Zapewnienie ruchu i dużej manewrowości wojsk na współczesnym polu walki możliwe jest dzięki użyciu sprzętu inżynieryjnego o wysokich parametrach technicznych, w różnych warunkach. Wymagania te dyktują potrzebę montowania sprzętu inżynieryjnego na lekkich pojazdach opancerzonych, szczególnie tych, które zapewniają podwyższoną ochronę załogi.
Żołnierze działający w konwojach są dziś narażeni na działanie nieograniczonej ilości (i wielkości) ładunków wybuchowych. Według najnowszych STANAG-ów i amerykańskich instrukcji FM, improwizowane ładunki wybuchowe (domowej produkcji, w postaci IED) mogą osiągać masę nawet do 500 kg. Takie ilości materiałów wybuchowych mogą doprowadzić do poważnych uszkodzeń ciała ludzkiego w odległości nawet do 100 m.
Z tych powodów współczesne wymagania taktyczno-techniczne determinują kształtowanie kadłubów specjalistycznych (saperskich) wozów bojowych (pod kątem zapewnienia wysokiej zdolności przetrwania na polu walki i w sytuacjach zagrożenia) oraz zastosowanie odpowiedniego sprzętu do detekcji ładunków IED. Głównymi zadaniami ww. współczesnych pojazdów są:
- wykonanie przejścia w niebezpiecznym terenie przez trał,
- rozpoznanie dróg (np. za pomocą georadaru lub wykrywacza metali),
- przesunięcie lub wstępne rozbrojenie ładunku wybuchowego za pomocą wysięgnika do podejmowania IED.
Mając na uwadze aktualne potrzeby militarne, w Wojskowym Instytucie Techniki Inżynieryjnej zaprojektowano i wykonano – we współpracy z Wojskową Akademią Techniczną – konstrukcję: trału naciskowego, indukcyjnego wykrywacza metali z georadarem oraz urządzenia do podejmowania materiałów niebezpiecznych. Urządzenia te docelowo będą montowane na opancerzonych pojazdach wojskowych o podwyższonej ochronie załogi typu Shiba oraz Żubr, produkowanych przez Zakłady Mechaniczne AMZ Kutno [1]. Całość tworzyć będzie tzw. rodzinę modułowych kołowych pojazdów opancerzonych do rozpoznania i rozminowania dróg (Rys. 1).
Trał naciskowy
W warunkach bojowych często wymagane jest wykonanie przejścia w polu minowym dla czołgów i transportów opancerzonych (pierwszego rzutu) w możliwie jak najkrótszym czasie. Do tego celu najczęściej stosuje się trałowanie ciężkie za pomocą trałów wykopowych, zamontowanych na podwoziach czołgowych. Istotnym zastosowaniem trałowania jest także oczyszczanie dróg przejazdu konwojów patrolujących tereny objęte konfliktem zbrojnym. Trały wykorzystuje się również do oczyszczenia terenu z min np. w celu przygotowania terenu dla rozlokowania się wojska po zakończeniu przegrupowania. Urządzenia trałujące są wykorzystywane zarówno na obszarach bojowych jak i nie objętych już działaniami wojennymi, przy rozminowaniu terenów.
W pierwszej fazie projektu trału naciskowego założono, że będzie on pracował na całej szerokości jazdy, a siła wywierana na podłoże pochodzić będzie od siłowników hydraulicznych. Dodatkowo zastosowano podatne mocowanie kół dociskowych, w celu lepszego tłumienia nierówności podłoża oraz efektów ewentualnego wybuchu.
Model geometryczny urządzenia wykonano z wykorzystaniem komputerowych programów inżynierskich: geometrię trału zamodelowano w systemie Autodesk Inventor, model dyskretny wykonano w programie HyperMesh, a symulacja dynamiczna została przeprowadzona w programie obliczeniowym LS-DYNA.
Zamodelowana konstrukcja urządzenia składa się z następujących zespołów oraz elementów (Rys. 2):
- rama stała (1),
- międzyrama (2),
- rama nośna (3),
- łoże belki poprzecznej (4),
- belka poprzeczna (5),
- wahaczowy zespół trałujący (6),
- siłowniki hydrauliczne (7).
Urządzenie docelowo będzie montowane na wojskowym pojeździe opancerzonym o podwyższonej ochronie załogi, typu Shiba, zaprojektowanym przez AMZ Kutno. Na rysunku 3 pokazano aplikację urządzenia na pojeździe w pozycji pracy.
W pozycji transportowej trał będzie spoczywał na ramie będącej jednocześnie konstrukcją przednią pojazdu. Dzięki temu prędkość przejazdowa kolumny pojazdów wraz z pojazdem trałującym wynosić będzie ok. 50 km/h. Natomiast prędkość trałowania nie powinna przekraczać 15 km/h, co gwarantuje dużą skuteczność pracy urządzenia.Po zaprojektowaniu modelu geometrycznego oraz wykonaniu na nim symulacji wytrzymałościowych otrzymano bazę do wytworzenia prototypu urządzenia (Rys. 4).
Główne elementy wchodzące w skład konstrukcji nośnej wykonano z ogólnie dostępnych rur o przekroju prostokątnym. Koła układu roboczego o odpowiednich średnicach oraz parametrach użytkowych dobrano z katalogu firmy Blickle. Dodatkowo zastosowano amortyzowanie kół, poprzez połączenie wahacza z belką poprzeczną za pomocą pakietów naciągowych sprężyn śrubowych. Układ hydrauliczny zapewniający sterowanie urządzeniem zamówiono w firmie Parker Hannifin [1].
Indukcyjny wykrywacz metali oraz georadar
Na świecie występuje wiele odmian min przeciwpancernych i przeciwpiechotnych oraz im pochodnych. Jednym z podstawowych kryteriów ich opracowania było i nadal jest utrudnienie możliwości wykrycia.
Pierwszy wykrywacz wynaleziony został podczas II wojny światowej przez Polaków, Józefa Kosackiego oraz Andrzeja Grabosia, i wykorzystywał fale radiowe do wykrywania ukrytych w ziemi elementów metalowych. Od tamtego czasu powstało wiele odmian tego urządzenia, lecz nie zmieniło się jego przeznaczenie.
Indukcyjny wykrywacz metali służy do wykrywania metalowych przedmiotów ustawionych na powierzchni gruntu jak również umiejscowionych w gruncie i pod powierzchnią wody.
W celu zwiększenia możliwości detekcji wykrywacza metali i wstępnego określenia obrazu podziemnych przeszkód stosuje się też georadar (GPR). Umożliwia on wykrycie obiektów w oparciu o metodę polegającą na rejestracji fal odbitych od warstw charakteryzujących się różnymi własnościami dielektrycznymi. Urządzenie to wykorzystuje do tego celu fale elektromagnetyczne.
Rozwijane obecnie na świecie tego typu konstrukcje, oparte na jednoczesnym zastosowaniu w/w metod, opracowano między innymi w USA, Wielkiej Brytanii oraz Japonii.
Podstawową konstrukcją nośną indukcyjnego wykrywacza metali oraz georadaru (Rys. 5) są kompozytowe belki nośne (3) zamontowane w mechanizmie obrotu (2) przy pomocy sworzni zabezpieczonych zawleczkami (12 – 14). Mechanizm obrotu osadzony jest w łożyskach i sprzężony, poprzez wał II, sprzęgła i wał I (12 – 14), z siłownikiem hydraulicznym obrotowym. Zakres obrotu urządzenia w przedniej części pojazdu wynosi 165°. Całość posadowiona jest na płycie montażowej pojazdu (1). Jak już wspomniano, do belek nośnych (3) zamocowano nieruchomo georadar, a za nim podwieszona jest na układzie linowym głowica wykrywacza indukcyjnego (4). Układ linowy współpracuje z systemem wciągarek (6, 7) napędzanych elektrycznie.
Zakres pracy oraz korzyści z zastosowanego rozwiązania konstrukcyjnego obrazuje rysunek 6. Zamontowane urządzenie nie utrudnia poruszania się pojazdu po drogach tam, gdzie nie jest konieczne prowadzenie wykrywania. W nieznaczny sposób ogranicza pokonywanie przeszkód terenowych [2].
Na rysunku 7 Pokazano aplikację wykrywacza i georadaru na pojeździe Shiba. Mocowanie całej konstrukcji do pojazdu ogranicza się jedynie do przykręcania płyty montażowej wykrywacza za pomocą połączenia śrubowego.
Urzadzenie do podejmowania ładunków wybuchowych
Projekt urządzenia wykonano na podstawie założeń taktyczno – technicznych opracowanych na podstawie aktualnych potrzeb współczesnego pola walki. Cały cykl aż do fazy wykonania dokumentacji konstrukcyjnej został wykonany z wykorzystaniem aktualnie dostępnych narzędzi do modelowania graficznego i obliczeń wytrzymałościowych. Na początku wykonano model geometryczny urządzenia, biorąc przy tym również możliwości zamocowania do pojazdu bazowego. Następnie wykonano obliczenia wytrzymałościowe w zakresie statycznym dla pozycji, kiedy wysięgnik pracuje na maksymalnym wysięgu. Obciążenie, pochodzące od masy podnoszonego ładunku, oszacowano miedzy innymi na podstawie pracy [3]. Ponadto wykonano symulację dynamiczną dla pełnego zakresu położeń urządzenia. Celem tej analizy było wyznaczenie sił we wzajemnie współpracujących elementach konstrukcji, szczególnie par kinematycznych ramię – sworzeń – siłownik.
Model geometryczny, na podstawie wstępnych obliczeń, wykonano w programie Autodesk Inventor. Ze względu na stosunkowo małe gabaryty konstrukcji oraz nieskomplikowany rozkład obciążeń przyjęto zastosowanie gotowych elementów o przekroju prostokątnym, dostępnych na rynku wyrobów metalowych. Połączenie poszczególnych elementów konstrukcji zrealizowano poprzez zastosowanie sworzni, natomiast do ich napędu wykorzystano układ hydrauliczny [4].
Przyjęto następujące parametry użytkowe urządzenia:
- maksymalny zasięg – 5 m,
- maksymalny udźwig – 200 kg.
Na utworzonym modelu (Rys. 8) wykonano symulacje ruchowe, co pozwoliło na wykrycie istniejących kolizji pomiędzy elementami ruchomymi. Ponadto możliwe było ustalenie zakresów długości pracy siłowników, aby osiągnąć założone pole pracy urządzenia. Model taki pozwala również na optymalizację konstrukcji pod względem kryterium estetyki. Jednak dokładna weryfikacja założeń konstrukcyjnych została potwierdzona podczas analizy wytrzymałościowej w dalszej części pracy.
Po wykonaniu projektu geometrycznego, obliczeń wytrzymałościowych i modyfikacji modelu, opracowano dokumentację techniczną, na podstawie której wykonano prototyp urządzenia (Rys. 9). Wszystkie czynności technologiczne związane z wytworzeniem elementów urządzenia wykonano w Zakładzie Produkcji Doświadczalnej WITI przy współpracy z Zakładem Mechanicznym Cuprum Business Center. Po wykonaniu wszystkie elementy połączono za pomocą sworzni i śrub. Następnie zamontowano układ hydrauliczny wraz z elementami układu sterowania. W tym przypadku zastosowano dwa ręczne manipulatory sterujące: jeden do sterowania pracą głównych członów wysięgnika, drugi do sterowania pracą chwytaka. Po uruchomieniu urządzenia należało wykonać kilka poprawek konstrukcyjnych, które jednak nie miały wpływu na zasadniczą jego pracę. Po tych czynnościach układ był gotowy do wykonania badań funkcjonalnych oraz wytrzymałościowych [4].
Podsumowanie
Przeprowadzone prace, które są wynikiem wspólnych działań różnych jednostek badawczo-rozwojowych, mogą zaowocować wprowadzeniem na wyposażenie Wojska Polskiego tego typu urządzeń, krajowej produkcji.
Równolegle do prac prowadzonych w ramach opisanego projektu, rozwijana jest konstrukcja samochodu o podwyższonej ochronie załogi, typu Shiba. Po połączeniu ww. urządzeń z pojazdem, będzie możliwość wykonania rozszerzonych badań funkcjonalnych.
mgr inż. Piotr KRYSIAK, Wojskowy Instytut Techniki Inżynieryjnej
dr inż. Marcin SZCZEPANIAK, Wojskowy Instytut Techniki Inżynieryjnej
dr hab. inż. Wiesław BARNAT, Wojskowa Akademia Techniczna
Literatura:
[1] W. Jasiński, P. Krysiak, M. Szczepaniak, W. Barnat, G. Moneta: Urządzenie trałujące do rozminowania dróg na terenach niebezpiecznych – projekt, obliczenia, wykonanie. Oficyna Wydawnicza Pwr, Wrocław 2012, nr 1, s. 227-233.
[2] Ł. Czubaty, M. Szczepaniak, W. Jasiński, P. Krysiak, , W. Barnat, P. Dybcio: Projekt urządzenia do detekcji przedmiotów niebezpiecznych w oparciu o indukcyjny wykrywacz metali oraz georadar. Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 2012, nr 1, s. 151-159.
[3] Ciszewski T., Saska P.: Budowa i klasyfikacja improwizowanych urządzeń wybuchowych. Problemy detekcji i utylizacji materiałów niebezpiecznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2010, s. 31-43.
[4] P. Krysiak, W. Jasiński, M. Szczepaniak, W. Barnat, P. Dybcio: Projekt i wykonanie urządzenia do podejmowania ładunków wybuchowych. Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 2012, nr 1, s. 307-312.
artykuł pochodzi z wydania 7/8 (57/59) lipiec/sierpień 2012
