高速行走兩漢車設(shè)計(jì)

高速行走兩漢車設(shè)計(jì)

1高速兩棲車輛性能現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭范圍和形式的擴(kuò)大，作戰(zhàn)方式對兩河車輛戰(zhàn)術(shù)能力的要求越來越高。特別是高速兩萬輛軍用車是各國軍隊(duì)最重要的開發(fā)和開發(fā)裝備之一。高速軍用車輛是海上、海洋、登陸和島嶼作戰(zhàn)中最重要的作戰(zhàn)車輛，在發(fā)揮了重要作用。然而，由于使用兩棲車輛的特殊性，它可以確保水上航行時(shí)不滿足地面駕駛的需要，因此限制了水上速度的結(jié)構(gòu)。目前，所有國家裝備的兩棲車輛大多是排水車輛，水上速度小于18公里。實(shí)驗(yàn)證明，排水車輛水阻力與速度的1.8.25成正比（見圖1）。對該型車,即使合理增加推進(jìn)動(dòng)力,由于阻力曲線很陡,其水上速度也不可能有效提高.而通過改進(jìn)和設(shè)計(jì)車型,使兩棲車能夠從外形和結(jié)構(gòu)上有效實(shí)現(xiàn)水上航態(tài)與地面行駛的實(shí)時(shí)、合理的轉(zhuǎn)換,已成為高速兩棲車設(shè)計(jì)的基本思路.其中兩棲車輛由排水向滑行狀態(tài)轉(zhuǎn)化,是提高兩棲車水上速度的有效途徑之一.滑行車體與排水車體相比,其基本特點(diǎn)是:航行時(shí),車輛質(zhì)量大部分或全部由動(dòng)浮力支持.靜水線的位置隨航速不同而變化.實(shí)驗(yàn)證明:滑行車體阻力曲線在高于一定速度后會(huì)阻力平緩(見圖2).這表明滑行車體是一種有效而可行的增速方案,而且它是目前提高兩棲車輛快速性最主要的途徑.據(jù)有關(guān)報(bào)道,國外已研制出高速兩棲突擊車AAAV(見圖3),航速可達(dá)37～46km/h,屬于純滑行板式車體.同時(shí),有資料報(bào)道俄羅斯已研制出三棲車輛.它是能在水面行駛和起飛,地面也可高速行駛的三用車輛;估計(jì)在水面采用的是水翼、機(jī)翼與滑行板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式.本文介紹滑行板式高速兩棲滑行車體的方案設(shè)計(jì)與阻力分析.2滑動(dòng)車輛的機(jī)理分析2.1滑動(dòng)車輛的水源性能和阻力組成(1)旋轉(zhuǎn)軸摩擦阻力為研究滑行車體的阻力特性,分析動(dòng)浮力對阻力的影響,可以用有限寬平板在真實(shí)流體中的水動(dòng)性能來分析其機(jī)理.設(shè)平板以速度V0沿流體靜表面以沖角a運(yùn)動(dòng),依運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換原理,可認(rèn)為板不動(dòng),流體運(yùn)動(dòng),板處于滑行狀態(tài),P0為大氣壓.如圖4.平板沿航向、車寬均有繞流.板滑行時(shí)底部產(chǎn)生高壓,并形成噴濺水流,產(chǎn)生噴濺阻力,同時(shí)產(chǎn)生有摩擦阻力,流體重力影響將產(chǎn)生興波阻力,沿車寬中間壓力為最大,兩側(cè)最小.平板受力為:升力L=Y+Y0-Fy=D,其中Y為不計(jì)重力影響的理想流體中滑行升力,Y=12ρv2scy=πα1+2λ12ρv2BlY=12ρv2scy=πα1+2λ12ρv2Bl;Y0為靜浮力,Y0=γBlα(l0l-0.5)Y0=γBlα(l0l?0.5);Fy為摩擦力所致升力的減小量,可忽略不計(jì).阻力R=X+Fx+Pgx其中X為噴濺阻力,X=πα21+2λ12ρv2Bl=RδX=πα21+2λ12ρv2Bl=Rδ;Fx為摩擦阻力,Fx=Rf=18ρv2BlCfFx=Rf=18ρv2BlCf;Pqx為興波阻力,Ρgx=Rw=γBlα2(l0l-0.5)Pgx=Rw=γBlα2(l0l?0.5)(2)高速車行駛性能測試由于滑行兩棲車體其動(dòng)浮力作用機(jī)理與平板滑行相同.因此其阻力構(gòu)成為:Rt=Rf+Rδ+Rw+Rap+Raa.Rt=Rf+Rδ+Rw+Rap+Raa.其中Rf,Rδ,Rw同上,Rap,Raa為附體阻力與空氣阻力.由于實(shí)際滑行車體底面并不一定是規(guī)則平面,而且有局部不平整、不光滑的可能形式,同時(shí),絕大部分高速車只能處于過渡航行狀態(tài).因此,車體外形將對滑行性能有很大影響,包括對滑行阻力的影響.(3)車輛底部阻力的影響由于滑行車體速度快,車體底部處于高壓區(qū),因此,其附體阻力所占阻力比例將比通常車體大(見圖5).特別是車輛底部的懸垂物或突出物在高壓區(qū)會(huì)產(chǎn)生高阻,使航速降低,減小動(dòng)浮力.因此,實(shí)現(xiàn)滑行最主要的措施是從結(jié)構(gòu)上去實(shí)現(xiàn)底部平面化.2.2純滑動(dòng)狀態(tài)水中的兩棲車輛作為船舶的一種形式,其航態(tài)同樣可由巴甫連柯數(shù)FnΔ=v/√gΔ13FnΔ=v/gΔ13????√來劃分狀態(tài).通常FnΔ<1為排水狀態(tài);FnΔ>3為純滑行狀態(tài);1≤FnΔ≤3為過渡航態(tài).高速兩棲車均處于FnΔ>1的航態(tài)范圍.兩棲車輛航態(tài)的變化標(biāo)志著動(dòng)浮力作用大小的改變,通常動(dòng)浮力產(chǎn)生方式有三種形式,即滑行板式、水翼式、氣墊式.由于水陸車輛的負(fù)荷大,它相對于通常的快艇是超負(fù)荷的.同時(shí),滑行車體水陸車輛的升力與阻力比值不可能接近普通飛行器的這一值.因此水陸滑行車的實(shí)現(xiàn)仍有許多難點(diǎn),但是,我們只要從結(jié)構(gòu)、外形設(shè)計(jì)中作出重大改進(jìn)設(shè)計(jì)增加靜、動(dòng)浮力的比例,控制好航態(tài),增加推力,減小阻力,提高航速是可以實(shí)現(xiàn)的.3較靜態(tài)水面下的員工阻力兩棲高速滑行車體是采用大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)和特殊化結(jié)構(gòu)形式車體來實(shí)現(xiàn)高速航行的.然而,由于航行水域的限制、波浪的影響與作戰(zhàn)任務(wù)的區(qū)分,滑行車體的水上速度受到限制.通常,滑行車體在比較平靜水域中高速行駛時(shí)其減小的阻力非常有利,但在洶涌的海浪中其滑行速度由于功率需求要大很多(近1m高的浪大60%)以及垂直加速度超過人的許可極限.因此,在近1m高的海域內(nèi)最大航速也將低于16km/h.以下我們主要分析不計(jì)波浪的較平靜水面下航行的滑行車體的阻力.3.1雙轉(zhuǎn)速下的剩余阻力其阻力Rt=Ltgτ+Rfcosτ由于沖角τ一般很小,故cosτ≈1.且在全滑行狀態(tài)下升力L=排水量Δ,則得:Rt=Δtgτ+Rf其中Δtgτ為剩余阻力,Rf為摩擦阻力.剩余阻力包括興波阻力Rw和噴濺阻力Rsp(即Rδ).研究表明:當(dāng)航速增大時(shí)興波阻力在滑行體的剩余阻力中的成分逐漸減少.噴濺阻力將隨航速增大而迅速增大,如圖6所示.一般巴甫連柯數(shù)在3左右開始滑行.3.2影響滑動(dòng)阻力的因素(1)最佳行人縱傾角滑行車體剩余阻力隨縱傾角而變化、即隨航行縱傾角增大而增大.但縱傾角增大又會(huì)使車體濕面積減小、摩擦阻力下降,在一定排檔與航速下必有一對應(yīng)于最小阻力的“最佳航行縱傾角”,(見圖7)故通過調(diào)節(jié)縱傾角可以改善阻力性能.與縱傾角有關(guān)的因素有前浮箱形式、前滑行板傾角以及重心縱向位置.(2)平衡重較小且側(cè)防浪板輔助運(yùn)行,更一般在半主體面施工的地方設(shè)計(jì)以改善兩兩棲滑行車體底面一般為平面,阻力小,但穩(wěn)定性差,難以操縱,且在洶濤中航行時(shí)將受到很大拍擊作用.因此,兩棲高速滑行車體一般在比較平靜水面航行,并加裝側(cè)防浪板以改善其穩(wěn)定性與抗風(fēng)浪能力.(3)浮箱+加大潤滑面積兩棲滑行車輛負(fù)荷較重,阻力較大,因此,為了改善其滑行性能,通常采用加大滑行面積和加裝浮箱的形式來解決.同樣,其所需推進(jìn)力也比普通滑行艇大很多.(4)縱軸的垂直位置重心縱向位置的改變將改變縱傾角,從而改變阻力,因此,在一定排水量和車寬下,有最佳的重心縱向位置與最佳縱傾角相對應(yīng).(5)汽車寬車寬一般受陸上行駛、運(yùn)輸限制,通常不變,但車寬增大有助于增大動(dòng)浮力.因此,增加側(cè)防浪板的傾角也可起到增加車寬的作用.3.3試驗(yàn)資料及估計(jì)對滑行兩棲車輛阻力估算通常有兩種方法:一種是應(yīng)用滑行平板資料估算滑行艇阻力的方法來估算滑行兩棲車輛阻力,一種是應(yīng)用試驗(yàn)資料.但由于國內(nèi)還沒有滑行兩棲車樣車,故只能通過滑行平板資料進(jìn)行預(yù)估.應(yīng)用18屆國際船模試驗(yàn)池會(huì)議指出的結(jié)論:滑行艇(含滑行車體)在滑行階段的裸車體總阻力應(yīng)為:(具體方法及公式含義詳見參考文獻(xiàn))Rt=Δtgτ+Rf+RspfRf=12ρvm2S(Cf+ΔCf)Rspf=12ρv2sSspcosθ(Cf+ΔCf)4結(jié)構(gòu)降阻設(shè)計(jì)從滑行車體機(jī)理與阻力分析可知,影響阻力的因素有車體形狀尺寸、車重與質(zhì)量分布、航行縱傾角(即沖角)、浸濕面形狀、摩擦阻力系數(shù)以及附體阻力.為實(shí)現(xiàn)滑行狀態(tài)其方案設(shè)計(jì)思想是從結(jié)構(gòu)上降阻,并增加動(dòng)浮力;同時(shí),從動(dòng)力和車形的設(shè)計(jì)上增加推進(jìn)力,并從結(jié)構(gòu)布置上考慮車輛動(dòng)、靜平衡姿態(tài)對滑行的影響.而車體的外型設(shè)計(jì)主要以降阻增速為最終設(shè)計(jì)目標(biāo).其中兩棲滑行車降阻的核心是從結(jié)構(gòu)上使底面平板化,減小附體阻力;增大滑行板面積,增大動(dòng)靜浮力;從質(zhì)量分布上考慮動(dòng)、靜平衡姿態(tài),并選擇最佳沖角來進(jìn)行設(shè)計(jì).4.1車輛的主要運(yùn)行過程兩棲車輛由于陸上行駛需要,有輪式、履帶式行駛結(jié)構(gòu)突出車底面,而且,為獲得較好的陸上性能,還需要尺寸很大的輪胎.這樣,水陸功能在結(jié)構(gòu)上的矛盾要求必須采取可伸縮式懸掛機(jī)構(gòu)來解決.它采取在水中將行動(dòng)部分收起與車底面相平,進(jìn)行航行,登陸前再將其放回,并鎖定,實(shí)施登陸和地面行駛.對輪式車輛,可伸縮式懸掛形式要考慮輪胎收放的實(shí)現(xiàn)以及動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向形式.對履帶車輛,主要考慮負(fù)重輪的收放實(shí)現(xiàn)和履帶的張緊與松馳,一般采用小負(fù)重輪形式.但履帶的張緊與回放的控制也必須與收放動(dòng)作相協(xié)調(diào)一致.由于其調(diào)節(jié)應(yīng)隨水陸轉(zhuǎn)換而改變,因此,必須采用自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu).通常有兩種形式:一種為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),一種是采用張緊補(bǔ)償機(jī)構(gòu).前者由外加動(dòng)力自動(dòng)控制其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),并通過自動(dòng)控制誘導(dǎo)輪的旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)履帶.它在誘導(dǎo)輪軸上裝有驅(qū)動(dòng)器和控制裝置.該形式結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要附加動(dòng)力,但可以有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制.后者是張緊補(bǔ)償裝置,它采用誘導(dǎo)輪與第一誘導(dǎo)輪與第一負(fù)重輪聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn).4.2滑態(tài)改善的對策由于履帶式兩棲車輛負(fù)荷比較重,因此,必須增加滑行板面積,增加動(dòng)浮力平衡負(fù)荷,同時(shí),前端加裝滑行板也有助于選擇最佳沖角,后端加裝滑行板有助于改善推進(jìn)對滑行態(tài)的影響,如圖3所示結(jié)構(gòu),前后側(cè)翼防浪板均能發(fā)揮滑行板作用.滑行板的收放及其調(diào)節(jié)也必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu).兩棲車輛隨著航速增加,有車首下傾,車尾提升,車中央上升的情況,如圖8所示,當(dāng)?shù)竭_(dá)一定航速時(shí),航態(tài)處于穩(wěn)定,滑行車會(huì)有抬出水面滑行的趨勢.不合理的結(jié)構(gòu)常常會(huì)使車輛有埋首現(xiàn)象,即使動(dòng)力阻力均符合要求,但由于姿態(tài)改變也實(shí)現(xiàn)不了滑行,因此考慮姿態(tài)是方案設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié),為改善姿態(tài)通常要考慮以下因素:(1)縱向一體化在車輛總體設(shè)計(jì)中,必須對車體及其部件的布置從車體平衡上考慮,首先保證重心位于縱向中心線,而且盡可能低,這是水陸行駛共同的要求;但對于重心縱向位置的確定必須從兩方面綜合考慮:從航態(tài)上考慮,在車體總體尺寸確定下,使滑行時(shí)不發(fā)生前傾為前提,從航行水阻力上考慮,應(yīng)選擇與最小總阻力對應(yīng)的最佳沖角的重心縱向位置.(2)車輛的截面形狀車重與車形尺寸將直接決定滑行車體的排水量和動(dòng)、靜浮態(tài),從而影響著其水上的航行阻力;特別是它的底面形狀和縱傾角對兩棲車航行的影響最為明顯.設(shè)計(jì)中車重應(yīng)能保證既滿足功能的需要,又可具有良好的靜浮態(tài)和動(dòng)浮態(tài),順利實(shí)現(xiàn)低速排水或過渡航行和高速滑行.車形尺寸應(yīng)使車體具有一定儲(chǔ)備的動(dòng)靜浮力,并具有最佳的前縱傾角和底面形狀;使兩棲車航行時(shí)能實(shí)現(xiàn)阻力最小和姿態(tài)良好.(3)前眼底傾角確定防浪板設(shè)計(jì)包括其防浪高度和傾角設(shè)計(jì).其防浪高度由動(dòng)、靜浮態(tài)來確定.前底面