Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ ШАГАЮЩИХ МАШИН: МОНОГРАФИЯ

Семенов С. Е., Щербачев П. В., Тарасов О. И.,

Требования к системе приводов шагающих машин

На ближайшую перспективу наиболее целесообразным представляется применение шагающих машин как транспортных платформ для средств экстремальной робототехники. Соответственно, их исполнительные системы должны быть способны работать в чрезвычайно тяжелых условиях. Среди внешних факторов стоит выделить диапазон температур внешней среды от арктического до тропического и выше (например, на пожарах), высокую влажность, возможность воздействия направленных струй воды или даже полного затопления, пониженное давление окружающего воздуха при работе в горах, запыленность, возможность налипания грязи, возможность обледенения, вибрацию, удары, возможность падения с высоты. В зависимости от сферы применения возможны и другие специфические внешние воздействия, например, воздействие агрессивных химических веществ, открытого пламени, радиации и т.п.

ШМ могут перемещаться ходьбой, бегом, прыжками. Ходьба может быть статической либо динамической. Каждый из перечисленных режимов движения может быть реализован разными походками [12]. В зависимости от походки в опорной фазе находятся не все ноги. В пределе при ходьбе опорной может быть одна нога, а при беге и прыжках какую-то часть шагового цикла все ноги могут двигаться в безопорной фазе. Таким образом, суммарная установленная мощность приводов ног ШМ многократно превышает мощность, развиваемую системой приводов в каждый конкретный момент времени. Кроме того, ноги при движении, а соответственно и приводы, приводящие их в движение, испытывают динамические нагрузки, которые могут многократно превышать нагрузки статические. Учитывая, что ШМ должна нести не только себя, но еще и полезный груз, масса которого у лучших современных образцов уже достигла массу самой машины, приводы должны быть очень эффективными.

Известны работы по созданию ШМ с самым разным количеством ног, однако чаще всего речь идет о двуногих, четырех- и шестиногих машинах. Для того чтобы иметь возможность двигаться по поверхности произвольной формы необходимо, чтобы каждая нога двуногой ШМ имела не менее 6 управляемых степеней подвижности, а если ног четыре и более, то не менее трех (если стопы машины неуправляемые). Таким образом, наименьшее количество основных приводов на шагающей машине – 12. Такое большое количество приводов создает значительные трудности при их компоновке на исполнительном механизме ШМ и накладывает серьезные ограничения на размеры и форму приводов.

При движении ШМ машины постоянно возникают нагрузки ударного характера. Это связано, прежде всего, с тем, что практически невозможно обеспечить полностью безударную постановку ног на опорную поверхность из-за ограниченной точности системы управления машиной, ее измерительной системы, а также динамической точности системы приводов. В целом, чем больше скорость движения, тем больше ударные нагрузки. Возможны также сильные удары, возникающие при столкновении ног с нераспознанными препятствиями либо при значительном отклонении расположения опорной поверхности в месте постановки стопы от ожидаемого. Пиковые значения возникающих при этом ударных сил многократно превышают прогнозируемые для нормальной ходьбы. Соответственно, возникает проблема защиты приводов от пиковых нагрузок, которые могут многократно превышать расчетные значения, необходимые для реализации планируемых движений, и исходя из которых назначаются максимальные силы (моменты) приводов при их проектировании.

Шагающие машины по сравнению с традиционными наземными транспортными средствами менее энергоэффективны. Как следствие –
значительный нагрев приводов. В следствие масштабного фактора эта проблема усугубляется по мере увеличения грузоподъемности машины. При этом очень плотная компоновка приводов и жесткие массогабаритные ограничения затрудняют отвод тепла с поверхности приводов.

ШМ могут двигаться в режимах статической и динамической ходьбы. Статическую ходьбу реализовать гораздо проще, однако при увеличении скорости движения машины она становится все более энергетически затратной. Гораздо эффективнее динамическая ходьба, однако для ее реализации резко повышаются требования к динамической точности системы приводов ШМ. Это связано с тем, что в динамике на ускорения ШМ в каждый конкретный момент времени сильно влияет текущее взаимное расположение в пространстве центра масс машины и опорных стоп. В некоторых фазах движения даже небольшое (в несколько процентов от характерного размера ШМ) отклонение их расположения от требуемого может приводить к недопустимому искажению планируемого движения машины, что приведет к невозможности постановки переносимых стоп в заданные точки и достижения заданных параметров движения в начале следующего шага. Для достижения необходимой динамической точности приводы должны иметь высокое быстродействие, линейную в области нуля регулировочную характеристику. На практике это означает, что для ШМ высотой порядка 1,5 м полоса пропускания основных приводов должна быть не менее 10 Гц. Статическая точность также должна быть высокой, т.к. она определяет точность выведения машины в заданное положение в конце пути либо точность выполнении рабочих операций при помощи навесного оборудования.

При существующей технологии изготовления шагающие машины чрезвычайно дороги. Это связано, в том числе, и с большим количеством установленных на них высококачественных следящих приводов. Требования к надежности этих приводов очень высоки, т.к. отказ даже одного из них приведет к значительной потере функциональных возможностей либо полной неработоспособности ШМ. Вследствие характера работы шагающих машин, специфики
предполагаемых сфер их применения повреждения приводов вполне вероятны, и для недопущения простоя дорогостоящей техники, срыва планируемых работ необходимо проектировать систему приводов обеспечивая возможность быстрой замены отказавших приводов и других базовых частей исполнительной системы ШМ в полевых условиях.

Таким образом, к исполнительной системе ШМ и ее элементам предъявляется ряд жестких противоречивых требований, среди которых следует выделить следующие:

– стойкость к высоким и низким температурам внешней среды;

– стойкость к высокой влажности, воздействию направленных струй воды, в ряде случаев и полному затоплению;

– стойкость к пыли и грязи;

– стойкость к обледенению;

– стойкость к вибрациям, ударам, падениям с высоты;

– большая приведенная к массе удельная мощность;

– малые габариты, удобство компоновки;

– устойчивость к многократным перегрузкам по силе (моменту);

– устойчивость к перегреву, простота организации охлаждения;

– высокое быстродействие;

– высокая статическая и динамическая точность;

– высокая надежность;

– модульность конструкции, ремонтопригодность.

В настоящее время в качестве приводов ШМ машин всерьез можно рассматривать электрические, пневматические и гидравлические приводы. Для их сравнительного анализа применительно к ШМ средней и большой грузоподъемности рассмотрим табл. 1, большая часть критериев оценки в которой сформулированы на основе обоснованных выше требований. Конечно же, вес каждого критерия может быть разным для каждой конкретной машины, и само назначение весовых коэффициентов достаточно субъективно, ноесли для самой начальной оценки принять вес всех критериев одинаковым, можно выделить гидравлический привод как предпочтительный. И большинство разработчиков ШМ средней и большой грузоподъемности выбирают именно гидропривод.

Таблица 1

Оценка приводов ШМ по различным критериям