Результат интеллектуальной деятельности: Бронированный трактор с рабочим оборудованием

Заявляемое изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в гусеничных и колесных машинах, тракторах и агрегатах на их базе, а также инженерных машинах с различным навесным оборудованием, выполняющих землеройные, погрузочные, транспортные и другие работы в промышленном и дорожном строительстве в особых условиях, требующих дополнительного охлаждения силового отделения и защиты оператора и основных узлов машины от воздействия пуль и осколков.

Известны промышленные гусеничные тракторы с бронезащитой, например производства США Caterpillar и Израиля (D9L АОИ, D9N АОИ, D9R и D7R-II) [https://ru.wikipedia.org/wiki/Caterpillar_D9,http://masterok.livejournal.com/2182234.html), http://s7d2.scene7.com/is/content/Caterpillar/C10033667 стр. 2 раздел D9R Heavy Bulldozer, http://s7d2.scene7.com/is/content/Caterpillar/C10033670, стр. 5].

На перечисленных тракторах установлены бронированные кабины и капоты, ограждающие моторные установки. На боковых стенках капотов установлены створки с планками жалюзи или участками перфорации, которые откидываются или снимаются для доступа к узлам моторных установок для их обслуживания и монтажа-демонтажа при ремонте. Другое назначение створок – обеспечить поступление наружного воздуха в подкапотное пространство для охлаждения двигателя.

Известно устройство для бронирования моторного отсека автомобиля, выполненное в виде коробчатой пространственной конструкции в форме, максимально приближенной к габаритам подкапотного пространства, расположенное внутри подкапотного пространства, крепящееся к раме автомобиля, при этом передняя его часть выполнена в виде жалюзи, с интегрированными элементами для крепления к оперению автомобиля, при этом передняя панель устройства, выполнена в виде жалюзи и является радиаторной решеткой. [RU 173595 U1, 31.08.2017].

В вышеприведенных устройствах обеспечение нормальной работы силовой установки в экстремальных условиях при температуре окружающего воздуха более высокой чем 40°С, что характерно при применении трактора или другой машины в южных широтах, является сложно выполнимой задачей. Необходимо или снимать полностью створки, складируя их на хранение, чтобы установить вновь при изменении условий работы, или откидывать их на петлях, но при этом исключается возможность работы трактора в условиях его обстрела из стрелкового оружия и воздействия осколков гранат, снарядов, бомб и т.д. Кроме того, откинутые створки значительно выступают за габарит капота и перекрывают поле зрения оператора, необходимое для управления рабочим оборудованием.

Близким аналогом заявляемого изобретения является конструкция бронированного трактора, точнее – уже упомянутого бульдозера D9R [URL: http://s7d2.scene7.com/is/content/Caterpillar/С10033667. раздел D9R Heavy Bulldozer, а также http://masterok.livejournal.com/2182234.html].

Капот данного бульдозера выполнен с большими по площади планками жалюзи на боковых стенках, что снижает уровень его защиты.

Наиболее близким по назначению и существенным конструктивным признакам к заявляемому устройству аналогом (прототипом) является бронированный трактор с рабочим оборудованием, содержащий кабину с рабочим местом оператора, силовое отделение, ограниченное капотом с передней решеткой, боковыми стенками, крышей, воздухозаборными отверстиями для подачи воздуха в подкапотное пространство, теплообменным люком с откидываемой броневой крышкой на крыше капота перед кабиной с возможностью ее фиксируемого откидывания вверх-вперед на угол α, обеспечивающий положение верхней кромки крышки ниже зоны обзора, определяемой вертикальным углом β поля зрения оператора, необходимым для управления рабочим оборудованием [RU 182104 U1, F41H 5/22, 03.08.2018].

Однако решение задачи улучшения теплового режима агрегатов силовой установки с учетом неэкранирования обзорности из кабины, не соотносится должным образом с другой ключевой проблемой для транспортных средств, предназначенных для эксплуатации в окружающих условиях, экстремальных одновременно по температурным условиям (жаркий климат) и по высокой вероятности воздействия средств поражения (пуль, осколков и т.д.). Да, организация дополнительного «стравливающего тепло» люка в крыше капота позволяет несколько усилить броневую защиту стенок капота путем уменьшения площади планок жалюзи на боковых стенках. Но фраза «без снижения уровня защиты при обстреле трактора» в описании прототипа, к сожалению, остается частично декларативной, недостаточно обоснованной. В результате, рекомендации в описании прототипа по геометрическим характеристикам конструкции могут усугубить ситуацию с необходимостью обеспечения защиты трактора (и оператора в кабине в особенности) от указанных средств поражения. Здесь имеется в виду вероятность рикошета средств поражения (пуль, осколков и т.д.) от ключевого конструктивного элемента, согласно и прототипу, и заявляемому изобретению, а именно от откидываемой броневой крышки теплообменного люка в ее поднятом рабочем положении, в кабину. Кабина же является наиболее уязвимым местом на бронированном тракторе, поскольку стеклянное бронирование менее эффективно металлического или композитного бронирования. Это обусловливает еще недостаточно высокие технико-эксплуатационные характеристики бронированного трактора.

Проблема (задача), на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении технико-эксплуатационных характеристик бронированного трактора за счет такого взаимного расположения (компоновки) рассматриваемых составных частей трактора (включая кабину с рабочим местом оператора, силовое отделение, ограниченное капотом, и теплообменный люк), при котором будут максимально соблюдены требования как обзорности из кабины, так и защиты кабины от средств поражения, попадающих в упомянутую откидную крышку теплообменного люка в крыше капота.

Обозначенная проблема (задача) решается за счет того, что в бронированном тракторе с рабочим оборудованием, содержащем кабину с рабочим местом оператора, силовое отделение, ограниченное капотом с передней решеткой, боковыми стенками, крышей, воздухозаборными отверстиями для подачи воздуха в подкапотное пространство, теплообменным люком с откидываемой броневой крышкой на крыше капота перед кабиной с возможностью ее фиксируемого откидывания вверх-вперед на угол α, обеспечивающий положение верхней кромки крышки ниже зоны обзора, определяемой вертикальным углом β поля зрения оператора, необходимым для управления рабочим оборудованием, согласно заявляемому изобретению, дополнительно предусмотрено ограничение угла α откидываемой броневой крышки теплообменного люка по условию безопасного рикошета средств поражения от неë в пространство перед кабиной, в соответствии с геометрическим соотношением (1):

где H – возвышение верхней передней кромки кабины над крышей капота;

b – расстояние между проекциями на крышу капота верхней передней кромки кабины и верхней кромки поднятой броневой крышки теплообменного люка;

ℓ – длина броневой крышки.

Указанная проблема (задача) решается также за счет дополнительного конструктивного признака (при сохранении указанного выше основного):

комплексное ограничение угла α по обоим условиям, а именно по расположению крышки вне упомянутой зоны обзора и сформулированной гарантии безопасного рикошета средств поражения от неë, подчинено геометрическому условию (2):

где L – длина крыши капота.

Дополнительный признак обеспечивает оптимальную частную компоновку устройства, где математическое выражение (2) с равенством отражает «критическое» значение угла α, при котором и максимально полно используются для обеспечения охлаждения силового отделения трактора одновременно пространство под «запретной» зоной видимости, и зона возможных траекторий рикошетируемых от крышки средств поражения вплотную подходит к верхней передней кромке кабины.

Пример выполнения заявляемого изобретения представлен на чертежах, где:

на фиг. 1 показана передняя часть трактора, вид сбоку, где H – возвышение верхней передней кромки кабины над крышей капота; L – условная длина крышки капота (до проекции точки K передней верхней кромки кабины на крышку капота); b – расстояние между проекциями на крышу капота верхней передней кромки кабины и верхней кромки поднятой броневой крышки теплообменного люка; ℓ – длина упомянутой броневой крышки; α – угол наклона (откидывания) броневой крышки люка в рабочем ее положении; β – угол, характеризующий обзорность из кабины, конкретно нижнюю границу зоны видимости перед трактором;

на фиг. 2 показана расчетная схема, совмещенная по условиям обеспечения заданной зоны видимости и обеспечения защиты кабины от рикошетируемых от крышки средств поражения, вид сбоку, О, K, А, Р, Е. С, Р′, K′ – характерные точки; γ – угол попадания средства поражения по траектории ОР.

Бронированный трактор с рабочим оборудованием содержит кабину 1 с рабочим местом оператора 2 (условно представлен «глазом», согласно правилам изображения оптических схем), силовое отделение 3, ограниченное капотом с передней решеткой 4, боковыми стенками (левой 5 и правой 6), крышей 7, воздухозаборными отверстиями 8 для подачи воздуха в подкапотное пространство, теплообменным люком 9 с откидываемой броневой крышкой 10 на крыше 7 капота перед кабиной 1.

Предусмотрена возможность фиксируемого откидывания крышки 10 вверх-вперед на угол α, обеспечивающий положение верхней кромки крышки ниже зоны обзора, определяемой вертикальным углом β поля зрения оператора 2, необходимым для управления рабочим оборудованием (перед решеткой 4, не показано).

В тракторе дополнительно предусмотрено ограничение (т.е. второе ограничение) угла α откидываемой броневой крышки 10, по условию безопасного рикошета средств 11 поражения от неë в пространство перед кабиной 1 (пространство левее от изображенного на фиг. 2 «критической» траектории отрекошетированного средства 11), в соответствии с геометрическим соотношением (1):

где H – возвышение верхней передней кромки 12 кабины 1 над крышей 7 капота;

b – расстояние между проекциями на крышу 7 капота верхней передней кромки 12 кабины 1 и верхней кромки 13 поднятой крышки 10;

ℓ – длина крышки 10.

В частном, рекомендуемом как оптимальный, случае (примере), в уже охарактеризованном выше тракторе заложено комплексное ограничение угла α по обоим условиям, а именно по расположению крышки 10 вне упомянутой зоны обзора (β) и сформулированной гарантии безопасного рикошета средств 11 поражения от неë, подчиненное геометрическому условию (2):

где L – длина крыши 7 капота.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При работе силовой установки, когда открыта откидываемая крышка 10 люка 9, в подкапотное пространство поступает дополнительный воздушный поток, улучшая там тепловой режим, в частности, снижая температуру воды и масла в двигателе трактора, повышается надежность нормальной работы системы охлаждения силовой установки в экстремальных условиях (при высоких температурах окружающего воздуха, выше 40°С).

При рекомендуемой по формуле (1), согласно заявляемому изобретению, компоновке и величине угла α откидывания крышки 10 в рабочее ее положение, которая (формула) включает в себя изначальное требование неэкранирования зоны видимости рабочего оборудования трактора из кабины 1 оператором 2, т.е. не сужается угол β, поскольку точка P остается в положении не выше пограничной линии ОЕ.

Главное же содержание условия (1) заключается в том, что при нем (пусть и не обязательно оптимально) исключается рикошет от любой точки на внешней стороне крышки 10 в кабину средств 11 поражения, прилетающих с любого направления в секторе между линиями ОР и КР. Пули, осколки и прочие «нежеланные гости», попадая в крышку 10, рикошетируют вверх или вперед.

При рекомендуемом соотношении (2) «геометрия» (компоновка) рассматриваемых составных частей трактора совпадает для обоих условий: и (1), и (2), что благоприятно для теплотехнической стороны обозначенной комплексной проблемы вследствие обеспечения максимального сечения (а значит и объемного расхода) конвективного потока воздуха через люк 9).

Происхождение (обоснование) условий (1) и (2) – в следующих математических выкладках (с разумно-достаточными сокращениями).

На расчетной схеме (фиг. 2) изображен предельно-допустимый случай движения средства 11 поражения (пули, осколка, и т.д.) под углом минус β по касательной к точке О с последующим отрекошетированием от крышки 10 в точке Р по касательной к точке K на передней верхней кромке кабины 1 в общем с крышкой 10 вертикальном продольном сечении. Причем при максимально-допустимой по высоте точке Р из условия неэкранирования обзорности. Явление рикошета подразумевает равенство углов падения и отражения в точке Р (угол γ). Все это определяет ключевой конструктивный показатель – угол α установки (откидывания) крышки 10 в рабочем ее положении.

Из треугольников АРР′, РКЕ и прямоугольника РР′K′Е

H = ℓ ⋅sin α + b⋅tg (β + 2⋅γ)⋅, (3)

Все обозначения, используемые в формуле (3) и последующих формулах, пояснены на фиг. 2.

С учетом равенства углов ОРА, KРС и СРЕ (это и есть угол γ) уравнение (3) преобразуется:

H = ℓ ⋅sin α + b⋅tg (2⋅α - β)⋅, (4)

Тогда минимально-необходимое расстояние b между проекциями точек Р и K (точки Р′ и K′ соответственно) определяется равенством

b⋅= (H - ℓ ⋅sin α)⋅(tg (2⋅α - β))^-1⋅, (5)

полезным, если определяют допустимое расстояние b. Угол же α можно определить из этого уравнения (5) численным методом максимум за три итерации, или графоаналитически. Крышку 10 можно выполнять (при заданных значениях b и α) длиной ℓ не более (т.е. меньшей или равной) «критической» величины, рассчитанной по формуле (5). Или, при заданной по иным, например компоновочным или теплотехническим, соображениям, закладывать в конструкцию рабочий угол α больше расчетного «критического» его значения, разумеется, с уменьшением длины ℓ в соответствии с зависимостью РР′ = ℓ ⋅ sin α.

В более универсальном виде это можно окончательно представить так:

(H - b⋅tg (2⋅α – β))⋅( ℓ ⋅sin α)^-1 ≥ 1 , (6)

По заложенному и в прототип и в заявляемое изобретение условию неэкранирования обзорности, длина ℓ не должна превышать величины ℓ₁:

ℓ₁ = ((L – b)⋅tg β)⋅(sin α)^-1, (7)

А по предлагаемому дополнительному условию защищенности кабины 1, как вытекает из уравнения (5), длина ℓ не должна превышать величины ℓ₂:

ℓ₂ = (H – b⋅tg (2⋅α - β))⋅(sin α)^-1 , (8)

Система уравнений (7) и (8), т.е. их совокупность, определяет количественно заявляемую конструктивную особенность трактора.

Отсюда можно вычленить оптимальное условие для угла α, конкретно α_opt (как дополнительный, частный признак), когда ℓ₁ = ℓ₂ = ℓ, т.е. когда компоновка обеспечивает максимальное сечение воздушного потока при конвективном теплообмене через люк 9 (изначальное предназначение люка 9 с крышкой 10). Это будет иметь место, очевидно, при равенстве правых частей уравнений (7) и (8), откуда и вытекает условие (9).

α_opt = 0,5⋅(β + arctg (b^-1⋅(H – (L – b)⋅tg β)), (2)

В конкретных конструктивных авторских проработках этот угол находится в пределах 45°.

Автором и заявителем не обнаружены какие-либо известные устройства, существенные конструктивные признаки которых совпадали бы с приведенными выше как заявляемые. В то же время именно за счет последних достигается технический результат в соответствии с обозначенной проблемой (задачей), что обусловливает наличие причинно-следственной связи заявляемого технического предложения с техническим результатом, дает основание предполагать мировой уровень новизны данного предложения.

Возможность промышленной реализации предложения очевидна для специалистов в области транспортного машиностроения.

Изобретательский уровень разработки (как третий и последний критерий патентоспособности заявляемого изобретения) подтверждается неочевидностью для специалистов из существующего уровня техники.

Использование заявляемого изобретения позволяет повысить технико-эксплуатационные характеристики бронированного трактора за счет такого взаимного расположения (компоновки) рассматриваемых составных частей трактора (включая кабину 1 с рабочим местом оператора 2, силовое отделение, ограниченное капотом 7, и теплообменный люк 10), при котором максимально соблюдены требования как обзорности из кабины 1, так и защиты кабины 1 от средств 11 поражения, попадающих в крышку 10.