Влияние характеристик опорной поверхности на тягово-сцепные свойства колесных машин

УДК 629.113

В. В. Гуськов, А. С. Поварехо

ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

НА ТЯГОВО-СЦЕПНЫЕ СВОЙСТВА КОЛЕСНЫХ МАШИН

UDC 629.113

V. V. Guskov, A. S. Povarekho

EFFECTS OF SOIL CHARACTERISTICS ON TRACTION AND COUPLING PROPERTIES OF WHEELED VEHICLES

Аннотация

Рассмотрены вопросы влияния влажности грунта на тягово-сцепные свойства и проходимость многоцелевых колесных машин по слабым грунтам. Приведены зависимости несущей способности торфяно-болотного грунта различного происхождения и показателей деформируемости от относительной влажности.

По расчетным данным, используя тактико-технические свойства конкретной машины и физико-механические свойства поверхности торфяно-болотного грунта трех видов с различной степенью влажности, определены тягово-сцепные свойства многоцелевых колесных машин и получены соответствующие графические зависимости. Найдены предельные значения влажности грунта, определяющие потерю проходимости многоцелевых колесных машин. Предложенные модели и полученные результаты позволят повысить уровень проектирования ходовых систем многоцелевых колесных машин.

Ключевые слова:

влажность, многоцелевые колесные машины, шина, физико-механические свойства, торфяно-болотные грунты, сжатие, сдвиг, тягово-сцепные свойства.

Abstract

The article considers the effects of soil moisture on the traction and coupling properties of multi-purpose wheeled vehicles (MPWV) and their cross-country capability on weak soils. The dependencies between the bearing capacity of peatland soil of different origin and with different deformability indicators, and the relative humidity are given.

According to the calculated data, using the tactical and technical properties of a particular machine and the physicomechanical properties of the surface of peatland soil of three types with different humidity levels, the traction and coupling properties of MPWVs have been determined and the corresponding graphical dependencies have been obtained. The limiting values of soil moisture which determine the loss of MPWV cross-country capability have been found. The models proposed and results obtained will improve the design level of MPWV undercarriage systems.

Keywords:

humidity, multipurpose wheeled vehicles, tire, physical and mechanical properties, peatland soils, compression, shear, traction properties.

Введение

В общем случае под проходимостью понимают эксплуатационное свойство, определяющее возможность движения многоцелевой колёсной машины (МКМ) в ухудшенных условиях, по без© Гуськов В. В., Поварехо А. С., 2019

дорожью, грунтам со слабой несущей способностью при преодолении различных препятствий.

Рассматривается вопрос о влиянии влажности грунтовой поверхности на тягово-сцепные свойства и проходимость МКМ при движении по грунтам со

слабой несущей способностью, в частности по торфяно-болотным грунтам.

К грунтам со слабой несущей способностью относят категории различных торфяно-болотных грунтов, отличающихся глубиной залегания торфяной массы, покровом и растительными остатками, происхождением и влажностью.

Существует довольно много классификаций торфяно-болотных грунтов. Одной из них, наиболее подходящей при рассмотрении вопросов тягово-сцепных свойств и проходимости МКМ, является классификация по относительной влажности

Ж = -100 %,

бобр

где Овод - масса воды в исследуемом образце грунта; Ообр - масса образца в естественном состоянии.

По этой классификации торфяно-болотные грунты подразделяются на неосушенные Ж > 95 %, полуосушенные

Ж = 76.. .82 % и осушенные Ж< 72 %.

В табл. 1 приведены основные категории торфяно-болотного грунта, при которых рассматривается процесс взаимодействия движителя МКМ с грунтовой поверхностью.

Болотно-торфяные почвы имеют в зависимости от типа болот и степени минерализации торфяника различную структуру. В вертикальном разрезе болото имеет резко выраженную двухслойную структуру со значительным различием физико-механических свойств между слоями. Верхний слой болотного массива, или так называемая дернина, имеет небольшую толщину, обычно не превышающую 16.20 см. Дерновой слой пронизан многочисленными корнями травянистых растений и имеет значительную механическую прочность, которая зависит от характера растительного покрова. В ненарушенном состоянии этот слой хорошо сопротивляется вертикальным и горизонтальным нагрузкам при прохождении машины.

Табл. 1. Основные категории болотно-торфяных почв

Основная категория Тип грунта Относительная влажность Ж, %

Целина неосушенного болота Низинного или верхового типа 84.95

Целина осушенного болота Низинного или верхового типа 68.72

Стерня, залежи осушенного болота Низинного типа 60...72

Под слоем дернины находится бесструктурная и сильно увлажнённая благодаря высокому уровню грунтовых вод масса торфяника, обладающая значительно меньшей несущей способностью в сравнении с дерновым слоем.

При нарушении дернины, особенно на неосушенном болоте, сопротивление торфяного грунта вертикальной нагрузке резко падает. Одновременно сильно снижается сопротивление грунта сдвигу. Торфяник обладает значительной влаго-ёмкостью, т. е. он способен задерживать в себе большое количество воды, препятствующей доступу воздуха в почву, что

содействует накоплению неразложив-шихся остатков. Неосушенный торфяник содержит по весу до 95 % воды. При осушении количество воды в почве значительно снижается и вместе с тем резко изменяются физико-механические свойства. На осушенных торфяниках улучшаются тягово-сцепные свойства МКМ, в том числе и колёсных тракторов.

Одними из важнейших физико-механических свойств торфяно-болот-ных грунтов, определяющих тягово-сцепные свойства и проходимость МКМ, являются их сопротивления сжатию и сдвигу под действием нагрузки.

Одна из зависимостей сопротивления торфяно-болотного грунта от вертикальной нагрузки предложена профессором С. С. Корчуновым [5]:

а = аг

( к ^ 1 -е к

V у

где оо - крайнее предельное значение о, когда деформация велика и представляет собой несущую способность торфяника, Н/м2; к - константа деформируемости, м; к - глубина погружения штампа, м.

По данным С. С. Корчунова, оо можно определить по выражению

л О П Сто = Ао + во  у >

где У - площадь штампа, м2; Ао - константа, Н/м2; Во - константа, Н/м; П - периметр штампа, м.

Согласно данным С. С. Корчуно-ва [5], коэффициенты, характеризующие деформируемость и прочность различных торфяных залежей, приведены в табл. 2.

На рис. 1 и 2 показаны зависимости несущей способности оо торфяно-болот-ного грунта и константы деформируемости к от относительной влажности.

Из рис. 1 и 2 видно, что при понижении влажности величины оо и к возрастают.

Табл. 2. Коэффициенты, характеризующие деформируемость и прочность различных торфяных залежей

Вид торфа Степень разложения, % Влажность относительная, % Коэффициент

Ао, кг/см2 Во, кг/см к, см

Осоково-лесной 45... 5о 82.84,5 о,19о 4,75 4,7

Гипново-топяной 25... 3о 85 о,376 9,42 6,28

Гипново-топяной 2о 9о о,324 8,1о 6,2

Осоково-топяной зо 82-84 о,464 6,62 4,85

Осоково-топяной зо 88 о,182 4,56 3,46

Гипново-топяной 25 9о о,358 8,95 6,9о

Топяной 25.3о 8о...84 о,1о 5,о 6,35

3.5

кг/см2 2.5

2.0 1.5

оо

0.5 О

торс ) неос ушен ного у частка

\ торф учас голуосуш* !ННОГО

торф осуш участка энного

ч

58 62 66 70 74 78 82 % 90 \/\/--

Рис. 1. Зависимость несущей способности торфа от влажности

10

см

8 7 6

5

к 4 3 2 1

66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 % 88 и{--

Рис. 2. Изменение константы деформируемости торфа к в зависимости от влажности Ж

то эф не осуш« энного учас 1 гка/

таре 5 полуосушенного учас 1 1 1 тка /

торф осушенного участка/

И

Сопротивление торфяно-болотных грунтов сдвигу зависит как от внешнего и внутреннего трения, определённого коэффициентами трения покоя /п и трения скольжения, так и от давления движителя на грунт и влажности грунта.

Одна из зависимостей, определяющих влияние сопротивления сдвигу от тангенциальной нагрузки, предложена профессором В. В. Кацыгиным [4]:

(

Ъ = /ск  Чх

\

1 +

/п

оН -к

- к,

где /ск, /п - коэффициенты трения скольжения и покоя; Чх - давление штампа на грунт; к - константа деформируемости; Д - деформация сдвига.

В зависимости от давления штампа Чх на грунтовую поверхность коэффициенты /ск и /п изменяются согласно рис. 3 и 4. Из рисунков видно, что

о увеличением давления их величина уменьшается.

Взаимодействие колёсного движителя с грунтовой поверхностью

Обычно, колёсный движитель формируется из ведомых, ведущих и управляемых колёс, оборудованных шинами. К ведущим колёсам к центру колеса прикладывается крутящий момент Мк, а к ведомым - толкающая сила ^т. При их взаимодействии с опорной грунтовой поверхностью торфяников появляются поля нормальных и касательных напряжений, определяемые уравнениями (1)-(3). От поведения этих полей при приложении нагрузки со стороны двигателя зависят тягово-сцепные свойства и проходимость МКМ.

На рис. 5 и 6 представлены схемы приложения активных и реактивных сил и моментов при взаимодействии опорной части ведомых и ведущих колес при движении по горизонтальной грунтовой поверхности.

1.1 1.0 0.9 0.8 0.7

0.6 0.5

/п

0.3 0.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 кг/см2 2.0 £?х --

Рис. 3. Зависимость коэффициента внешнего трения торфа от нормального давления

1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5

0.4

/ск

0.2 0.1 0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 кг/см2 2.0 <7х --

Рис. 4. Зависимость коэффициента внутреннего трения торфа от нормального давления

V торс / ) осуь ценно го уча стха

\ ч

торф неосу X X огоу1 астка

Рис. 5. Взаимодействие ведомого колеса с горизонтальной поверхностью

Рис. 6. Взаимодействие ведущего колеса с горизонтальной поверхностью

На рис. 5 показаны: толкающая сила Ртол, сила инерции Fин, сила сопротивления воздуха Рвоз, нормальная нагрузка О и момент инерции Мин, приложенные к центру О колеса; суммарная реакция грунта Я, приложенная к опорной поверхности в точке О" с координатами Гд и с и направленная против движения колеса.

На рис. 6 показаны: крутящий момент Мкр и момент инерции Мин,

сила от остова машины Рост, сила инерции Рин, сила сопротивления воздуха Рвоз, приложенные к центру О колеса; суммарная реакция грунтовой поверхности Я, приложенная к опорной поверхности в точке О" с координатами Гд и с и направленная по движению колеса.

При плоской системе приложения сил, моментов и реакций возможно применение принципа Даламбера.

При этом учтем, что при взаимо-

действии колеса с грунтом опорная поверхность шины имеет сложную конфигурацию. Попытки описать ее математическими зависимостями часто усложняют расчеты и приводят к неадекватным, по сравнению с реальным процессом, результатам. Однако в случае взаимодействия колеса с естественной поверхностью грунта опорную поверх-

ность шины реального колеса, по предложению ряда ученых [1, 2, 4], можно заменить жестким колесом большего диаметра, поскольку она близка к цилиндрической.

Замена диаметра эластичного колеса приведенным диаметром жесткого колеса осуществляется в соответствии со схемой, изображенной на рис. 7.

Для эластичного и эквивалентного ему жесткого колеса длина отрезка АВ

АВ = 4Г? - (г, - к - кш )2 =

= у[Гг2р - (гпр - к)2

Тогда Гпр = го

или

' к Л 1 + .

. к У

Однако такая замена не учитывает плоскую опорную поверхность колеса АР (рис. 8).

В этом случае более рациональна схема, предложенная профессором В. В. Гуськовым [6] (см. рис. 8).

Из рис. 8 следует, что

г = 2го(к + кш) - (к + кш)2 + к2 пр 2к

г =

пр

к2 + [2^ Го кш - кш +4 2го к - к2 ]2 2к

Эту зависимость можно значительно упростить, отбросив члены (к + кш)2 и к2 ввиду их малости.

где кш - величина прогиба шины под нагрузкой, которую можно определить по формуле, предложенной Хейдекелем,

к _о

кш =-7

Г0 гс

нять к половине ширины шины,

Ь ) с 2

(рш - давление в шине; Гс - радиус сечения шины, который можно прирав-

Рис. 8. Схема приведения номинального радиуса г0 шины к радиусу гпр жесткого колеса

Тягово-сцепные свойства ведущего колеса

грунтовой поверхностью, предложенные профессором В. В. Гуськовым [6]:

Тягово-сцепные свойства ведущего колеса, определяемые силой Гспр сопротивления движению за счет смятия грунтовой поверхности опорной частью колеса и глубиной колеи к, находим из условия движения колеса по горизонтальной поверхности в установившемся режиме при условии замены реального колеса радиусом г0 жестким колесом радиусом гпр.

При этом используем уравнения, предложенные профессором С. С. Кор-чуновым [5], описывающие сопротивление торфяно-болотных грунтов сжатию и сдвигу, и уравнения, определяющие процесс взаимодействия колеса с

7 К^Гпр •к - к2 С = |-2-X

пр

С гпр [ гпр - к ^

1 - е

к \ гпр - к0

ёк;

Г = ? ^

спр J

0 Гпр

гпр [ гпр к ^

1 - е

к I гпр - к0

ёк.

X

Система уравнений (5)-(7) решается методом приближений, заключающимся в решении уравнения (6) при подстановке значений к от нуля до некоторого значения ко, при котором левая часть уравнения достигает заданного значения О.

При найденном значении ко определяются сила сопротивления Рспр и приведенный радиус Гпр жесткого колеса.

При определении касательной силы тяги Рк колеса следует учитывать процесс буксования.

Процесс буксования ведущего колеса

При движении по естественной поверхности грунта процесс взаимодействия движителя МКМ с грунтовой поверхностью всегда сопровождается буксованием. Чтобы раскрыть природу данного явления, рассмотрим особенности этого процесса.

Как известно, при движении МКМ возникают потери скорости за счет буксования ведущих колес. Существует несколько видений процесса буксования ведущих колес [1-3, 6]. Одно из них, наиболее отражающее реальный процесс буксования ведущих колес, заключается в том, что при взаимодействии ведущего колеса с грунтом действуют силы трения между опорной поверхностью шины и грунтом; силы, возникающие при упоре грунтозацепов шины в грунт; силы, возникающие при срезе грунтового кирпича боковыми гранями грунтозацепов [4]. На дорогах с твердым покрытием основное значение имеют силы трения. На грунтовых поверхностях значение сил сдвига и среза возрастает и во многих случаях является определяющим.

При движении ведущего колеса (рис. 9) его грунтозацепы сдвигают и срезают грунт в направлении, обратном движению. Упор грунтозацепов в грунт, сдвиг и срез грунтовых кирпичей, зажатых между ними, возможны только при полном использовании сил трения,

т. е. когда имеется пробуксовка колеса.

Теоретически передача ведущего момента обязательно должна сопровождаться буксованием, в результате чего ось колеса перемещается как бы на соответствующее расстояние назад.

В этом, главным образом, заключается физическая сущность буксования ведущих колёс на деформируемой поверхности и причина снижения их поступательной скорости. Дополнительное незначительное снижение поступательной скорости ведущих колёс обуславливается тангенциальными деформациями шин. Благодаря эластичности шин в окружном направлении участки её, приближающиеся при качении колеса к площадке контакта шины с грунтом, под действием ведущего момента сжимаются, вследствие чего путь, проходимый колесом за один оборот, уменьшается. Из вышесказанного следует, что сцепление опорной поверхности колеса с грунтом происходит за счёт сил трения, возникающих между шиной и грунтом, и силы сдвига и среза грунтовых кирпичей, зажатых между грун-тозацепами. При движении колеса (v = const) сдвиг и срез грунтовых кирпичей происходит в основном в период выхода последнего грунтозацепа опорной поверхности колеса из грунта (см. рис. 9). В этот момент нагрузка от вышедшего из зацепления грунтозацепа перераспределяется на остальные, находящиеся в зацеплении. Все грунтозацепы сдвигают и срезают грунт на одинаковую величину, причём первый сдвигается на величину Ai, второй - на величину Ai + Ai = 2Ai, третий - на Ai + Ai + + Ai = 3Ai и т. д. Поскольку первый грунтозацеп пройдёт все стадии зацепления от входа в грунт до выхода из него, наибольший сдвиг и срез грунта при выходе его из зацепления Amax = nAi (здесь n - число грунтозацепов в зацеплении опорной поверхности колеса с грунтом).

С другой стороны, наибольший сдвиг и срез грунта можно представить

как произведение коэффициента буксования 5 на длину опорной поверхности колеса Ьпр, т. е. Дшах = 5-£пр.

Исследования [2, 4] показали, что распределение деформации сдвига и

среза грунтовых кирпичей в контакте опорной поверхности колеса с грунтом можно представить в виде треугольника (см. рис. 9, в).

Напряжения сдвига Тсдг, возникающие в грунте при воздействии на него грунтозацепами, возрастают до определённого максимума, после чего они убывают и при полном срезе грунтового кирпича достигают постоянного значения Тсдск. В то же время напряжение Тер, возникающее при срезе грунтового кирпича боковыми гранями грунтозацепа с высотой кг, можно в первом приближении считать не зависящим от деформации.

Коэффициенты трения покоя / и скольжения /к зависят от давления причём чем больше давление, тем меньше их величина.

Таким образом, движущая реакция х ведущего эластичного колеса, оборудованного грунтозацепами, равна сумме сил трения и реакций сдвига и среза на каждом грунтозацепе и имеет максимальное значение при некотором буксовании меньше единицы (в пределах 25...45 % буксования в зависимости от категории грунта).

Давление распределяется по длине опорной поверхности колеса АВ неравномерно (см. рис. 9, а) и эпюра давления представляет сложную конфигурацию. Для упрощения решения эту фигуру можно заменить в первом приближении треугольником (см. рис. 9, б).

С учетом вышеизложенных допущений касательная сила тяги ведущего колеса может быть определена из следующего уравнения:

х=Рк = )р 2/4х х

о Апр '

зико-механических свойств грунта

(^ к, /ск, /и, Ж и др.).

В общем случае она определяется двумя условиями:

Рк > Рспр; к > П,

1 +

/п

V

еЬ

к, У

где Ьпр - длина АВ опорной поверхности колеса:

апр = 242,о>' кш - к

- кш +

+ го ' агееоэ

Го - к

Проходимость МКМ по торфяно-болотному грунту

Как уже отмечалось ранее, проходимость МКМ по слабым грунтам, в частности по торфяно-болотному грунту, зависит как от параметров машины (снаряженная масса и давление на грунт), параметров движителя (число ведущих колес, дорожный просвет, диаметр, ширина, давление воздуха в шине) и т. д., так и от показателей фи-

где П - дорожный просвет.

Неравенства (1о) и (11) определяют или потерю проходимости из-за недостаточной касательной Рк силы тяги (Рк < Рспр), или посадки машины на днище (к > П).

Силы Рк и Рспр, в свою очередь, зависят от давления рш воздуха в шине и влажности Ж.

Рассмотрим влияние влажности Ж на примере движения МКМ в виде бортовой машины МЗКТ-5оо2 по торфяно-болотному грунту с различной влажностью. Характеристика машины приведена в табл. 3.

Используя данные тактико-технических свойств рассматриваемой машины и физико-механических свойств поверхности торфяно-болотного грунта трех видов (см. табл. 1) с различной степенью влажности, можно определить тягово-сцепные свойства МКМ.

Тягово-сцепные свойства и динамическая характеристика машины представлены соответственно на рис. 1о и 11.

г

о

Табл. 3. Характеристика МКМ

Наименование Колесная формула Снаряженная масса, кг Грузо-подъем-ность, кг Полная масса, кг Мощность двигателя, кВт/л. с. Максимальная скорость, км/ч Шина Давление воздуха, Па Дорожный просвет, м

МЗКТ-5оо2 4 х 4 64оо 3ооо 94оо 158/215 95 11о х 4оо х 533 или 12.оо2о о,8 ' 1о5... 3,5 ' 1о5 о,55

Ф, /

ко, П

50 60 70 80 IV—^

УУтах

№Щх

90 % ' ОС

Рис. 10. Зависимость тягово-сцепных свойств и проходимости МКМ МЗКТ-5022 при движении её по торфяно-болотному грунту от влажности

Ф, /

осушеное болото, цели осушеное болото, cтep^

_I_I_ь

на

1Я, залежь

±-

10 15 —

VII т

20

км/ч 30

VIII

Рис. 11. Динамическая характеристика машины при давлении воздуха в шинах рш = 2,4-105 Па

Из рис. 10 видно, что при движении по неосушенному болоту (целина) машина теряет проходимость при влажности Жшах(ф, / ) = 86 % из-за недостатка сил сцепления, т. е.

Гк < Г

спр

При влажности Жшах(П) = 84 % машина теряет проходимость из-за посадки машины на днище (П < к).

Таким образом, при заданных условиях движения машина теряет проходимость первоначально из-за недо-

статочного дорожного просвета, а при его увеличении - из-за недостаточной силы тяги.

Тягово-сцепные свойства машины обеспечиваются при влажности менее Ж = 84 %. При этом возможная крюковая нагрузка Ркр = Рк - Рспр находится в пределах от о (при Ж = 84 %) до Ркр = фкрС = о,45' 94, оо = 45,12 кН.

Из рис. 11 видно, что предельная скорость машины при движении по осушенному болоту (целина) уИш = 27 км/ч,

а по осушенному болоту (стерня, залежь) = 23 км/ч. Как указывалось

ранее, по неосушенному болоту машина теряет проходимость при любой скорости движения.

Заключение

1. Проходимость МКМ по слабым грунтам зависит как от конструктивных параметров машины, так и от физико-механических свойств грунтовой поверхности.

2. Одними из важнейших параметров машины, влияющих на ее проходимость, являются дорожный просвет (П > к) и тягово-сцепные свойства.

3. Одной из важнейших физико-механических характеристик машины, влияющих на ее проходимость, является влажность. При ее увеличении Ж > 76 % ухудшаются тягово-сцепные свойства машины и при Ж > 96 % теряется проходимость любой МКМ.

4. Благоприятное сочетание данных факторов определяет проходимость машины по слабым грунтам.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бабков, В. Ф. Проходимость колёсных машин по грунту / В. Ф. Бабков, А. К. Бируля, В. М. Си-денко. - Москва: Автотрансиздат, 1959. - 168 с.

2. Беккер, М. Г. Введение в теорию местности колёсных машин: пер. с англ. / М. Г. Беккер. -Москва: Машиностроение, 1973. -519 с.

3. Гуськов, В. В. Оптимальные параметры сельскохозяйственных тракторов / В. В. Гуськов. -Москва: Машиностроение, 1966. - 195 с.

4. Кацыгин, В. В. Некоторые вопросы деформации почв. Вопросы сельскохозяйственной механики / В. В. Кацыгин. - Минск: Урожай, 1964. - Т. XIII. - С. 28-43.

5. Корчунов, С. С. Деформация однородной земли / С. С. Корчунов // Торфяная промышленность. -1946. - № 10. - С. 12-18.

6. Бойков, В. П. Многоцелевые гусеничные и колёсные машины. Теория / В. П. Бойков, В. В. Гуськов, Ч. И. Жданович; под общ. ред. д-ра техн. наук В. П. Бойкова. - Москва: ИНФРА-М; Минск: Новое знание, 2012. - 543 с.

Статья сдана в редакцию 21 июня 2019 года

Валерий Владимирович Гуськов, д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель науки и техники БССР, лауреат Государственной премии РБ в области науки и техники, Белорусский национальный технический университет. E-mail: aspov@yandex.ru.

Александр Сергеевич Поварехо, канд. техн. наук, доц., Белорусский национальный технический университет. E-mail: povarekho@bntu.by.

Valery Vladimirovich Guskov, DSc (Engineering), Prof., Honored Worker of Science and Technology of the BSSR, Laureate of the State Prize of the Republic of Belarus in Science and Technology, Belarusian National Technical University. E-mail: aspov@yandex.ru.

Aleksandr Sergeyevich Povarekho, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian National Technical University. E-mail: povarekho@bntu.by.