Взаимодействие ходовой части гусеничной машины с грунтом

Взаимодействие движущейся машины с различными грунтами представляет собой весьма сложное явление. При изучении подвижности и проходимости нас интересуют та­кие практические результаты этого взаимодействия, как:

• использование несущей способности грунта;

• сопротивление грунта прямолинейному движению машины и ее повороту;

• сцепление гусениц с грунтом, обеспечивающее создание силы тяги.

Проходимость определяется свойствами грунта, режи­мом движения и конструкцией машины, особенно ее ходо­вой части и главным образом тех элементов, которые непо­средственно взаимодействуют с грунтом.

Боевым машинам приходится двигаться по всем грун­там, при разной степени их влажности. Поэтому при оценке проходимости рассматривают взаимодействие в основном с такими грунтами, которые вызывают опасение в отношении того или иного показателя проходимости.

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТА

Под несущей способностью грунта обычно понимаем его способность сопротивляться действию внешних сил, главным образом вертикальному давлению. Способность колес или гусениц поддерживать машину на поверхности грунта определяет их опорные свойства или их грузоподъемность.

При взаимодействии гусеницы с грунтом происходя

упругие и пластические деформации грунта в вертикальном и в горизонтальном направлениях. После снятия нагрузки происходит частичное восстановление деформированного грунта. Эта часть деформации называется упругой дефор­мацией. Часть же деформации, которая остается после сня­тия нагрузки, называется пластической или остаточной де­формацией. Упругие деформации многих грунтов невелики. Вслед за упругими начинаются пластические деформации. Это происходит не только при погружении гусениц в грунт, но и при пробуксовке и юзе гусениц, вызванных силами тяги и торможения, а также вследствие сопротивления грунта как прямолинейному движению машины, так и ее повороту. Переход от упругих деформаций к пластическим происходит не одновременно, а постепенно, начиная с ча­стиц грунта, расположенных вблизи приложения большей нагрузки.

Взаимодействие гусениц или колес с грунтом надо рас­сматривать, учитывая продолжительность действия отдель­ных элементов движителя на грунт (скорость движения машины), так как деформация грунта и частичное восста­новление его зависят от времени действия нагрузки. Так, например, с уменьшением времени действия нагрузки ме­няется соотношение между упругой и пластической дефор­мациями грунта в сторону увеличения упругой деформации, что объясняется свойствами грунтов. Все грунты в большей или меньшей мере пористые. Их поры заполнены возду­хом, водой, водяными парами, перегноем или другими ве­ществами, которые при давлении на грунт перемещаются из одних пор в другие. Часть этих веществ выдавливается на поверхность грунта. Для этого требуется определенное время. Вот почему величины пластических и упругих де­формаций и их соотношение зависят от времени. Это свой­ство грунтов очень давно и широко известно людям и часто используется ими при преодолении участков грунтов с малой несущей способностью. Так, например, пешеход, почувствовав быстрое погружение в мягкий грунт, обяза­тельно увеличивает скорость движения и тем самым непро­извольно уменьшает время действия нагрузки на грунт и уменьшает общую деформацию грунта под его ногами главным образом вследствие уменьшения пластической деформации. Способы преодоления слабых грунтов человеком и машиной во многом различны, и приведенное срав­нение служит только примером влияния времени на дефор­мацию грунтов.

При вдавливании трака гусеницы в грунт происходит не только упругое и пластическое сжатие грунта, но и сме­шение его в стороны. Это смешение зависит как от характера грунта и величины удельных нагрузок, так и от вели чины и формы площади нагружения. Чем меньше площадь нагружения, тем сильнее боковое смещение грунта и теми меньше используется его несущая способность. Значитель­ное сжатие грунтов возможно только для больших площа­дей нагружения.

Опорная поверхность гусениц имеет большие размеры, чем опорная поверхность колес, и, следовательно, при движении гусеничной машины можно полнее использовать несущую способность грунта, чем при движении колесной. Опорная поверхность гусениц вытянута в длину и менее развита по ширине. Значит, мягкий грунт будет выдавливаться из-под гусениц главным образом в направлении их ширины. Следовательно, возможность большого сжатия малосвязанных грунтов под гусеницами будет в большем мере зависеть от их ширины. Для таких грунтов, даже при том же удельном давлении, более широкие опорные поверхности гусениц обеспечат лучшую грузоподъемность машины.

На других грунтах физическая природа их несущей способности может быть более сложной, так как при погружении гусениц в грунт происходит не только сжатие и. смещение, грунта, но также и срез его по периметру и большее взаимодействие между смещаемыми частицами грунта и частицами, остающимися за пределами опорной поверхности. Срез связанного грунта по периметру и взаимодействие частиц его в граничной области но контуру трака ока­зывают значительное сопротивление при погружении гусениц в грунт. Для таких связанных грунтов ширина гусеницы играет меньшую роль, и при том же удельном давлении большую грузоподъемность могут иметь более длинные опорные поверхности с большим периметром. Из этого свойства связанных грунтов вытекает следующий подтвержденный опытом вывод: гусеницы, траки- которых не представляют собой сплошной пластинки, а имеют ске­летную (или ажурную) форму, благодаря отверстиям и впадинам которой общая длина линии среза грунта увеличивается, могут лучше использовать несущую способность связанных грунтов, несмотря на то что опорная площадь трака не является сплошной.

Таким образом, ажурные гусеницы не только более легкие, но и могут быть более грузоподъемными на связанных грунтах и на грунтах, покрытых растительностью, корни которой связывают верхний слой грунта. Правда возможности конструктора уменьшить вес (ажурность) траков гусениц ограничены рядом других требований. Так, например, нельзя делать отверстия на беговой дорожке гусениц, ибо они ухудшают условия работы резиновой шины, надо обеспечить необходимую прочность и жесткость траков и др.

Очень важным показателем проходимости машин по мягким грунтам является удельное давление гусениц на грунт. Самое широкое распространение в качестве наибо­лее простого оценочного параметра проходимости получило среднее удельное давление. Оно определяется отношением веса машины ко всей площади опорной поверхности гусе­ниц, если принять, что нагрузка на грунт распределяется равномерно по всей длине опорной поверхности, как показано на рис. 30, а. Графическое изображение распределения давления по длине опоры называется эпюрой. При равномерном рас­пределении давления эпюра имеет прямоугольную форму, а среднее удельное давление

где q — среднее удельное давление гусениц на грунт в кг /см²;

G — вес машины в кг;

L- длина опорной поверхности гусеницы в см;

b — ширина гусеницы в см.

Чем меньше среднее удельное давление гусениц на грунт, тем, при прочих равных условиях, меньше деформа­ция грунта и выше проходимость машины. С повышением среднего удельного давления проходимость машин падает (но неравномерно). Значительное падение проходимости наблюдается у машин, среднее удельное давление которых превышает 0,85 кг/см². При удельном давлении, близком к единице, проходимость машины резко снижается. Удельное Давление большинства современных танков находится в пределах:

— для легких танков 0,4 0,7 кг/см²;

- для средних и тяжелых танков 0,7 0,9 кг/см². Но среднее удельное давление не отражает полностью картины давления гусениц на грунт. Истинное давление распределяется неравномерно по длине опорной поверхно­сти. Это зависит от многих причин.

Во-первых, крайние катки поджаты предварительным натяжением гусениц и, кроме того при движении машины задние опорные катки поджаты тяговым усилием, которое э время меняется в зависимости от условий движения. Поэтому эпюра давления гусениц на грунт даже при рав­номерном распределении веса машины на оси катков будет отличаться от прямоугольной и иметь форму, изображен­ную на рис. 30, б.

Рис. 30. Эпюры давления гусениц на грунт

Во-вторых, даже на мягких грунтах давление под катками больше, а между катками меньше. Неравномерность распределения давления по длине опорной поверхности гусениц зависит от характера грунта, положения центра тяжести машины, конструкции ходовой части и натяжения гусениц.

Центр тяжести современных танков находится почти напротив центра симметрии опорной поверхности машины, а имеющиеся небольшие отклонения мало изменяют эпюру давлений под катками. У некоторых самоходных установок и гусеничных машин специального назначения центр тяже­сти значительно смещен относительно середины опорной поверхности и эпюра давления под катками еще более не­равномерна.

Натяжение гусениц изменяет эпюру давлений: чем меньше натянуты гусеницы и чем больше расстояние ме­жду катками, тем больше неравномерность распределения давления под гусеницами при симметричном расположе­нии центра тяжести относительно опорной поверхности гусениц. На рис. 30, в показана эпюра давления на одном из деформируемых грунтов.

Мы рассматривали изменение давления под гусеницами танка без учета некоторых неровностей грунта и колеба­ний корпуса танка, которые в свою очередь изменяют распределение давления.

Иногда, чтобы учесть влияние числа опорных катков и размера траков на проходимость, определяют еще удельное давление под катками. При этом считают, что давление на грунт передается одним траком под каждым опорным кат­ком, тогда

или, если считать точнее, под каждым отдельным катком

,

где п — число катков на машине; t — шаг трака в см; Р_k — нагрузка на один из катков танка в кг.

Допущение, что давление передается каждым катком только через один трак, приводит к завышенному расчет­ному значению удельного давления под катками. Такое распределение давления (с какой-то степенью приближения) можно принять на горизонтальной поверхности твердого грунта. Но на деформируемых грунтах подобного распреде­ления давления не будет, так как нагрузка, приходящаяся на один каток, распределяется на несколько траков. Нас же интересует проходимость машины именно на таких мягких, легко деформируемых грунтах.

Удельное давление под катками может быть различ­ным, вследствие различного распределения веса танка на оси катков. Кроме того при перекатывании катка по одному и тому же траку давление пол траком изменяется в направлении движения катка. Величина изменения давления при перекатывании катка по траку и при переходе с одного трака на другой зависит от шага трака, диаметра катка, ха­рактера грунта, натяжения гусеницы и упругости шарнира. Наибольшее давление будет под шарниром при перекатывании катка через него. Это давление значительно превы­шает среднее давление на трак, соответствующее положе­нию катка над центром трака.

Влияние шага трака на распределение давления ясно из рассмотрения физического смысла давления трака на грунт. Чем больше шаг, тем равномернее распределяется давление. Но увеличение шага гусеничной цепи нежела­тельно из-за большего угла поворота траков относительно друг друга и увеличения ударов траков о ведущее и на­правляющее колеса, а также о грунт и большей пульсации усилий в гусеницах.

Влияние диаметра катка сказывается в том, что при большем диаметре нагрузка на грунт может передаваться несколькими траками, а в момент положения катка над шарниром уменьшается погружение его в грунт.

Таким образом, удельное давление под катками может служить не самостоятельным, а только дополнительным показателем проходимости. Среднее удельное давление яв­ляется более общим и более просто определяемым показателем проходимости.

Величина среднего удельного давления и неравномерность распределения истинного давления на грунт большинства тяжелых колесных машин намного больше, чем у гусе­ничных.