1. Фізичне підґрунтя для дослідження можливості використання арамідних волокон кабель-тросів та динамічних строп при витягуванні, буксируванні І транспортуванні зразків бтот

R = R₁ + R₂ (2.1)

Будемо вважати, що R₁ враховує такі обставини:

− тертя ковзання об гґрунт f ;
− опір руху на підйом відповідно куту нахилу α та глибину
заглиблення h.
За аналогією R₂ враховує такі обставини:
− розбіжності напряму тягового зусилля з напрямом переміщення машини β;
− додатковий опір при тривалому застряганні або при затвердінні або висиханні ґрунту;

• 
  коефіцієнт зчеплення з ґрунтом у разі заклинюванні ходової частини машини.
  

Для прикладу (рис. 2.1), вважатиме
для машини зі справною ходовою частиною


R₁ = Мg(fcosα + sinα) (2.2)

При заклинюванні ходової частини R1 визначається за формулою:

R₁ = G(φcosα + sinα) (2.3)

де
G – маса машини, т;

f і φ – відповідно коефіцієнти опору руху і зчеплення.

Припустимо, що витягування і буксування машини здійснюється тягачем, тягові можливості якого дозволяють створити тягове зусилля на гаку тягача в даних дорожніх умовах [4,5].

Це зусилля передається за допомогою троса, сила натяжіння Т якого діє на машину. При витягуванні та буксуванні машина буде рухатися з прискоренням а. Виходячи з цього, за другим законом Ньютона запишемо:


(2.4)

Вираз (2.4) нехтує масою самого троса. При врахуванні маси тросу m вираз (2.4) матиме вигляд

(2.5)

Якщо прийняти, що трос має довжину l та виготовлений із матеріалу зі щільністю ρ, то вираз (2.5) матиме вигляд [6]:

(2.6)
2.2. Розрахунок ривка як третьої похідної координати

Витягування та буксування може здійснюватися ривком. Це означає, несталість прискорення може у часі [6]. За час від t_поч до t_кін машина пройде відстань S, змінюючи своє положення x(t) .

Враховуючи, що
, (2.7)

вираз (2.6) може бути спроектований та записаний у скалярному вигляді:

(2.8)

В той же час сила Т також не є постійною, оскільки трос має демфіруючі властивості.

Будемо вважати, що вся енергія, що накопичує кабель-трос, чисельно дорівнює роботі по переміщенню застряглої машини.
В аналітичному вигляді ця рівність виглядатиме



(2.9)

де

‒ ривок, що здійснює машина у часі;
2.3. Застосування закону збереження енергії для обрахування сили натяжіння тросу

У загальному вигляді сила натяжіння Т

(2.10)

де σ‒ опір матеріалу тросу на розрив, Н/ мм

Величина σ визначається характеристикою матеріалу, що і формує полігон досліджень
Вираз (2.10) може бути записаний з урахуванням відносного видовження тросу:


(2.11)

де
−модуль Юнга,

- відносне видовження тросу.
2.4. Обрахунок видовження тросу з основних положень опору матеріалів

Трос, виготовлений із синтетичного матеріалу за достатньої довжині має видовження за рахунок пружної деформації.

Формула пружної деформації синтетичного каната має вигляд:


, (2.12)

де
l – довжина каната, м;

Т − робоче навантаження каната, тс;
Т_р − розривна міцність каната, тс;
а – коефіціент матеріала та конструкції каната (табл. 2.1).

Таблица 2.1. − Значения коэффициента а для різних зразків поліарамідних волокон

№ з/п	Тип каната	Назва полімеру	Значення коефіцієнту а
1	Плетений восьмипрядний	Поліамид	3,5
2		Поліпропилен	11
3		Поліефір	11
4	Кручений восьмипрядний	Поліамід	2,8
5		Поліпропілен	8
6		Поліефір	7,5

Зауважмо, що при тому полимеров, мають різні торгівельні назви [7].

2.5. Моделювання кабель-троса в завданні буксирування зразка БТОТ методом зосереджених параметрів

Створення тренажерів маневрування та управління рухом зразків БТОТ, а так само створення дослідно-налагоджувальних стендів систем автоматичного керування рухом машини, вимагає наявності математичних моделей.

Однією з важливих математичних моделей, необхідних для таких тренажерів і стендів є модель тросів або кабель-тросів, що зв’язують машину з буксиром.
Математична модель зв'язку (троса або кабель-троса) описується рівнянням в приватних похідних, що робить цю задачу складнішою.
Реалізація таких моделей обмежена кінцевою продуктивністю програмного та апаратного забезпечення, що використовуються в тренажерах і стендах [8,9].
При пропонується розглядати трос як складний нелінійний об’єкт та прийняти припущення, що трос і будь-який його сегмент підкоряється закону Гука.
Крім того, можна знехтувати розподіленими по довжині троса крутними моментами, які виникають при дії на трос сили розтягування.
Ці припущення дозволяють спростити рівняння і використовувати метод зосереджених параметрів [10, 11].
Для розв’язання задачі використовуються силові граничні умови. Такий штучний прийом дозволяє реалізувати переваги математичного моделювання з огляду на числені аналітичні метоти розв’язання задач.
В обраному методі моделювання постановка граничних умов зводиться до завдання закону руху першому і останньому N+1 –му вузлу, на які умовно розбитий трос.
Запропонована математична модель руху забезпечує моделювання всіх основних режимів буксирування зразків БТОТ в реальному режимі часу в складі стендів систем автоматичного керування рухом машини.
За перспективний напрямок дослідження розглядається використання синтетичних волокон, що забезпечить зменшення ваги тросів.
2.6. Висновок по 2 розділу

1. Математична модель витягування колісних та гусеничних машин із застосуванням кабель-тросів та динамічних може бути подана як система рівнянь:

2. Ривок, що здійснює машина у часі відображений диференційне рівняння третього порядку, припущення що вся енергія, яку накопичує кабель-трос, чисельно дорівнює роботі по переміщенню застряглої машини, відповідає рівності відповідних інтегралів.
3. Властивості арамідних волокон, які впливають на міцностні та експлуатаційні характеристик кабель-тросів можуть бути формально виражені виражені через видовження тросу

3. ВИКОРИСТАННЯ АРАМІДНИХ ВОЛОКОН ПРИ ВИГОТОВЛЕННІ КАБЕЛЬ-ТРОСІВ ТА ДИНАМІЧНИХ СТРОП ДЛЯ БУКСУВАННЯ І ВИТЯГУВАННЯ ЗРАЗКІВ БТОТ

3.1. Аналіз міцностних та експлуатаційних властивостей арамідних волокон

Так, аналіз міцностних та експлуатаційних властивостей арамідних волокон відкриває шлях до удосконалення технології виготовленні кабель-тросів та динамічних строп для буксування і витягування зразків БТОТ.

Перспективним, на думку авторів, можна розглядати дослідження різних технологій додаткової обробки арамідних волокон з використанням високомолекулярних вуглеводнів.
На сучасному етапі розвитку новітніх технологій виробництва буксирних тросів та динамічних строп у якості основи для виготовлення останніх пропонується розглянути кевлар.
Кевлар належить до зовсім нової відокремленої категорії органічних волокон, що відрізняється від звичних нейлону і поліефірів.
Для волокон цієї категорії затвердили позначення “арамід”.
Кевлар має найвищу міцність при розтягуванні і модуль пружності, якщо розглядати відношення цих показників до їх щільності.
Крім видатних механічних волокна кевлару мають ряд інших позитивних властивостей.
Їх вогнє- та теплостійкість вище, ніж у більшості органічних матеріалів; волокна кевлару не плавляться, розпад починається при температурі вище 420°С.
Вони не втрачають міцність у вологому стані і мають дуже низьку усадку і коефіцієнт термічного розширення. Арамідні волокна зберігають експлуатаційні властивості при температурах від кріогенних до 160°С.
Кевлар є стійким по відношенню до більшості звичайних органічних розчинників, горючих і мастильних матеріалів.
При дії дуже сильних кислот і лугів його міцність знижується, однак він має велику стійкість по відношенню до корозійних факторів, як солона вода.
Використання кевларових волокон при виготовленні кабель-тросів та динамічних строп для буксування і витягування зразків БТОТ надасть безумовний виграш у їх експлуатаційних та міцністних характеристиках.
Наприклад, вага троса, виготовленого із арамідного волокна, за оцінками фахівців, у 5-6 разів менша за вагу стального, що принципово важливо для дій екіпажу машини.
Однак, для арамідного волокна найбільш агресивними речовинами є ті, що знаходяться в забрудненому повітрі.
З цього випливає, що активний ультрафіолет та атмосферні опади чинитимуть негативний вплив на експлуатаційні характеристики кабель-тросів.
Для нівелювання такого впливу технологія виготовлення кабель-тросів потребує удосконалення у розрізі набуття певних властивостей хімічних волокон або додаткової обробки волокон, отриманих за існуючими технологіями.
З цією метою авторами проведено аналіз фізико-хімічних особливостей та механізму утворення фіброїнових ниток павутиння.
До основних відмінностей у процесі їх формування можна віднести:
− ферментативний біосинтез по матриці блок сополіпептіда із заданою послідовністю амінокислотних залишків;
− формування фіброїнових ниток відбувається з високою швидкістю шляхом кристалізації, орієнтованої в аксіальному механічному полі;
− процес синтезу поліпептиду і формування ниток можна вважати ізотермічним.
Так, аналіз фізико-хімічних особливостей та механізму утворення фіброінових ниток павутиння з позицій біоміметики відкриває шлях до удосконалення технології арамідних волокон, перспективних для виготовленні кабель-тросів та динамічних строп для буксування і витягування колісних та гусеничних машин.
Передбачається перспективним виготовлення регулярних полімерів або блок-сополімерів, з яких можна буде отримувати орієнтовані матеріали з використанням принципу регулювання структури і властивостей на стадії матричного синтезу.
В якості критерія оптимізації пропонується обрати максимум функції розривної потужності волокон від їх подовження.
Арамідні волокна належать до зовсім нової відокремленої категорії органічних волокон, що відрізняються від звичних.
Волокна цієї категорії мають найвищу міцність при розтягуванні і модуль пружності, якщо розглядати відношення цих показників до їх щільності. Вони є стійкими по відношенню до більшості звичайних органічних розчинників, горючих і мастильних матеріалів.
При дії дуже сильних кислот і лугів його міцність знижується, однак він має велику стійкість по відношенню до корозійних факторів, як солона вода.
В даній роботі були проаналізувати існуючі технології виробництва арамідних волокон, їх переваги та недоліки, та сформований полігон досліджень з огляду на особливості експлуатації бронетанкового озброєння та військової техніки.
З’ясовано, що необхідне розривне зусилля арамідного кабель-троса забезпечується меншою кількістю нитей, відповідно з більшою границею міцності.
Крім того, вага троса, виготовленого із арамідного волокна, за оцінками фахівців, у 5-6 разів менша за вагу стального, що принципово важливо для дій екіпажу машини.
Однак, для арамідного волокна найбільш агресивними речовинами є ті, що знаходяться в забрудненому повітрі. З цього випливає, що активний ультрафіолет та атмосферні опади чинитимуть негативний вплив на експлуатаційні характеристики кабель-тросів.
Для нівелювання такого впливу технологія виготовлення кабель-тросів потребує удосконалення у розрізі набуття певних властивостей хімічних волокон або додаткової обробки волокон, отриманих за існуючими технологіями.
З цією метою авторами проведено аналіз фізико-хімічних особливостей та механізму утворення фіброінових ниток павутиння
До основних відмінностей у процесі їх формування можна віднести ферментативний біосинтез по матриці блок сополіпептіда із заданою послідовністю амінокислотних залишків; формування фіброінових ниток відбувається з високою швидкістю шляхом кристалізації, орієнтованої в аксіальному механічному полі; процес синтезу поліпептиду і формування ниток можна вважати ізотермічним [12-17].
3.2. Результати експериментального дослідження

В якості об’єкту дослідження нами був обраний трос Dyneema -75, діаметром 12 мм (рис. 3.1).

Для проведення експеріменту було взято три зразки : один контрольний та два піддослідних.



Рисунок 3.1. − трос Dyneema -75, діаметром 12 мм.

Перший зразок не був нічим оброблений, а два інших були оброблені відповідно рідиною для обробки фільтрів нульового опору та пропіткою для взуття (рис. 3.2, 3.3). Самі ці засоби є доступними в побуті та за діючою речовиною містять важкі вуглеводці.

Рисунок 3.2 – Побутова пропітка, що містять важкі вуглеводці (дл взуття).

а) б)
Рисунок 3.3. – Побупова пропітка для фільтрів нульового покоління

Усі три зразки зазнали негативнийвплив зовнішних факторів (атмосферних явищ, бруду, палива, тощо). Перший зразок (1) став пухнастим та почав розпускатися, а оброблені – зберігли свої властивості (2, 3 ) та довели стійкість до впливу негативних факторів (рис. 3.3).

а)

б)

в)
Рисунок 3.3. − Результати впливу негативнийвплив зовнішних факторів на арамідні волокна з попередньою обробкою та без: а) контрольний та дослідний зразки через 1 тиждень; б) контрольний та дослідний зразки через 4 тижня; в) контрольний та дослідний зразки через 55 діб.

Після цього було проведна спроба розриву тросу на розривній машині.
На (рис. 3.4) ви бачите ілюстрацію цього процесу. Тобто, були отримані вихідні дані для перевірочних матетичних розрахунків.


а)

б)

в)
Рисунок 3.4. – Перевірка міцностних характеристих обробленого тросу на розривній машині Р-50 № 115

Випробування проводилися на розривній машині Р-50 № 115 кафедрі “Опір матеріалів та будівельна механіка”.

Національного університету “Лівівська політехніка”. Було виявлено незначне збільшення щільності (на 0,01 г/см3) та збільшення подовження ниті при розриві (на 1%).
Механічна напруга на розрив обробленого зразка арамідного кабель-троса, визначена дослідним шляхом, майже не змінилася на становила