XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание нового движителя лодки амфибии
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В наше время люди в различных областях сталкиваются с проблемой перемещения в труднодоступных районах. К малопроходимым местностям относятся: болота, мелководья на реках, подводные ледники, многочисленные отмели на мелководном шельфе. Передвигаясь по мелководным рекам, люди сталкиваются со многими опасностями, которые могут нанести непоправимый ущерб, в том числе и жизни человека. Трудность также состоит в самом перемещении: на обычных лодках вряд ли получится преодолеть мелководную реку с каменистым дном - лодка может с легкостью застрять и, например, не доставить важный груз до цели вовремя.
Создание нового движителя для транспорта, передвигающегося и по воде, и по отмелям, откроет новые возможности. Такая лодка-амфибия поможет в различных сферах. Например, она облегчит транспортировку грузов, людей по воде с возможностью преодолевать встречающиеся на пути отмели. Это поможет также при чрезвычайных ситуациях. В опасных ситуациях спасатели смогут беспрепятственно добраться по воде до труднодоступных районов и оказать помощь.
Такой новый вид транспорта очень полезен и может применяться во многих областях, поэтому нужно изучить эту идею и создать такой движитель.
Актуальность работы
Освоение новых труднодоступных географических областей.
Цель моей работы
Изучить и изготовить механизм, функцией которого является передвижение по воде с возможностью кратковременного передвижения по отмелям, оснащенный электрическим приводом с реверсом и регулировкой скорости.
Решаемые задачи:
1) Изучить работу механизма Чебышева.
2) Изготовить действующий макет сдвоенной пары лямбдаобразных механизмов.
3) Изучить возможность переворота лямбдаобразного механизма для использования дуги в качестве рабочей части траектории привода щитка-весла для гребли на лодке и стопы-опоры для шага на отмели.
4) Изучить движение щитка-весла в воде при различных углах атаки, близких к прямым углам.
Теоретическая часть
Я узнала о существовании шагающего механизма и шагающей машине П.Л.Чебышева, которые были показаны на Всемирной выставке в Париже в 1878 году [1, 2]. Механизм Чебышёва был изобретён в XIX веке русским математиком Пафнутием Чебышёвым, проводившим исследования теоретических проблем кинематических механизмов. Одной из таких проблем была проблема преобразования вращательного движения в приближённое к прямолинейному движению. Его механизм позволил получить траекторию движения точки, очень схожую с траекторией движения стопы человека или копыта животного.
Рис.1
Рис.2
Анализ гребного механизма П.Л.Чебышева
Для достижения поставленной цели работы было предложено рассмотреть возможность совмещения преимуществ шагающей машины П.Л.Чебышева [1] с гребным механизмом, предложенным этим же автором (рис.1).
В гребном устройстве П.Л.Чебышева два лямбдаобразных механизма с
общим ведущим кривошипом дополнены ещё двумя другими механизмами для обеспечения прямолинейного участка движения механических вёсел, когда те поочерёдно погружаются в воду. Прямолинейное движение вёсел в воде не является очень жёстким требованием, потому что движение верхней точки подвижного шатуна в четырёхзвенном лямбдаобразном механизме
П.Л.Чебышева даже по верхней части траектории-дуги не очень сильно
искривлено, потому что дуга очень вытянутая. Это означает, что использование верхней дуги траектории для погружённого в воду весла тоже приведёт к отбрасыванию воды назад и передаче импульса лодке вперёд.
Если это так, то отпадает необходимость в двух дополнительных, спрямляющих движение, механизмах. Достаточно только перевернуть сдвоенную на одном ведущем кривошипе пару лямбдаобразных механизмов П.Л.Чебышева.
Обобщая сказанное, можно сформулировать три основных вопроса, которые надо изучить подробно при анализе гребного механизма П.Л.Чебышева, схема которого приведена в книге И.И.Артоболевского и Н.И.Левитского.
Вопросы по конструированию движителя
Зачем нужны два механизма справа и слева от сдвоенной пары «лямбд», не изменяющие форму дуг?
Обратите внимание на похожие траектории с нижними почти прямолинейными отрезками и верхними дугами, которые показаны на чертеже сплошными линиями. Практически это одна и та же фигура. С технической точки зрения П.Л.Чебышев отодвинул эти две траектории от центральной части механизма вправо и влево на чертеже, то есть вперёд и назад на созданной им лодке. Зачем? Для продольной устойчивости? Однако продольную устойчивость движения лодки обеспечивает только передний гребной щиток, но не задний. Для уменьшения боковых габаритов? Вряд ли, потому что эффект несущественный. Не удаётся найти ответ на этот вопрос.
Траекторию движения гребных вёсел вполне можно обеспечить без двух механизмов справа и слева от «лямбд». Эти два механизма сдвига гребной траектории не нужны для движения лодки по воде, не говоря о перемещении судна по отмели. Предлагаю убрать эти два механизма, сократив на приведённой схеме 10 рычагов и 14 шарниров. Остаются только две спаренные «лямбды» на общем ведущем кривошипе, то есть всего 5 рычагов и 7 шарниров с каждой стороны, не считая неподвижного корпуса. С технической точки зрения из кинематической схемы механизма исключили 67% шарниров и рычагов. Новый рычажно-шарнирный механизм сохранил одну степень свободы, рассчитанную по формуле П.Л.Чебышева:
С = 3Р - 2Ш = 3х5 – 2х7 = 15 – 14 = 1.
Зачем нужны удлинители гребных щитков-вёсел?
Ответ на этот вопрос не ясен. На обычной лодке вёсла опускаются в воду сбоку. Зачем П.Л.Чебышев перенёс гребные щитки-вёсла вперёд и назад? В новом техническом предложении удлинители щитков не нужны. Щитки-вёсла можно закрепить непосредственно на рабочих точках шатунов лямбдаобразных механизмов. Передача импульса от вёсел воде и от воды вёслам будет происходить сбоку, как на обычной лодке. Вполне работоспособная схема технического решения, проверенная веками.
Зачем нужна траектория шага вверху для работы вёслами по воде?
Траектория природного шага нужна исключительно для шагающего способа передвижения. В природе такая траектория реализует поступательное движение туловища человека или животного, предохраняя его от вибрационных и ударных нагрузок. Шагающая траектория нужна для тяжёлых промышленных платформ, для шагающих экскаваторов, в которых её нет, для новой техники, но никак не для лодки. Упор вёслами происходит в воду. Ну, будет весло двигаться не по прямой линии, а чуть-чуть по дуге!
Ничего страшного. В обычной лодке вёсла двигаются именно по дуге. Зачем нужна прямая линия движения для вёсел? Быть может, П.Л.Чебышев планировал увеличить коэффициент полезного действия движителя? Тоже вряд ли, потому что наиболее эффективен гребной винт, а не вёсла или гребное колесо.
Если все рассуждения правильные, то не надо думать о смещении рабочей траектории вниз, а достаточно просто перевернуть сдвоенную пару «лямбд». При таком перевороте почти прямолинейный участок траектории щитка-весла выйдет из воды на воздух и станет пассивным, а дугообразный участок траектории, наоборот, погрузится в воду и станет активным. В этом суть предлагаемого нового технического решения, позволяющего существенно, в три раза упростить кинематическую схему гребного механизма. Причём не только гребного, но и шагающего. Даже если свободные рабочие концы шатунов с вёслами упрутся в дно отмели под корпусом лодки, то судно просто прошагает по мелководью. Естественно, что прошагает неправильно, не как стопоходящая машина, не поступательно. Однако следует помнить, что шагающий способ движения не является основным для лодки-амфибии. Он нужен только для преодоления отмели сравнительно небольшой протяжённости. Потом на большой глубине движитель автоматически превратится в вёсельный механизм без каких-либо дополнительных команд со стороны экипажа.
Решаемая проблема и новая идея применения механизма П.Л.Чебышева
Недостатком всех устройств для передвижения и машин является применение в ограниченной окружающей среде. К примеру, шагающий механизм действует только на суше, а гребной механизм для лодки может работать только в воде. Возникает потребность в создании универсального движителя для перемещения как по воде, так и по твердой поверхности. Новое техническое предложение направлено на создание лодки-амфибии, потому что основной средой ее передвижения является вода, а вспомогательной – поверхность дна на мелководьях.
Для создания движителя лодки-амфибии траектория движения была позаимствована именно из траектории движения исполнительного механизма Чебышева. Также за основу был взят лямбдаобразный механизм, но с изменениями в применении.
Гребной механизм П.Л.Чебышева можно доработать, тем самым упростив, изменив его положение относительно лодки и применить в качестве универсального движителя для гребли по воде, а также непродолжительного шагового движения по мелководью.
Механизм будет приводиться в движение электрическим двигателем с редуктором, у которого будет иметься возможность реверса, а также регулирование скорости оборотов.
Рис. 3
После анализа кинематической схемы гребного механизма П.Л.Чебышева была предложена известная упрощённая схема сдвоенной пары «лямбд» на одном кривошипе, но установленная на лодку-амфибию по-новому.
На неподвижном звене-корпусе 1 механизма и лодки-амфибии шарнирно закреплены общий ведущий кривошип 2 и два коромысла 3 и 4. К общему ведущему кривошипу и к каждому коромыслу шарнирно прикреплены шатуны 5 и 6. Это известная схема сдвоенной пары лямбдаобразных механизмов П.Л.Чебышева.
Однако новым применением этой кинематической схемы является её переворот в вертикальном направлении так, что корпус механизма шарнирами ведущего кривошипа и двух коромысел оказывается вверху, а природные шагающие траектории свободных точек шатунов переворачиваются и располагаются внизу.
Собранный макет такой комбинации механизмов показал возможность лодки не только плавать, но и передвигаться по отмели. Конечно, доказано, что коэффициент полезного действия гребного корабельного винта намного больше, чем вёсел. Но гребной винт требует «чистой» воды, для него страшны отмели, болота. Лодка на вёслах, наоборот, прекрасно преодолевает заболоченную местность, отмели, шугу, песчаные пляжи с лужами.
Если сдвоенную пару лямбдаобразных механизмов перевернуть, то непосредственно на концы шатунов можно установить вёсла-опоры, которые могут и грести по воде, и шагать по отмели. При таком перевороте механизма теперь уже верхний прямолинейный участок траектории становится пассивным, что не обычно для применения в шагающих машинах, и вообще в технике, где часто добиваются движения точки по прямой линии. В таком перевёрнутом механизме нижний участок дуги на траектории становится рабочим, он отбрасывает воду назад или ходит по отмели. Если глубина водоёма большая, то вёсла на концах шатунов начинают отбрасывать воду. На отмели эти вёсла с опорами шагают по дну водоёма, пока лодка-амфибия не выйдет на глубокое место. Для предлагаемого нового движителя лодки-амфибии требуется, чтобы на пассивном прямолинейном участке траектории вёсла опоры полностью поднимались над водой. Это означает, что ватерлиния лодки-амфибии должна находиться чуть ниже, чем прямолинейный верхний пассивный участок движения конца шатуна лямбдаобразного механизма П.Л.Чебышева.
Для обеспечения шагающего способа передвижения лодки-амфибии по отмели одной точки опоры мало. Однако четыре точки опоры можно не
требовать, достаточно двух точек, потому что шагающий способ передвижения лодки-амфибии не является основным. Лодка-амфибия на отмели будет совершать небольшие колебательные движения вверх и вниз при передвижении вперёд шагающим способом, пока не выйдет на глубоководье. Это не критично для лёгких конструкций.
Электросхема
Рис. 4
Новизна работы:
1. Перевернули механизм Чебышева.
2. Упростили, убрав 4 рычага.
3. Для того, чтобы конструкция удерживалась на воде, закрепили специальные щитки-весла на шатунах «лямбд».
Схема одной стороны конструкции:
Чертеж (рис.5).
Рис. 5
Изготовление действующего макета
Создание макета гребного механизма необходимо, чтобы продемонстрировать правильность работы этой конструкции. Была произведена черновая отработка данного макета. Тем самым проверили правильность размеров рычагов. Кинематическая схема механизма оказалась работоспособной (рис.6)
Рис. 6
Преимуществом такого способа передвижения лодки-амфибии является простота, а главное - надёжность технического решения. Четырёхзвенный механизм Чебышева хорошо изучен, он содержит в себе всего три рычага, а четвёртым является неподвижное звено, то есть корпус лодки-амфибии.
Так как кинематическая схема оказалась работоспособной, приступили к созданию действующей модели с мотором.
Изготовление деталей
Рис. 7
Изготовление модели движителя для лодки-амфибии
Собрали модель движителя для лодки-амфибии(рис.8):
Рис. 8
Конструкция с 2 кривошипами и 1 мотором
Рис.9
Усовершенствование конструкции
После пробных испытаний конструкции, пришли к выводу, что 1 мотора недостаточно.
Чтобы установить 2 мотора, пришлось немного увеличить ширину корпуса. (рис.10)
Рис.10
Так же, решили упростить конструкцию, убрав второй кривошип.
Испробовав модель, решили поменять положение кривошипов, так как она плохо приводилась в движение. Кривошипы были развернуты друг от друга на 180⁰, теперь их положение стало одинаковым, а движение двух сторон синхронным. (рис.10)
15
Рис.11
Испытания в воде
Приступили к созданию платформы, с помощью которой лодка-амфибия будет держаться на воде. Для этого вырезали кусок из пенополистирола. В нем сделали отверстия для подвижной части. (рис.12)
В дальнейшем конструкцию нужно будет покрыть цинковым спреем, чтобы после многократных погружений в воду металл не заржавел.
Рис.12
Лодка-амфибия смогла держаться на воде (рис.13). Поэтому можно приступать к защите электрической части модели и испытаниям по передвижению в различных условиях.
Рис.13
Изготовление стоп на 3D принтере
Изготовили на 3D принтере 4 детали, которые будут являться ступнями для шагающей конструкции (рис.14).
Рис. 14
Прикрепили ступни к «ногам» лодки-амфибии (рис.15).
Рис. 15
Испытания передвижения по дну
Рис. 16
Лодка-амфибия без проблем ходит по дну.
Заключение
Предложение нового применения двух спаренных лямбдаобразных
механизмов П.Л.Чебышева, в качестве движителя лодки-амфибии.
Проведено механическое и гидродинамическое обоснование
работоспособности устройства.
Изготовлен и испытан макет действующего привода для
доказательства правильности полученных результатов.
Список использованных источников литературы
1. Шагающая машина П.Л.Чебышева. Электронный ресурс «Математические этюды»: http://www.etudes.ru/ru/etudes/chebyshev-plantigrademachine/
2. Артоболевский И.И., Левитский Н.И. Механизмы П.Л.Чебышёва /Научное наследие П.Л.Чебышёва. – Вып. II. – Теория механизмов. – М.-Л.:Издво АН СССР, 1945. – С.52-56. – Электронный ресурс:http://www.tcheb.ru/
13. П.Л.Чебышев. Гребной механизм. Электронный ресурс:http://www.tcheb.ru/17
4. Скворцова А.А., Папиашвили Э.Д. Шагающая платформа для освоения тундры, Арктики и шельфовых областей (научный руководитель Лебедев В.В.) // Юные техники и изобретатели / Сборник материалов по итогам II Всероссийской конференции в Государственной Думе РФ / Лучший проект для "Освоение тундры". - С.32-33. - Электронный ресурс: http://www.юные-техники.рф
5. Скворцова А.А., Папиашвили Э.Д. Универсальная передвижная шаговая платформа для освоения тундры и Арктики // Материалы 8-го Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и инновации в технических университетах». – СПб: Изд-во Политехн.ун- та, 2014. – 170 c. – С.6-8. – ББК 30.1 Н34 - С.6-8.