Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Россия испокон веков занималась освоением своих северных территорий. Однако после девяностых годов освоение Севера крайне замедлилось, а в некоторых областях науки вообще прекратилось. Однако в последние годы снова наметилась тенденция к интенсивному освоению прибрежных территорий Северного Ледовитого океана и его шлейфа. Для этого необходима специальная техника: машины повышенной проходимости, а также специальные снегоходные машины, как колесные, так и гусеничные. Для создания таких машин необходимы научные исследования. Это необходимо в первую очередь для того, чтобы еще на стадии проектирования таких машин можно было заранее просчитать глубину колеи, силу тяги и сопротивление движению машин.

При проектировании гусеничных снегоходных машин перед конструкторами и учеными часто возникает вопрос о том, как влияет скорость на глубину колеи машин и какое значение удель­ных давлений под гусеницей принимать за расчетное. Подобные данные необходимы для того, чтобы при проектировании машины можно было сделать прикидочный расчет ожидаемой глубины ко­леи на снежной целине.

Исследования, проводившиеся учеными различных стран [1—7] с целью выяснения влияния скорости движения машины на глуби­ну колеи, противоречивы.

Вопросом определения средних удельных давлений под гусе­ницей практически не занимаются, и экспериментаторы в основном замеряют контактные напряжения под гусеницами, которые не отражают действительной картины, так как напряжения меняются по глубине.

Цель исследования

Целью данной работы является исследование воздействия на снежный покров машин с гусеничным движителем и сравнительные испытания таких машин различного весового класса.

Материалы и методы

В зимний период 1969 и 1970 годов отраслевой научно-иссле­довательской лабораторией снегоходных машин при Горьковском политехническом институте им. А.А. Жданова были проведены испытания с целью определения влияния скорости машин на глу­бину их колеи. Кроме того, были проведены сравнительные испы­тания по деформации снега гусеницами машин и плоскими штам­пами различных размеров. В качестве объектов испытаний были использованы следующие машины: вездеход ГАЗ-47, снегоболотоходы ГПИ-37, ГПИ-19А, мотоснегоходы МС-ГПИ-15А, НАМИ-095 и трактор Т-50В (рис. 1).

     

                               а)                                                                                                                    б)

                       

                             в)                                                                                                                     г)

Рис. 1.  Объекты испытаний:

а – вездеход ГАЗ-47, б – снегоболотоход ГПИ-37, в – мотоснегоход НАМИ-095, г – Т-50

 

За основной штамп, перемещения которого сравнивались с глу­биной колеи машин, был принят квадратный штамп с площадью 500 см2. Этот штамп позволял получить высокие удельные нагруз­ки на него (до 2 кг/см2). В то же время ширина этого штампа       (223,5 мм) соизмерима с шириной гусеницы указанных выше машин.

Цель сравнительных испытаний заключалась в том, чтобы сравнить величину удельных нагрузок на штамп и величину сред­них удельных давлений под гусеницей при одинаковом их погру­жении в снег.

Методика замеров заключалась в следующем: специально подобранный участок снежной целины длиной 50—100 м машины преодолевали с различными скоростями: от минимально возможных (при устойчивых оборотах двигателя) до максимально возможных. Вслед за прохождением машины замерялись глубина колеи и вы­сота снежного покрова с интервалом через 1 минуту. Затем в не­посредственной близости от колеи машины в нескольких местах (3—5 замеров) в снег вдавливался плоский металлический штамп. Полученный материал обрабатывался, и при этом определялась средняя высота снежного покрова на мерном участке, средняя глубина колеи и усредненная зависимость перемещений штампа от удельных нагрузок на него.

Испытания указанных машин (за исключением трактора) про­водились на снегу, плотность которого изменялась по высоте от 0,21 до 0,26 г/см3. Верхний слой снега толщиной до 70 мм — ветровой наст с ледяными прослойками, толщина которых достигала 3—5 мм. По этой причине глубина колеи мотонарт (МС-ГПИ-15А и НАМИ-095) была незначительной, а изменение глубины снега практически не влияло на глубину колеи.

В таблице 1 приведены некоторые данные зависимости глубины колеи от скорости движения машины по снежной целине со зна­чительной глубиной снежного покрова.

 

Таблица 1

Машина	Средняя высота снежного покрова H, см	Глубина колеи hкол, см	Скорость машины V, км/час	Отношение глубины колеи к высоте снежного покрова hкол/ H
ГАЗ-47	57,4 55,0	26,7 26,1	5 10	0,465 0,475
ГПИ-37А	59,0 58,8	23,1 23,7	5 10	0,392 0,403
ГПИ-19А	42,6 43,6 43,9	17,7 19,1 19,9	5 8,5 12,5	0,419 0,438 0,453
МС-ГПИ-15А	62,6 59,8 59,2 58,1	16,6 14,6 15,9 15,7	3,6 7,7 13,9 18,0	_ _ _
НАМИ-095	45,8 45,7 43,6	7,33 7,31 7,06	5,6 8,6 11,8	_ _ _
Трактор Т-50В	36,0 37,4 33,4	14,0 16,7 16,8	1,3 4,7 11,7	0,388 0,447 0,503

 

Для всех остальных машин глубина снега влияла на глубину колеи. Поэтому для тяжелых машин в качестве сравнительного критерия, определяющего изменение глубины колеи от скорости, было выбрано отношение глубины колеи к высоте снежного по­крова. Абсолютная погрешность измерений глубины колеи и глу­бины снега составляла ± 2 мм.

Как видно из таблицы, с увеличением скорости глубина колеи мотонарт несколько уменьшается, а для всех остальных более тя­желых машин, наоборот, глубина колеи или относительная вели­чина «а» увеличивается. Подобные изменения глубины колеи ма­шин от их скорости можно объяснить следующим.

С увеличением скорости машины сопротивление снега деформации увеличивается за счет инерции его массы, и, следовательно, глубина колеи должна уменьшаться. Однако если пластические деформации снега достигают поверхности земли, то микронеровности подстилающего слоя грунта оказывают воздействие на гу­сеничный движитель. Это воздействие вызывает дополнительные колебания машины, за счет чего увеличивается величина динами­ческих нагрузок на снежное полотно пути. Увеличение динамичес­ких нагрузок должно вызвать увеличение глубины колеи.

Следовательно, увеличение или уменьшение глубины колеи машины с увеличением ее скорости зависит от того, какой фактор преобладает: увеличение сопротивления деформации снега или увеличение динамических нагрузок.

Если деформации снега гусеницами незначительны по сравне­нию с общей глубиной снежного покрова, то с увеличением ско­рости машины глубина колеи должна уменьшаться, что мы и на­блюдаем в случае с легкими машинами типа мотонарт (табл. 1). Если же пластические деформации снега достигают поверхности земли, то с увеличением скорости машины глубина колеи должна возрастать, что особенно отчетливо наблюдается на примере с трактором.

Однако необходимо иметь в виду, что в пределах указанных скоростей (5—18 км/час) изменение глубины колеи с изменением скорости машины незначительно и в некоторых случаях лежит в пределах ошибок измерений.

Таким образом, в вопросе о влиянии скорости машины на глу­бину колеи нельзя говорить отдельно о машине и о снеге, а не­обходимо учитывать единую систему:

машина — снег.

Сравнительные испытания по деформации снега гусеницами машин и плоским штампом (223,5 × 223,5 мм) показали, что при одинаковых деформациях снега величина удельных нагрузок на штамп и величина средних удельных давлений под гусеницами значительно отличаются друг от друга.

В таблице 2 приведены данные сравнительных испытаний по де­формации снега гусеницами машин и штампом.

Таблица 2

Машина	Среднее уд. давл. под гусеницей qм, кг/см2	Глубина колеи и погр. штампа h, см	Высота снежного покрова H, см	Уд. нагр. на штамп qшт., кг/см2	K= =qшт/qм	Характеристика снега
ГАЗ-47	0,24 0,24 0,24 0,24	278 242 228 154	560 465 405 320	1,20 1,28 1,47 1,47	5,00 5,33 6,12 6,12	Верхние слои снега толщиной ≈320 мм, рыхлые, с плотностью 0,19 – 0,23 г/см3. Нижние слои толщиной ≈260 мм – смерзшийся снег с плотностью 0,26 – 0,31 г/см3
	0,20	267	575	1,44	7,25	Рыхлый снег с плотностью 0,26 – 0,31 г/см3
ГПИ-37	0,14 0,14	180 180	485 450	0,367 0,367	2,62 2,62	Верхние слои снега толщиной ≈205 мм, рыхлые, с плотностью 0,155 – 0,235 г/см3. Нижние слои толщиной ≈265 мм – смерзшийся снег с плотностью 0,255 – 0,350 г/см3
	0,13	230	560	0,448	3,39	Рыхлый снег с плотностью 0,20 – 0,26 г/см3
ГПИ-19А	0,09 0,09 0,09 0,09	133 140 131 108	40 400 370 350	0,147 0,132 0,147 0,132	1,63 1,49 1,63 1,49	Верхние слои снега толщиной ≈150 мм, рыхлые, с плотностью 0,20 – 0,25 г/см3. Нижние слои толщиной ≈300 мм – смерзшийся снег с плотностью 0,30 – 0,36 г/см3
ГПИ-19А	0,09 0,09	126 133	315 370	0,294 0,294	3,27 3,27	Верхние слои снежной целины – ветровой наст, толщиной ≈35 мм. Ниже лежат рыхлые слои толщиной ≈150 мм, с плотностью 0,20 – 0,23 г/см3. Нижние слои толщиной ≈235 мм – смерзшийся снег с плотностью 0,27 – 0,355 г/см3
	0,09 0,09	150 135	440 395	0,235 0,257	2,61 2,85	Влажный рыхлый снег с плотностью 0,25 – 0,31 г/см3
МС-ГПИ-15А	0,091 0,059 0,053	96 70 78	385 380 380	0,242 0,125 0,125	2,37 2,12 2,36	Верхние слои снежной целины – ветровой наст, толщиной ≈25 мм. Ниже - рыхлые слои толщиной ≈125 мм, с плотностью 0,20 – 0,23 г/см3. Нижние слои толщиной ≈305 мм – смерзшийся снег с плотностью 0,23 – 0,27 г/см3
МС-ГПИ-15А	0,084 0,071 0,059	122 117 107	460 460 490	0,262 0,257 0,199	3,12 3,62 3,43	Рыхлый снег с плотностью 0,21 – 0,25 г/см3. На глубине ≈60 мм – ледяная корка толщиной 7-8 мм
НАМИ-095	0,044 0,044 0,044	135 112 130	590 557 470	0,088 0,073 0,103	2,00 1,67 2,34	Влажный рыхлый снег с плотностью 0,225 – 0,265 г/см3
НАМИ-095	0,044 0,059 0,071	73 80 89	460 425 460	0,132 0,147 0,180	3,00 2,32 2,53	Верхние слои снежной целины – ветровой наст, толщиной ≈20 мм. Ниже - рыхлый снег толщиной ≈250 мм с двумя ледяными корками толщиной 3-5 мм. Нижние слои толщиной ≈330 мм – рыхлый снег с плотностью 0,21 – 0,29 г/см3
Т-50В	0,39 0,39 0,39	213 189 289	445 380 380	1,615 1,138 1,468	4,14 2,92 3,76	Верхние слои снега толщиной ≈240 мм, рыхлый снег с плотностью 0,19 – 0,28 г/см3. Нижние слои толщиной ≈180 мм – смерзшийся снег с плотностью 0,26 – 0,31 г/см3

          

Результаты и их обсуждение

Как видно из таблицы 2, при одинаковой величине заглубления штампа и гусениц удельная нагрузка на штамп в несколько раз превосходит среднее удельное давление под гусеницей. Это гово­рит о том, что среднее удельное давление, определяемое как от­ношение веса машины к площади опорной поверхности, является заниженным. Поэтому при определении расчетного среднего удель­ного давления под гусеницей необходимо вводить поправочный коэффициент K.

,                                                     (1)

где q – удельное давление под гусеницей; G – вес машины; F – площадь опорной поверхности гусениц; K – поправочный коэффициент >1.

Коэффициент K меняется в значительных пределах (табл. 3) в зависимости от глубины снежного покрова и его характеристик (физико-механических свойств).

Таблица 3

 

Однако для расчета ориентировочно можно взять следующие значения K, в зависимости от величины удельных давлений под гусеницей и веса машины (табл. 3).

 

 

Заключение

Полученные результаты исследования сравнительных испытаний позволяют выявить зависимость между глубиной колеи и нагрузкой на штамп снегоходных машин различного класса. Это позволяет заранее определить глубину колеи и, следовательно, учитывать ее величину при проектировании, разработке и создании таких машин. Кроме этого, появляется возможность грамотной эксплуатации снегоходных машин при различном состоянии снежного полотна.

Рецензенты:

Панов А.Ю., д.т.н., зав. каф. «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.