У шнекового двигателя есть своя довольно долгая история. Его появление относят к 1804 году, когда Дж. Стивенс построил пароход с РВД и испытал его на реке около Нью-Йорка. В 1900 году русскому изобретателю Ф. Дергинту был выдан патент на сани, приводимые в движение шнеком. Вслед за тем во Франции и Швеции появляются шнековые движители, приспособленные к автомобилям и предназначенные для обеспечения им возможности передвижения по снегу. Эти машины имели винтовой движитель, установленный между задними колесами автомобиля. Шнек приводился во вращение от двигателя через специальную передачу. Первоначально на автомобили ставился один такой движитель, а позднее два параллельных.

Но в первых вездеходах шнек все же работал недостаточно надежно, а сами машины имели слишком узкие колеса, которые под весом автомобиля глубоко погружались в снег и создавали большое сопротивление движению. Да и конструкция шнека была также несовершенна. Небольшого диаметра стержень и высокое узкое ребро его винтовой нарезки не уплотняли снег, а на твердом насте автомобиль мог перемещаться и без такого движителя.

В1925 г. в США начато производство шнеков и были выпущены снегоходы-тракторы «Сноу-Мотор» на червячных пустотелых винтах. Однако уже в 1926 г. в СССР аналогичные машины были испытаны А.А. Крживитским, а 1927 г. они использовались на вывозке леса. Начиная с 60-х годов ХХ века исследования по роторно-винтовым машинам ведутся в ГПИ им. А.А.Жданова. Инициатором этих работ был сотрудник кафедры «Детали машин» В.И.Вологдин. (рис.15,а)

В течение ряда лет в ОНИЛВМ занимались актуальной проблемой, связанной с охраной окружающей среды. В соответствии с Постановлением Совета Министров РСФСР №600 от 30 ноября 1973 г. по плану внедрения передовой технологии и средств механизации в ОНИЛВМ была разработана конструкция роторно-винтовой болотоходной машины РВБ-ГПИ-02 (1972 г.). Машина была изготовлена и применена в Объединении Курьяновских станций аэрации (г. Москва) для обработки отстойных иловых площадок очистных сооружений. Ее испытания и опыт эксплуатации позволили создать машины РВБ-ГПИ-06 (1974 г.) и модификацию ГПИ-3906 с дизельным двигателем. Машина РВБ-ГПИ-06 отмечена бронзовой медалью ВДНХ СССР.

В преддверии работ по машинам для станций аэрации в ОНИЛВМ были созданы легкие лыжно-роторно-винтовые мотонарты (рис.15): ГПИ-16 (1965 г.); ГПИ-16ВС (1967 г.); ГПИ-16ВА (1967 г.); ГПИ-05 (1972 г.). Значительный вклад в практическую реализацию проектов роторно-винтовых машин внес сотрудник ОНИЛВМ В.И.Захаренков (рис.15,б).

 

Рис.15. Разработчики роторно-винтовых снегоболотоходов: В.И.Вологдин (а)
и В.И.Захаренков (б); снегоболотоходы на РВД разработки ОНИЛВМ:
в — ГПИ-16, г – ГПИ-16ВА, д – ГПИ-16ВС, е – ГПИ-05, ж – ГПИ-06, з – ГПИ-02

Работы по созданию вездеходов с нетрадиционными ходовыми системами (вездеходы на пневмокатках, катково-гусеничные вездеходы, машины с движителем в виде пневмокатковой цепи) в СКБ ЗИЛ шли полным ходом, когда в 1966 г. главный конструктор В.А. Грачев предложил Ю.И. Соболеву и другим ведущим специалистам СКБ посмотреть каким-то образом полученный фильм. В 12-минутной ленте демонстрировались возможности американского болотного вездехода MSA, разработанного фирмой «Крайслер» по заказу военных для использования в боевых действиях во Вьетнаме. Задание было непростым: в кратчайшие сроки построить аналогичный вездеход. Надо сказать, что опыта проектирования роторно-винтовых движителей не было не только у СКБ, но и во всей стране. Следовало вновь путем проб и исследований разрабатывать и испытывать оригинальную конструкцию. Тему создания автомобиля со «шнековым движителем» (такое название закрепилось на ЗИЛе за роторно-винтовым движителем) внесли в план научно-исследовательских работ СКБ ЗИЛ на 1966 г. Начался кропотливый сбор материала и поиск технических решений. Следует отметить, что в нашей стране не только в СКБ ЗИЛ занимались вездеходами с роторно-винтовым движителем. Одновременно оригинальные машины создавали в Горьковском политехническом институте (ГПИ). В Советском Союзе было принято делиться своими наработками. Так, специалисты СКБ ЗИЛ и ГПИ постоянно обменивались опытом, посещая друг друга с рабочими визитами. 19 мая 1966 г. в СКБ ЗИЛ приехал ведущий конструктор мотонарт ГПИ-16 с передней управляемой лыжей и роторно-винтовым движителем В.И. Вологдин и рассказал о постройке вездеходов ГПИ-16 и ГПИ-66. 20 ноября в СКБ ЗИЛ пришел отчет по испытаниям ГПИ-16. 29-31 января 1968 г. ГПИ с ответным визитом посетил В.А. Грачев. Впрочем, прямых конструктивных заимствований при создании машин не было. Каждая организация шла своим путем, самостоятельно решая поставленные перед ней задачи. В работе над шнекоходом, получившим официальное обозначение ШН-67 и неофициальное «Шнек», принимали участие: конструкторы В.А. Грачев, Ю.И. Соболев (ведущий конструктор), А.П. Селезнев, В.Я. Горин, О.Б. Ховов, Л. Дронов, В.В. Цырульников, Л.А. Кашлакова, НА Егоров; испытатели В.Б. Лаврентьев, Г.А. Семенов, В.М. Андреев, А.Г. Антонов, П.А. Насонов, В.А. Варакин, В.Г. Иванов; водители-испытатели И.И. Дмитриев, А.И. Аношко, И.И. Захаров.

Краткое описание конструкции

Снегоболотоход ШН-67 был оснащен двигателем ЗИЛ-375Я с гидромеханической коробкой передач ЗИЛ-135Л, который для лучшего расположения центра тяжести установили за кабиной в середине рамы. Для распределения крутящего момента по бортам на шнекоходе применили главную передачу с механизмом поворота гусеничной машины М-2 (ОКБ ММЗ). Бортовые передачи — реверс-редукторы с шестернями от бортовых передач ЗИЛ-135Л

В качестве движителя использовались два шнека, размещенные по бортам. Они представляли собой полые цилиндры с конусами на обоих концах, изготовленные из стального листа толщиной 2 мм. На наружной поверхности цилиндров выполнили винтовой грунтозацеп, в разрезе представляющий собой трапецию. На внутренние поверхности шнека для увеличения жесткости были приварены металлические кольца. Также для увеличения жесткости на внутреннюю поверхность шнека напылили слой пенополеуретана толщиной около 100 мм (для удобства напыления шнеки спроектировали разборными). Конуса со шнеком соединялись с помощью болтов.

Для передачи крутящего момента от бортовых карданов к шнекам служили реверс-редукторы, обеспечивающие, кроме изменения направления движения, также разворот на месте и возможность движения боком при вращении шнеков в одном направлении. Муфты переключения реверс-редукторов управлялись дистанционно. Стеклопластиковая кабина была заимствована от машины ПЭУ с незначительными переделками. Сиденье водителя взяли от автомобиля ГАЗ-69, а для пассажиров предусмотрели подушки сидений от ПЭУ (по одному с каждой стороны от сиденья водителя). Отопление кабины осуществлялось от системы охлаждения двигателя. Капот двигателя представлял собой сварной каркас из стальных уголков 25×25 мм, облицованный листами из стеклопластика. Крышка капота была выполнена открывающейся. В задней крышке мотоотсека для забора воздуха воздухоочистителем двигателя имелось отверстие, которое защищалось сверху от попадания воды колпаком. Постройка опытного образца ШН-67 проводилась в помещении лаборатории СКБ ЗИЛ. 19 декабря 1966 г. на специальной плите начали сборку рамы. Для создания более легкой конструкции раму решили изготовить из алюминиевого сплава. Соединение отдельных деталей производилось аргонодуговой сваркой. 20 января 1967 г. рама шнекохода была готова, и началась установка агрегатов. При монтаже силовой установки компрессор с двигателя за ненадобностью сняли. На двигателе оставили только нижнюю крышку компрессора, на которой был смонтирован насос-дозатор пускового подогревателя.

8 февраля на шнекоходе ШН-67 окончательно собрали двигатель, а реверс-редуктор отправили в Бюро испытания агрегатов СКБ на обкатку. 24 февраля были собраны и прошли балансировку шнеки. Электрооборудование шнекохода соответствовало электрооборудованию автомобиля ЗИЛ-130. В качестве емкостей для топлива на ШН-67 использовались два дополнительных бака автомобиля ЗИЛ-157. Испытания и модернизация 4 марта ШН-67 на автомобиле ЗИЛ-135ЛМ доставили на испытания в Чулково. 22 марта на водоеме тяга шнекохода на швартовах составила 600 кг. Максимальная скорость на воде достигала 8 км/ч. 23 марта в Чулково «Шнек» в присутствии начальника Главного управления по производству спецтехники Министерства автопрома Савельева и начальника отдела Курова участвовал в совместных испытаниях с вездеходом ПКЦ-1, оснащенным движителем в виде пнев-мокатковой цепи (см. Автомобили для бездорожья. Вездеход на цепи). На этих испытаниях ШН-67 показал себя очень хорошо.

31 марта состоялась проба ШН-67 на болоте в районе Чулково. Шнекоход уверенно двигался по снегу и воде и неуверенно боком по твердой поверхности (при движении по твердой поверхности сильно изнашивались стальные шнеки). Не очень удобным оказалось и управление реверс-редукторами шнекохода. Угол подъема спирали на шнеке 17°40′ ограничивал снегоболотоходу максимально возможную скорость.

По результатам испытаний было решено усовершенствовать шнекоход. Вместо сильно изнашиваемых стальных шнеков на новом образце, получившем обозначение ШН-68, установили шнеки из алюминиевого сплава AM Г-61 суглом подъема винтовой линии 32°30′, с двухзаходным грунтозацепом, имеющим шаг 1600 мм и треугольный профиль высотой 100 мм. Для повышения надежности бортовые реверс-редукторы заменили бортовыми передачами с двухступенчатой коническо-цилиндрической парой главной передачи ЗИЛ-130, отказавшись от разворота на месте.

ШН-68 был собран в марте-апреле 1968 г. 6 мая состоялась его проба на водоеме в районе Лыткарино. На плаву была достигнута скорость 12 км/ч. Однако на испытаниях был отмечен и характерный недостаток машины. В процессе выхода шнекохода на берег, когда первая попытка оказалась неудачной (при выходе из воды ШН-68 уперся носом в крутой берег), водитель (за рычагами был зам. главного конструктора В.Б. Лаврентьев) включил заднюю передачу, и … машина, стоявшая с большим деферентом на корму, стала «ввинчиваться» в воду. Лаврентьеву потребовалась отменная реакция, чтобы не утопить машину. Зимние испытания ШН-68 проводились в северной части Пермской области в районе города Березники с 9 марта по 5 апреля 1969 г. на сыпучем (фирновом) снегу при средней температуре окружающего воздуха -8 … -4°С и глубине снега 900-1100 мм. Скоростные и тяговодинамические испытания проходили при массе шнекохода 3750 кг, 4250 кг и 5000 кг. Параллельно с ШН-68 испытывались снегоболотоход ПКЦ-1 и мотонарты ГПИ-16, а также колесный снегоход ЗИЛ-Э167. Выяснилось, что при глубине снега свыше 900 мм снегоход ЗИЛ-Э167 и мотонарты ГПИ-16 передвигаться не могли. Снегобо-лотоход ПКЦ-1 развил максимальную скорость 12,5 км/ч, в то время как шнекоход ШН-68 на этом же участке пути достиг максимальной скорости 17,9 км/ч. Скоростные испытания состоялись 12 и 14 марта 1969 г. При массе шнекохода 3750 кг была получена максимальная скорость 17,9 км/ч, при массе 4250 кг -17,3 км/ч, при массе 5000 кг -17,4 км/ч. Максимальная величина пробуксовки шнеков у ШН-68 (7,7%) наблюдалась при скорости движения 17,9 км/ч и массе 3750 кг. Увеличение скорости движения ШН-68 в 2 раза (с 8 до 16 км/ч) при той же массе вызвало рост пробуксовки шнеков на 2,1%. При увеличении веса шнекохода пробуксовка шнеков уменьшалась, а крутящий момент на них реализовался полнее. При скорости 8 км/ч и массе шнекохода 3750 кг суммарный крутящий момент составлял 305 кгм, при весе 5000 кг — 383 кгм, т.е. крутящий момент увеличивался пропорционально массе машины. Суммарный коэффициент сопротивления движению шнеков возрастал с увеличением скорости движения ШН-68. Увеличение массы машины до 5000 кг несколько снижало сопротивление движению шнеков.

Тяговодинамические испытания на снегу осуществлялись 18-20 марта. Нагрузка на буксирном крюке ШН-68 прилагалась с плавным нарастанием до полной пробуксовки шнеков. При массе машины 5000 кг максимальная тяга на крюке составляла 1200 кг. С уменьшением массы шнекохода снижалась и максимальная сила тяги на крюке. При массе 4250 кг тяга составила 1000 кг, при массе 3750 кг — 970 кг. После завершения тяговодинамических испытаний шнекоход был опробован на преодоление снежных подъемов. Он неуверенно преодолевал снежные подъемы крутизной более 12° при движении передним ходом, когда шнеки отбрасывали снег под корпус машины, образуя уплотненную снежную массу, которая тормозила движение. Проходя над уплотненной снежной массой, шнекоход вывешивался на ней днищем и терял подвижность. При движении задним ходом, когда шнеки отбрасывали снег в стороны, шнекоход преодолел 12°-ный подъем с глубиной снега 1200 мм. При движении передним ходом по более глубокому снегу на подъем за счет увеличенного дифферента назад ШН-68 упирался задней частью в снег, что выбирало дорожный просвет и дополнительно увеличивало сопротивление движению. При погружении шнеков в снег на глубину более половины их диаметра ШН-68 при движении опирался задней частью на снег, что не давало ему возможность увеличить дифферент и тормозило движение. При движении задним ходом передняя скошенная часть корпуса не касалась снега, и машина беспрепятственно двигалась с дифферентом. По результатам испытаний ШН-68 доработали: шнеки поменяли местами, чтобы при движении вперед снег отбрасывался в стороны. 29 января 1970 г. на уплотненном снегу в районе Чулково на дистанции 500 м шнекоход развил скорость 30,5 км/ч. Летние испытания показали, что при движении по болотам и воде большая скорость достигается при вращении шнеков в обратном направлении (отбрасывание жидкости под машину). Для движения по заросшим водоемам и выхода из трясины на сплавину (плавающий уплотненный растительный покров) снегоболотоход оснастили лыжами. Сравнительные испытания вездеходов ПКЦ-1 и ШН-68, проведенные в 1967-1970 гг., показали, что шнекоход выигрывает у ПКЦ-1 при движении по болотам, на сплавине и вязких илистых грунтах, где в отдельных случаях последний терял подвижность. Более того, шнекоход оказался более технологичным, выгодно отличался меньшей массой и лучшей компоновкой ходовой части, которая не мешала размещению оборудования на грузовой платформе. Его важным недостатком являлось плохо управляемое движение машины по твердой поверхности — боком при вращении шнеков в одном направлении. Некоторые итоги Испытания роторно-винтового вездехода заинтересовали ученых Киевского автомобильно-дорожного института (КАДИ). Для них в СКБ ЗИЛ был спроектирован и изготовлен специальный стенд для исследования роторно-винтового движителя (ведущий конструктор -В.В. Цырульников), на котором ученые КАЦИ (д.т.н. Г.Б. Безбородова, к.т.н. Н.Ф. Кошарный и аспирант Р.А. Хабутдинов) выполняли исследования моделей роторно-винтовых движителей с различными диаметрами роторов и углами подъема винтового грунтозацепа. В результате проведенных в КАДИ исследований выяснилось, что увеличение диаметра барабана d с 40 до 80 см приводило к пропорциональному росту силы тяги и КПД. Причем рост КПД при увеличении диаметра ротора давал больший эфсрект на более вязких грунтах, чем на менее вязких. Увеличение высоты грунтозацепа h вело к росту силы тяги и КПД до отношения высоты грунтозацепа к диаметру ротора h/d~ 0,2-0,25, при дальнейшем увеличении высоты грунтозацепа значения тяги и КПД падали. Увеличение угла подъема винтового грунтозацепа р приводило к росту значений силы тяги, но при углах выше 38-40° КПД резко снижался. Увеличение длины барабана в пределах отношения длины к диаметру, равном 4-6, не оказывало существенного влияния на силу тяги и КПД. Проведенные исследования подтвердили высокую подвижность вездехода ШН-68 с роторно-винтовым движителем как на переувлажненных фунтах, болотах, открытой воде, так и на снегу, без ограничения по глубине. Шнекоход уверенно перемещался по льду любой толщины, в том числе по талому, проламывая его и образуя после себя полынью воды. Главным недостатком снегоболотохода являлась невозможность самостоятельного движения по автомобильным дорогам. Успешно проведенные испытания макетного образца снегоболотохода ШН-68 вызвали интерес к машине такого типа со стороны поисково-спасательной службы (ПСС) ВВС. По техническому заданию ПСС ВВС в СКБ ЗИЛ начались работы по созданию опытного образца снегоболотохода с роторно-винтовым движителем, получившего обозначение ПЭУ-3 (или 4904), способного производить спасательные работы на болотах, замерзших водоемах и снежной целине без ограничения глубины снега, эвакуировать как космонавтов, так и спускаемые аппараты.

Машина ЛФМ-РВД-ГПИ-72 (рисунок 1.3) была создана в 1970-1972 г.г. Вес машины ГПИ-72 без навесного оборудования –3850 кг. Вес машины с навесным оборудованием – 4400 кг. Мощность двигателя – 115 л.с. Габариты машины: длина – 4970 мм, ширина – 3000 мм, высота – 2250 мм, клиренс – 500 мм, база – 4100 мм, колея – 2100 мм. Транспортная скорость машины – до 20 км/час. Рабочая скорость при резании льда – до 400 м/час.

Максимальная производительность машины при фрезеровании сквозной щели во льду при ширине щели 350 мм – 120 м3/чac. Диаметр базового цилиндра движителя – 700 мм, угол подъема винтовой лопасти – 28°, высота винтовой лопасти – 100 мм. Профиль винтовой лопасти треугольный, с углом при вершине 30°. Материал движителя также нержавеющая сталь 2Х13 толщиной 3 мм.

Роторно-винтовой движитель каждого борта состоит из 2 частей, имеющих противоположное вращение и направление навивки винтовой лопасти.

Для более эффективного выхода вездехода из воды на лед впереди установлены лыжеобразные кронштейны. Рабочим органом служит пальцевая фреза диаметром 350 мм. Предусмотрены впереди установка шнекороторного снегоочистителя или бульдозерного ножа.