. Prochowski L., Teoria ruchu i dynamika pojazdów mechanicznych. Cz. 3. WAT, Warszawa 1998. 1767
8. Sobieszczański T.K., Manewrowanie statkiem morskim, Tom 1. Gdynia 2013. 9. Instrukcja pokonywanie przeszkód wodnych przez pododdziały wojsk lądowych. DWLąd 218/2013, Warszawa 2013. 10. http://www.17wbz.wp.mil.pl/pl/66_673.html (16.10.2014 r.). 11. http://www.mtu-online.com (16.10.2014 r.). 12. www.miwheel-europe.com (16.10.2014 r.). 13. http://www.boschrexroth.com/pl/pl/produkty/grupy-produktow/products-groups-overview-2 (16.10.2014 r.). 1768