Повышение опорных качеств гусеничных машин спасательной техники при их работе на слабых почво-грунтах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Научно-технический вестник Брянского государственного университета, 2016, №1

УДК 629.114.2.001.2

ПОВЫШЕНИЕ ОПОРНЫХ КАЧЕСТВ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН СПАСАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ПРИ ИХ РАБОТЕ НА СЛАБЫХ ПОЧВО-ГРУНТАХ

В.Н. Лобанов1, В.И. Растягаев2, С.С. Сухов2

1 - Брянский государственный инженерно-технологический университет 2 - Брянский государственный университет им. акад. И.Г. Петровского

Проведено математическое моделирование взаимодействия гусеничных машин спасательной техники, получено уравнение для оценки их опорных качеств при работе на слабых почво-грунтах.

Ключевые слова: почво-грунт, машина гусеничная, опорная длина гусеницы, проходимость гусеничной машины, ширина гусеницы, деформация слабого почво-грунта

Использование тяжелых многооперационных гусеничных высокой энергонасыщенности и проникновение их в регионы с почво-грунтами, имеющими низкую несущую способность, могут обострить экологическую обстановку при проведении спасательных работ [1-3].

Назрела необходимость в разработке научно-обоснованных методов оценки уплотняющего воздействия современных и перспективных машин на лесные почво-грунты с целью минимизировать уплотнение почвы [1-3].

Как показывают опытные данные ряда исследователей [1-3], взаимодействие гусеничных систем с почво-грунтом базируется на уплотнении почвы движителем с учетом его параметров и свойств почвы. Уплотнение слабых почво-грунтов определяется опорными свойствами гусеничных машин.

Опорные свойства гусеничной лесной машины, главным образом, зависят от максимальных давлений гусеницы на почво-грунт под опорными катками qmax, опорной длины гусеницы L и ширины b гусеницы. В свою очередь, максимальные давления qmax зависят от отношения шага катков s к шагу звеньев гусениц t, числа опорных катков п и количества звеньев гусеницы п1, передающих нагрузку от опорных катков на почво-грунт [1, 2]:

qmax

qo

(n - 1)s + t n1t

(1)

где q0 - среднее давление гусеницы на грунт.

Количество звеньев п1, передающих нагрузку от опорных катков, определяется свойствами почво-грунта. Чем он слабее, тем больше звеньев участвует в передаче нагрузки от опорных катков, следовательно, меньше пиковое давление qmax [1, 2]. Из формулы (1) видно, что чем меньше отношение шага катков к шагу гусеницы, тем меньше максимальные давления в пиках под опорными катками. У современных сельскохозяйственных, промышленных и болотоходных гусеничных тракторов отношение s/t составляет 1,7...3,5; у гусеничных тракторов s/t > 3,5.

Указанные показатели опорных свойств определяют, в основном, глубину колеи, т. е. деформацию почво-грунта после прохода гусеничной машины.

Определим глубину колеи гусеничной машины при работе на слабых почво-грунтах. Для упрощения допустим, что машина движется по горизонтальной поверхности и центр давления совпадает с центром опорной поверхности гусениц.

При работе гусеничной машины на слабых почво-грунтах основная доля деформации грунтов при его сжатии приходится на его уплотнение h1.

Деформация уплотнения dh1 элементарного слоя почво-грунта толщиной dz, расположенного на глубине z от поверхности грунтового массива, определим по уравнению [1]:

dh1 = IT [°z - К°х + °y(2)

Eo

81

Научно-технический вестник Брянского государственного университета, 2016, №1

где Е0 - модуль упругой деформации почво-грунта; Gx, Gz, Gy - нормальные напряжения, действующие на рассматриваемый элементарный объем почво-грунта; л - коэффициент Пуассона для почво-грунтов [1].

При сплошной нагрузке

Gz = q0; G x = G у =

л

Тогда

<й,= ^

1 Еп

(

1 -

2л 1 - л

1 - л

2 Л

qo.

Обозначая множитель, стоящий в скобках, через Д получаем:

Pvzdz

dh =

E

(3)

(4)

(5)

где Д- коэффициент, характеризующий боковое расширение почво-грунта:

Интегрирование полученного выражения (5) в пределах от z = 0 (поверхность почвогрунта) до z = Н (глубина залегания твердого слоя, т.е. толщина деформируемого слоя грунта), позволяет определить деформацию уплотнения h,:

H д H

h1 = jdhl = E\Ozdz . (6)

0 E0 0

Зависимость Gz = Ф(z) примем в виде [2]

1

zi qo,

Gz =

1 +

л( x -1)

x

+-

1

(7)

b

\ b J лх

где x = L / b .

Для определения деформации уплотнения почво-грунта, подставим уравнение (7) в выражение (6) и произведем интегрирование в указанных пределах:

dz

h = До H____

1 E L. л(x-1)

01 + -

xb

т л2^ -1)2 4

Т ак как л „ <------, то

x 2b2

h, =

л xb 2

2bq0Дx

En

4

л2( x -1)2

arctg-

, 1 2

z +----2 z

лxb

2 z л( x -1)

+ xb

(8)

juxb

jixb1

x2b2 У лxb2

2 z

2Дq0bx л arctg

л2( x -1)2

x 2b 2

+ л( x -1)

Н

En_ /— - л2(x -1)2

л

/л - л2(x-1)2

(9)

H

После подстановки пределов имеем следующее выражение для определения h,:

2 H

h, =-

2bxq0Д

E^l4лл - л2(x -1)

+ л^ -1)

, л , л( x -1)

arctg—r=j= - arctg -

4 л - л2(x -1)2

4 x - л2( x -1)2

л

(10)

z

z

4

0

0

82

Научно-технический вестник Брянского государственного университета, 2016, №1

Окончательное выражение для определения деформации уплотнения почво-грунта h1 после преобразований примет вид:

h =

2 xbfi

■ arctg

4 — - /и2( x -1)2 И

EJ4--и2( x -1)2

2 — + и( x -1) H

40

(11)

По результатам экспериментальных исследований [1, 2] предлагается принимать значение Н = 2b.

Обозначив множитель, стоящий в скобках, через а, получим выражение для определения коэффициента сопротивления уплотнению слабого почво-грунта:

4 x - и2 (x -1)2

—-----7----ч--.• (12)

X + ju(x -1)

На рис. 1 приведены графические зависимости коэффициента сопротивления уплотнению исследуемых почво-грунтов, в таблице - показатели их физико-механических свойств.

Таблица

Показатели физико-механических свойств почво-грунтов

Тип почво-грунта Параметры почво-грунта

Е0, МПа qS, МПа И

Торфяная осушенная целина 0,15 0,12 0,28

Влажный с перегноем 0,17 0,15 0,3

Задернелый 0,2 0,2 0,35

Песчаный 0,27 0,25 0,4

Примечание: qS - предел несущей способности слабого почво-грунта.

2 xbp

а =----. arctg

El 4 X - u2 (х -1)

2

u

Из анализа зависимостей а = Ф(Д b) видим, что с изменением размеров гусеницы (2 < L< 4 и 0,4 < b <1) коэффициент а увеличивается, т.е. при увеличении размеров опорной поверхности гусеницы опорные свойства лесной машины на различных почво-грунтах возрастают.

Близкие по значению экспериментальные данные по коэффициенту сопротивления уплотнению соответствующих почво-грунтов приведены в [3].

Предложенная формула (12) учитывает влияние на коэффициент сопротивления уплотнению почво-грунта как свойств грунта (р, в, E0, qs), так и параметров гусеничного движителя (b, L, s, t, n1, n).

Результаты исследований могут быть использованы при разработке перспективных движителей гусеничных машин для проведения спасательных работ.

Список литературы

1. Лобанов, В.Н. Исследование взаимодействия гусеничного движителя лесных машин со слабым грунтом / В.Н. Лобанов // Лесной журнал. - 1997. - № 1-2. - С. 45-49.

2. Растягаев, В.И. К вопросу эксплуатации гусеничных машин спасательной техники на слабых грунтах / В.И. Растягаев, С.С. Сухов // Вестник Брянского государственного университета. - 2011. - №4. - С. 187-190.

3. Растягаев, В.И. К вопросу об экологичности базовых машин спасательной техники / В.И. Растягаев, С.С. Сухов // Материалы междунар. научно-практ. конф. «Актуальные вопросы экстремальных состояний», Брянск, 25 ноября 2013 г. - Брянск: Десяточка, 2013.

83

Научно-технический вестник Брянского государственного университета, 2016, №1

а)

а-10~\м¥мн

Ь = 1м

Ь = 0.8м

b = 0.6 м

b = 0.4 м

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 I „

L. М

б)

a-IO'Wmh

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 I

L, М

в)

а-Ю~\мУмН

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 I

L, М

г)

Рис. 1. Зависимость а = Ф(£) для различных типов почво-грунтов: а - торфяная осушенная целина; б - влажный с перегноем; в - задернелый; г - песчаный

4. Сухов, С.С. Экологическая оценка процесса взаимодействия пневматического колеса с деформируемым грунтом / С.С. Сухов, В.И. Растягаев, В.В. Лазарев В.В. // Вестник Брянского государственного университета. - 2010. - №4. - С. 246-250.

Сведения об авторах

Лобанов Валерий Николаевич - кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Брянский государственный инженерно-технологический университет».

Растягаев Владимир Иванович - кандидат технических наук, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности ФГБОУ ВПО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского».

Сухов Сергей Сергеевич - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности ФГБОУ ВПО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского», bgd_cc@bk.ru.

84

Научно-технический вестник Брянского государственного университета, 2016, №1

IMPROVING THE SUPPORT QUALITIES CRAWLER CARS AND RESCUE EQUIPMENT IN THEIR WORK ON WEAK SOILS

V.N. Lobanov1, V.I. Rastyagaev2, S.S. Sukhov2

1 - Bryansk State Engineering-technological University,

2- Academician I.G. Petrovskii Bryansk State University

Mathematical modeling of interaction of tracked vehicles rescue equipment, the equation for the evaluation of their strong qualities when working on weak soils.

Keywords: soil, tracked vehicle, the supporting length of track, cross-country tracked vehicle track width, the deformation of weak soil

References

1. Lobanov V. N. Study of the interaction between caterpillar tracks of forest machines with low ground, Lesnoy Zhurnal, 1997, No.1-2, pp. 45-49.

2. Rastyagaev V.I., Sukhov S.S. To the question of exploitation of tracked vehicles and rescue equipment on soft soils, Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo universiteta, 2011, No.4, pp. 187-190.

3. Rastyagaev V.I., Sukhov S.S. To the question about ecological compatibility of basic machines of the Savior-tive technology. Materials of the international scientifically-practical conference "Topical issues of extreme States", November 25, 2013. - Bryansk: Group of companies "De-syatochka", 2013.

4. Sukhov S.S., Rastyagaev V.I., Lazarev V.V. Environmental assessment process the interaction pneumatic wheel with deformable soil, Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo universiteta, 2010, No.4, pp. 246-250.

Authors’ information

Valery N. Lobanov - Candidate of Technical Sciences, Professor at Bryansk State Engineering-technological University.

Vladimir I. Rastyagaev - Candidate of Technical Sciences, associate Professor of Department of the life safety at Academician I.G. Petrovskii Bryansk State University.

Sergey S. Sukhov - Candidate of Technical Sciences, Head of Department of the life safety at Academician I.G. Petrovskii Bryansk State University, bgd_cc@bk.ru.

85