На пути конструкторов огромных механоидов неизбежно встает целый ряд инженерных задач. И в этой статье мы рассмотрим пути решения некоторых из них. Краеугольным камнем стал тот факт, что сочленения немаленьких человекоподобных механоидов по размерам и нагрузкам очень похожы на шарниры разводных мостов. А разводные мосты это бесценный кладезь секретов инженерного искусства.
«СКЕЛЕТ» МОСТА
В этом разделе мы не будем пересказывать курс лекций по сопротивлению материалов. Вместо этого следует отметить только один нюанс - использование предварительно напряженных элементов в конструкции моста. По сути это балки фермы моста предварительно изогнутые перед установкой в конструкцию фермы, точно так же изгибают лук перед тем, как надеть на него тетиву. То есть, если балку вынуть из фермы она снова выпрямится, изгиб балки небольшой и в ней не появляется остаточных деформаций. Такая балка, будучи установлена в ферму моста, гораздо меньше прогибается под действием рабочей нагрузки по сравнению с такой же, но предварительно ненапряженной балкой. Таким образом предварительно напряженные б.а.л.к.и можно делать более легкими и при этом деформации моста останутся в рабочем диапазоне. Например, для Гренадерского моста это позволило снизить расход металла приблизительно на 25%.
Крыло моста
«СУСТАВЫ» МОСТА
Сам факт существования разводных мостов дает нам право утверждать, что вполне можно подобрать марку стали для изготовления шарнира моста, рассчитанного на такие колоссальные нагрузки это самое важное.
Ось разводного моста (с подшипником)
Ось несет вес всего пролета моста с полезной нагрузкой (пешеходы/транспорт) и вес противовеса. Например, нагрузка на ось Тауэрского моста составляет порядка 1300 тонн. Для сравнения вес среднего танка всего около 40 тонн. Поэтому ось имеет внушительные размеры, оснащается системой принудительной смазки и может иметь втулку из специального сплава, предотвращающего образование задиров (глубоких царапин) на поверхности оси.
«МУСКУЛЫ» МОСТА
Существует несколько способов передать усилие от мотора непосредственно на крыло моста. Как правило, для этого применяется связка электромотор - шестеренчатый редуктор или связка мотор гидронасос гидроаккумулятор гидроцилиндр.
При прочих равных гидроцилиндры проще, компактнее, легче и надежнее, но более критичны к температуре окружающей среды, как и любая гидравлика. Хотя эта проблема решается внедрением дополнительной системы терморегуляции гидроцилиндров, либо применением специальных жидкостей в гидросистеме. Последнее и используется на практике (Тауэрский мост). Исполнительные гидроцилиндры применяются в конструкции Кировского моста.
Гидроцилиндры
Для редукторов же исполнительных механизмов до сих пор остаются потенциально слабым местом зубья шестерен. Например, в октябре 2002 года у исполнительного механизма Дворцового моста сломался зуб шестерни, что привело к задержке судоходства на Неве на сутки.
Шестеренчатые понижающие редукторы двигателей современных разводных мостов.
«СЕРДЦЕ» МОСТА
На роль «пламенного мотора» теоретически подойдет что угодно. На практике же используются электромоторы (Тауэрский, Кировский, Дворцовый, Екатерингофский и целый ряд других мостов). Электромотор «подкупает» простотой обслуживания и надежностью. Он удобен в управлении, имеет широкий диапазон рабочих температур и очень высокий КПД. Электромотор 90% потребляемой энергии преобразует в полезную работу, в отличии от дизельного (60%) и тем более бензинового моторов (40%).
Гидростанции с электроприводом различной мощности. На валах мощных электродвигателей смонтированы роторные гидронасосы и ленточные предохранительные тормоза.
Как правило, для уменьшения вероятности сбоев в работе моста принимаются следующие меры:
- В систему добавляют резервные генераторы для бесперебойного обеспечения моторов электричеством.
- Сами электромоторы дублируют. Так сделано, например, для Екатерингофского моста, где пара электромоторов «посажены» на одну ось.
- В систему инсталируют предохранительные и запорные клапаны для правильной отработки аварийных ситуаций в гидравлике.
- В связку электромотор-гидронасос-гидропривод добавляют гидроаккумулятор. Последний сглаживает скачки давления на выходе гидронасоса и может выполнять роль резервного источника питания (Тауэрский мост). Кроме того гидроаккумулятор целесообразно использовать еще в нескольких случаях:
- когда большая мощность нужна эпизодически и можно поддерживать расчетное давление в гидроаккумуляторе, использовав маломощный электромотор, что позволяет экономить электроэнергию и снижает общий вес исполнительного механизма;
- просто нет возможности получить требуемую выходную мощность другим путем в контексте конкретной инженерной задачи;
- требуется централизованный источник энергии, например, чтобы уменьшить вес конечного исполнительного механизма.
«НЕРВНАЯ СИСТЕМА» МОСТА
Как правило, «нервная система» разводного моста содержит порядка сотни датчиков и представляет собой классическую систему управления с обратной связью. Могут контролироваться следующие параметры: давление масла, ток, состояние аварийных гидроклапанов, нагрузки, напряжения (посредством тензодатчиков и лазерных оптических датчиков), деформации, температура, скорости и ускорения элементов конструкции. Именно таким образом, например, устроено управление Троицким мостом.
В ИТОГЕ
Очевидно, что ни редуктора, ни гидроцилиндры не подходят для «мышц» огромных человекоподобных роботов. Например, ногу длиной в 90 метров гидропривод колосса будет переставлять несколько минут, если проводить параллель с Кировским мостом. Тем самым скорость механоида будет как у пешехода.
А в остальном все очень позитивно. Большинство описанных выше технических решений с небольшими видоизменениями вполне можно будет использовать в конструкции будущего монстра. Например, идея противовеса крыла моста весьма рациональна, но видимо выльется в инерционные аккумуляторы или подсистемы рекуперации энергии.
Так что дело осталось за малым...
