Способ создания тяги при движении по естественной поверхности земли и устройство для его осуществления

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТЯГИ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО ЕСТЕСТВЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Белорусская сельскохозяйственная академия(73) Патентообладатель Белорусская сельскохозяйственная академия(57) 1. Способ создания тяги при движении по естественной поверхности земли, при котором стержень нагружают весом и тяговым усилием и вдавливают его в грунт, отличающийся тем, что вдавливание осуществляют вдоль оси стержня и под острым углом к поверхности земли, а нагружают верхний конец стержня. 2. Устройство для создания тяги при движении по естественной поверхности земли, включающее тележку с колесами и двигателем, толкающий движитель в виде двух стержней, связанных с двигателем, отличающееся тем, что средняя часть каждого из стержней связана с тележкой посредством гидравлического амортизатора, а верхние концы стержней закреплены на тележке шарнирно относительно поперечной горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести тележки, причем нижние концы стержней установлены с возможностью перемещения вдоль своей оси под острым углом к поверхности земли. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что колеса выполнены управляемыми. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что рабочие фазы стержней выполнены с перекрытием. 5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что привод стержней выполнен гидравлическим с коммутатором-золотником, а стержни выполнены в виде телескопических раздвижных цилиндров. 4779 1 Изобретение относится к области тракторостроения, а именно к конструированию механизмов, работающих со сравнительно небольшой скоростью передвижения по поверхности земли, но обладающих большим тяговым усилием. Может быть использовано при разработке тягачей для плугов, скреперов, сверхтяжелых прицепов, трелевщиков леса, рыхлителей почвы, кротователей и т.п. Известно устройство 1, в котором реализован способ создания тяги с наличием операции вдавливания стержня в грунт. В устройстве имеется механизм шагания и опорные лыжи, снабженные поперечными к лыжам грунтозацепами, передние из которых удлинены. Способ создания тяги состоит во вдавливании удлиненного грунтозацепа (стержня) вдоль его оси в грунт и поперечным относительно оси стержня нагружении тяговым усилием. Здесь непосредственно операция вдавливания стержня в грунт не создает эффекта тягового усилия. Поэтому на вдавливание затрачивается неэффективная относительно тягового усилия дополнительная энергия(равносильная наезду колесного или гусеничного тягача на препятствие). Для эффективности способа необходимо малое сопротивление грунта продольному вдавливанию стержня и большое сопротивление этого грунта поперечному давлению на грунт стержнем. Такой специальной анизотропностью грунты практически не обладают. Кроме того, нагружение стержня поперечным тяговым усилием приводит к работе грунта по схеме плоского сдвига. Из механики грунтов 2, с. 4248 известно, что при плоском сдвиге сдвиговое (здесь тяговое) усилие даже в самом лучшем случае может составить только долю от веса пригрузки (здесь веса тягача). Максимальное значение этой доли значительно меньше единицы. В самом устройстве 1, реализующем этот способ, удлиненные грунтозацепы (стержни) нагружаются тяговым усилием поперек их длины. Это является наименее выгодной механической схемой нагружения стержня, требующей увеличения его поперечного сечения, что, в свою очередь, требует существенного увеличения усилия на его вдавливание в грунт. Известно также устройство 3, в котором реализован способ создания тяги вдавливанием стержня в грунт. В нем имеется тележка с опорами и двигателем, толкающий движитель в виде 2-х стержней, внутренние концы которых связаны с двигателем. Средние части стержней связаны через кулису, имеющую направляющую параллельную продольной оси тележки, с тележкой, а внутренние через кривошип с валом двигателя. В этом устройстве внешний (опорный) конец стержня (рычага) движется по жестко заданному эллипсу. Это устройство имеет определенный эффект при движении по глубокому снегу (с тележкой на лыжах), но для движения по грунту неэффективно. Так, при максимально длинном шаге (фазе отталкивания) усилие от внешнего конца, например, заднего стержня передается в грунт сначала под углом 90 к поверхности земли(вертикально вниз). Это приводит к отсутствию горизонтальной тяги и к реактивному подъему задней части тележки вверх, а средней к перемещению вниз, что бесполезно и затрудняет качение. Далее усилие от внешнего конца стержня начинает передаваться под все более острым углом к поверхности земли и в середине фазы отталкивания этот угол равен нулю. Здесь вредная вертикальная нагрузка на тележку от действия внешнего конца стержня вниз уменьшается, но сохраняется вплоть до средней точки фазы отталкивания. В средней же точке фазы отталкивания начинает работать неэффективно уже не устройство, а грунт. Он начинает работать по весьма неэффективной схеме плоского сдвига. Затем угол между направлением усилия отталкивания и поверхностью земли изменяется с нулевого на отрицательный (этот угол откладывается уже от поверхности земли вниз). Внешний конец стержня не вдавливается внутрь грунта, а стремится оторвать часть грунта вверх. Эта механическая схема работы грунта является самой неэффективной, т.к. грунт состоит из отдельных частиц, а здесь начинает работать на разрыв. Это резко уменьшает значение силы тяги устройства. Кроме того, разгружается середина тележки и нагружается задняя ее часть, что затрудняет качение. Таким образом, все части фазы отталкивания являются неэффективными. Соответственно сокращение длины шага здесь существенно не увеличит эффекта отталкивания и создания тяги. Наличие же фазы свободного качения, как приведено в 3, делает тягу равной нулю. Способ создания тяги, реализованный в описанном устройстве, представляет собой вдавливание в грунт стержня, при этом среднюю часть стержня загружают весом и полезной горизонтальной нагрузкой, а вдавливание стержня в грунт осуществляют с силовым эксцентриситетом под углом к поверхности земли, изменяющемся в пределах 900-90 включительно. Наличие в фазе вдавливания таких углов приводит к неэффективности способа 90 - к отсутствию тяги,0 - к возникновению плоского сдвига, рецидивированного отсутствием вертикальной пригрузки, отрицательные углы - к работе грунта на разрыв. Нагружение весом и полезной тяговой нагрузкой средней части 4779 1 стержня делает мало аффективным преобразование этого веса в тягу. Нагружение стержня с силовым эксцентриситетом приводит к неэффективной работе грунта - малой сопротивляемости разрушению. Цель изобретения - увеличение тягового усилия с сохранением относительно небольшого собственного веса тягача. Указанная цель достигается тем, что в почво-грунт вдавливают под острым углом к поверхности земли стержень, верхний конец которого нагружен весом и горизонтальной нагрузкой, при этом вдавливание осуществляют вдоль стержня. Вдавливание под острым положительным углом к поверхности земли приводит к непрерывности существования горизонтальной составляющей усилия в стержне (тяги), обусловленного реакцией грунта. Кроме того, вдавливание стержня в грунт под острым положительным углом приводит к работе грунта только по схеме 3-осного сжатия, когда грунт, как известно из механики грунтов 2, с. 120130, 4, с. 20, 21 сопротивляется наиболее эффективно. Вдавливание вдоль стержня приводит к направлению реактивного усилия грунта вдоль стержня, т.е. без эксцентриситета, что приводит к наибольшей несущей способности грунта 5, с. 113. Расчеты показывают 2, 4, 5, что предельное давлениена грунт в условиях 3-осного сжатия и центральной нагрузки больше, чем в условиях плоского сдвига в 2 и более раз. Нагружение весом верхнего конца стержня приводит к минимальному потребному компенсационному весу, т.к. используется максимальное значение плеча силы веса относительно точки опоры стержня о грунт. Снятие горизонтального тягового усилия с верхнего конца стержня вместе с условием предыдущего абзаца приводит к работе вдавливаемого стержня исключительно на продольное сжатие и, следовательно, к работе грунта только по наиболее эффективной схеме 3-х осного сжатия. Расчетная схема способа создания тягового усилия (фиг. 1) позволяет определить значение тягового усилия г и необходимый для этого компенсационный вес . Из фиг. 1 видно, что, где- плечо силы , зависящее от длины стержня и угла вдавливаниястержня в почво-грунт- плечо силы тяги, также зависящее от длины стержня и угла . Схема показывает, что г может превышать значение . При этом г будет больше заво столько раз, во сколько 1 больше , что реально осуществимо, достаточнообеспечить менее 45. Если уголдостаточно мал,то тяговое усилие г может превышать компенсационный вес в несколько раз. Из фиг. 1 видно также, что грузв предложенном способе играет активную роль в создании тяги, что исключает потребность в его горизонтальном перемещении дополнительной энергией. Пример нового способа. 502 Вес компенсационного груза 50 кгс,2 м (фиг. 1),0,5 м. Тогда по 1 г 200 кгс . 0,5 То есть при весе 50 кгс обеспечивается сила тяги в 4 раза большая веса. Пример устройства (тягача), выполненного по новому способу (фиг. 2). Стержнем, вдавливаемым в почво-грунт, является гидравлический цилиндр 1, приводимый в действие шестеренчатым насосом через коммутатор-золотник. Насос приводится в действие от двигателя 2. Для непрерывности хода тягача цилиндров два. Цилиндры закреплены на одноосной тележке 3 и работают попеременно с перекрытием фаз. Роль груза играет вес двигателя 2 и двухколесной тележки 3, а если необходимо,то и балласт на ней. Для недопущения нагружения раздвижных рабочих цилиндров боковыми усилиями цилиндры крепят верхним концом к тележке шарнирно, а для предотвращения волочения нижних концов цилиндров по земле при их сокращении их дополнительно подвешивают, каждый на одном гидравлическом амортизаторе 4 одностороннего действия. Так что при сокращении рабочей пары цилиндров амортизатор не дает упасть нижнему концу цилиндра на землю, которой он достигает в конце сокращения. Для изменения курса тягача колеса являются управляемыми. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии двигатель 2 работает, насос работает вхолостую. Нижние концы цилиндров 1 опираются о поверхность земли. К тележке тросом прикреплен груз,который необходимо перетащить на другое место. При включении тягача на рабочий ход коммутаторзолотник автоматически перемещается в положение, когда открыт канал, соединяющий насос с верхней полостью одного цилиндра, а нижняя полость свободно сообщается с резервуаром для масла. Цилиндр раздвигается, упираясь в грунт. 4779 1 Реакция грунта передается вдоль цилиндра в направлении на центр тяжести тележки. Эта сила стремится поднять тележку вверх и переместить вперед. Тогда натягивается трос и давление колес тележки на поверхность земли уменьшается. При дальнейшем раздвижении цилиндра реакция почво-грунта закономерно увеличивается - трос все больше натягивается, а давление колес тележки на поверхность земли уменьшается. Как только сила натяжения троса превысит силу трения груза о поверхность земли вся система тягачгруз придет в движение вперед. Раздвигающийся рабочий цилиндр при этом начнет поворачиваться около точки шарнирного крепления на тележке и точки опоры о почво-грунт. Угол между продольной осью раздвигающего цилиндра и поверхностью земли начнет уменьшаться, подвесной амортизатор свободно сокращается. Предельное положение раздвижного цилиндра будет определяться полной длиной раздвижного рабочего цилиндра и высотой точки крепления верхнего конца цилиндра к тележке. По достижении рабочим цилиндром заданного предельного значения его длины золотник автоматически переключает насос на наполнение нижней полости этого цилиндра и открывает выход масла из верхней полости. Цилиндр начинает сокращаться и повисает на шарнирном креплении к тележке и гидравлическом амортизаторе, закрепленном шарнирно одним концом на рабочем цилиндре, вторым на тележке. Шток амортизатора начинает вытягиваться из корпуса амортизатора - рабочий цилиндр медленно падает, поворачиваясь около верхней точки крепления к тележке. В результате нижний конец рабочего цилиндра проносится на требуемом расстоянии от поверхности земли. В конце сокращения рабочего цилиндра исчезает подъемная сила для нижнего конца рабочего цилиндра и он, вытягивая своим весом далее шток амортизатора, касается земли. Коммутатор-золотник опять включает насос на верхнюю полость этого цилиндра. Процесс повторяется. Во время подтягивания нижнего конца первого цилиндра второй цилиндр осуществляет свой рабочий ход. Поэтому тележка движется непрерывно. А плавность перехода от одного шага к другому обеспечивается некоторым перекрытием фаз работы цилиндров тягача. Эффект от использования способа заключается в увеличении тягового усилия при малом компенсационном весе, что для тягача означает увеличение его тяги и снижение металлоемкости. Источники информации 1. А.с. СССР 1121172 А, МПК В 62 57/02. 2. Цытович Н.А. Механика грунтов. Краткий курс. - М. Высшая школа, 1979. - С. 272. 3. А.с. СССР 1757951 А 1, МПК В 62 57/02. 4. Веселов В.А. Проектирование оснований и фундаментов. Основы теории и примеры расчета. - М. Стройиздат, 1990. - С. 304 с. 5. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. - М. Стройиздат, 1981.- С. 319. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4