Коэффициенты сцепления колесного и гусеничного движителей

Введем несколько понятий, характеризующих сцепление ведущих органов машин с поверхностью пути и возможность развивать машиной силу тяги.

Коэффициентом сцепления φ движителей с поверхностью пути называют отношение максимальной по сцеплению силы тяги Pφ к нормальной к поверхности пути нагрузке на ведущие колеса или гусеницы .

φ=  , где G – вес машины, λ – коэффициент нагрузки на ведущие колеса или гусеницы,  -сцепной вес машины. λ =1 для КМ со всеми ведущими колесами и для ГМ – одиночных и сочлененных с активным модулем; λ< 1 для КМ не со всеми ведущими колесами и ГМ –с пассивным модулем.

Удельной силой тяги машины φ _к называют отношение силы тяги машины Pк к нормальной к поверхности пути нагрузке на ведущие колеса или гусеницы  , т.е.  φ_к =  . Коэффициент φ_к является переменной величиной. В зависимости от условий работы может варьировать от минимального при  =Pf= f∙G (движение холостым ходом) до максимального φ_к = φ при  =  .

Удельной силой тяги на крюке машины φ_кр называют отношение силы тяги на крюке машины  к нормальной к поверхности пути нагрузке на ведущие колеса или гусеницы , т.е. φ_кр = . Коэффициент φ_кр в зависимости от нагрузки на крюке меняется от φ_кр = 0 (при = 0) до максимального значения φ_{кр max} при  = («стоповый» режим машины).

Модели, описывающие процесс взаимодействия движителя с грунтом

Характер взаимодействия движителя с грунтом зависит от механических свойств грунта или почвы и от конструкции движителя.

Сопротивления грунтов сжатию и сдвигу являются основными показателями их механических свойств, влияющими на тягово-сцепные свойства машины.

Сопротивление грунтов сжатию определяют с помощью жесткого штампа с опорной площадью F, вдавливаемого силой Q_шт в грунт, с увеличением которой увеличивается глубина погружения h штампа. Схема нагружения приведена на рис.6.1

Рис.6.1. Схема нагружения штампа при определении сопротивления грунта сжатию

Примерный график зависимости напряжения p_ср в грунте от глубины погружения h  имеет следующий вид, рис. 6.2.

Рис. 6.2 График нагружения образца грунта под действием штампа

На графике показаны 1 –участок упругой деформации; 2-участок остаточной деформации; 3- участок пластичного течения грунта; Pср = - среднее давление на поверхности штампа; Pнес  - предел прочности на вертикальное сжатие (несущая способность грунта).

Для математического описания экспериментально полученных зависимостей P _ср ( h ) используют различные математические модели. Ниже приводятся примеры таких моделей.

P_ср = kh^µ - степенная зависимость проф. Летошнева М.С.;

P_ср = P_нес(1-е^-h/k) – показательная зависимость проф. Корчунова С.С.;

P _ср = P _нес th ( ) – с гиперболическим тангенсом проф.Кацыгина В.В.

где k и µ - эмпирические коэффициенты, характеризующие свойства грунта и зависящие от размеров и формы жесткого штампа и скорости вдавливания, P _нес – несущая способность грунта.

Сопротивление грунтов сдвигу. Основными факторами, определяющими его величину, являются молекулярные и капиллярные силы сцепления и силы внутреннего трения между частицами грунта.

Для однородного грунта условия его разрушения касательными напряжениями выражается уравнением Мора – Кулона:
= c+ptg , где  c – связность грунта, p – нормальное давление,  –угол внутреннего трения. Указанная зависимость представлена на графике рис.6.3

                                                     Рис.6.3. Зависимость  от р

Для несвязных грунтов (сухой песок) с=0, = ptg . Для связных грунтов ( сухая глина)  = 0 и = c.

Выражение для коэффициента сцепления, зависящего от сопротивления грунта сжатию и сдвигу, выражается уравнением Мора – Кулона

φ= =  + tg  ,

откуда следует, что теоретические зависимости (  являются гиперболами, параметры которых зависят от механических свойств грунта, а область их изменения может быть представлена графически на рис.6.4

 Рис. 6.4. Теоретическая область изменения коэффициента φ

Теоретически для получения значения коэффициента сцепления 1 φ 2 необходимо создать давление на грунт не более 15…30 кПа (кН/м2) в зависимости от сцепления c и угла внутреннего трения , и лишь для связных грунтов, например, сухих глин (c=15…20 кПа) можно получить φ≥1 при давлениях до 60 кПа.

Экспериментальные зависимости коэффициента сцепления φ звена гусеницы от давления p на различных грунтах приведены на графиках рис. 6.5.

Из зависимостей следует, что достижение коэффициента сцепления звена гусеницы φ= 1,5 оказалось возможным только на глине и на плотном лугу и при давлении p 0,25 кПа. На талом снегу даже снижение давления p менее, чем до 0,25 кПа не позволяет получить коэффициент сцепления звена гусеницы выше 0,75. Для заметного увеличения сцепления звена гусеницы с грунтом необходимо, чтобы нормальное давление на звено было менее 30кПа.

Рис. 6.5. Экспериментальные зависимости коэффициента φ звена гусеницы от давления на грунт: 1 – талый снег; 2 – рыхлый песок; 3 – глина, 4 – плотный луг. Данные НАТИ (Васильев А.В., Уткин – Любовцов О.Л. )

Зависимости φ_к ( ) для ГМ на связном и несвязном грунтах приведены на рис. 6.6

Рис.6.6. Зависимости коэффициента сцепления ГМ от буксования на связном и несвязном грунтах

У связных грунтов (глина) при достижении буксования 25-30% происходит разрушение образца грунта, при этом коэффициент сцепления φ резко снижается. У несвязных грунтов (песок) разрушение образца происходит при несколько больших буксованиях, но это не приводит к снижению коэффициента сцепления φ.

Исследования, проведенные в НАТИ (Васильев А.В., Уткин – Любовцов О.Л.), показали:

- Увеличение ширины гусеничной цепи для повышения коэффициента сцепления дает эффект лишь в том случае, если при этом среднее давление на грунт р 30кН/м² . При р 30кН/м² изменение ширины гусеницы не влияет на величину φ, хотя и увеличивает проходимость ГМ.

- При уменьшении веса ГМ или увеличении длины опорной поверхности можно добиться увеличения коэффициента сцепления, при этом чем меньше давление, тем больший эффект от его дальнейшего снижения, особенно при значениях р<30кН/м².

- Коэффициент сцепления φ увеличивается с увеличением высоты зацепа по прямолинейному закону. Зацеп целесообразно выполнять не сплошным, а состоящим из отдельных выступающих частей, общая длина которых может равняться 60% ширины звена. Такой ступенчатый зацеп лучше входит в грунт,  повышает сцепные свойства звена и улучшает его боковую устойчивость.

Подобные результаты по влиянию высоты зацепа звена на коэффициент сцепления φ получил проф. Сергеев А.В. при испытаниях танковых гусениц, который установил также пределы целесообразности увеличения высоты зацепа, определяемые возможностью его заглубления.

- Длина шага звена традиционной гусеницы не влияет на величину коэффициента сцепления φ.