Информационная технология «Gill» и ее применение

в создании подвижных комплексов вооружения

к.т.н., доц. Чернышев В.Л., к.в.н. Рагулин С.В.

Полный текст доклада, сделанного на 8 секции научно-практической конференции “Внутрішні війська МВС України на етапі реформування та розбудови”.

Академія внутрішніх військ МВС України. Харьков, 27 – 28 февраля 2007 г .

ВВЕДЕНИЕ

В начале 80-х годов прошлого века, в ведущем танковом КБ СССР, ХКБМ имени А.А. Морозова имели место поломки опытной шестискоростной механической бортовой коробки передач (БКП). В стендовых условиях, при номинальной нагрузке, происходило раскалывание колец подшипников сателлитов 2 планетарного ряда, что свидетельствовало о возникновении в системе больших ударных нагрузок. Существующие в то время методы расчета силовых передач, разработанные В.А. Колесовым, А.Н. Крюковым и М.Г. Жучковым (ВНИИ Трансмаш г. Санкт-Петербург), не давали убедительных ответов на возникшие вопросы. Главный инженер ХКБМ А.В. Бершов, руководитель дублирующего проекта «Электромеханическая трансмиссия» (ЭМТ), поставил перед рабочей группой задачу: выявить причины разрушения подшипников качения и максимально исключить возникновение любых поломок в трансмиссии для перспективного советского танка 90-х годов. Положение усугублялось еще и тем, что фирма FMC, разработчик транспортера М113, так же работала над ЭМТ для перспективного американского танка FCS (Future Combat System). Успешное решение данной задачи открывало хорошие перспективы в компоновке военно-гусеничных машин (применение сочлененных и модульных конструкций) и установку электромагнитного комплекса вооружения, что позволяло говорить о создании танков следующего поколения.

Результаты исследований, проведенные рабочей группой, позволили сделать следующие выводы:

1. Транспортные средства передвижения (ТСП) необходимо рассматривать как замкнутую систему «среда-машина-водитель». Это позволяет учесть взаимное влияние физико-механических свойств несущего основания, режимы движения, параметры движителя, системы подрессоривания, моторно-трансмиссионной установки, компоновку машины и водителя, с учетом его воздействий на органы управления и обратной реакции машины на всех членов экипажа (вопросы эргономики).

2. Комплексная система «среда-машина-водитель» представляет информационную технологию (ИТ) двойного назначения, которая должна аналитически описывать конкретное ТСП, учитывать основные физические процессы, протекающие в составных подсистемах и обладать гибкостью, позволяющей в короткие сроки, с высокой достоверностью решать вопросы конструкторского сопровождения всего проекта в целом, включая компоновку, системы двигателя и ходовой части.

Аналогами данной системы являются стандарт НАТО по оценке показателей подвижности танков АММ-75 и программа NTVPM, разработанная Вонгом (Wong J.Y., Канада). В советском танкостроении аналогов не выявлено.

4. ИТ необходимо создавать самостоятельно. В качестве основы для разработки могут быть использованы: докторская диссертация по проходимости танков А.П. Софияна (ВНИИТрансмаш), защищенная в 1980 году, и работы известного советского специалиста по ЭМТ д.т.н. П.Н. Иванченко.

5. Экспериментальную проверку комплексной системы «среда-машина-водитель» необходимо проводить на танке Т-64Б, по которому в ХКБМ собрана полная и достоверная информация. Итогом пятилетней работы явилось создание основ ИТ «Gill» и ее экспериментальная проверка в 1989 году. Целью предлагаемого доклада является: - представление результатов практического применения ИТ “Gill” за 20-летний период ее существования; - рассмотрение возможных областей применения.

При создании ИТ “Gill” условно можно выделить несколько этапов, каждый ставил конкретные задачи и был жестко ограничен временем.

1. Разработка, экспериментальная проверка и применение ИТ “Gill” в создании электромеханической трансмиссии перспективного советского танка 90-х годов.
2. Доводка опытной гидрообъемной механической трансмиссии для ВГМ легкой весовой категории.
3. Разработка ТТТ к самоходному зенитному пушечно-ракетному комплексу «Донец» и его подсистемам.
4. Разработка эскизного проекта бортовой гидрообъемной механической трансмиссии для ВГМ тяжелой весовой категории.

1. Разработка, экспериментальная проверка и применение ИТ “Gill” в создании электромеханической трансмиссии перспективного советского танка 90-х годов

1.1. Корни разработки

 В 1959 году, при испытаниях тягача АТТ, А.П. Софиян впервые выявил циклический характер нагружения несущего основания и показал его влияние на взаимодействие системы «грунт-движитель». Спустя 15 лет незначительная часть проведенных исследований была опубликована в открытой печати [1] . Появление статьи [1] вызвало острую критику со стороны ведущего эксперта TACOM

(Tank Automotive Command - подразделение Пентагона, отвечающее за технический уровень танковых войск США) М. Беккера [2], что привлекло внимание зарубежных [3], [4] и отечественных [5], [6], [7] специалистов.

Общее научное руководство разработкой ИТ “Gill” осуществлял Павел Николаевич Иванченко, автор пяти монографий по силовым передачам ТСП. Благодаря его знаниям и опыту удалось за 3 года разработать метод динамического состояния и применить его для решения стоящих перед нами задачами.

1.2. Результаты экспериментальной проверки Экспериментальная проверка ИТ “Gill” проводилась в период с 1987 по 1989 годы на танке Т-64Б на полигонах Кубинки (в/ч 68054) и ХКБМ им. А.А. Морозова в Чугуеве.

1.2.1. Динамика силовой передачи танка Т-64Б. Структурная схема силовой передачи представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема силовой передачи танка Т-64Б

Рис. 2. Разрез БКП

На рис. 3 представлена половина кинематической схемы семискоростной танковой БКП. Она включает в себя: входной вал (1), сложное водило (2), выходной вал БКП (3), водило бортовой передачи (4), два блокирующих фрикциона (Ф2 и Ф3) и четыре тормозных (Ф1, Ф6, Ф5, и Ф4).

Рис. 3. Кинематическая схема БКП

На рис. 4 .. 9 представлены экспериментальные (кривая 1) и расчетные (кривая 2) результаты разгона танка Т-64Б на ровной бетонной трассе. Это оригинальные материалы 20-летней давности.

Просмотреть рис. 4 .. 9.

Анализ полученных результатов показал:

1. При переключении передач в планетарных трансмиссиях возникают автоколебания, обусловленные силами трения между дисками фрикционных устройств, которые являются источником интенсивных инерционных ударных нагрузок.
2. Ударные нагрузки превышают номинальные в 5 .. 7 раз и могут быть причиной разрушения деталей и узлов силовой передачи.
3. Управление фрикционными устройствами (законы нарастания масла в бустерах) оказывает непосредственное влияние на выявленные процессы.

1.2.2. Динамика системы подрессоривания и шасси. На рис. 10 .. 13 показаны условия проведения испытаний, объект исследования, расчетные вертикальные ускорения на месте механика-водителя и кадр осциллограммы, отражающей изучаемые процессы.

Рис. 10. Участок чугуевского полигона испытаний.

Рис. 11. Киносъемка испытаний Т-64Б на плавность хода

Программа расчетов позволяла корректно учесть значение моментов со- противления вращению ведущих колес с учетом свойств несущего основания, особенностей гусеничного движителя, параметров системы подрессоривания и скорости движения танка, определить перемещения, скорости и ускорения любой точки корпуса, включая цапфы пушки, что открывало выход на задачи следующего уровня: «среда-машина-экипаж-оружие-цель».

Рис. 12. Расчетные значения ускорений на месте механика-водителя.

Рис. 13. Кадр осциллограммы испытаний танка Т-64Б на плавность хода.

Полученные результаты показали хорошее качественное и количественное совпадение. Это позволило применить ИТ ”Gill” в обосновании кинематической схемы ЭМТ, исследовать переходные процессы в силовой передаче, оценить нагруженность и ресурс зубчатых передач и фрикционных устройств, сформулировать тактико-технические требования к системам управления и охлаждения. Конструкторская проработка механической части ЭМТ была выполнена А.А. Сакуном, руководство разработкой электроблока осуществлялось В.И. Трофименко. К концу 1990 года технический проект ЭМТ, совместно с московскими и киевскими организациями, был завершен.

Развал Советского Союза в августе 1991 году исключил дальнейшее развитие проекта ЭМТ, однако ИТ «Gill» сохранилась, продолжала развиваться и обеспечивала решение возникающих задач.

2. Гидрообъемная механическая трансмиссия для ВГМ легкой весовой категории

В первой половине 90-х годов прошлого века, перед ОГКТ при ХТЗ возникла проблема доводки опытной гидрообъемной механической трансмиссии (ГОМТ) для военно-гусеничной машины легкой весовой категории, которая должна была заменить морально устаревшее шасси МТЛ-Б. Конструкция гидрообъемной передачи (ГОП) была разработана Харьковским агрегатным конструкторским бюро (ХАКБ) при заводе «ФЭД». ХАКБ известный разработчик гидрообъемных приводов управления для авиационно-космической техники. Применение их разработок для наземного транспортного средства специального назначения поставило ГОП в тяжелые условия работы, которые приводили к их быстрому выходу из строя. Положение обострялось еще и тем, что механическая часть трансмиссии имела свои конструктивные недоработки [8] и найти правильные решения было сложно. Моделирование переходных процессов в силовой передаче с использованием ИТ “Gill” позволило определить причины выхода из строя ГОП, выявить конструкторские ошибки и предложить простые технические решения, обеспечивающие работоспособность всей конструкции. Последующие полигонные испытания подтвердили достоверность сделанных рекомендаций.

Рис. 14. Гусеничное шасси, оборудованное ГОМТ

3. Самоходный зенитный пушечно-ракетный комплекс «Донец»

Военный конфликт между Кувейтом и Ираком (операция «Буря в пустыне») показал эффективность американской концепции “Наземно-воздушная операция”, в соответствии с которой, главной задачей первого этапа боевых действий является уничтожение системы ПВО, важнейших пунктов

государственного и военного управления. Интенсивное применение высокоточного оружия (ВТО) изменило характер ведения боевых операций и перед системами и комплексами ПВО СВ возникла задача борьбы с ним. Боевое использование ЗСУ-23-4 “Шилка” в операции “Жало пустыни” показало высокую эффективность применения артиллерии малого калибра для борьбы с элементами ВТО. Так, 13.01.1993 года батарея ПВО, имеющая на вооружении подвижные комплексы ЗСУ-23-4, уничтожила 8 КР «Tomahawk». Общее число КР, сбитых войсками ПВО Ирака, составило 16 - 18 единиц. Полученные материалы явились основанием для аналитической группы управления зенитного ракетного и артиллерийского вооружения (командир полковник С.В. Рагулин) Научного центра ВВС и ПВО при Харьковском военном университете (ХВУ) поставить вопрос о модернизации комплексов ЗСУ- 23-4 «Шилка» и доведения их технического уровня до требований современно- го боя. В дальнейшем к этой работе были подключены НПО «Хартрон» (разработка систем управления и наведения) и ИМИС (разработка конструкторской документации). В качестве производственной базы рассматривался 115 танкоремонтный завод (ТРЗ) МО Украины. Общее руководство проектом «Донец» осуществлял зам. начальника ХВУ по науке д.т.н. полковник М.К. Можар. При обосновании путей модернизации зенитного пушечно-ракетного комплекса (ЗПРК) «Донец», НЦ ВВС и ПВО использовал элементы информационной технологии «Gill», которые были дополнены новыми подсистемами: поражаемая цель, РЛС слежения, гидрообъемные приводы вертикального и горизонтального наведения артиллерийским и ракетными каналами стрельбы, что представляло систему следующего уровня «местность-машина-экипаж-оружие-цель». Общая структурная схема ЗПРК представлена на рис. 15. Каждая подсистема, входящая в структурную схему, описывается дифференциальными уравнениями, отражающими протекающие в ней физические процессы и явления.

В качестве возможных вариантов шасси рассматривались:

- многоцелевой тяжелый тягач МТ-Т;

- танк Т-80УД, серийно выпускаемый «Заводом имени Малышева»;

- танк Т-64Б, снятый с производства, но находящийся на хранении и подлежащий уничтожению на 115 ТРЗ в соответствии с Договором об ограничении войск в Европе.

Рис. 15. Общая структурная схема ИТ “Gill” для ЗПРК «Донец»

Предварительные анализы показали:

1. Тягач МТ-Т обладает недостаточной защитой экипажа и содержит двигатель В-46, изготавливаемый в России.
2. Шасси танка Т-80УД имеет больший вес и избыток мощности двигателя.
3. Наиболее целесообразным является использование шасси танка Т-64Б. Его удельная мощность, показатели защиты и проходимости являются достаточными. На складах имеется значительных запас двигателей 5ТДФ, что существенно продлевает жизненный цикл модернизируемого комплекса. Существенным недостатком шасси танка Т-64Б является бортовая коробка передач, которая была разработана в начале 60-х годов прошлого века и уже не отвечала современным требованиям по управляемости и подвижности.

Рис. 16. Испытания танка Т-64Б на проходимость. «Танки грязи не боятся!».

Аналитическая модель ЗПРК «Донец» на танковом шасси с башней, пушкой и приводами наведения ЗСУ-23-4 описывалась системой 157 дифференциальных уравнений первого порядка, приведенными к виду Коши. Выполненные расчеты показали, что за счет смещения торсионов системы подрессоривания правого и левого бортов танка Т-80 УД, при наведении башни с максимальными угловыми скоростями по горизонтали -70 град/сек, по вертикали – 60 град/сек, за счет ее неуравновешенности, возникают продольно-поперечные колебания корпуса, приводящие к увеличению погрешности стрельбы на 8..12 %.

Это также влияет на точность сопровождения цели, которая существенно ухудшается при стрельбе, за счет усилий отдачи пушки АЗП-23. Шасси ЗСУ-23-4 «Шилка» (ГМ-575) так же имеет несоосные торсионы, но опорные катки левого борта, по отношению к правому, сдвинуты вперед так, что 2 опорный каток левого борта находится на одной линии с 1 катком правого борта. Это в значительной степени обеспечивает устойчивость корпуса при стрельбе.

Ни один из современных танков, исключая морозовский Т-64 и его модификации, не учитывает эту особенность…

В качестве поражаемого объекта рассматривалась скоростная цель, совершающая маневры на конечном участке траектории с перегрузками более 15g. ИТ “Gill” позволила достаточно быстро, при незначительных материальных затратах, научно обосновывать тактико-технические требования к ЗПРК «Донец» в целом и его составным системам. При появлении ближневосточного инвестора 115 ТРЗ был вытеснен из проекта «Донец» мощным, на то время, «Заводом имени Малышева» (директор Г.В. Малюк). Рекомендации рабочей группы НЦ ВВС и ПВО не были учтены руководством проекта, т.к. не отражали интересы «Завода имени Малышева», в

серийном производстве которого находился танк Т-80УД. Некоторые материалы, полученные в ходе работ по теме «Донец», были доложены широкому кругу отечественных и зарубежных специалистов в сентябре 1997 года [9]. Изготовление опытного образца ЗПРК «Донец» и его полигонные испытания, на которых авторы доклада присутствовали в качестве экспертов МО Украины, не показали высоких ТТХ, что, по-видимому, и явились одной из причин нынешнего положения «Завода имени Малышева»…

Рис. 17. ЗПРК «Донец»: техническое решение и его «товарный макияж»

4. Бортовая гидрообъемная механическая трансмиссия для ВГМ тяжелой весовой категории

Увольнение М.К. Можара из ВС и его уход с группой второстепенных участников проекта «Донец» на

«Завод имени Малышева» не повлияли на работу основной группы НЦ ВВС и ПВО, которая приступила к модернизации шасси. Практический опыт работы в ХКБМ имени А.А. Морозова по проекту ЭМТ и реально существующая, проверенная экспериментально ГОП ХАКБ позволяли с высокой вероятностью успеха создать танковую бортовую гидрообъемную механическую трансмиссию (БГОМТ). В 2000 году был завершен эскизный проект БГОМТ, а ее конструкция запатентована на Украине и в России [10]. На рис. 18 приведена кинематическая схема БГОМТ.

Рис. 18. Кинематическая схема БГОМТ

Конструкция передачу (2),  БГОМТ включает в себя: входной вал (1), гидрообъемнуювходной редуктор (3), выполненный в виде двух планетарных рядов Д1 и Д2, что обеспечивает полный реверс, блокирующие фрикционы Ф1, Ф3 и Ф4, тормозные фрикционы Ф2, Ф5 и Ф6, стояночный тормоз Тст, коробку передач (4) на планетарных рядах Д3, Д4, Д5, бортовую передачу (5) и ведущее колесо (6).

По сравнению с серийной семискоростной БКП были дополнительно введены блокирующий фрикцион и планетарный ряд. Это позволило реализовать 6 передач вперед и обеспечить полный реверс.

Система торможения может реализовать три режима:

-безопасную стоянку (Тст);

-плавное торможение обеспечивается одновременным включением фрикционов Ф4, Ф5 и Ф6 обоих бортов;

-экстренное торможение. Кинематическая схема и параметры планетарных рядов позволяют реализовать 2 режима движения машины:

-режим двухпоточной ГОМТ, обеспечивающий автоматическое переключение передач, без скольжения фрикционных устройств, при скоростях движения до 32 км/час и движение машины в диапазоне скоростей от 32 до 72 км/час, за счет ГОП и ДВС, без переключения передач;

-режим механической трансмиссии на случай выхода из строя ГОП, выполнения тяжелых земляных работ, запуск с буксира и т.д. В таблице 1 показано сравнение основных характеристик БГОМТ и серийной БКП в объектовых условиях танка Т-72 и их условная эффективность. Использование БГОМТ в силовой передаче танка Т-72 позволяет поднять его расчетный технический уровень, по показателям подвижности, более чем в 4 раза [11].

Отдельные материалы по проекту БГОМТ представлялись руководством концерна «ХАЗ», в который входит завод «ФЭД», на 3 авиационном салоне Air-show China 2000 в Чжухае (Китай, ноябрь 2000).

5. Возможные области использования ИТ “Gill”

Среди основных задач, которые могут быть решены с помощью информационной технологии “Gill”, можно выделить следующие:

1. Определение направлений модернизации существующих и создания перспективных комплексов, включая оценку эффективности проводимых мероприятий.

2. Техническая экспертиза существующих, модернизируемых и проектируемых комплексов вооружения на гусеничном шасси. 3. Техническое сопровождение конструкторских разработок.

4. Исследование взаимного влияния составных систем комплекса и обоснование требований к ним.

5. Оценка динамической нагруженности составных систем шасси (двигатель, трансмиссия, система подрессоривания и т.д.), оценка их надежности и ресурса.

6. Отработка алгоритмов управления комплексом в различных режимах его работы.

7. Разработка программного обеспечения для бортового цифрового вычислителя и тренажера.

Список использованной литературы

1. Софиян А.П. Процессы колееобразования на опорной поверхности гусеничного движителя. //Тракторы и сельхозмашины. -М.: Машиностроение, -№ 4.- 1973 .

2. Bekker M.G. Trached Vehicles-Terrain Damage and Economy. // SAE Tech-nical Paper Series, 198O, No 8OO953, p.1-15.

3. Spector M. Principles of soil-tool interaction. // Journal of Terramechanics. V.18.- No 1.- 1981, p.51-65.

4. Wong J.Y., Preston-Thomash J. On the characterization of the pressure-sinkage relation-ship of snow covers containing an ice layer. //Journal of Terramechanics. V.12. - No1.- 1983, p.1-12.

5. Ольшанский В.П. О качении ведомого колеса по упруго-пластическому грунту. // Тракторы и сельхозмашины. -М.: Машиностроение,-№ 9.- 1978.

6. Чернышев В.Л. Об одном частном случае движения гусеничной машины по пластическому грунту. // Тракторы и сельхозмашины. -М.: Машиностроение,-№ 5.- 1982.

7. Чернышев В.Л. Аналитическое описание вязко-упруго-пластических свойств несущих оснований и энергетический принцип их классификации. // Тезисы докладов 1 международного симпозиума по террамеханике "Оптимальное взаимодействие", Суздаль, 1992.

8. Омельченко В.Н., Чернышев В.Л., Скрипкин Н.Р., Федотов В.И. Об одном необычном разрушении зубчатых колес механического привода.// Механіка та машинобудування. -№1.–1997, С. 96-102.

9. Рагулин С.В., Чернышев В.Л. Комплексное моделирование функциональных возможностей зенитной самоходной установки ЗСУ-23-4 «Шилка». Материалы 1 международной конференции «Артиллерийские ствольные системы, боеприпасы, средства артиллерийской разведки и управления огнем». Киев, ГНТЦ АСВ, сентябрь 1997.

10. Патент Украины № 2001021345. // Бюл. -№8.- 2001.

11. Чернышев В.Л., Рагулин С.В., Щокин В.М., Афузов А.С. Оценка технического уровня танковых трансмиссий и пути его повышения. // Материалы 10-й международной научно-методической конференции «Технологии ХХI века», Алушта, 8-14 сентября 2003.