Применение инструментов ТРИЗ в проектировании гусениц снегоболотохода

М. Щербаков, А. Карташов.

Введение

Территория Российской Федерации отличается большим количеством климатических зон и типов грунтов. Разнообразное их сочетание, а также человеческая деятельность в этих условиях предъявляют повышенные и часто противоречивые требования к транспортным средствам. Одним из таких специализированных транспортных средств является снегоболотоход (СБХ). Это транспортное средство отличается повышенной проходимостью за счёт низкого давления на грунт и наличием плавучести.

Самыми распространённым лёгким гусеничным СБХ (с грузоподъёмностью до 1,5 тонн) является ГАЗ-34039, выпускаемый Заволжским заводом гусеничных тягачей (ЗЗГТ). Относительно низкая цена машины значительно компенсирует множественные крупные и мелкие недостатки конструкции.

На рисунке 1 представлен внешний вид снегоболотохода ГАЗ-34039 в пассажирском варианте. Вездеход массой 4,9 тонны может перевозить до 1,1 тонн полезной нагрузки (груз, пассажиры).

Рисунок 1 – Снегоболотоход ГАЗ-34039 (пассажирский вариант)

Гусеницы вездехода состоят из отдельных стальных элементов – звеньев, соединённых друг с другом при помощи шарниров. Конструкция звена представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Звено гусеницы

В ходе эксплуатации вездехода во время оттепелей, на гусеницу налипает снег. На беговой дорожке (БД) – внутренней части гусеницы, мокрый снег уплотняется катками и при определённых условиях превращается в лёд. Этот уплотненный снег и лёд способствуют скидыванию гусеницы и значительно увеличивают нагрузку на элементы движителя (происходит «перетяжка» гусеницы), что приводит к разрушению натяжного механизма и опорных катков. Для решения этой проблемы было решено открыть проект, в рамках которого было предложено использовать инструменты ТРИЗ. Согласно поставленным целям на проект, необходимо было предложить концептуальные решения, соответствующие требованиям по конструкции, технологии изготовления, а также стоимости окончательного варианта.

В данной статье приводится часть выполненного проекта.

 

Предложенные концепции

Генерация вариантов решений проблемы накопления снега на БД на основе нежелательных эффектов причинно-следственной цепочки дала следующее решение: необходимо выполнить отверстия (окна) в БД для удаления снега через них. Данное решение вначале вызвало отторжение – уменьшается площадь гусениц и, как следствие, растёт давление на грунт, что снижает проходимость СБХ. Но, во-первых, наличие окон в БД можно компенсировать введением дополнительной опорной площади по краям звена гусеницы. Во-вторых, анализ конструкции гусениц других машин (рисунок 3), показал, что данное решение не является уникальным для мирового опыта проектирования гусеничных машин.

Рисунок 3 – Гусеничные цепи с окнами в БД: а) танк PZ-1; б) трелёвочный трактор ТТ-55; в) бульдозер Четра Т40; г) вездеход ДТ-30 «Витязь»

Здесь можно заявить, что ТРИЗ не дала уникального решения и вместо изучения теории изобретательства рекомендовать изучать специализированную техническую литературу и использовать информационный поиск. Однако предложенное решение является уникальным для конструкторов ЗЗГТ и на него вышли благодаря ТРИЗ, а существующие изделия «в металле» найдены только благодаря чёткому образу предлагаемого решения и с большим трудом.

Решение использовать окна в беговой дорожке привело к возникновению вторичных задач. Первая вторичная задача – это увеличение давления на грунт (обозначена выше). Другая вторичная задача – это возможность застревание камней в окнах БД. Камни, попадающие на БД, обычно выталкиваются катками с БД – относительно ровная и твёрдая поверхность беговой дорожки не даёт камню зафиксироваться на БД и попасть под каток. Также, при подъёме гусеницы и её переворачивании в верхнем положении, камни будут сбрасываться с беговой дорожки.

При появлении окон в БД, камни, попавшие на БД, могут вдавливаться в эти окна катками и заклиниваться. По такому камню будут перекатываться катки, повреждая свой резиновый бандаж. Застрявшие камни станут опорой для других камней, попавших на БД, что может привести к перетяжке гусеницы или уходу катка с беговой дорожки.

Для поиска решений проблемы застревания камней в окнах, вначале использовался функционально-ориентированный поиск (ФОП). Поисковый образ: «застревание или заклинивание камней (в механизме)». Большинство решений, найденных по патентным базам, относятся к сельскохозяйственным машинам (подгруппа A01B - «Обработка почвы в сельском и лесном хозяйствах; узлы, детали и принадлежности сельскохозяйственных машин и орудий вообще»). Все предложенные решения можно разделить на две большие группы с применением каких-либо механизмов. К первой группе относятся решения с использованием механизмов-выталкивателей. Так в а.с. SU 1664134 (рисунок 4,а) эту роль выполняют скребок 9, вычищающий камни из решетчатого днища 4. Во второю группу входят решения с механизмами, приводящими в движение стенки каналов в которых застрял камень. Например в а.с. SU 858594 (рисунок 4,б) пальцы 4 и 9 могут перемещаться друг относительно друга расклинивания таким образом застрявшие между ними камни.

Рисунок 4 – а) Пример выталкивателей: А.с. SU 1664134 (от 25.04.1991 г.); б) Пример подвижных стенок: А.с. SU 858594 (от 30.08.1981 г.)

Предложенные решения основываются на использовании достаточно сложных многоэлементных механизмов. Это не подходит для использования в гусеницах, так как снижает их надёжность и повышает стоимость ходовой системы в целом. Возникло противоречие: если мы вводим новый механизм, то проблема с застреванием камней устраняется, но тогда снижается надёжность и возрастает цена. Попытка повторно использовать ФОП, а также применение приёмов устранения противоречий не дал каких-либо вариантов концепций, подходящих под требования Заказчика. Необходимо обострить противоречие и для его решения применить АРИЗ-85В.

Шаг 1.1. Сформулировать техническое противоречие.

ТП 1: если мы вводим в конструкцию ходовой системы новый механизм по удалению камней из окон, то обеспечим чистоту окон от камней, но при этом усложним и повысим стоимость конструкцию ходовой системы.

ТП 2: если мы не вводим в конструкцию ходовой системы новый механизм, то ходовую систему не усложним и не увеличим её стоимость, но при этом в окнах будут застревать камни и портить ходовую систему.

Шаг 1.2. Выделить и записать конфликтующую пару «изделие-инструмент».

Изделие – камень.

Инструмент – механизм.

Шаг 1.3. Составить графические схемы противоречий.

Рисунок 5 - Графические схемы противоречий

 

Шаг 1.4. Выбрать половину противоречия. Обострить ситуацию.

Так как механизм изначально отсутствует и введение его усложняет конструкцию ходовой (негативный фактор), что потребует отдельного решения, то выбираем второе противоречие, в котором механизма нет– ТП 2.

В данном случае усиливать это противоречие не требуется – представлено идеальное состояние: механизм по удалению камней из окна отсутствует, а функция его выполняется.

Шаг 1.6. Формулировка модели задачи.

Даны ходовая система, имеющая окна в беговой дорожке, и камни, застрявшие в этих окнах. Необходимо добавить функцию «удалять камни из окон» в ходовую систему без удорожания и усложнения, а также сохранения всех исходных полезных функций ходовой системы.

Так как нам не известно при помощи какого компонента ходовой системы будут удалятся камни из окон, следовательно, на данный момент, не известны ни время, ни место возникновения конфликта. То есть, не можем назвать ни оперативное время, ни оперативную зону.

Шаг 2.3. Определение вещественно-полевых ресурсов (ВПР).

Для удобства определения ВПР в качестве предполагаемого места возникновения конфликта выберем пару «окно-застрявший камень». Однозначно можно определить изделие – это застрявший камень, его необходимо удалить. Остальные ресурсы сгруппированы по степени удаления от назначенной пары (табли

 

Таблица 1 – Вещественно-полевые ресурсы

 

Шаг 3.1. Формулировка идеального конечного результата (ИКР-1).

Х-элемент, абсолютно не усложняя ходовую систему и не вызывая вредных явлений, удаляет застрявшие в окне камни.

Шаг 3.2. Усиление формулировок ИКР-1.

В целях экономии, ниже приводятся только те ИКР с использованием ВПР, которые дали результат.

Каток сам предотвращает заклинивание камня в окне, при этом продолжает выполнять свою функцию – удерживать вездеход на заданной высоте над землёй.

Соседний трак сам предотвращает заклинивание камня в окне, при этом продолжает выполнять свою функцию – распределять нагрузку на грунт.

Беговая дорожка сама предотвращает заклинивание камня в окне, при этом продолжает выполнять свою функцию – воспринимать нагрузку от катка.

Стенки окна сами предотвращают заклинивание камня в окне, при этом продолжают выполнять свою функцию – пропускать снег с беговой дорожки.

Перья трака сами предотвращают заклинивание камня в окне, при этом продолжают выполнять свою функцию – удерживать каток на беговой дорожке.

Шаг 3.3. Выявление противоречий для назначенных средств.

Чтобы каток не заклинивал камень в окне, каток должен быть мягким. Но тогда он не сможет удерживать вездеход на заданной высоте. Требование предъявляется к одному объекту, но в разных местах системы: в зоне контактов «каток-трак» и «каток-камень». Физическое противоречие разрешается в пространстве. Вариант решения – каток с прорезью под камень («Принцип местного качества»). Боковые части катка твёрдые, чтобы удерживать вездеход на заданной высоте, а центральная часть – мягкая, мягкая как воздух, чтобы не вдавливать камень в отводящее окно (рисунок 7). Размеры прорези соответствуют размерам камня, который с большой долей вероятности может застрять в отводящем окне.

Рисунок 6 – Каток с прорезью под камень

Соседнее звено гусеницы не участвует в заклинивании камня в окне. Тогда он должен расклинивать камень до того момента, когда не него наедет следующий каток. Для этих целей соседний трак должен быть продлён до окна и часть трака должна стать одной из стенок окна. Но тогда у трака будет сильно вытянутый элемент - выталкиватель, торчащий из гусеницы наружу или во внутрь при изломе линии гусеницы на обводах катков. Что недопустимо. Требование предъявляется к различным объектам надсистемы: выталкивать камень и не вредить выталкивателем окружающим элементам. Физическое противоречие разрешается по отношению к объекту «отводящее окно». Вариант решения – сместить отводящее окно ближе к соседнему траку («Принцип асимметрии»). В таком варианте у соседнего трака появится возможность «выковыривать» застрявшие камни, при этом величина выталкивателя не будет критически опасной (рисунок 7).

Рисунок 7 – Трак со смещённым отводящим окном

Данное решение может объяснить конструкцию звеньев гусеничных цепей лёгких танков Т-70 и PZ-1 (рисунок 3,а).

Как и соседний трак, беговая дорожка также не участвует в заклинивании камня в окне. Поэтому, беговая дорожка должна извлекать застрявший камень, а для этого она должна быть подвижной. Но она должна быть жесткой, чтобы воспринимать нагрузку от катка и равномерно распределять её через всю подошву трака на грунт. Требование предъявляется к различным объектам надсистемы: выталкивать камень и не прогибаться под нагрузкой от катка. Физическое противоречие разрешается по отношению к объекту «беговая дорожка». Вариант решения – сделать участок беговой дорожки, переходящий в стенку отводящего окна упруго-податливым, например консольным («Принцип местного качества», «Принцип асимметричности»). Тогда при попадании камня в окно и наезде на него катком, будет возникать сосредоточенная сила и участок БД будет деформироваться. При снятии нагрузки (съезде катка с камня), упругие силы вернут участок БД в исходное положение и вытолкнут камень из окна (рисунок 8). При штатном наезде катка на БД будет возникать распределённая нагрузка, величина которой будет недостаточной для сколько-нибудь значительной деформации консольного участка БД.

Рисунок 8 – Трак с подвижными стенками отводящего окна

Аналогично решается и использование подвижных перьев: в момент наезда катка на БД, перья будут приближаться к катку и удерживать его на БД, а при съезде катка, перья будут расходиться под действием упругих сил и выталкивать камень из окна. Но данный способ более сложен чем способ с подвижными стенками окон из-за необходимости учёта больших амплитуд движения элементов трака и их ресурса.

Для понимания, какими должны быть стенки окна, чтобы снизить вероятность заклинивания в окне камня, использовался ФОП.

Применение поискового образа «заклинивание механизма» приводит к клиновым механизмам, где заклинивание является полезным и основным параметром в таких механизмах является угол заклинивания, зависящий от трения. Например, в конусе Морзе угол составляет около 1,5°, в других инструментальных конусах этот угол может составлять и 16,5° (конус 7:24). Дальнейший поиск привёл к камнедробилкам, где рекомендован угол между рабочими поверхностями не более 15…20°. При этих и меньших величинах угла не происходит выдавливания камня из дробильного механизма. Таким образом, в отводящем окне необходимо обеспечить углы больше 20°.

Согласно рекомендации, полученной после ФОП, стенки окна должны иметь угол друг относительно друга более 20°. Конструктивно возможны два варианта исполнения: когда стенки окна образуют сужающийся канал и когда окно в плане имеет трапециевидный профиль (рисунок 9). В первом случае камень в окно будет вдавливаться катком, но так как он не заклинивается в окне, то относительно легко будет выдавлен грунтом с обратной стороны. Во втором случае, вдавленный катком в окно камень силой F1, будет выдавлен при съезде катка с камня силой F2.

Рисунок 9 – Трапециевидное отводящее окно

Представленные решения требуют дополнительной конструкторской и технологической проработки. Но в тоже время, эти решения нельзя назвать сложными и их внедрение можно выполнить при очередной модернизации конструкции или, например, при замене штампов для гусеничных звеньев.

 

Заключение

Применение инструментов ТРИЗ позволило через новую формулировку задач и создание поисковых образов расширить знания по мировой практике конструирования гусеничных движителей, а также предложить ряд оригинальных решений. На данный момент часть решений, найденных в ходе проекта, находятся в процессе патентования.