3.2. Качение гусеницы

Сила сопротивления качению гусеничной машины на деформируемом грунте определяется прежде всего остаточной дефор­мацией грунта под гусеницей (образованием колеи). Непрерывное прессование грунта по вертикали сопряжено с непрерывной за­тратой энергии.

На гусеничных тракторах чаще всего применяются мелкозвенчатые гусеницы. Это дает основание при рассмотрении процесса прессования грунта заменять их с некоторой степенью погрешно­сти гибкими лентами. При качении характер взаимодействия с грунтом жесткого катка имеет много общего с деформируемым колесом.

На рис. 3.4, а показаны силы, действующие на жесткий опор­ный каток при его движении по гибкой нерастяжимой ленте на деформируемом грунте. Спрессованный катком грунт не восста­навливает полностью своей формы. Так как упругая деформация грунта h₁ — h₂, как правило, невелика, дуга соприкосновения кат­ка и гусеничной ленты с грунтом с передней стороны больше, чем с задней. В результате этого, суммарная реакция R_д грунта на дуге контакта катка с дорогой смещается вперед на расстояние а_Д и наклоняется к вертикали под углом Y_д. Суммарная реакция R_д проходит через ось катка и дает горизонтальную составляющую — касательную реакцию дороги X, являющуюся силой сопротивле­ния качению катка. Для движения катка необходимо приложить к катку толкающую силу Р_х, равную X.

Упругая деформация грунта h₁, —h₂ уменьшает сопротивление качению катка, так как на дуге катка, выходящей из контакта с гусеничной лентой и грунтом, появляются составляющие каса­тельной реакции дороги, направленные по движению машины.

Если учитывать вертикальные перемещения шарниров звена гусеничной цепи (рис. 3.4, б) при передвижении по нему опорно­го катка, то при вертикальном совмещении осей катка и шарнира взаимодействие катка с гусеницей и грунтом будет аналогично рассмотренному ранее на рис. 3.4, а. При наличии упругой и оста­точной деформации грунта всегда будет выполняться соотноше­ние у₂ < у₁, а при отсутствии упругой деформации у₂ = 0.

Рис. 3.4. Схема качения жесткого колеса по деформируемому грунту:

а — силы, действующие на каток при качении по нерастяжимой ленте; б — положение соседних звеньев гусеничной цепи при совмещении оси катка и шар­нира; P_z — вертикальная сила на каток; Р_х — толкающая сила; R_д — суммарная реакция дороги; X — касательная реакция дороги (сила сопротивления каче­нию); Z — нормальная реакция грунта на каток; v — скорость движения; h₁, — деформация грунта под катком; h₂ — остаточная деформация после прохода катка; а_д — смещение реакции Z относительно оси колеса, вызванное деформацией грунта; у_д — угол наклона реакции R_л дороги; y₁ — угол поворота звена гусенич­ной цепи перед катком; у₂ — угол поворота звена гусеничной цепи за катком

Наибольшая вертикальная деформация грунта будет под перед­ним катком. После прохождения переднего катка свойства грунта изменяются, он уплотнится. Поэтому картина взаимодействия с грунтом следующего опорного катка качественно повторится, но количественные показатели будут другими. Соотношение упругих и остаточных деформаций грунта под соседними катками будет определяться свойством грунта и величиной нагрузок, приходящихся на эти катки. При этом сопротивление качению разных катков будет неодинаковым. Наибольшей величины оно достигает у переднего катка.

Сумма сил сопротивления качению всех катков ∑X дает об­щую силу сопротивления прямолинейному качению машины P_f ,которая приложена в опорной плоскости.

Силу сопротивления качению P_f Н, при прямолинейном дви­жении гусеничной машины определяют по формуле

где G — вес гусеничной машины, Н; f — коэффициент сопротив­ления качению гусеничной машины.

Коэффициент сопротивления качению гусеничной машины f имеет такой же физический смысл, что и коэффициент сопротивления качению колеса, рассмотренный в подразд. 3.1. Для гусе­ничной машины величина f зависит от свойств грунта и от конст­руктивных особенностей ходовой части машины.

В результате экспериментов, проведенных с разными гусеничными машинами, получены средние опытные значения коэффи­циента сопротивления качению для разных дорожных условий. Для наиболее распространенных дорог и грунтов он изменяется в пре­делах от 0,03 (шоссе) до 0,15 (для песка до 0,20 и для снега до 0,40).

У гусеничных машин, предназначенных для передвижения на деформируемых грунтах, основной составляющей силы сопротив­ления качению является сопротивление от вертикальной деформации грунта.

Среднее давление является наиболее распространенным критерием оценки воздействия гусеницы на грунт, МПа:

где G — вес машины, кН; b — ширина гусеницы, м; L_i, — длина опорной поверхности гусеницы, м.

Размер L_i соответствует базе L₁, (рис. 3.5) машины на твердой поверхности движения или длине L₂ опорной поверхности гусе­ницы при погружении в мягкий грунт на 100 мм, что уменьшает среднее давление на 10… 15 %. Теоретическая эпюра давлений при этом имеет вид прямоугольника, как для распределенной нагрузки. В разных конструкциях машин среднее давление р_ср на грунт изменяется в довольно широких пределах. Для транспортных гусенич­ных машин и сельскохозяйственных тракторов р_ср = 0,04…0,06 МПа, для машин высокой проходимости р_ср = 0,015…0,020 МПа (для сравнения можно отметить, что давление ноги взрослого человека в среднем 0,05…0,06 МПа; при ходьбе на лыжах давление состав­ляет примерно 0,01 МПа).

Рис. 3.5. Схема для определения среднего давления на грунт:
G — вес машины; L₁— база машины; L₂ — длина опорной поверхности гусеницы; Рср — среднее давление на грунт

В ряде условий среднее давление может определять проходимость машины, но оно не может являться ее исчерпывающей ха­рактеристикой. Существенное влияние на прессование грунта и, следовательно, на сопротивление качению гусеничной машины оказывают свойства грунта и пиковая неравномерность распреде­ления давления на грунт, обусловленная конструкцией гусенич­ного движителя.

Движение по мягкому грунту (болото, глубокий снег, сыпучий песок) вызывает погружение гусеницы с образованием колеи. При этом возрастают сопротивление качению и потребная сила тяги. Осадка машины может оказаться столь большой, что машина ся­дет днищем на грунт, из-за чего значительно уменьшится давле­ние на гусеницах. Это, в свою очередь, может привести к полному буксованию гусеницы и невозможности обеспечить требуемую силу тяги. Движение прекратится.

Иначе будет происходить деформация на мягком грунте небольшой толщины. При погружении машины в грунт он уплотняется настолько, что сцепные качества его сильно возрастают, что обеспечивает создание необходимой силы тяги. Гусеница при этом достигает нижнего твердого слоя грунта. Величина давления при этом может оказаться значительной.

Достоинством мелкозвенчатых гусениц тракторов является то, что они плавно огибают препятствия. Однако эти гусеницы прогибаются от нагрузки на опорные катки и неравномерно нагружа­ют грунт. Если прочность грунта высока (твердый грунт), то эпю­ры давления под катками отражают пиковую неравномерность и напоминают треугольники (рис. 3.6, а), так как давление на грунт в этом случае передают только активно-опорные участки гусе­ничных лент.

На мягких грунтах (рис. 3.6, б) гусеницы глубоко погружаются в почву, и эпюра давления выравнивается. Из экспериментальных исследований установлено, что при числе опорных катков на каждом борту машины больше семи пиковая неравномерность распределения давления практически перестает влиять на глубину колеи. Прогибы гусеничных лент неблагоприятно влияют на качение опорных катков по беговым дорожкам и на сопротивление качению машины в целом.

Рис. 3.6. Эпюры давления мелкозвенчатых гусениц на твердый (а) и мягкий (6) грунты

Сопротивление качению машин, имеющих небольшие опор­ные катки, например у сельскохозяйственных тракторов, заметно увеличивается при попадании грунта на беговые дорожки гусеничной цепи. В то же время использование опорно-поддерживаю­щих катков большого диаметра сопряжено с увеличением их шага. Поэтому для улучшения проходимости машин иногда применяют шахматное расположение опорных катков.

Уменьшению сопротивления качению опорных катков и пиковой неравномерности распределения давления способствует при­менение резинометаллических шарниров между звеньями гусенич­ных лент. Использование таких шарниров целесообразно как для улучшения проходимости тракторов, так и для повышения долго­вечности гусеничного движителя.

При движении по твердым несминаемым грунтам гусеничная машина также испытывает сопротивление. Однако при этом про­являются другие, чем в колесных движителях, силы сопротивле­ния, связанные по своей природе с сопротивлением перекатыва­нию опорных катков по гусенице. Теоретически эти силы являются внутренними силами гусеничного обвода, но в реальном звенча- том гусеничном движителе силы сопротивления качению опор­ных катков проявляются в виде внешних сил. Внутренние сопро­тивления в гусеничном движителе учитываются коэффициентом полезного действия гусениц η_ryc.

Одним из достоинств гусеничного движителя является хоро­шее сцепление с грунтом. Сцепные свойства гусениц зависят от многих факторов: величины давления, размеров опорной поверх­ности, высоты, формы и размещения почвозацепов и т.д. Благо­даря хорошему сцеплению с грунтом гусеницы обеспечивают мень­шее буксование машины, чем колесные движители.