При разработке и проектировании транспортных средств высокой проходимости стоит задача выбора параметров, соответствующих его назначению и обеспечивающих максимальную мощность и тягу. Влияние снега на устройство и работу снегоболотоходных машин определяется его физико-механическими свойствами, а также физическими процессами, происходящими в снеге при движении по нему таких машин. Поэтому исследование влияния физико-механических свойств снега на величину тяги и эффективности машин повышенной проходимости является весьма актуальной задачей.
Целью данной работы является исследование влияния физико-механических свойств снега на величину и характер сдвига, а также влияние веса машин на тягу.
Процесс сдвига схематически представлен на рис. 1. По мере перемещения трака (или элемента трака) происходит увеличение зоны деформированного снега.
Рис. 1. Схематический процесс горизонтального уплотнения снега при сдвиге макета
При этом, с одной стороны, увеличивается число вновь образовавшихся связей, возрастает число точек контакта между кристаллами снега, и вследствие этого величина упорных реакций снега возрастает [1]. С другой стороны, происходит разрушение старых связей между кристаллами (лопаются спайки между кристаллами), и вследствие этого величина упорных реакций снега уменьшается. Пиковое значение величины упорных реакций (τmax) соответствует максимальной величине сопротивления разрушению этих связей. Поэтому [2] при деформации снега сопротивление снега непрерывно возрастает до тех пор, пока под траком или элементом трака не образуется сформировавшаяся уплотнительная зона, которая при дальнейшем перемещении трака сохраняет свою постоянную геометрическую форму. Исследование упорных реакций снега осуществлялись с помощью следующих макетов [3–5].
1. Макет гусеницы транспортера ГАЗ-71. Этот макет представляет собой пять траков гусеницы транспортера ГАЗ-71, которые жестко соединены между собой (приварены к одной площадке). Размер макета 665×390 мм.
2. Макет гусеницы снегоболотохода ГПИ-37А. Представляет собой отрезок резинометаллической гусеницы, жестко прикрепленной к опорной площадке. Размер макета 800×370 мм.
Экспериментальные кривые, полученные в результате полевых испытаний, показали следующее. Если физико-механические свойства снега, т.е. его плотность и твердость, незначительно меняются по глубине, то точки «А» кривых 1, 2, 3, 4 (рис. 2), являющиеся вершинами пиков, располагаются приблизительно на одной вертикали.
Рис. 2. Зависимость горизонтальных напряжений сдвига τ от величины перемещений макета l при различных вертикальных удельных давлениях qв для снега с однородной структурой
Если физико-механические свойства значительно меняются по глубине, то координаты этих точек перегиба имеют значительные отклонения по оси абсцисс (рис. 3).
Кроме того, из рис. 3 можно заметить, что если при давлении в 0,06; 0,12; 0,18; 0,24; 0,30; 0,36 (кг/см2) наблюдаются четко выраженные «пики», то при давлении в 0,18 кг/см2 четко выраженного «пика» нет. Объясняется это следующим образом. При низких удельных давлениях (q = 0,06; 0,12 кг/см2) проявляется сцепляемость снега при сдвиге, т.е. связи между кристаллами снега нарушены ещё не полностью. При более высоких удельных давлениях (q = 0,18 кг/см2) связи между кристаллами снега почти полностью нарушаются и снег приобретает свойства «пластичного» материала.
Рис. 3. Зависимость горизонтальных напряжений сдвига τ от величины перемещений макета l при различных вертикальных удельных давлениях qв для снега с разнородной структурой
Рис. 4. Зависимость горизонтальных напряжений τ от вертикальных q для различных типов снега
Как известно [6, 7], сопротивление снега деформации зависит от сил трения, возникающих между кристаллами снега и сил сцепления, которые возникают за счет зацепления кристаллов друг за другом и их слипания. Для более подробного исследования этого вопроса были проведены специальные серии испытаний. Каждая серия испытаний включала в себя 3 последовательных этапа.
1. Макет гусеницы нагружается определенной вертикальной нагрузкой (например q = 0,18). После этого производится горизонтальный сдвиг снега при сохранении постоянно поддерживающейся вертикальной нагрузки. Результаты фиксируются.
2. Макет гусеницы нагружается вертикальной нагрузкой. После этого вертикальная нагрузка сбрасывается до нуля и производится горизонтальный сдвиг снега.
3. Макет гусеницы нагружается вертикальной нагрузкой. Вертикальная нагрузка сбрасывается до нуля. После этого подрезается снег вдоль боковых поверхностей макета с целью исключения сил сопротивлений сдвигу штампа, действующих по его боковым поверхностям. Полученные результаты фиксируются. На рис. 5 представлены кривые, полученные в ходе экспериментов по указанной методике.
Рис. 5. Зависимость горизонтальных напряжений τ от величины сдвига макета l
При дальнейшем повышении удельных давлений (q = 0,24–0,36 кг/см2) ввиду того, что снег влажный, происходит слипание между кристаллами снега и соответственно возрастает сцепляемость между ними. При этом кривая зависимости τ = f(l) вновь приобретает «пиковый» характер. На основе данных, подобных тем, что представлены на рис. 3, были получены зависимости τ = f(q), т.е. зависимость удельных упорных реакций (τ) от величины удельных давлений (вертикальных) при различных физико-механических свойствах снега. На графике (рис. 4) отображена указанная зависимость. Из этого рисунка видно, что зависимость τ = f(q) может иметь как прямолинейный характер (ρ = 0,33), так и криволинейный.
На этом графике кривая 1 отражает данные по горизонтальному сдвигу снега при постоянной вертикальной нагрузке (1-й этап). Кривая 2 – при снятой вертикальной нагрузке (2-й этап). Кривая 3 – при снятой вертикальной нагрузке и при отсутствии упорных реакций вдоль боковых поверхностей макета (3-й этап).
Указанные эксперименты проводились при различных величинах вертикальных нагрузок.
Становится ясным, что увеличение упорных реакций за счет развития боковых поверхностей срезаемого «кирпичика» снега целесообразно лишь для машин с небольшой величиной вертикальных удельных давлений. Размер этих боковых поверхностей практически может быть увеличен только за счет большей высоты зацепов. Таким образом, можно сделать вывод, что при движении гусеничных машин по рыхлому снегу увеличение высоты зацепов с целью увеличения силы тяги наиболее целесообразно у легких снегоболотоходов. Следовательно, увеличение размеров снегозацепов с целью увеличить поверхность взаимодействия перемещающейся массы снега с неподвижной имеет больший эффект для легких машин с малой величиной удельного давления. Для тяжелых машин (например, тракторов) сила тяги зависит в основном от веса машины.
Заключение
На выбор конструкции и параметров влияют свойства земной поверхности, ее покрова, на котором предполагается использование транспортного средства. Сила тяги гусеничной машины зависит от многих факторов: состояния снежного покрова (плотность, твердость, влажность), силы трения гусениц о снег, силы сцепления сжатого снега о ненарушенное полотно пути. Испытания макета гусениц на снежном полотне пути показали следующее.
Основной составляющей силы тяги является сила трения спрессованного под гусеницей снега о снег, лежащий ниже зацепов гусениц. Причем, чем тяжелее машина, тем больше эта составляющая. Поэтому для тяжелых машин увеличение высоты зацепов нецелесообразно. С другой стороны, чем легче машина, тем большее значение имеет сцепление снега о снег по боковым поверхностям гусениц. Следовательно, чем легче машина, тем больше должна быть высота зацепов.
Рецензенты:
Панов А.Ю., д.т.н., заведующий кафедрой «Теоретическая и прикладная механика», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород;
Кретинин О.В., д.т.н., профессор кафедры «Автоматизация машиностроения», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород.