"Плавающие колесные и гусеничные машины" - читать интересную книгу автора (Редькин М. Г.)

Плавающие машины относятся к плохо обтекаемым телам. От судов они отличаются наличием ходовой части, формой обводов, коэффициентом полноты. Увеличенное отношение ширины к осадке и худшие формы обводов по сравнению с судами вызывают относительно повышенное сопротивление воды движению плавающих машин. Обводы корпуса зависят от длины, ширины и осадки машины. Поэтому при выборе обводов подводной части корпуса машины учитывают требования распределения водоизмещения по длине машины.
Выбранные обводы корпуса проверяют на моделях, которые испытывают в опытовом бассейне, обеспечивающем наиболее точный способ определения сопротивления воды движению машины, а значит, и мощности, потребной для движения машины.
Для экспериментальных испытаний обычно изготовляют модель из фанеры в уменьшенном масштабе. Модель уравновешивают так, чтобы она погрузилась в воду до грузовой ватерлинии, а затем буксируют в специальном канале с помощью тележки. При движении модель преодолевает сопротивление воды, которое измеряют динамометром. На основании результатов буксировочных испытаний модели строят график сопротивления воды движению в за- • висимости от скорости буксировки. Затем на основе закона подобия пересчитывают полученные результаты для машины натуральной величины.
Имея данные по сопротивлению воды движению машины, определяют мощность двигателя, необходимую для достижения машиной проектируемой скорости.
Опытами установлено, что основными факторами, от
27
которых главным образом зависит величина сопротивления, являются:
— геометрические формы обводов подводной части машины (особенно формы кормовых обводов);
— ширина и осадка машины;
— выступающие части;
— скорость движения машины на воде;
— состояние водной поверхности.
С увеличением скорости движения сопротивление воды движению машины возрастает, и для преодоления его требуется значительное увеличение мощности двигателя.
Повышение скорости вызывает непропорциональную затрату мощности на преодоление сопротивления окружающей среды. Установлено, что для увеличения скорости движения машины на воде в два раза мощность двигателя следует увеличить примерно в восемь раз. С ростом мощности двигателя увеличиваются его размеры и вес, что отрицательно отражается на водоизмещении машины и увеличивает сопротивление воды.
Для повышения скорости движения машины на воде требуется одновременно увеличить длину и уменьшить ширину машины. Для обеспечения же достаточной остойчивости машина должна обладать определенной шириной.
Сопротивление воды принято выражать формулой через безразмерный коэффициент сопротивления:
1/2
R = cP^S,
где К — общая сила сопротивления воды движению машины, кГ;
с — безразмерный коэффициент сопротивления, определяемый опытом и зависящий от чисел Фруда и Рейнольдса, формы смачиваемой поверхности машины и степени ограниченности фарватера;
кГ-секЪ р — массовая плотность воды, — >
V—скорость движения машины относительно воды,
м/сек;
S — характерная площадь (площадь поперечного сечения — миделя), м2.
Сопротивление движению машины на воде принято делить на составляющие: сопротивление трения, волновое сопротивление, сопротивление формы, или вихревое, и сопротивление выступающих частей.
28
Величина каждой из этих четырех составляющих зависит от формы машины, ее размеров и скорости движения.
Для определения сопротивления воды в каждом случае приходится пользоваться эмпирическими формулами сопротивления, установленными при натурных испытаниях машины.
Наиболее изучено сопротивление трения, которое возникает вследствие действия сил трения жидкости на смоченную поверхность машины. Силы трения возникают только в движущейся жидкости (вследствие ее вязкости).
Волновое сопротивление воды возникает вследствие ее весомости. Волны, образуемые машиной, состоят из двух групп: носовой и кормовой. Каждая из этих групп волн в свою очередь делится на волны расходящиеся и поперечные. Сила сопротивления, обусловленная этими волнами, называется волновым сопротивлением. При повышении скорости движения машины волновое сопротивление возрастает быстрее других составляющих сопротивлений.
На волновое сопротивление существенно влияет величина отношения ширины к осадке машины. При постоянном водоизмещении и постоянной длине машины уменьшение ширины машины обычно способствует уменьшению волнового сопротивления.
Сопротивление формы представляет собой разность давлений воды, действующих в направлении движения машины на носовую и кормовую части. Сопротивление формы возникает под действием сил вязкости. Чтобы уяснить влияние формы тела на силу сопротивления, оказываемого водой, рассмотрим сопротивление тел разной формы, но имеющих одинаковое максимальное поперечное сечение. •
Если плоскую квадратную пластинку (рис. 10, а) поставить перпендикулярно к направлению потока, то энергия, затрачиваемая на преодоление сопротивления и преобразуемая в кинетическую энергию вихрей, возникающих за пластинкой, и в дальнейшем преобразуемая в тепловую энергию, оказывается наибольшей.
При обтекании потоком шара (рис. 10,6) за ним образуются вихри, по величине значительно меньшие, чем вихри, образуемые при обтекании плоской пластинки. Опытом установлено, что сопротивление воды шару будет меньше, чем пластинке, приблизительно в 21/2 раза.
Тело, имеющее удобообтекаемую веретенообразную удлиненную форму с плавными очертаниями и постепенным сужением кормы (рис. 10, в), вследствие наименьшего
29
вихреобразования будет испытывать значительно меньшее сопротивление, чем шар. Поэтому быстроходным судам стремятся придать удобообтекаемую форму. Форма подводной части плавающей машины должна обеспечивать наименьшее сопротивление движению.
Рис. 10. Схема обтекания тел, расположенных нормально к потоку: а — пластинки; б—шара; в — веретенообразного тела
Опытом установлено, что сопротивление формы увеличивается при возрастании скорости движения машины, так как при быстром движении машины за кормой в воде создается разрежение (пониженное давление) и образуются водовороты (завихрения). Этот вид сопротивления у плавающих машин, форма которых недостаточно обтекаема, составляет основную часть полного сопротивления.
Расположенные ниже грузовой ватерлинии выступающие части машины (конструктивные детали — гусеницы, колеса, руль) увеличивают сопротивление воды при движении машины. Это учитывают при конструировании ходовой части: ее либо поднимают, как на колесных машинах с пневматической подвеской, либо ей придают хорошо обтекаемую форму, а отдельные агрегаты устанавливают по потоку. Так как ходовая часть располагается на достаточ-
30
ной глубине от свободной поверхности воды, создаваемое ею дополнительное сопротивление будет увеличивать только сопротивление трения и вихревое сопротивление.
Сопротивление выступающих частей обычно определяют при испытаниях модели в специальном (опытовом) бассейне. Сначала испытывают модель с гладким корпусом, а затем устанавливают на этой же модели изготовленные в соответствующем масштабе выступающие части (опорные катки, гусеницы и др.); сравнивая результаты обоих испытаний, не трудно определить сопротивление выступающих частей.
Сопротивление выступающих частей у плавающих машин может достигать 15—25% сопротивления корпуса. Поэтому при проектировании машин выступающим частям стараются придать такую форму, которая обеспечила бы минимальное сопротивление воды.
Сопротивление воды движению плавающей машины зависит, кроме того, от относительного движения машины и воды, а также от условий пути (глубина и ширина фарватера). Так, мелководье значительно увеличивает сопротивление. Осадка и скорость движения машины существенно изменяют волновое сопротивление. С увеличением осадки и с возрастанием скорости движения машины волновое сопротивление увеличивается. Кроме того, возникающее встречное движение воды увеличивает скорость обтекания корпуса, в результате чего возрастает сопротивление трения.
Следовательно, сопротивление воды движению тем больше, чем меньше запас воды под днищем и чем больше скорость движения машины. Увеличение сопротивления воды движению вызвано иным распределением скоростей обтекания, соответствующих давлений и уровней воды, а также возникновением трения встречного потока по дну и стенкам канала.
Скорость движения машины при плавании на взволнованной поверхности воды уменьшается, так как возрастающее сопротивление воды не позволяет использовать полную мощность двигателя.
Итак, скорость движения плавающих машин может быть увеличена в результате улучшения гидродинамических форм машины и за счет более высокой мощности ее силовой установки. В последние годы во многих странах усиленно работают над созданием таких транспортных средств, которые позволяли бы значительно уменьшить со-
31
противление воды движению плавающих машин и, следовательно, повысить скорость их перемещения на воде. К таким средствам относятся машины с подводными крыльями и с воздушной подушкой.