Вездеход с паровозным движителем (только концепция).

[val_001]

Сначала немного мотивации.

История паровой тяги окутана массой мифов, которые на поверку в большинстве своем либо оказываются несостоятельными, либо основываются на сравнении технических характеристик устройств из разных эпох.
Довольно распространено мнение, что эпоха пара была незначительной по времени в истории человечества. Так ли это? Первый паровой автомобиль был продемонстрирован общественности в Англии 24 декабря 1801 года. Последними прекратили выпуск автомобилей (грузовики и автобусы) на паровой тяги США в 1960 году. Эпоха парового автомобиля продлилась 159 лет. Еще 1900 году половина парка автомобилей США работала на паровых двигателях.

А когда был выпущен последний паровоз? Этой даты в истории еще нет. Паровозы продолжают выпускаться, в первую очередь в Швейцарии. На первый взгляд, более логичным было бы встретить паровоз в сибирской глубинке с неисчерпаемыми запасами леса или в Кузбассе или Донбассе – центрах добычи угля. Но паровозы очень охотно используют именно в Швейцарии. Именно с этим обстоятельством связан самый живучий и несправедливый миф – миф о низком КПД паровоза. Считается, что КПД паровоза составляет лишь 8 – 15 процентов. Такое было. В 1860 году двигатель внутреннего сгорания обрел черты и габариты, которые позволяли установить его на автомобиль. КПД парового двигателя тогда составляли 10 процентов, а бензинового - 4 процента. И лишь через 22 года КПД бензинового двигателя достиг значения в 15 процентов. С этого момента Двигатель Внутреннего Сгорания (ДВС) непрерывно повышает свой КПД. А паровой двигатель? Он тоже повышает свой КПД, но это было не так заметно широкой публике. Виной тому, как это ни странно, оказалась исключительная надежность паровых двигателей. Паровой двигатель способен проработать без поломок многие десятки тысяч часов, что и сейчас остается лишь пределом мечтаний для конструкторов бензиновых двигателей. Именно высокая надежность паровых двигателей привела к появлению мифа о низком КПД паровоза. Для паровоза не является чем-то необычным срок службы в 50 лет. Нередко паровозы умудряются проработать и более 100 лет. Прогресс в области двигателестроения очень стремительный, и двигатель, созданный 50 лет назад, смотрится махровым архаизмом. Но именно такой паровой двигатель сравнивают с современными бензиновыми двигатели. Естественно, КПД у них совершенно разный. Так какие паровозы используются в Швейцарии?

Ультрасовременный паровоз использует связку из газовой и паровой турбин, которые в сумме обеспечиваю КПД в 55 – 65 процентов, в то время как современный бензиновый двигатель топчется на рубеже в 35 процентов. Естественно, такие паровозные двигатели нам недоступны, но сам факт того, что современный паровозный двигатель имеет КПД, который в принципе недостижим для бензинового двигателя, заставляет критически относиться к другим мифам относительно паровоза.
Об истории парового автомобиля можно почитать здесь:
http://gruzavtoperevozki.ru/parovoj-avtomobil

Долгое время считалось, что паровой двигатель очень долго (десятки минут) выходит на рабочий режим. Такое, безусловно, было. Но это было в ту пору, когда паровоз был машиной периодического действия. Не циклического, а именно периодического. В паровоз заливалась вода сразу в объеме, необходимом для одного безостановочного пробега между двумя пунктами заправки водой. Затем весь этот объем воды нагревался (естественно, медленно), переводился в пар, для чего требовался огромный резервуар, обусловливавший основной элемент экстерьера паровоза, после чего можно было ехать, излучая в пространство огромное количество тепловой энергии с поверхности котла паровоза. Кто в то время думал о теплоизоляции котла? Простота и надежность окупала все. Что можно сказать о КПД паровоза с огромной площадью теплообмена котла, который дополнительно обдувается ветром при движении в 40-градусный мороз? Странно, что он вообще двигался и перевозил груз.
Современный паровой двигатель выходит на режим немногим дольше, чем бензиновый двигатель. Насос высокого давления может впрыскивать воду в зону создания пара в количествах, необходимых для непрерывной работы классического парового двигателя. Котел трансформировался в небольшое количество медных трубок, которые очень быстро создают необходимое количество пара для единичного цикла парового двигателя. Основные узлы паровоза стали компактными, легкими и быстро выходят на рабочий режим.

Злую шутку с паровозом сыграла его всеядность. Действительно, в топке паровоза с равным успехом может гореть уголь, дрова и многие другие вещества, способные давать тепло при окислении (горении). Но именно это обстоятельство породило миф об экологическом загрязнении среды продуктами горения из топки паровоза. Это несправедливое мнение. Очевидно, что непрерывное горение в топке паровоза всегда эффективней и чище, чем циклическое взрывное горение в цилиндрах ДВС. Но автомобили использует хорошо очищенное от вредных примесей топливо, а паровоз использует уголь непосредственно из карьера без всякой очистки. Использование автомобильного топлива показывает, что паровоз производит выбросы вредных веществ намного меньше, чем автомобиль. Но такое топливо намного дороже угля. Приходится выбирать между выбросами и стоимостью эксплуатации паровоза.
На сегодняшний день решены все проблемы, связанные с высокой коррозионной активностью воды (пара) при большой температуре. Раньше паровой двигатель был чугунным. Современные нержавеющие стали и пластмассы позволяют создавать паровые двигатели и движители легкими и еще более долговечными.

Современный паровой двигатель по сравнению с бензиновым двигателем более легкий, более экономичный, несопоставимо более надежный и долговечный и абсолютно невостребованный. На то много причин, и одна из них - низкое быстродействие классического парового двигателя, столь необходимое вездеходной технике.
Двигатель, точнее движитель паровоза представляет собой цилиндр с поршнем, который совершает возвратно-поступательные движения, преобразуемые колесом паровоза в круговое движение колеса и линейное поступательное движение паровоза.

booken-341.jpg

Конструкция движителя настолько проста и надежна, что не подвергалась изменения многие десятилетия. Именно этот вариант движителя представляет большой интерес для современных колесных вездеходов.
При диаметре колеса 1,6 м длина окружности составляет 5 метров. Принятая минимальная скорость вездехода для преодоления тяжелого бездорожья составляет 1 км/час. 1 км/час =16,7 м/мин. При минимальной скорости колесо совершает всего 3,34 оборота за минуту. При этом ДВС совершает за минуту 1000 оборотов. Необходимо между двигателем и колесом осуществить понижение оборотов в 300 раз. Коробка переключения передач (КПП) и главная передача дают понижение оборотов примерно в 16 раз. Еще в два раза можно понизить обороты при помощи раздаточной коробки. На этом доступные ресурсы из числа автомобильных узлов заканчиваются. Необходимо еще понизить обороты примерно в 10 раз. Начинаются различные придумки с установкой последовательно двух КПП, изобретение бортовых и колесных редукторов. В конечном итоге это приводит к значительному весу трансмиссии вездехода. Не меньшую проблему составляет создание трансмиссии минитрактора, где требуется большое количество переключения передач.

Все эти проблемы полностью отсутствуют у паровозного движителя классического типа с непосредственным приводом на колесо. Паровозный привод легко создает на поршне цилиндра давление, необходимое для создания тяги вездехода в любых разумных пределах. Никогда у паровоза не возникало потребности в КПП. КПП – это пережиток ДВС с его ограниченным крутящим моментом. Классический паровозный движитель очень сложно приспособить для работы трансмиссии современного скоростного автомобиля. Но паровозный движитель очень органично вписывается в трансмиссию вездехода с диаметром колес более метра. Диаметр колеса у паровоза может быть от 1,2 м (экономичный вариант) до 2,2 м (скоростные паровозы). Наиболее часто используемые диаметры колес паровоза находятся в пределах от 1,35 до 1,8 метра. Колеса такого же диаметра используются на современных колесных вездеходах. Индивидуальный привод каждого колеса простым и надежным возвратно-поступательным движителем решит проблему независимого привода колес вездехода.

При установке на вездеход цилиндров движителя паровозного типа лучше для выравнивания тягового момента при передаче тяги от штока поршня цилиндра ставить два цилиндра, точки приложения тяги которых разнесены на колесе на 90 градусов. Предположим, что полная масса проектируемого четырехколесного вездехода составляет 2000 кг. Тогда для надежного движения по бездорожью каждое колесо должно создавать тягу порядка 500 кг. Пусть диаметр колеса составляет 1600 мм, а полный ход штока цилиндра – 400 мм. В этой ситуации цилиндр должен развивать максимальную тягу 2000 кг. При давлении 15 атм диаметр поршня движителя составит порядка 140 мм. Вполне реализуемо.

Вовсе не обязательно сразу и непосредственно делать паровой привод колеса вездехода. Возможно множество промежуточных и (или) комбинированных вариантов. Главное – реализовать принцип паровозного движителя. А это можно сделать и при помощи гидравлических или пневматических цилиндров. К сожалению, современные гидравлические цилиндры не рассчитаны на совершение более миллиона циклов, поэтому пробег вездехода на такой трансмиссии составит не более 5 000 км. Пневматические цилиндры рассчитаны уже на десятки миллионов циклов, поэтому они более пригодны для работы в составе трансмиссии вездехода, но у них больше габариты и приличная стоимость.

Таким образом, можно создать непосредственно паровой колесный вездеход со схемой трансмиссии классического паровозного движителя. Этот вариант может оказаться интересным тем, у кого в достатке лес, то есть в Сибири и на Дальнем Востоке. Создание парового котла с хорошей защитой от взрыва при превышении давления проблемой не является. Здесь можно использовать и готовые промышленные изделия. Создание парового цилиндра на основе нержавеющей стали сложности не представляет. В качестве прототипа можно взять пневматический цилиндр с подходящими характеристиками.
Кого-то устроит вариант обычного ДВС (с возможностью работы с пиролизной установкой для использования в качестве топлива угля и древесины), приводящего в действие компрессор или масляный насос, которые в свою очередь приводят в действие движитель в виде пневматических или гидравлических цилиндров, приводящих во вращение непосредственно колесо или ось колеса вездехода. Такой вариант по-своему проще, поскольку легко реализуется на стандартных узлах и изделиях промышленного назначения.

[Юрич]

val_001, извини, но название надо бы откорректировать!
Движитель у тебя колесный, традиционный, а вот силовая установка или двигатель (...этого самого движителя через трансмиссию) ты предлагаешь паровой, внешнего сгорания.

По существу одно замечание: КПД термический, возможно и выше, а вот удельная мощность, мощность отнесенная к массе двигателя, какова? Сравни, пожалуйста!

Топливо под ногами и на обочинах - это, конечно, очень удачно! Успехов!

[val_001]

Движитель у тебя колесный, традиционный, а вот силовая установка или двигатель (...этого самого движителя через трансмиссию) ты предлагаешь паровой, внешнего сгорания.

Спасибо за замечание! В литературе изрядная проблема с четкой терминологией на ту тему. Двигатель тоже не совсем подходит. Слишком неопределенный термин, охватывающий значительное количество оригинальных технических идей. Наверно, корректней называть силовой установкой, а еще лучше, быть может, силовым приводом.
Пока, наверно, остановлюсь на этом термине. В пределах этой ветки под силовым приводом паровозного типа следует понимать паровой двигатель или иной возвратно-поступательный силовой механизм с непосредственным приводом на колесо или ось колеса.
Под паровым приводом следует понимать только паровой двигатель возвратно-поступательного (то есть, двойного действия) с непосредственным приводом на колесо или ось колеса.
Появление двух терминов: силовой привод паровозного типа и паровой привод обусловлено тем обстоятельством, что в дальнейшем возможные реализации разделятся на два сильно разнящихся варианта.
Только такие два варианта будут рассматриваться по тем причинам, что для их реализации не требуются коробки переключения передач и их реализация отличается относительной простотой при возможности создания полностью независимого привода всех колес.

[val_001]

val_001, извини, но название надо бы откорректировать!
Движитель у тебя колесный, традиционный,

Тут вот какие соображения были. Под движителем мы имеем право понимать любое устройство, которое преобразует энергию двигателя в полезную работу по перемещению транспортного средства. Движителем паровоза является колесо, но не просто колесо, а колесо, специально изготовленное для непосредственного преобразования энергии возвратно - поступательного движения поршня парового двигателя во вращение колеса. Мне показалось, что словосочетание "паровозный движитель" достаточно емко отразит обозначаемую проблему, то есть подскажет, что речь идет о колесе и о непосредственном преобразовании энергии двигателя прямо на колесе вездехода.
В любом случае замечание принимается. Буду думать, какое название будет более удачно отражать обсуждаемую тему.

[mmcl200]

Ого! вот это полет мысли! Прочёл с удовольствием! А что за связка паровой и газовой турбин? И почему нам не доступно?

[achuser]

Скорей всего, принцип обычно газовой турбины - дым от сгоревшего идет не просто в атмосферу, а совершает еще какую-либо работу за счет силы потока.

[gudvin]

val_001,
А "гибридный паровоз" (вездеход) в нашем веке, не эфективней будет ?
Паровая машина или турбина крутит генератор, несколько аккамуляторов, и эл.моторы. в век компьютеров можно создать все немыслимые моменты и режимы на колёсах.
Аккамуляторы и эл.моторы (хоть на каждое колесо) дадут быстродействие, а паровая машина будет работать в одном оптимальном диапазоне оборотов.
Кстати танк Маус, доктора Порше имел дизель-электрическую трансмиссию ещё в 40е годы.
Как и современные бульдозеры и самосвалы.

[Геннадий Хаинов]

Под движителем мы имеем право понимать любое устройство, которое преобразует энергию двигателя в полезную работу по перемещению транспортного средства

Под движителем всегда понимается устройство, которое посредством взаимодействия со средой приводит объект в движение. Колесо, гусеница, гребной винт, пропеллер и т.д. Чем приводится движитель - неважно. Хоть педалями, как в детском велике.

[achuser]

Если брать электричество, то уже в данный момент, выгоднее бестопливная техника. Как минимум, со времени прихода литий-титанатных аккумуляторов. А если бы не нефтяные корпорации, то сейчас бы уже выпускалось % 50 как минмукм гибридов и электрокаров, а лет через 20 процентов 90-100, ибо нафиг двс, когда от розетки за 30 минут зарядиться можно на 150-800 км хода.

масло не нужно, сальники, ролики, свечи и тп - ничего не нужно, момент с низов, мощность, отдача, бесшумность, экологичность.

Главная проблема - отсутствие станций быстрой зарядки, как минимум, в нашей стране...

[новичок]

ндивидуальный привод каждого колеса простым и надежным возвратно-поступательным движителем решит проблему независимого привода колес вездехода.

а как быть с пробуксовкой колесес при потере сцепления с поверхностью? Нужен автоматический регулятор.

[Геннадий Хаинов]

В пределах этой ветки под силовым приводом паровозного типа следует понимать паровой двигатель или иной возвратно-поступательный силовой механизм с непосредственным приводом на колесо или ось колеса.

То, что вы выдаете за достоинство, на самом деле главный и принципиально неустранимый недостаток.
Соединив напрямую поршневую машину с движителем, без КПП между ними, вы вынуждены рассчитывать поршень под максимальный момент. Который на транспортных скоростях не нужен. Соответственно, придется возить лишний вес.
Другой недостаток - линейная зависимость расхода рабочего тела от скорости. Я пересчитал вашу задачу на гидравлику. Для четырехколесной машинки с блокированным приводом колес борта (т.е. минимально возможное количество цилиндров - 4 шт) при скорости 60 км/ч нужна подача масла порядка 700 л/мин.
Не говоря уже о том, что никакая гидравлика не сможет работать с частотой хода рабочего цилиндра 400 ходов в минуту.

[Юрич]

Главная проблема - отсутствие станций быстрой зарядки, как минимум, в нашей стране...

Не думаю, что розетки появятся хоть когда-нибудь в тех местах, где ездят вездеходы...

Второй вопрос: если все будут заряжаться, хватит ли электричества в розетках? Его же кто то вырабатывать должен...кВтЧасы, к тому же, довольно дороги, а их много надо! Так что, имхо, не в нефтянниках дело.

[val_001]

А что за связка паровой и газовой турбин? И почему нам не доступно?

Немного застряли в Греции. В начале сентября выложу соответствующие и интересные ссылки. Турбины весьма дороги и при хорошем соотношении масса/мощность очень высокооборотные. Снова прежние грабли с большим передаточным числом для понижения оборотов и большим желанием сделать привод всех колес независимым. Наверно, это все-таки путь не для самодельщиков.

Ого! вот это полет мысли! Прочёл с удовольствием!

Спасибо! Я излагаю лишь теоретическую часть в виде концепции. На самом деле все зашло несколько дальше. Практиками сделан макет силового привода и проведен определенный небольшой объем испытаний. Я пока не знаю, каким образом тот весьма авторитетный вездеходостроитель, который инициировал практические работы, преподнесет результат своих работ. Возможно он вступит в дискуссию, а может сразу предоставит прототип. Пока он в отпуске и отъезде до начала сентября и несмотря на на отрытое размещение работающего макета силового привода на ютубе я не могу без его прямого разрешения дать ссылку.

[val_001]

А "гибридный паровоз" (вездеход) в нашем веке, не эфективней будет ?
Паровая машина или турбина крутит генератор, несколько аккамуляторов, и эл.моторы. в век компьютеров можно создать все немыслимые моменты и режимы на колёсах.

Очень долго работал над этой темой. Трактор создать можно и весьма интересно. Легкий вездеход за разумные деньги создать ну никак не получается. Пока все либо очень дорогое, либо очень массивное.
Силовая привод паровозного типа подкупает своей простотой и неожиданно небольшой массой. Его органичный недостаток - низкое быстродействие вполне соответствует параметрам относительно тяжелых колесных вездеходов.
Понимаю, пока паровозный тип привод кажется некоторым архаизмом, но именно он хорошо подходит медленным вездеходам с большими диаметрами колес.
В свое время и роликовый привод казался полным абсурдом. Ничего, ездят такие вездеходы, причем неплохо.

[val_001]

Под движителем всегда понимается устройство, которое посредством взаимодействия со средой приводит объект в движение. Колесо, гусеница, гребной винт, пропеллер и т.д. Чем приводится движитель - неважно. Хоть педалями, как в детском велике.

Тут дело новое (точнее, хорошо забытое старое). Мне пока проще пользоваться более общей терминологией, например, из википедии
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0 ... 0%BB%D1%8C
Наработка терминологии применительно к теме ветки - вопрос времени.