СОЧЛЕНЕННЫЕ ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ

Инж. И. БЕР

Вестник бронетанковой техники. № 4. 1965

В ходе военных действий второй мировой войны выявилась недостаточная проходимость колесных и гусеничных машин по слабым грунтам и глубокой снежной целине.

Имевшийся опыт по созданию автомобилей, тракторов и специальных гусеничных машин ока­зался недостаточным в послевоенный период для решения проблем транспорта высокой проходимости по пересеченной местности, слабым грунтам и глу­бокому снегу. Вот почему этот период ознаменовал­ся значительным развитием исследовательских ра­бот, направленных на поиски новых решений в об­ласти машин высокой проходимости и на более глубокое изучение механизма сопротивления дви­жению в условиях бездорожья и отыскание рацио­нальных средств его преодоления, чтобы сделать бездорожный транспорт экономичным и безотказ­ным в действии. В результате выполненных иссле­дований удалось установить некоторые зависимости, определяющие условия движения по глубокому сне­гу (зависимость коэффициентов трения от плот­ности снега), а также пределы упругих деформа­ций грунта в зависимости от нагрузки: было уста­новлено, что переход от упругих к пластическим де­формациям грунта происходит не внезапно, а по­степенно, распространяясь от находящейся вблизи нагруженной поверхности на весь массив грунта. Используя результаты этих исследований, хотя да­леко неполных, представилось возможным заложить начало аналитических расчетов напряженного со­стояния грунта, которые уже могут дать в настоя­щее время некоторые решения по выбору движите­ля высокой проходимости.

Основная трудность в оценке пластических оса­док грунта и снега заключается в том, что погру­жение опорной поверхности гусеничного движителя

под нагрузкой зависит от не связанных друг с дру­гом факторов, касающихся характера сжатия грун­та и бокового течения, которое ведет к перемеще­нию в сторону или выдавливанию вверх частиц грунта, находящихся вблизи массива, подвергаемо­го сжатию. Опыты показали, что чем меньше площадь нагружения, тем сильнее эффект смещения грунта, а боковое выпирание грунта увеличивается с уменьшением отношения опорной площади к пе­риметру.

Следует иметь в виду, что выполненные до настоящего времени исследования в области механики грунтов уже открывают новые пути решения задач по созданию машин высокой проходимости.

Известно, что проходимость транспортных ма­шин в условиях тяжелого бездорожья и слабых грунтов обычно ограничивается значительным соп­ротивлением движению и недостаточной реализа­цией тягового усилия при прямолинейном движе­нии и повороте.

Гусеничные машины с низким удельным давле­нием гусениц на грунт могут обеспечить более уве­ренное движение на местности со слабым грунтом. Однако низкие удельные давления, при выполнении общей ширины машины в допустимых пределах, можно реализовать за счет ширины гусениц только в ограниченных пределах, а увеличение длины опор­ной поверхности (длины базы), по условиям пово­рота, ограничивает отношение длины базы к ширине колеи (L/B).

У обычных гусеничных машин, как известно, уве­личение отношения длины опорной поверхности L к Ширине колеи В ведет к ухудшению поворотли­вости. Известно также, что момент, необходимый для поворота двухгусеничной машины, может быть получен двумя путями: либо изменением оборотов и крутящих моментов на ведущих колесах гусениц, либо искривлением в плане продольных осей гусеничного движителя.

При движении в условиях тяжелого бездорожья и слабых грунтов применение первого способа по­ворота гусеничных машин приводят к разрушению поверхностного слоя грунта, по причине буксова­ния гусениц, а подводимое к забегающей гусенице тяговое усилие не может быть реализовано: движение в этих условиях прекращается.

Поэтому такой способ поворота, достаточно ши­роко применяемый на двухгусеничных машинах обычного назначения, не обеспечивает высокой про­ходимости машин по слабым грунтам и глубокому снегу.

Второй способ поворота в настоящее время не находит применения на двухгусеничных машинах, ввиду малой эффективности, сложности и малой на­дежности конструкции движителя. В поисках новых решений для машин высокой проходимости по тя­желым и слабым грунтам был найден новый прин­цип поворота, который в совокупности с малым удельным давлением (0,12—0,15 кг/см²) опорной поверхности гусениц на грунт и определяет высо­кие маневренные качества машины. Этот новый принцип поворота осуществлен в сочлененных гу­сеничных машинах.

У этих машин гусеничный движитель выполнен с последовательным расположением нескольких пар приводных гусениц, и поворот осуществляется пу­тем принудительного изменения угла в плане меж­ду направлением движения гусениц передних и зад­них секций.

Такой принцип поворота, используемый для соч­лененных гусеничных машин, не ставит их поворо­тливость в зависимость от параметра L/B, что и является первым основным преимуществом машин этого типа перед обычными гусеничными маши­нами.

Фиг. 1. Кинематическая схема трансмиссии двухсекционной

сочлененной гусеничной машины.

Вторым важным положительным качеством та­ких машин является то, что при повороте не имеет место резкое изменение на гусеницах силы тяги, что характерно для обычных гусеничных машин. Резкое же колебание нагрузок на гусеницах, при­водя к явлениям значительного буксования и юза гусениц, всегда влечет за собой разрушение поверх­ностного слоя грунта и ограничение проходимости.

Разработка конструкций гусеничных сочленен­ных машин получает развитие в различных странах как снегоболотоходных машин высокой проходи­мости с удельным давлением на грунт q ≤ 0,2 кг/см².

Такие машины обладают рядом особых свойств, делающих их весьма перспективными в качестве транспорта высокой проходимости по болотам и глубокому снегу. Качества этих машин, как указы­валось выше, являются следствием их нового прин­ципа поворота.

Для полной характеристики современных сочле­ненных гусеничных машин следует добавить, что свойство их высокой проходимости по слабым грун­там и глубокому снегу определяется еще сравни­тельно близким расположением друг к другу внут­ренних кромок гусениц, способствующим уплотне­нию грунта в зоне между гусеницами.

Итак, главными факторами, определяющими вы­сокие маневренные качества сочлененных гусенич­ных машин на слабых грунтах, являются: новый принцип поворота машины за счет складывания секций, исключающий разрушение контактной по­верхности грунта, малые удельные давления гусе­ниц на грунт (q ≤ 0,2 кг/см²), близкое расположение (400—600 мм) внутренних кромок гусениц друг от друга и наличие активного привода у гусеничных движителей прицепных секций.

Поворот гусеничной машины за счет складыва­ния секций является более экономичным, так как осуществляется без потерь мощности в тормозах, а буксование гусениц сводится к минимуму. Двух и многосекционные машины обладают повышенной плавностью хода при движении по пересеченной местности, в связи с большей суммарной длиной опорной поверхности гусениц и наличием связи между секциями. Облегченные условия поворота в свою очередь положительно сказываются на повы­шении сроков службы ходовой части.

Однако следует заметить, что указанные выше достоинства сочлененных гусеничных машин полу­чены за счет некоторого усложнения конструкции машины, общего увеличения ее собственного веса, некоторого понижения механического коэффициен­та полезного действия и увеличения ее начальной стоимости.

Фиг. 2. Вариант кинематической схемы

трансмиссии обычной гусеничной машины.

Если в обычных односекционных гусеничных ма­шинах вес трансмиссионных механизмов составляет в среднем 7—8% от общего веса, то в 2-х секцион­ной сочлененной машине вес этих же механизмов достигает 14—15% от общего веса.

Гусеничный движитель в обычной гусеничной машине составляет от общего веса 18—19%, в то время как у сочлененной по двухсекционной схеме этот вес достигает 35%.

Общий расчетный механический к.п.д. сочленен­ной машины может быть на 10—12% ниже, чем у обычной двухгусеничной машины. Тем не менее, сле­дует согласиться, что эти снижения отдельных по­казателей окупаются существенными преимущест­вами по маневренности, которыми обладают соч­лененные машины при движении по пересеченной местности, на слабых грунтах и по глубокому снегу.

Фиг. 3. Двухсекционная сочлененная гусеничная машина.

Кинематические схемы трансмиссий двухсек­ционной сочлененной машины и обычной гусеничной машины приведены на фиг. 1 и 2. Из этих схем вид­на степень усложнения трансмиссии сочлененной машины. На фиг. 3 показан внешний вид сочленен­ной транспортной машины.

Фиг. 4. Схема поворота двухсекционной

сочлененной гу­сеничной машины.

На основании отечественного опыта и по дан­ным зарубежной печати, при испытании экспери­ментального сочлененного гусеничного транспортера по заснеженной местности было получено тяговое усилие, превосходящее тяговое усилие обычного двухгусеничного снегохода, повышение средней эксплуатационной скорости и увеличение срока службы гусениц и подвески.

Сочлененный транспортер не теряет проходи­мости во время движения по глубокому снегу и боло­ту при поворотах, в то время как обычные гусенич­ные машины, управляемые при повороте посредст­вом затормаживания одной из гусениц, утрачивают в этих условиях подвижность.

Новый принцип поворота «складыванием» секций является одним из решающих факторов, опре­деляющих высокую проходимость сочлененных гу­сеничных машин.

Схема поворота двухзвеньевой гусеничной машины с основными обозначениями представлена на фиг. 4.

Как известно, основные зависимости между ра­диусами поворота ρ и углами «складывания» сек­ций выражаются следующими геометрическими со­отношениями:

Для симметричной двухсекционной схемы, когда обе секции имеют одинаковый радиус поворота, —

Пользуясь этим выражением, построена кривая зависимости радиуса поворота от угла складыва­ния секций а (фиг. 5).

Как указывалось ранее, сочлененная гусеничная машина отличается от обычной одиночной тем, что поворот ее осуществляется не за счет разности сил тяги на гусеницах, а за счет взаимодействия сек­ций друг на друга.

Фиг. 5. Зависимость радиуса поворота от угла склады­вания секций.

При этом силы тяги на одной и другой секциях могут быть различными, но силы тяги на гусеницах каждой секции остаются, при­мерно, одинаковыми и зависят лишь от сопротивле­ния движению.

Фиг. 6. Схема поворотносцепного устройства сочлененной машины.

Складывание секций во время поворота осуще­ствляется при помощи гидроцилиндров поворотно­сцепного устройства (фиг. 6). Потребный для по­ворота машины момент определяется из условия, что складывание секций происходит симметрично относительно продольной оси, по которой переме­щается шарнир поворотно-сцепного устройства.

Фиг. 7. Зависимость коэффициента сопротивления повороту от

величины радиуса поворота:

1 — для мелкого супесчаного грунта; 2 — для тор­фяного болота.

Величина же потребного момента для поворота опре­деляется из условия наиболее тяжелых случаев движения (f_п = 0,2 и (_max=1).

Зависимость коэффициента сопротивления по­вороту ц от радиуса поворота принята по известным из литературных источников кривым (фиг. 7).

Момент, создаваемый цилиндрами поворота — располагаемый момент М_р, определяется, исходя из кинематики поворотно-сцепного устройства:

где     р — давление рабочей жидкости на входе в цилиндры, кг/см²;

d_ц — диаметр цилиндра, см;

d_шт — диаметр штока поршня, см;

h_з и h_от — плечи приложения сил забегающего и отстающего цилиндров относительно центра шарнира в зависимости от уг­ла складывания α, м;         

Р_з — усилие на поршне забегающего цилиндра;          9

Р_от — усилие на поршне отстающего ци­линдра.

На фиг. 8 приведены расчетные моменты сопро­тивления повороту М_сп (сплошная линия) и момен­ты, создаваемые гидроцилиндрами поворота М_р (пунктирная линия) в зависимости от угла склады­вания секций.

Величины сопротивлений повороту, сопротивле­ний продольному перемещению гусениц при пово­роте, а также коэффициентов сопротивления про­дольному перемещению гусениц при прямолиней­ном движении и моменты сопротивления повороту проверяются экспериментальными исследованиями, имея в виду особенности конструкции столь широких ленточных гусениц и нового принципа поворота сочлененных машин.

Фиг. 8. График моментов сопротивления повороту и рас­полагаемых моментов по гидроцилиндрам в зависимости от угла складывания секций.

В результате таких исследований представится возможным внести необходимые коррективы в ди­намические расчеты, а также уточнить значения принятых коэффициентов и отдельных параметров движения.

Многое придется также сделать в дальнейшем для исследования взаимодействия ленточных гусе­ниц с различными грунтами и снегом при движении в различных климатических условиях.

Эти исследования должны, прежде всего, прово­диться в грунтовых каналах на лабораторных мо­делях для определения постоянных параметров различных грунтов и основных составляющих со­противления движению. Подобные исследования являются столь же необходимыми для решения задач по взаимодействию машин с грунтом при соз­дании транспорта высокой проходимости, как аэро­динамические трубы для исследований в области аэродинамики или опытовые бассейны для корабле­строителей. Имеющийся уже опыт в этой области подтверждает актуальность этих вопросов.

В заключение следует отметить, что сочленен­ные гусеничные машины могут найти себе широкое применение как в армии, так и в народном хозяй­стве как машины высокой проходимости, способные двигаться по заболоченной местности и глубоким снежным покровам.

Во всех известных выполненных конструкциях среднее удельное давление на грунт не превышает 0,25 кг/см², а в отдельных образцах малой грузоподъемности снижается до величины 0,05 кг/см².

Малая ширина (В) таких машин не ограничи­вает их поворотливости, ввиду особого принципа по­ворота «складованием» секций.

Сочлененные гусеничные машины могут быть выполнены по многосекционной схеме (гусенич­ный поезд) и обладают свойством плавного входа и выхода из поворота.

Потребная для поворота сочлененной гусеничной машины сила тяги, как показывают аналитические исследования, в два раза меньше, чем для простой гусеничной машины с отношением =1,5.

Проведенные уже исследования гусеничной ма­шины, выполненной по сочлененной схеме, показали существенные преимущества по проходимости на слабых грунтах заболоченной местности и по снеж­ному покрову, по сравнению с обычной двухгусенич­ной машиной.

Дальнейшими исследованиями в этой области будут установлены численные зависимости отдель­ных параметров прямолинейного движения и поворотов сочлененных гусеничных машин.