CC BY
35
УДК - 629.114.2.056
К ВОПРОСУ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН СПАСАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ
В.Н. Лобанов, В.И. Растягаев, С.С. Сухов
Цель данной работы состоит в выяснении влияния конструктивных параметров гусеничного движителя и свойств слабого грунта на его уплотнение после прохода гусеничной машины.
Ключевые слова: строение почвенно-растительного покрова, конструктивные параметры гусеничного движителя, проходимость гусеничной машины, деформация слабого грунта, линейная деформация уплотнения, деформация сдвига грунтовых частиц, предел несущей способности грунта, коэффициент Пуассона, опорные катки движителя.
При анализе результатов исследований воздействия гусеничных машин на опорную поверхность было выявлено следующее [4]:
- давление гусеничной машины на почву более 80 кПа уплотняет се поверхностные слои, изменяет строение почвенно-растительного покрова, вследствие чего сильно меняется воздушно-водный режим, нарушается функционирование корневых систем растений;
- влажные или рыхлые почвы сильно деформируются, т.е. машины на них образуют глубокую колею, из-за чего корни деревьев и растений перерезаются, переламываются или разрываются, а также резко снижается их проходимость;
- порозность почвы при давлении выше 80 кПа в очень сильной степени уменьшается из-за деформации почвы движущимися машинами, что приводит к резкому снижению проникновения в нее воздуха и воды.
Достичь безопасного для растений и почвы давления, а также увеличить проходимость специальных машин можно, изменяя конструкцию гусеничного движителя и его параметры.
Как показали результаты экспериментальных исследований, деформация слабых лесных грунтов не подчиняется линейному закону [1].
При решении задачи в нелинейной постановке общую деформацию грунта Н определяют по формуле [1]:
Н = Н + Н2
1 , (1)
где Н1 - линейная деформация уплотнения, м; Н2 - деформация от сдвига грунтовых частиц, м.
Величину деформации сдвига грунтовых частиц выражают в долях общей деформации:
Ч 0
Н2 = Н--------------
(2)
Ом
где Чо - среднее давление гусеницы на грунт, Н/м2, ч0 = 2Ь ' Ь ;
Ом - вес гусеничной машины, Н;
Ь - ширина гусеницы машины, м;
Ь - длина опорной поверхности гусеничного движителя, м;
Ч* - предел несущей способности грунта, Н/м .
После совместного решения уравнений (1) и (2) получаем формулу для определения общей деформации грунта:
н = н1 —Ч—
~ Ч0 . (3)
Для определения упругой деформации уплотнения необходимо знать закон распределения напряжений в грунте по глубине и толщине деформируемого слоя грунта, схема которого представлена на рисунке 1.
Деформация уплотнения ёН1, м, элементарного слоя грунта толщиной ёг, расположенного на глубине г от поверхности массива, определяется по уравнению [1]:
ёН1 = ~М0 • (^х +°у )]
Е° , (4)
где Ео - модуль деформации грунта при отсутствии сдвигов, Н/м2; ах, а2, ау - нормаль:, напряжения, действующие на рассматриваемый элементарный объем грунта, Н/м2;
Но - коэффициент Пуассона для грунтов.
В условиях невозможности бокового расширения (при отсутствии сдвигов) и сплошной нагрузке
М0
-г _ Ч °х - Оу - Ч0
- Ч0 . ' 1-М0
Рисунок 1 - Расчетная схема для определения уплотнения слабого грунта:1 - поверхность грунта, 2 - неуплотненный грунт, 3 - уплотненный грунт 4 - твердый слой грунта
При этих условиях
dН1 =
Еп
2 Л
1
2 ‘ ^0 1-М0
Обозначая множитель, стоящий в скобках, через Д получаем:
Р-а2 • ^
dН
Ег
(5)
где Р - коэффициент, характеризующий боковое расширение грунта.
Интегрирование полученной формулы (5) в пределах от поверхности грунта г = 0 до глубины залегания твердого слоя г = Н, позволяет определить деформацию уплотнения:
Н Р Н Н1 = J ^ 1 = — J °
0 Е 0 0. (6)
Была получена зависимость максимальных напряжений стг от среднего давления движителя на грунт Ч0, длины опорной поверхности гусеницы Ь, ее ширины Ь на разных горизонтах х [2]:
1
т • Ч0
}Л- (х -1)
'г'
V Ь у
+
X
Ь
где ц - коэффициент Пуассона (при сжатии грунтов ц=цо);
ь
х = —
Ь
и - отношение длины опорной поверхности гусеничного движителя Ь к ширине гусеницы
ь.
Для определения деформации уплотнения грунта, подставим уравнение (6) в формулу (5), произведем интегрирование в указанных пределах и необходимые преобразования.
Окончательная формула для определения деформации уплотнения грунта Н1 будет иметь вид:
2xb ■ Р ■ qo
■ arctg -
EoJ4--ц2( x -1)
42
|4^ -^2(x-1)2
2 — + ц(x -1) H
» М " , (8)
где Н - толщина деформируемого слоя грунта (глубина залегания твердого слоя грунта д2>>д.,),
м;
- предел несущей способности твердого слоя грунта.
По результатам экспериментальных исследований [3] предлагается при расчетах принимать значение Н = 2Ь.
Принимая во внимание уравнение (3), получим выражение для определения общей деформации грунта под гусеничным движителем Н:
h =
Eo
■ arctg
4 x-^2( x -1)2
4 x-^2( x -1)2 И
2 xb + ^(x -1) H
qo • qs
qs - qo
Обозначив множитель, стоящий в скобках, через а получим:
qo • qs
h = а-
qs - qo
(9)
(1o)
где а - коэффициент, характеризующий сопротивление грунтов уплотнению (смятию), м /МН:
а =
x
■ arctg
4---fl (x -1)'
E^4 iL _^2( x _ 1)2 x + ^( x -1)
V ^
Многочисленные исследования, проведенные в последние годы с гусеничными машинами на плотных и слабых минеральных грунтах [4], установили, что глубина колеи h определяется максимальными нормальными давлениями под опорными катками qmax гусеницы на грунт, по которым ориентируются конструкторы при проектировании гусеничных машин.
Для определения qmax воспользуемся формулой [1]:
_ Z q max г
q max _ ,
n
1 (11)
где qmax г максимальное давление гусеничного движителя на грунт под i-м опорным катком, МН
/м2;
ni - число опорных катков движителя.
Учитывая формулы (Ш) и (11) получим уравнение для определения общей деформации слабого грунта под реальным гусеничным движителем:
h = а-------—-------q max
qs q max (12)
Предлагаемая формула (12) учитывает влияние на деформацию грунта как свойств грунта (ju, р, Е0, qs), так и параметров гусеничного движителя и машины (b, L, qmax).
Для определения плотности лесной почвы в следе после прохода машины используем извест! формулу связи глубины погружения деформатора в почву с изменением её плотности [5]:
h _ Рк ~ Po
H Po , (13)
где р0 - плотность естественного сложения почвы до приложения нагрузки, кг/м3;
рк - конечная плотность почвы после её деформации гусеничным движителем, кг/м3.
С учетом формулы (3) получим уравнение для определения плотности рк грунта в следе после прохода гусеничной машины:
*=*> +н}
V H J. (14)
Предлагаемая математическая формула (14) взаимодействия гусеничного движителя с почвой позволяет управлять и прогнозировать её деформацию и плотность от воздействия гусеничных машин в зависимости от свойств почвы и параметров движителя.
The aim of this work is to find out the influence of the constructive parameters of a track-type propelling and weak soil features on its compaction after a track-type car passage.
The key words: the structure of top soil, constructive parameters of track-type propelling, track-type car cross-country ability, weak soil deformation, line deformation of compaction, soil fractions shift deformation, soil bearing capacity limit, Puasson coefficient, bearing rollers of propelling.
Список литературы
1. Лобанов, B.H. Исследование взаимодействия гусеничного движителя лесных машин со слабым грунтом [Текст] / В.Н.Лобанов // - Архангельск, ИВУЗ «Лесной журнал», - 1997. № 1-2. С. 45-49.
2. Лобанов, В.Н. Определение напряжений в толще грунта под движителем гусеничных машин [Текст] / В.Н. Лобанов. В кн.: Вклад ученых и специалистов в национальную экономику, т.1. - Брянск: БГИТА, 1997. С. 95-96.
3. Герасимов, Ю.Ю. Экологическая оптимизация технологических процессов и машин для лесозаготовок [Текст] / Ю.Ю.Герасимов, В.С.Сюнев. - Иоэнсуу: Изд-во университета Иоэнсуу, 1998.- 178 с.
4 Кулешов, А.П. Экологичность движителей транспортно-технологических машин [Текст] / А.П.Кулешов, В.Е. Колотилин//. - М.: Машиностроение, 1993. - 231 с.
Об авторах
Лобанов В.Н. - кандидат технических наук, профессор Брянской инженерно-технологической академии;
Растягаев В.И. - кандидат технических наук, доцент Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского
Сухов С.С. - кандидат технических наук, Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского, bgd_cc@bk.ru
