Порівняльний аналіз водохідних якостей БТР-3Е і БТР-4Е

Толстолуцкий В.А., канд. тех. наук; Павлюченко А.А., Рассказов И.И., Толстолуцкая Т.В. (рос.)
23.10.15
БТР-4А БТР-4А, фото © Міністерство оборони України

Авторами роботи проведено порівняльний аналіз водохідних якостей бронетранспортерів українського виробництва БТР-3Е і БТР-4Е. Визначено основні конструктивні відмінності двох машин, що впливають на їх водохідні якості, а також вплив глибини водойми на швидкість плаву. Дано рекомендації по підвищенню водохідних якостей БТР-4Е.

Особливістю військової техніки є її висока прохідність при збереженні рухливості і маневреності. Техніка, яка володіє більшою прохідністю, здатна забезпечити тактичні, а в деяких випадках і стратегічні переваги. Тому питання підвищення прохідності військової техніки постійно є актуальним завданням.

Одним з аспектів підвищення прохідності легкоброньованої колісної техніки є вдосконалення її водохідних якостей, які дозволяють долати складні водні перешкоди. Проте поведінка плавачої військової машини найбільш повно можна вивчити тільки при її випробуванні в натурних умовах. Такі дослідження дозволяють визначити параметри її руху, виявити фізичну картину взаємодії з водою в залежності від умов експлуатації. Ходові випробування дозволяють також виявити особливості руху машини і її характеристики. У результаті таких випробувань можуть бути сформовані рекомендації щодо вдосконалення конструкції та безпеки експлуатації досліджуваної машини.

Одним з методів визначення водохідних якостей плаваючої машини тьа виявлення шляхів їх вдосконалення є порівняльний аналіз характеристик плаву однотипних машин. Таким чином, в даній роботі представлені результати порівняльного аналізу виробів БТР-3Е і БТР-4Е розробки ДП ХКБМ, при русі на плаву.

З метою порівняння характеристик водохідних якостей виробів проведено аналіз розрахункової і експериментальної оцінки плавучості БТР-4Е, повна маса якого становить G = 21 568 кг і плавучості БТР-3Е масою G = 15865 кг, а також їх модифікацій. Основні характеристики базових виробів наведені в таблиці 1.

Таблиця 1
Параметри базових виробів
Найменування,
розмірність
Позначення Виріб БТР-3Е Виріб БТР-4Е
Маса виробу, кг Gвир 15865 21568
Кількість колес - 8 8
Тип водохідного рушія - водомет рознесенні гребні гвинти в насадці

Однією з основних характеристик плавучості машини є розташування її ватерлінії. На рис. 1 і 2 наведено розташування ватерлінії виробів БТР-3Е та БТР-4Е, отримані розрахунковим шляхом. Параметри плаву виробів наведені в таблиці 2.

малюнок 1 Рис. 1 Порівняння розташування ватерлінії виробів БТР-3 (а) і БТР-4 (б) (вид збоку)

малюнок 2
Рис. 2 Порівняння розташування ватерлінії виробів БТР-3 (а) і БТР-4 (б) (вид спереду)

Таблиця 2
Порівняння водохідних якостей
Найменування,
розмірність
Позначення Виріб
БТР-3Е БТР-3Е1 БТР-4Е БТР-4Е1
Результати випробовувань
Маса, кг Gвир 15865 15980 21568 22082
Кут дифферента, град Ψ 2˚15' 2˚15' -0˚8' 1˚35'
Кут крену, град Θ 2˚5' 2˚5' 1˚55' 20'
Швидкість плаву, км/год V 10,17 8,1 5,8 5,1
Глибина водойми, м h до 8 до 8 3,5-4 2,6–2,8
Джерело даних Акт №81 Акт №160 Акт №150 Акт від 04.04.14
Розрахункові дані
Водонепроникний об'єм корпусу, м3 Vн 20,89 20,9 26,1 26,2
Об'ємна водотоннажність машини, м3 Vм 15,86 16 21,57 22
Запас плавучості,% Кзп 31,7 30,7 21 18,96
Площа поперечного перерізу підводної частини машини, мм2 S 3,13 106 3,23 106 3,84 106 4,25 106


Як видно з таблиці 2, вироби БТР-4Е і БТР-4Е1 мають велику масу в порівнянні з аналогами на базі БТР-3Е. Незважаючи на менший водонепроникний об'ємом корпусу БТР-3Е і БТР-3Е1 мають більший запас плавучості, ніж вироби на базі БТР-4Е. Також як показують результати ходових випробувань, виріб БТР-3Е володіє кращими водохідних якостями в порівнянні з БТР-4Е.

Це може бути пов'язано з меншою осадкою і наявністю у БТР-3Е дифферента на корму 2˚15', що забезпечує даному виробу піднесення носовій частині над водою. У разі БТР-4Е є невеликий диферент на ніс, що призводить до повного занурення носовій частині у воду (див. Рис. 1 і 2). Велика осадка та занурення носовій частині вироби БТР-4Е призводить до збільшення лобового опору руху на плаву, яке прямо пропорційно площі поперечного перерізу підводної частини машини. Тому можна стверджувати, що опір руху на плаву виробу БТР-4Е в середньому на 18% перевищує аналогічний показник виробу БТР-3Е (таблиця 2).

Крім того, при піднятому хвилевідбійному щиті на виробі БТР-4Е створюється додатковий опір руху. Це відбувається за рахунок того, що вода вільно обтікає щит, після чого інерційно впливає на верхню частину носа вироби, створюючи додатковий опір і збільшуючи масу переміщуваної води.

Таким чином, для підвищення водохідних якостей виробу БТР-4Е, необхідно знизити його масу, для зменшення осадки, що при сформованій концепції машини проблематично, або провести конструктивне доопрацювання корпусу і хвилевідбійного щита, для оптимізації водяного потоку обтікаючого бронетранспортер і зниження опору плаву.

малюнок 3
Рис. 3 Розташування фактичної та теоретичної (пунктирна лінія) ватерліній

Ще одним фактором, що забезпечує найкращі водохідні якості виробу БТР-3Е, є значний диферент цього виробу на корму і відповідно позитивний кут атаки днища щодо набігаючого потоку води. Тому ще одним зі способів підвищення водохідних якостей БТР-4Е може служити забезпечення дифферента на корму (більше 3,45˚) вихідного вироби за рахунок перерозподілу мас усередині і зовні корпусу. Передбачуване розташування ватерлінії в цьому випадку показано на рис. 3 пунктиром.

Аналіз впливу глибини водойми на швидкість плавe. Випробування виробів БТР-3Е і БТР-4Е на плаву вироблялися на водоймах різної глибини, при цьому відомо, що глибина водойми впливає на опір руху на плаву і відповідно швидкість плаву виробу. Для коректного порівняння водохідних якостей виробів необхідно зробити оцінку впливу глибини водойми на швидкість плаву розглянутих виробів.

Відомо [1], що сила опору Rв руху вироби у воді, залежить від ставлення осадки виробу То до глибини h водойми під виробом, та зменшується зі збільшенням глибини водойми.

Випробування вироби БТР-4 проводилися у водоймі з середньою глибиною 3,5÷4,0 м, при цьому швидкість плаву становила V = 5,8 км/год [2]. Оцінимо, на скільки збільшиться швидкість руху на більший глибині.

Розглядається рівномірний рух на плаву, коли сила опору плаву дорівнює силі тяги водохідного рушія Рд.

Відповідно до [1] можна записати:
формула 1
де Кh - коефіцієнт опору руху на воді, для колісних машин з незалежною підвіскою, якій дорівнює:
формула 2
ρ - щільність води, 1000 кг/м3;
g = 9,8 м/с2 - прискорення сили тяжіння;
F - площа поперечного перерізу корпусу і ходової частини;
Fr - число Фруда, дорівнює:
формула
где L – довжина ватерлінії.
При L = 6,553 м

Fr = 0,124 * V


При постійних силі тяги і геометричних розмірах занурення частини виробу, швидкість руху на плаву буде залежати від величини коефіцієнта Кh.

Визначимо залежність коефіцієнта Кh = f (h) при То = 2,045 м. Дані розрахунку наведені в таблиці 3 і на рис. 4

Таблиця 3
Залежність коефіцієнта опору руху
h [м]23451030
Кh0,4790,3380,2820,2510,1940,151


малюнок 4
Рис. 4 Залежність коефіцієнта опору руху від глибини водойми

Представимо незмінну частину виразу (1) в наступному вигляді:
формула
тоді можна записати
формула

При V = 1.67÷2,22 м/с (6÷8 км/год) можна записати

формула
Нехай, в результаті експерименту при h=hо була отримана швидкість плаву V = Vо, тоді при h = hi швидкість плаву повинна бути V = Vi.
Враховуючи співвідношення (2), запишемо
формула

Кho - коефіцієнт опору при h=hо;
Кhi - коефіцієнт опору при h = hi.
Звідки:
формула
Таблиця 4
Швидкість плаву БТР-4Е
h [м]23451030
Vi (км/год)4,628 5,5096,0336,3897,2738,251


малюнок 5
Рис. 5 Зміна швидкості плаву БТР-4Е залежно від глибини водойми

Як видно з рис. 5 швидкість на плаву 8 км/год досягається при глибині водоймища 25 метрів. У разі БТР-3Е випробування проводилися у водоймі з середньою глибиною 8 м, при цьому швидкість плаву становила V = 10,17 км/год. Визначимо залежність коефіцієнта Кh = f (h) при осадці в середньому перерізі виробу Тo = 1,601 м. Дані розрахунку наведені в таблиці 5 і на рис. 6.

Таблиця 5
Залежність коефіцієнта опору руху
h [м]2,03,04,05,010
Кh0,3820,2890,2490,2260,181


малюнок 6
Рис. 6 Залежність коефіцієнта опору руху від глибини водойми

На підставі формул (3) і (4) у таблиці 6 представлена, а на рис. 7 побудована залежність V = f (h).

Таблиця 6
Швидкість плаву БТР-3Е
h [м]234510
Vi (км/год)7,18,38,9519,38810,489


Зокрема отримано, що на глибині h = 3 м швидкість плаву виробу складає:

формула

що дещо більше швидкості вироби на плаву, зазначеної в ТТЗ (V = 8 км/год).

малюнок 7
Рис. 7 Зміна швидкості плаву БТР-3Е залежно від глибини водойми

Як видно з рис. 5 і 7 вироби на базі БТР-3Е мають кращі водохідні якості, ніж вироби на базі БТР-4Е незалежно від глибини водойми, на якій проводяться випробування. В середньому швидкість виробу БТР-3Е на плаву на 34% вище, ніж виробу БТР-4.

Висновки

Виріб БТР-4Е має велику в порівнянні з БТР-3Е осадку, що призводить до збільшення опору руху на плаву, яке прямо пропорційно площі поперечного перерізу підводної частини машини. Опір руху на плаву виробу БТР-4Е в середньому на 18% перевищує аналогічний показник виробу БТР-3Е. Для підвищення водохідних якостей виробу БТР-4Е, необхідно знизити його масу, для зменшення осадки і зниження опору виробу на плаву, що при сформованій концепції машини проблематично. Крім того, для підвищення водохідних якостей БТР-4Е може служити забезпечення дифферента на корму за рахунок перерозподілу мас усередині і зовні корпусу. Випробування виробів БТР-3Е і БТР-4Е на плаву проводились на водоймах різної глибини, що не дозволяє безпосередньо порівнювати водохідних якості цих машин.

Для коректного порівняння властивостей даних виробів необхідно провести випробування в однакових умовах. Як показав проведений аналіз наявних даних, з урахуванням різниці початкових умов експериментів та їх обробки, обидві машини, не дивлячись на значну різницю по масі (~ 6т), мають порівняльні показники плаву, що підтверджує правильність обраної концепції установки двох водохідних рушіїв для більш важкої, за масою, машини. Разом з тим, випробування виявили необхідність поліпшення тягових якостей водохідних рушіїв (доопрацювання їх конфігурації) і геометрії носової частини корпусу БТР, для зниження опору плаву, і зміни дифферента на корму, що вимагатиме проведення додаткових натурних випробувань або макетних випробувань в лабораторних умовах.

Список літератури

1. Степанов А. П. Конструирование и расчет плавающих машин –М.:«Машиностроение», 1983 – 432с.
2. Державні випробовання бронетранспортера БТР-4Е. [Протокол] № 37 – Харьков: ГП ХКБМ, 2012 – 512с.
3. Степанов А. П. Плавающие машины. –М.: ДОСААФ, 1975 – 135с.
4. Акт № 80 от 17 апреля 2012 –Харьков: ГП ХКБМ, 2012 – 112с.
5. Расчет плавучести и остойчивости [Отчет] / БТР-4.006 РР-01 –Харьков: ГП ХКБМ, 2011 –8с.
6. Изделие БТР-4Е1. Расчет массы и координат центра массы [Отчет] / В1347.01 РР-01-Харьков: ГП ХКБМ, 2010 – 16с.
7. Расчет плавучести и статической остойчивости[Отчет] / БТР-4Е В1318.03 РР-01 -Харьков: ГП ХКБМ, 2010 – 16с.
8. ОСТ В3-4734-80 «Машины гусеничные военные плавающие. Методы расчета плавучести и статической остойчивости» – М.:Изд-во стандартов, 1979. – 68с.
9. Сергеев Л.В. Теория танка. – М: Издание академии БТВ,1973. – 493 с.
10. Саблин В.В. Водоходные движители / Пособие по курсовому и дипломному проектированию, - Киев, 1984. – 99 стр.
11. Акт ГП ХКБМ № 81 от 30 марта 2007года – Харьков: ГП ХКБМ, 2007 – 24с.
12. Акт ГП ХКБМ № 160 от 08.2012года –Харьков: ГП ХКБМ, 2012 – 68с.
13. Акт ГП ХКБМ № 157 от 17 июня 2012года –Харьков: ГП ХКБМ, 2012 – 42с.



УДК 621.85-52

Tolstolutskyy V.A., Pavlyuchenko A.A., Rasskazov I.I., Tolstolutskaya T.V.

COMPARISON OF BTR-3E AND BTR-4E FLOATING QUALITIES

A comparative analysis of floating qualities was prepared for Ukrainian armored personnel carriers BTR-3E and BTR-4E. Key structural differences, that affecting floating qualities, was determined for two vehicles, also it was investigated how the pond depth effect on the speed of the float. Recommendations were given for ways of float qualities improvement for BTR-4E.


Даний матеріал відноситься до авторських публікацій.
Думка редакції може не збігатися із точкою зору авторів матеріалів.


Використані джерела:
Науково-технічний журнал "Механіка та машинобудування", 2014, № 1