x
≡ каталог
+375 (17) 385-24-24
на главную о компании новости контакты отправить запрос

Методика разработки штабной машины с кузовом-контейнером



Методика разработки штабной машины с кузовом-контейнером
В данной статье предложена методика разработки штабной машины с кузовом-контейнером. Обобщены параметры шасси повышенной проходимости, используемых для штабных машин. Проведен анализ компоновки кузовов-контейнеров на шасси, функциональных параметров штабных машин. Приведены зависимости показателей устойчивости штабной машины от ее конструктивных параметров, в том числе параметров задней подвески.

Штабная машина представляет собой автомобильное шасси повышенной проходимости с установленным на него специальным кузовом-контейнером. Кузов-контейнер предназначен для установки специального электронного оборудования, размещения военного персонала и должен соответствовать техническим требованиям ГОСТ РВ 52047-2003. Контейнер оснащается автономными установками: энергетической, микроклимата и другими системами.

Разработкой и производством специализированных кузовов-контейнеров занимаются многие фирмы дальнего зарубежья и на пространстве СНГ: Zeppelin (http://www.zeppelin-mobile.com); Nordic Shelter AS (http://www.nordicshelter.com); Variel (http:// www.variel.com); Containex (http://www.containex.com); Chinaunistar (http://www.chinaunistar.com), O.M.A.R. Technology (http://www.omartechnology.com); ОАО «Комбинат автомобильных фургонов», РФ (http:// www.shumerkaf.ru/) и другие. Кузова-контейнеры штабных машин для облегчения, как правило, изготавливаются по каркасной схеме с теплоизоляционными стенками из пенополиуретана.

В качестве шасси для штабных машин, в основном, используются универсальные шасси повышенной проходимости, выпускаемые серийно автомобильной промышленностью. Основными проблемами при создании штабных машин являются: размещение оборудования и персонала на ограниченном пространстве и обеспечение условий их функционирования, минимизация массы контейнера и достижение необходимой прочности, подбор и, при необходимости, доработка шасси, чтобы машина в целом соответствовала общим техническим требованиям. Эти требования, в первую очередь, касаются размещения контейнера, грузоподъемности, обеспечения показателей тяговой динамики, проходимости, устойчивости (угол опрокидывания, скорость в повороте).

Противоречивость требований состоит в том, что кузова-контейнеры все больше насыщаются оборудованием, а это приводит к увеличению массы контейнера, которая лимитирована грузоподъемностью автомобиля. Возникают проблемы с установкой контейнеров на шасси используемого парка автомобилей в основном по массогабаритным показателям, так как эти автомобили изначально не проектировались под установку подобных контейнеров. Таким образом, необходима методика разработки штабных машин в целом, включая разработку кузовов-контейнеров.

Цель работы – создание указанной методики. Она основана на обобщении информации и опыта разработки штабных машин и их расчета с помощью программных пакетов ProE, ADAMS, ANSYS, PATRAN и других. При разработке методики учитывался также опыт Минского автозавода и Объединенного института машиностроения НАН Беларуси по динамическому моделирования нагрузок (в ADAMS) и оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) узлов автомобилей в пакете PATRAN.

Особенности методики. Укрупненно стадии разработки штабной машины (как и любой другой) включают: проектирование, расчет, изготовление, испытания, постановку и подготовку производства. Более подробно с учетом специфики штабной машины эти стадии представлены в виде этапов на рисунке 1.



Создание штабной машины начинается с проработки и согласования с заказчиком технического задания, в котором оговариваются решаемые штабной машины задачи, устанавливаемое оборудование и требования к нему, условия эксплуатации машины, включая особые требования к машине в целом и контейнеру, его транспортировке, развертыванию машины.

Требования к прочности контейнера регламентируются ГОСТ РВ 52047-2003, где устанавливаются нормы статической нагрузки на элементы контейнера (на пол, панели, крышу), а также оговаривается, что конструкция должна допускать штабелирование их полной массой в два яруса (установку на него сверху такого же контейнера многоцелевого назначения, создающего вертикальную нагрузку 35-120 кН). Эти значения отличаются от требований ГОСТ Р 51876-2008 для грузовых контейнеров (восемь уровней штабелирования с нагрузкой 3840 кН). Нагрузка на штабелирование по ГОСТ Р 51876-2008 определяется исходя из массы грузового контейнера 30,48×1,8 (коэффициент динамичности)×количество контейнеров, установленных на него сверху. Сейчас заказчиками выдвигаются требования о соответствии контейнера многоцелевого назначения CSC/КБК (конвенции безопасных контейнеров, ГОСТ Р 51876-2008). В случае полного выполнения этих требований контейнер с установленной термозащитой, выдерживающий по ГОСТ Р 51876-2008 вертикальную (3840 кН) и продольную (150 кН) нагрузки, будет иметь собственную массу без оборудования в пределах 8,5-9 т, что ограничивает возможность его перевозки воздушным транспортом и требует использования шасси повышенной грузоподъемности.

Поэтому необходимы компромиссные решения. Как показали исследования, для таких кузовов-контейнеров достаточно, чтобы они выдерживали вертикальные нагрузки (538-1650 кН), соответствующие уровню штабелирования 2-4 для грузовых контейнеров и нагрузки 50 кН (вместо 150 кН) на фитинги в поперечном и продольном направлении, что гарантирует от появления остаточных деформаций контейнера в тяжелых дорожных условиях.

Основные этапы разработки штабных машин. На первом этапе прорабатывается компоновка кузова-контейнера, решаются задачи размещения необходимого оборудования и устройств, рабочих мест персонала. Исходя из выбранного оборудования, определяется энергетический баланс, и под него подбирается (разрабатывается) и размещается автономная энергоустановка, система микроклимата. Далее выполняются последующие проектные этапы, включая расчет, разработку рабочей конструкторской документации, а затем изготовление и испытания опытного образца, подготовка и освоение производства.

Предварительный расчет каркаса. Каркас предварительно рассчитывается на основе данных по оборудованию и его размещению. В качестве несущих элементов каркаса, как правило, используются стандартные четырехгранные стальные трубы. Сопоставление данных с проведенными исследованиями в пакете ANSYS показало, что на предварительном этапе подбора несущих элементов каркаса, если не используются дополнительные усиливающие элементы, достаточно определить допустимые напряжения сжатия (исходя из заданных нагрузок при штабелировании) и изгиба несущих стоек контейнера (при поперечном и продольном перекосе) (рисунок 2). Эти режимы являются наиболее тяжелыми для контейнера с точки зрения его прочности и деформации.


Предварительный расчет вертикальных стоек производится по формулам:
- напряжение сжатия

где F – вертикальная нагрузка, приходящаяся на стойку при заданном уровне штабелирования; S – площадь поперечного сечения стойки;[σт ] – предел текучести материала стойки;

- напряжение изгиба от продольных и поперечных усилий

где F – заданная в ТЗ нагрузка на фитинг стойки при продольном и поперечном перекосах; hст – высота стойки контейнера; W – момент поперечного сечения стойки.

Предварительный подбор несущих стоек целесообразно производить из следующего стандартного ряда проката: 100, 120, 160 мм толщиной 4, 5, 6 мм, исходя из непревышения предела текучести с коэффициентом запаса прочности 2-3. Целесообразно ориентироваться на стали с [σт ]≥300 МПа (типа 09Г2С и другие более высокопрочные) и, по возможности, исключать конструкционные стали с [σт ] ≤ 200 МПа.

Уточненный расчет. После предварительного подбора несущих элементов выполняется разработка твердотельной 3D-модели кузова-контейнера. Сварку в создаваемой на данном этапе 3D-модели учитывать нецелесообразно, так как это приводит к значительному усложнению модели и не отражает реальной картины напряжений. Места сварки целесообразно дополнительно пересчитывать после моделирования НДС контейнера, исходя из методики СНиП.

Как показали исследования, динамические напряжения от нагрузок, возникающих при переезде препятствий, в целом получаются меньше (на 15-20 %), чем при штабелировании. Это позволяет в большинстве случаев при расчетах кузовов-контейнеров штабных машин ограничиться для них режимами статического нагружения согласно ГОСТ Р 51876-2008.

Исходя из этого, на основе созданной 3D-модели выполняется уточненный расчет кузова-контейнера методом конечных элементов в пакетах PATRAN или ANSYS согласно режимам ГОСТ Р 51876-2008 с учетом уменьшенных нагрузок, согласованных в ТЗ. После этого расчета производится конструкторская доработка кузова-контейнера с учетом выявленных слабых мест контейнера, корректируется 3D-модель и повторяется расчет НДС контейнера.

Подбор шасси. После разработки кузова-контейнера и определения его реальных параметров, в том числе массовых, производится подбор шасси с учетом требований ТЗ на штабную машину в целом. При выборе шасси учитывается ряд приводимых ниже факторов.

Возможность размещения контейнера на шасси по компоновочным параметрам (рисунок 3). Необходимо иметь в виду, что крепление кузовов-контейнеров к машине осуществляется по фитингам, которые являются концевыми угловыми точками контейнера. Имеющийся вылет рамы должен обеспечивать установку контейнера по концевым точкам. У кузова-фургона допускается выход за вылет рамы.



Повышенная проходимость. Шасси должно обладать повышенной проходимостью, иметь все ведущие мосты, раздаточную коробку и механизм блокировки дифференциала, а также устройства подкачки шин и преодоления водных преград.

Осевые нагрузки. Должно обеспечиваться непревышение нагрузки по осям для машины и исключаться ухудшение управляемости вследствие снижения нагрузки на переднюю ось (она должна быть не менее 25 % от общей массы).

Максимальная скорость и удельная мощность. Должны обеспечиваться заданные в ТЗ значения максимальной скорости и удельной мощности (8-13 кВт/т) штабной машины.

Удовлетворение ряда других требований:

- шасси согласно техническому регламенту должно обеспечивать необходимые углы въезда и съезда, продольный угол проходимости, дорожный просвет под осями, иметь эффективную тормозную систему, необходимо учитывать специальные требования в ТЗ к системе вентиляции и микроклимата, а также к герметичности кузова-контейнера;

- соответствие шасси требованиям и ТЗ по светотехнике, безопасности, шуму, вибрациям, токсичности;

- обеспечение статической устойчивости штабной машины с кузовом-контейнером (угол опрокидывания > 28°) и устойчивости машины согласно СТБ ГОСТ Р 52302-2006 при скорости не менее 49 км/ч при выполнении маневра «поворот» с радиусом R = 35 м и не менее 50 км/ч при переставке в коридоре шириной Sп = 20 м, при которых не должно быть выхода за пределы разметки или отрыва одного из колес от поверхности дороги;

- наличие бронезащиты контейнера (II класс защиты);

- обеспечение требуемого коэффициента теплозащиты контейнера и защиты от электромагнитных помех.

Эти требования должны реализовываться при проектировании и контролироваться при приемочных испытаниях.

В таблице приведены в качестве примера основные габаритные размеры шасси, рассматриваемые для установки двадцатифутового контейнера с габаритами 6058×2438×2438 мм и массой 9300 кг, и обобщены параметры машин, включая рассчитанные показатели устойчивости и удельной мощности.



При выборе шасси при наличии специальных требований в ТЗ необходимо также учитывать требования к блокировке мостов, наличие моторного замедлителя, связи с отделением экипажа, допустимые уровни шума, оснащение кабины поисковой фарой и другие факторы.

Наиболее важными критериями для выбора шасси является его грузоподъемность и возможность размещения контейнера по габаритным размерам. Далее рассматривается соответствие максимальной скорости, удельной мощности, устойчивости, а также требования по экологичности (по нормам выброса вредных веществ) и другие параметры.

Как видно из таблицы, требованиям размещения двадцатифутового контейнера по габаритным размерам соответствуют шасси КАМАЗ-43118, МАЗ-63017, МЗКТ-65273, МЗКТ-652512. Шасси Tato Stallion и МЗКТ-652511 (из-за укороченной рамы) этим требованиям не соответствуют.

Шасси КАМАЗ-43118, МАЗ-63017, МЗКТ-65273, МЗКТ-65251 соответствуют требованиям по грузоподъемности. Однако на практике на шасси КАМАЗ-43118 при заявленной грузоподъемности 12,8 т наблюдается существенная деформация задних рессор уже при массе контейнера 6,2 т, из-за чего машина с контейнером имеет существенный крен назад. Поэтому использование шасси КАМАЗ-43118 целесообразно только при массе контейнера до 6 т.

Оценка основных показателей штабной машины в целом. Одним из основных показателей является удельная мощность машины. Как видно из таблицы, удельная мощность у рассматриваемых машин при массе кузова-контейнера 9,1 т составляет 8,8-13,24 кВт/т. И за исключением Tato Stallion все остальные шасси соответствуют рекомендациям. Наибольшей удельной мощностью обладают машины на базе шасси МЗКТ (11,4-13,2 кВт/т). Машины на шасси МАЗ-63017 имеют средний показатель 11,5 кВт/т. Следует отметить, что шасси производства МАЗ, МЗКТ имеют резерв наращивания мощности двигателя, в то время как возможности КАМАЗ-43118 во многом уже исчерпаны.

Следующим по важности вопросом является оценка и обеспечение поперечной устойчивости. Это свойство оценивается по углу статического опрокидывания ε (получаемого в радианах и пересчитываемого затем в градусы) и скорости в повороте υ (м/с).

Оценка поперечной устойчивости машины может выполняться как в пакете ADAMS, так и по следующим формулам, обеспечивающим хорошую сходимость (расхождение 1-2 %) с расчетами в ADAMS:


где Bш – колея, м; Bр – длина по площадкам рессор, м; h – высота центра тяжести автомобиля, м; Mа – масса автомобиля, кг; Cp – жесткость рессоры, Н/м; Cш – жесткость шины, Н/м;
– приведенная к размеру колеи суммарная жесткость шины, рессоры и стабилизатора Cстаб, Н/м (для задней подвески шасси 6 × 6 необходимо принимать удвоенную жесткость шины, так как имеются два моста и две шины на одной стороне); λ – дополнительный угол наклона подрессоренной массы автомобиля на шинах и рессорах при наклоне площадки, рад; R – радиус поворота, м; g = 9,81 м/c2 .

Результаты расчетного исследования устойчивости (ε, υ), выполненные на основе одномассовой модели, соответствующей массе кузова-контейнера и подрессоренной массе шасси МАЗ-63017, приходящихся на заднюю подвеску в зависимости от жесткости задних рессор, расстояния между площадками рессор и высоты центра тяжести представлены на рисунках 4 и 5.


Полученные зависимости показывают, что основными факторами, определяющими статическую устойчивость машины, являются геометрические параметры: колея (Bш) и высота центра массы машины (h). Влияние жесткости задней рессоры существенно сказывается в диапазоне 5-13 МН/м, а в диапазоне 15-25 МН/м оно незначительно, и изменение угла поперечной устойчивости составляет всего 1,0 °.

Расчетная оценка показателей штабной машины. После выбора шасси на стадии технического проекта проводится предварительный блок расчетов каждого из показателей штабной машины, приведенных в таблице, а на стадии рабочей документации после уточнения конструкции машины выполняется их окончательный расчет.

Заключение. Основные процедуры методики разработки штабной машины с кузовом-контейнером охватывают: проектирование кузова-контейнера, исходя из размещаемого оборудования и персонала; подбор шасси и размещение на нем кузова-контейнера; расчет показателей функционирования и надежности машины в целом на соответствие нормативным требованиям и техническому заданию; испытания и изготовление.

Каждая процедура детализирована на этапы работ, по которым сделаны рациональные обобщения, сокращающие процесс проектирования (обоснование расчетных случаев, применение аналитических зависимостей, использование современных материалов для элементов конструкции, оценка возможностей шасси по размещению кузова-контейнера и др.).

Сформулированы и ранжированы критерии для выбора шасси под штабную машину (возможность размещения контейнера по габаритным размерам, грузоподъемность и распределение нагрузки по осям) и показатели машины в целом (максимальная скорость, удельная мощность, устойчивость и другие).

Рассмотрены и обобщены параметры шасси повышенной проходимости, используемые для штабных машин. Дана оценка возможности размещения кузовов-контейнеров на существующих шасси, выполнения требований к штабным машинам по параметрам удельной мощности штабных машин, статической устойчивости и другим.

Приведены зависимости для расчета показателей устойчивости штабной машины в зависимости от ее конструктивных параметров, позволяющие проводить оперативную оценку указанных свойств в процессе проектирования.

Д.В. МИШУТА, кандидат технических наук, В.Г. МИХАЙЛОВ, кандидат технических наук – ООО «Мидивисана»;

В.Б. АЛЬГИН, доктор технических наук – Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси


Статься опубликована в международном научно-техническом журнале «Механика машин, механизмов и материалов»
Поделиться


Еще новости на эту тему:
Об истории создания кузовов-фургонов военного назначения в Советском Союзе
Опыт создания кузовов-контейнеров специального назначения
© 2017 ООО «Мидивисана»
р/с BY82OLMP30120000312180000933 в ОАО «Белгазпромбанк» г. Минск, ул. Притыцкого, 60/2; OLMPBY2X; УНП 190243559; ОКПО 37554147
Республика Беларусь, 220113 г. Минск, ул. Мележа, д.5, корп. 2
+375 (17) 385-24-24 тел/факс
+375 (17) 293-36-51 отдел мобильных комплексов и систем
+375 (17) 385-20-00 научно-производственный центр «Геоинформационные навигационные беспилотные авиационные комплексы и системы»

Сайт работает на платформе Nestorclub.com