CC BY
7УДК 629.113
Петров А .А.
Петров Александр Александрович, конструктор-изобретатель болотно-шагающих технологических машин, лауреат Всероссийского конкурса «Инженер года», внештатный научный сотрудник кафедры технологических машин и оборудования, Тверской государственный технический университет, Тверь, Академическая, 12, tverotk@mail.ru
Зюзин Б.Ф.
Зюзин Борис Федорович, д. т. н., профессор, лауреат Премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники, заведующий кафедрой технологических машин и оборудования, Тверской государственный технический университет, Тверь, Академическая, 12, zbfru@yandex.ru
СВОЙСТВА И ПОКАЗАТЕЛИ ПРОХОДИМОСТИ БОЛОТОХОДНЫХ ШАГАЮЩИХ МАШИН ПРИ ПЕРЕДВИЖЕНИИ ПО НЕОСУШЕННЫМ ТОРФЯНЫМ БОЛОТАМ
Аннотация. В статье отражена проблема создания высокопроходимых болотоходных машин для их применения в условиях неосушенных торфяных болот, приведены требования, которые должны предъявляться к таким машинам в указанных условиях, в том числе их способность эффективно передвигаться не только по деятельному слою (по трясине), но и во внедорожных условиях (на подступах к болотам) и по открытым водным участкам (по водным окнам в мочажинах и по небольшим озерам). На основании критического анализа критериев оценки проходимости болотоходных машин приведена структура понятия проходимости болотоходного шагающего движителя при его передвижении по неосушенному торфяному болоту, включающая основные свойства и показатели проходимости.
В соответствии с указанной структурой при изучении и оценке проходимости болотоходных шагающих машин целесообразно в совокупности рассматривать их опорные и тягово-сцепные свойства, поворотливость, способность в преодолении пре-
Petrov А.A.
Petrov Alexander A., designer and inventor of mire-walking technological machines, freelance researcher at the Chair of Technological Machines and Equipment of the Tver State Technical University, Tver, Akademi-cheskaya, 12, tverotk@mail.ru
Zyuzin B.F.
Zyuzin Boris F., Dr. Sc., Prof., Head of the Chair of Technological Machines and Equipment of the Tver State Technical University, Tver, Akademicheskaya, 12, zbfru@yandex.ru
PROPERTIES AND INDICATORS OF PATENCY OF MIRE-WALKING MACHINES WHEN MOVING THROUGH THE UNDRIED PEAT MIRES
Abstract. The article reflects the problem of creating high-passable mire-walking machines for their use in conditions of undried peat mires, the requirements that should be imposed on such machines in these conditions, including their ability to move efficiently not only through the active layer (through the quagmire), but also in off-road conditions (on the approaches to mire) are given and on open water areas (on water windows in holes and on small lakes). On the basis of a critical analysis of the criteria for assessing the patency of mire-walking machines, the structure of the concept of patency of a mire-walking mover when it moves through an undrined peat mire, including the main properties and indicators of patency, is introduced. In accordance with this structure, when studying and evaluating the patency of mire-walking machines, it is advisable to collectively consider their supporting and traction properties, agility, ability to overcome obstacles, as well as buoyancy and stability. At the same time, the most important properties of buoyancy and stability and their evaluation indicators are described in the most detail, as well as the calculation methodology and
пятствий, а также плавучесть и остойчивость. При этом наиболее подробно изложены, как наиболее важные, свойства плавучести и остойчивости и показатели их оценки, а также приведена методика расчета и расчет поперечной остойчивости шагающего болотохода.
calculation of the transverse stability of a floating mire walker are given.
Ключевые слова: болотоходная шагающая машина, шагающий болотоход, неосушенное торфяное болото, оценка проходимости машин, структура понятия проходимости, свойства проходимости, показатели проходимости, плавучесть, остойчивость.
Keywords: mire-walking machine, undrilled peat mire, assessment of the patency of machines, the structure of the concept of patency, patency properties, patency indicators, buoyancy, stability.
Проблема разработки болотоходных машин
Рассмотрение геоботанических и стратиграфических особенностей торфяных болот показывает, что они в большинстве своем являются болотами верхового типа.
При этом значительная их территория, особенно в Западной Сибири, занята сильнообвод-ненными и труднопроходимыми грядово-озер-ными и грядово-мочажинными комплексами.
Из характеристики болот, изучением которых занимались ученые С.Н. Тюремнов, И.Ф. Ларгин, Л.С. Амарян, Е.Т. Базин и многие другие, следует, что грядово-озерный комплекс состоит из гряд, которые чередуются с озерами.
Озера имеют ширину 5-10 м и более, а длину - несколько десятков метров.
А для грядово-мочажинного комплекса кроме высокой влажности торфяной залежи характерен сильно расчлененный рельеф, состоящий из удлиненных гряд (бугров) и разделенных ими вытянутых мочажин (межбугровых понижений).
В соответствии с макроструктурной схемой профессора Л.С. Амаряна наиболее сложными по проходимости являются сильнообводнен-ные торфяные залежи I и II типов [1].
Представителями торфяной залежи I типа являются задернованные озера или сплавины, деятельный слой которых расположен на водяной линзе или слое сапропеля.
Представителями торфяной залежи II типа являются мочажины, которые на отдельных участках могут быть незаросшими.
Сильнообводненные торфяные болота имеют слабую несущую способность, высокую влажность (96% и более) и являются непроходимыми для большинства колесных и гусеничных машин, выполненных в болотном исполнении.
Гусеничные и колесные болотоходные машины вязнут и тонут в болотах с указанными выше грядово-мочажинными и грядово-озер-ными комплексами растительности, а вездеходы, которые обладают плавучестью, могут передвигаться по растительному покрову болота, но при его разрушении (прорыве) теряют свою проходимость из-за недостаточного сцепления их движителей с болотной почвой [2].
При разработке высокопроходимых болотоходных машин, в том числе с шагающим движителем, конструкторам следует ориентироваться не только на наиболее распространенные и наиболее сложные по проходимости сильнообводненные торфяные залежи, соответствующие I и II типам в соответствии с макроструктурной схемой профессора Л.С. Амаряна, которые характеризуются наличием деятельного слоя, покоящегося на разжиженном слое торфа, не обладающего заметной связностью, или на слое связанной влагонасыщенной залежи, которая по своим механическим свойствам приближается к грунтовой массе.
Исходя из рассматриваемых условий, конструкторам следует также ориентироваться и на возможность их передвижения по открытым водным участкам.
Исходя из физико-механических свойств сильнообводненной торфяной залежи к бо-лотоходным машинам, в том числе шагающим, наряду с общими требованиями должен предъявляться ряд специфических требований, характеризующих их проходимость, в том числе требования обеспечения плавучести и остойчивости [2].
Таким образом, проблема создания высокопроходимых болотоходных машин, способных эффективно передвигаться и работать на сильнообводненных торфяных болотах и
обладающих свойствами плавучести и остойчивости, не потеряла своей актуальности.
Напротив, она в настоящее время становится более значимой, особенно с началом проведения широких работ по рекультивации неф-тезагрязненной поверхности неосушенных болотных почв, а также с началом широкого освоения труднопроходимых болот, в недрах которых находятся не только значительные запасы торфа, но и крупные запасы нефти и газа.
Критерии оценки проходимости болотоходных машин
Понятие проходимости болотоходных машин связано с оценкой их способности передвигаться и выполнять полезную работу в условиях деформируемого торфяного грунта на заданных скоростях движения.
Вопросы проходимости болотоходных машин с традиционными колесным и гусеничным движителями при их передвижении по осушенной торфяной залежи изложены в многочисленных работах Ф.А. Опейко, С.Г. Солопова, С.С. Корчуно-ва, Л.С. Амаряна, М.В. Мурашова, В.А. Скотникова, М.М. Танклевского и других ученых.
Взаимодействию движителей болотоходных машин с неосушенным торфяным болотом (торфяной залежью) посвящено небольшое количество работ.
Одним из критериев оценки проходимости машин по торфяной залежи невзирая на степень ее осушенности является показатель ее несущей способности, то есть способности выдерживать вертикальные нагрузки от воздействия ходовых устройств.
Иными словами, под несущей способностью торфяной залежи понимают наибольшее давление движителя на грунт РА, при котором еще не происходит его полного провала [3, 4].
Выбор допускаемого давления на грунт определяется прочностью поверхностного слоя залежи. С увеличением давления и деформации возрастает энергия, затрачиваемая на преодоление сопротивления мятию грунта, поэтому выгодно уменьшать давление, увеличивая опорную площадь движителя, насколько это представляется возможным. Экспериментальное определение допускаемого давления на грунт и наблюдения за поведением машин позволили обнаружить, что на несущую способность влияют физико-механические свойства грунта, а также форма и размер опорной части движителя [4].
Профессор А.Д. Далин в качестве показателя для оценки проходимости машин по критерию несущей способности грунта для верховой не-осушенной залежи рекомендует допускаемое давление 10 кПа, для низинной неосушенной залежи - 15 кПа, для верховой осушенной залежи - 20-25 кПа, для низинной осушенной залежи - 25-30 кПа [5].
Однако пользоваться данными А.Д. Далина затруднительно, так как неизвестно, при какой площади опорной поверхности рекомендуемое давление соответствует действительному состоянию грунта.
Профессор С.С. Корчунов, исследуя несущую способность низинной торфяной залежи вдавливанием штампов различной формы, установил, что торф под нагрузкой работает на сжатие и срез. При этом полная осадка залежи происходит после ее среза.
Таким образом, нагрузка на штамп или вес движителя G могут быть выражены формулой:
G = А0 • F + В0 • П,
где А0 - сопротивление торфа сжатию; В0 -сопротивление торфа срезу по периметру штампа; П - периметр штампа; F - площадь штампа.
А предельное значение давления, или несущая способность залежи будет равна:
Ра = А0 + В0 • П / К
Осадка залежи h под опорной поверхностью выражается уравнением:
h = -к • 1п [(1 - Р / (А + В0 • П / F)].
где Р - давление на грунт; к - коэффициент, характеризующий деформируемость торфяной залежи.
Эта зависимость показывает, что вдавливанию штампа противодействуют сопротивления торфа сжатию и среза, а с увеличением отношения периметра штампа к площади несущая способность залежи увеличивается.
Профессор Ф.А. Опейко на основании анализа уравнения С.С. Корчунова подчеркивает высокую точность его опытов, но замечает, что относительная сложность уравнения явилась результатом желания автора охватить опытные точки общим уравнением на всем диапазоне изменения давлений [6].
Усматривая из опытных данных, что при давлении в пределах 0-30 кПа наблюдается пропорциональность давления деформации
грунта, Ф.А. Опейко предложил ограничиться для рабочего участка расчетным уравнением:
_ П Р = Р---Ь, Р
где Р - среднее давление при Пh = К
Для выяснения механического смысла множителя Р Ф.А. Опейко приводит формулы, выражающие зависимость деформации упругого полупространства от среднего сжимающего напряжения под жестким цилиндрическим штампом радиуса R:
1- \12 (2
Ь ----= • Р,
2 ЙЕ' У
откуда: Р =
2Е
К
я(1-ц2) Д'
где Е - модуль Юнга упругого полупространства; ц - коэффициент Пуассона; Q - усилие сжатия штампа.
2 2 яЯ П
Но для круга — —
Я
— ~р ' поэтому
предыдущую формулу для круглого штампа Ф.А. Опейко приводит к виду:
Е П-П
~7г(1-ц2) F '
Таким образом, Р =
п(1 -Ц2) '
На основании проведенных расчетов Ф.А. Опейко установлено, что множитель Р при малых деформациях меняется незначительно, что свидетельствует о высокой точности опытов С.С. Корчунова и дает основание рекомендовать формулу для круглого штампа Р = /(И) также для опорных площадей, отличных от круга, но имеющих одинаковые размеры в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
П
Заменив отношение — для прямоугольника
выражением- 41 • Ь2, Ф.А. Опейко придает рас-
сматриваемой формуле окончательный вид: 4Е к
Р =
где L и Ь - размеры прямоугольного штампа, причем L > Ь.
Предложенное уравнение согласуется с теорией упругого полупространства и содержит
общепринятые характеристики упругости деформируемого тела.
Формула, полученная Ф.А. Опейко, позволяет определить допустимое давление в пределах пропорциональности, если известны допустимая деформация грунта, размеры опорной площади и постоянные Е и ц торфяной залежи.
А.Г. Гинцбург, исследуя распределение опытных точек и сопоставляя явления, сопровождающие осадку штампа, пришел к выводу, что зависимость h = f (Р), предложенную С.С. Корчуновым, можно выразить в виде ломаной прямой линии с точками А и В, которым соответствуют критические давления РА и Рв [7].
Точки А и В указывают не только на количественные, но и на качественные изменения характера деформации.
При давлении РА в коре залежи по периметру штампа появляются видимые трещины. Если Р < РА, то допускается многократное движение машины по следу.
При давлении РВ штамп тонет, а при значениях РА < Р < РВ при прохождении машины в залежи появляется глубокий неисчезающий след, по которому повторное движение недопустимо.
Давление РА называют пределом длительной несущей способности, а РВ - пределом временной несущей способности.
При определении давлений РА и РВ можно пользоваться эмпирическими формулами:
П
П
РА = 0,4 + 3,75 -; РВ = 0,4 + 9 -, И Р
где давление измеряется в [кг/см2], периметр штампа в [см], а его площадь в [см2].
Чтобы обеспечить гарантированную проходимость торфяных машин по торфяной залежи, максимально допустимые давления принимают на 25-30% меньше предела длительной несущей способности, т. е.:
И = (5 +
Осадка штампа (Ц может быть вычислена по формуле
Р
где к - коэффициент упругости залежи, зависящий от площади штампа.
Для залежи эксплуатационной влажности величину коэффициента упругости принимают равной:
6,8
к = —¡=, кг/см3. л/И
Однако для учета разнообразия торфяных залежей и изменения их прочности, например, в процессе осушения, необходимо определять коэффициенты, учитывающие механические свойства залежи в каждом конкретном случае.
Для оценки проходимости движителей по заболоченной местности Л.Н. Павловым под руководством Л.С. Амаряна при исследовании торфов слабой, средней и сильной степеней разложения, а также заторфованных грунтов в районе г. Нижневартовска Тюменской области получены следующие эмпирические зависимости по определению первой РА и второй РВ критических нагрузок [8].
Первая критическая нагрузка для всех исследуемых торфяных грунтов:
П
РА=АЧ1.я + ВТ1 Т.-.
и
Вторая критическая нагрузка для торфа слаборазложившегося и среднеразложивше-гося:
П
Рв = АЧ2Я + Вт2т.—.
Вторая критическая нагрузка для торфа сильноразложившегося и для заторфованных грунтов:
П
Рв1 = АЧ2 • Я + ВТ2 • т . - + Т.
В этих зависимостях коэффициент Аq представляет собой отношение сопротивления торфа сжатию под штампом к сопротивлению грунта погружению конуса зонда; Вт - отношение сопротивления торфа срезу по периметру штампа к сопротивлению вращательному срезу по крыльчатке; ^ - средневзвешенное значение сопротивления грунта погружению конуса зонда по глубине залежи; т - средневзвешенное значение сопротивления грунта вращательному срезу по глубине залежи; П -периметр штампа; F - площадь штампа.
Влажность грунтов, изучаемых Л.Н. Павловым, колебалась в пределах от 280 до 1400%, сопротивление погружению конуса - от 40 до
500 кПа, предельное сопротивление грунта сдвигу - от 3 до 40 кПа.
Приведенные выше зависимости, по мнению Л.Н. Павлова, позволяют обоснованно оценивать проходимость техники по заболоченной местности с учетом коэффициентов \1, Аq2, Вт1т и ВТ2 (табл. 1).
Таблица 1. Коэффициенты, входящие в эмпирические зависимости Л.Н. Павлова
Table 1. Coefficients included in the empirical dependences of L.N. Pavlov
Грунт Aq1 Aq2 Вт1 Вт2
Слаборазложившийся торф 0,05 0,12 12 35
Среднеразложившийся торф 0,10 0,18 10 30
Сильноразложившийся торф и заторфованный грунт 0,15 0,20 8 10
Следует отметить, что коэффициенты Ач1, ач2, ВТ1 и Вт2 даны вне зависимости от влажности, хотя ее величина оказывает влияние на проходимость машин.
Кроме того, формулы Л.Н. Павлова не учитывают плавучесть деятельного слоя и выталкивающую силу воды, действующую на штамп.
Созданные Л.С. Амаряном портативные приборы типа СК позволили провести широкие исследования прочностных свойств торфяных залежей в естественном залегании [1].
При этом для оценки проходимости машин Л.С. Амаряном предложена такая классификация прочностных свойств торфяной залежи, в основу которой положена величина сопротивления сдвигу.
Для предварительной оценки проходимости машин торфяная залежь разбита Л.С. Амаряном на следующие интервалы:
- т = 2-6 кПа - непроходимая залежь;
- т = 6-8 кПа - малопроходимая залежь;
- т = 8-12 кПа - проходимая залежь;
- т > 12 кПа - устойчивая залежь.
Приведенные значения величины сопротивления сдвигу т относятся ко всей торфяной залежи, а не к ее верхнему слою, от прочности которого в значительной степени зависит проходимость машин.
Понятие «проходимость машины» является довольно широким.
Многие авторы считают недостаточным оценивать проходимость машин только одним допускаемым давлением.
В самом деле, на сильнодеформируемых грунтах с увеличением осадки давление движителя на грунт для колесного хода снижается, а проходимость, между тем, ухудшается, что является своего рода парадоксом.
Определенный интерес в связи с этим представляет методика сравнительного анализа ходовых устройств по условиям проходимости, разработанная М.М. Танклевским [9].
По этой методике устанавливается ряд основных требований к проходимости, которым должен удовлетворять движитель.
По условной шкале оценивается степень удовлетворения каждого требования движителю и находится обобщенный критерий совершенства Кс по определенной формуле.
Чем ниже величина Кс, тем более пригоден движитель для конкретного класса машин.
Однако значительное несоответствие движителя хотя бы одному из оценочных признаков сводит на нет его другие достоинства, определяемые остальными показателями, что означает непригодность движителя для данных условий.
Развивая дальше вопросы теории проходимости, С.С. Корчунов, О.Н. Абакумов и В.Г. Се-леннов предложили комплексный показатель оценки проходимости движителей на торфяной залежи (П0) [10]:
П0 = ^ПН.С.-ПСЦПХ =
где Пнс. - показатель проходимости по несущей способности залежи; Псц - показатель проходимости по сцеплению движителя с основанием; Пх - показатель проходимости по установленной мощности двигателя; Р' - среднее давление под опорной поверхностью; Р0 - несущая способность (допускаемое давление); Рп - сила сопротивления передвижению; Рсц - сила сцепления движителя с основанием; N - мощность, затрачиваемая на передвижение; N - установленная для передвижения мощность.
На основании вышеприведенной формулы, характеризующей комплексный показатель проходимости, под понятием «проходимость» для болотоходной гусеничной машины следует понимать возможность ее движения по заданному маршруту, которая обеспечивается, когда: - несущая способность основания превышает среднее давление под опорной поверхностью движителя;
- сцепление движителя с основанием больше сопротивления движению;
- установленная для передвижения мощность превышает ее затраты на движение. Для увеличения комплексного показателя
проходимости П0 надо стремиться к увеличению каждого из входящих в него показателей.
При выполнении двух последних условий проходимость оценивается по несущей способности залежи Пнс..
Категория проходимости в этом случае определяется по величине Пн.с. согласно табличным данным (табл. 2).
Таблица 2. Определение категории проходимости торфяной залежи по ее несущей способности
Table 2. Determination of the category of patency of a peat deposit by its bearing capacity
Величина Пн.с. Категория проходимости
<0,3 Проходимость отсутствует
0,3-0,5 Плохая проходимость
0,5-0,75 Удовлетворительная проходимость
>0,75 Хорошая проходимость
При использовании рассматриваемого метода оценки проходимости движителя определенные сложности представляет определение величины несущей способности торфяной залежи.
Исследуя особенности неосушенной торфяной залежи, А.С. Амарян, И.Ф. Ларгин и Е.Т. Ба-зин предложили ее несущую способность определять по сопротивлению деятельного слоя растяжению, без учета сопротивления сжатию нижележащих слоев грунта [1].
Некоторые исследователи в качестве одного из показателей оценки проходимости выделяют величину буксования движителя.
Из наблюдения за поведением болотоход-ных машин следует, что одни из них имеют относительно низкое давление, но вязнут и тонут в болоте, так как не обладают достаточной плавучестью, другие находятся на плаву, но не могут передвигаться из-за недостаточного сцепления ходовой части с грунтом и высокого буксования, достигающего 100%.
По мнению В.И. Персикова, при оценке проходимости движителей в условиях силь-нообводненной торфяной залежи необходимо учитывать кроме прочностных свойств деятельного слоя еще и взвешивающее воздействие жидкой фазы [11].
Дальнейшее свое развитие эта идея получила у В.К. Кириллова [12].
Исследования В.И. Персикова и В.К. Кириллова показали, что на неосушенной торфяной залежи основными оценочными показателями проходимости для колесного движителя, колеса которого представляют собой арочные шины низкого давления, являются сила сцепления, сила сопротивления передвижению и глубина погружения колес. Колесный движитель на арочных шинах с радиусом колеса Rк при осадке в грунт, равной 1,04 • Rк - 1,2 • Rк, теряет проходимость на неосушенной торфяной залежи из-за полного буксования, так как сопротивление ее передвижению превышает сцепление движителя с грунтом.
Кроме того, в это время происходит нарушение деятельного слоя грунта с образованием трещин и разрывов.
По мнению В.А. Скотникова, при оценке проходимости болотоходной машины рекомендуется определять его опорные и тягово-сцепные свойства, а также оценивать поворотливость и другие свойства [13].
Ю.С. Роффе считает, что проходимость бо-лотоходных машин на неосушенной торфяной залежи не определяется только запасом давления на грунт.
Критерием оценки проходимости должен быть показатель плавучести [14].
Плавучесть болотоходной машины, по мнению Ю.С. Роффе, может быть обеспечена только в том случае, если ее плавучая часть будет заключена непосредственно в движителе, например в гусеницах.
По аналогии с вышеприведенным комплексным показателем П0 по оценке проходимости движителей на торфяной залежи, предложенным С.С. Корчуновым, О.Н. Абакумовым и В.Г. Селенновым [10], В.Н. Александров на основании своих исследований [15] предлагает в условиях сильнообводненной торфяной залежи верхового типа производить оценку проходимости шагающего движителя в соответствии со спецификой его движения по комплексному показателю П'0 по формуле:
п'.=
где А - выталкивающая сила жидкой фазы, действующая на шагающий движитель; Р -сила тяжести шагающего движителя; а - угол скоса средней опоры (конструктивный пара-
метр); Р - угол смещения средней опоры под воздействием поворачивающего момента; а параметры Ып, Ых, Рп, Рсц расшифрованы выше в формуле С.С. Корчунова и др., предложивших свой комплексный показатель проходимости (П0) [10].
Таким образом, в формулу С.С. Корчунова введены параметры Р и А, учитывающие взвешивающее воздействие жидкой фазы, а также угловые величины а, Р, характеризующие способность шагающей машины передвигаться на повороте.
При этом сила сцепления движителя с грунтом Рсц в последней рассматриваемой формуле названа тангенциальной реакцией торфа.
В.Н. Александровым экспериментально установлено, что несущая способность сильнообводненной торфяной залежи влажностью 95% и выше обратно пропорциональна площади деформатора и не зависит от его периметра при предельном напряжении грунта на сдвиг т менее 6 кПа.
При этом в формуле комплексного показателя проходимости П'0 отсутствует показатель проходимости по несущей способности залежи.
А на основании анализа формулы комплексного показателя проходимости П'0 предложена классификация верховой залежи по проходимости для шагающего движителя [15].
Производить оценку проходимости шагающего движителя по комплексному показателю проходимости (П'0) с практической точки зрения достаточно сложно в условиях сильнообводненной торфяной залежи из-за разнородности и изменчивости ее физико-механических свойств, а также из-за сложности вычисления угла смещения средней опоры Р под воздействием поворачивающего момента, который зависит от нормального и касательного напряжения на днищах опор, геометрических размеров опор, коэффициента трения опор относительно грунта, коэффициента смещения центра поворота, определяемого по методике Н.А. Забавникова для гусеничных движителей, а также максимальной осадки опор в грунт и дорожного просвета [15].
При этом дорожный просвет переносимых опор не постоянен, а постепенно уменьшается от их носовой части к хвостовой (кормовой).
Анализ литературы показал отсутствие единого мнения относительно выбора пока-
зателя для оценки проходимости болотоход-ных машин с гусеничным, колесным и другими типами движителей, предназначенными для передвижения по неосушенной, а тем более сильнообводненной торфяной залежи, что обусловлено разнообразием конструкции их ходовой части и различными условиями эксплуатации.
Все приведенные выше основные критерии имеют право на существование, и их можно использовать с теоретической точки зрения для анализа и оценки проходимости болотоходных машин с конкретным типом движителя и в конкретных условиях.
Структура понятия проходимости болотоходной шагающей машины
Для обеспечения проходимости болотоход-ные шагающие машины должны успешно передвигаться не только по деятельному слою (по болотной трясине), но и на подступах к болоту во внедорожных условиях, преодолевая встречаемые на пути препятствия, а также по открытой водной поверхности сильнообвод-ненного торфяного грунта.
Поэтому понятие проходимости болотоходных шагающих машин необходимо рассматривать как комплексное понятие, характеризующее их подвижность и эффективность использования в условиях неосушенных торфяных болот.
В структуру понятия проходимости болотоходных шагающих машин должны входить как общие свойства и показатели, рекомендуемые для оценки проходимости колесных и гусеничных машин, так и специфические, которые учитывают особенности проходимости нетрадиционного шагающего движителя в рассматриваемых условиях.
В соответствии с вышеизложенным при изучении проходимости болотоходных шагающих машин и оценке их проходимости целесообразно рассматривать их опорные и тягово-сцепные свойства, поворотливость, способность в преодолении препятствий, а также плавучесть и остойчивость.
При этом для эффективной и надежной работы болотоходной шагающей машины в условиях жидкого торфяного грунта, свойства которого близки к свойствам воды, два последние показателя (плавучесть и остойчивость) являются наиболее важными.
Основные свойства и показатели проходимости болотоходной шагающей машины, или
болотоходного шагающего движителя, могут быть представлены схематично (рис. 1).
Опорные свойства характеризуют несущую способность грунта в основании движителя и определяются средним и максимальным давлениями шагающих опор на грунт Р0 и Ртах, коэффициентом смещения центра давления V, размерами и формой опорной части движителя, максимальной осадкой опор hmax, периодом взаимодействия движителя с грунтом и другими показателями.
Указанные показатели опорных свойств Р0, Ртах, V, а также коэффициент упругости ку характеризующий деформационные свойства (жесткость) грунта, определяют максимальную осадку движителя hmax - обобщенный показатель рассмотренных свойств.
Причем коэффициент смещения центра давления V характеризует распределение давлений опор на грунт и осадку опор в грунт.
Чем меньше V, тем равномернее при прочих равных условиях эпюра давлений под опорой (под опорами).
При прямоугольной эпюре давлений центр давления болотоходной шагающей машины располагается посередине опоры (опор), то есть смещение центра давления равно нулю. Изменяя положение центра давления, можно регулировать величину осадки и сопротивление движению машины от минимального значения до наибольшего при одном и том же среднем давлении.
При этом значение коэффициента упругости ку, служащего для расчета давлений под опорами Р0 и Ртах, осадки опор в грунт h и других показателей проходимости, приведено в литературе [16, 17].
А из зависимости времени взаимодействия опор с грунтом от теоретической скорости движения шагающего болотохода Wт следует, что при его рабочей скорости, например, 1,35 км/ч, или 0,376 м/с, средняя опора или сдвоенные боковые опоры взаимодействуют с грунтом всего лишь 5 секунд (рис. 2).
При увеличении скорости движения шагающей машины время взаимодействия опоры с грунтом становится еще меньше. Из-за малого времени взаимодействия опор с грунтом в процессе шагания влиянием величины на осадку h можно пренебречь.
Опорные свойства болотоходной шагающей машины в той или иной степени влияют на тягово-сцепные свойства и другие свойства проходимости.
Рис. 1. Основные параметры проходимости болотоходного шагающего движителя (свойства и показатели) в условиях сильнообводненного торфяного болота: Р0 и Pmax - среднее и максимальное давления шагающих опор на грунт; v - коэффициент смещения центра давления; t^ - время взаимодействия движителя с грунтом; hmax - максимальная осадка опор в грунт; Тк max - максимальное тяговое усилие; ц.сц - коэффициент сцепления движителя с грунтом; б - коэффициент буксования; Н - высота подъема опоры в ее задней части (клиренс); Но - высота подъема опоры в ее передней части; R - радиус проходимости вдоль выпуклого цилиндрического препятствия; R1 - радиус проходимости вдоль вогнутого цилиндрического препятствия; R„ - наименьший радиус поворота; кп - относительный запас плавучести (коэффициент запаса плавучести); b - метацентрический радиус (метацентрическая высота); А - эксцентриситет
Fig. 1. The main parameters of the patency of a mire-walking mover (properties and indicators) in conditions of a heavily watered peat bog: P0 and Pmax - average and maximum pressure of walking supports on the ground; v is the coefficient of displacement of the center of pressure; t^ - the time of interaction of the mover with the ground; hmax - the maximum draft of the supports into the ground; Тк max - the maximum traction force; ц.сц - the coefficient of adhesion of the mover with the ground; б - the coefficient skidding; H - the height of lifting the support in its rear part (clearance); Но - the height of lifting the support in its front part; R - the radius of patency along convex cylindrical obstacle; R1 - the radius of patency along the concave cylindrical obstacle; R„ - the smallest turning radius; кп - relative buoyancy margin (buoyancy margin coefficient); b - metacentric radius (metacentric height); А - eccentricity
Обоснование рациональной формы опор шагающей болотоходной машины приведено в литературе [18, 19].
Тягово-сцепные свойства болотоходной шагающей машины оцениваются ее максимальным тяговым усилием Тк max, а также коэффициентами сцепления цсц и буксования б. Экспериментальные исследования тягово-сцепных свойств натурного образца шагающего болотохода в условиях неосушенной торфяной залежи верхового типа проведены с использованием метода тензометрии.
В результате тензометрических исследований получена серия осциллограмм с записью параметров машины без нагрузки и с нагрузкой на крюке, а также при полном буксовании.
Для шагающего болотохода получены зависимости коэффициента буксования б от скорости передвижения Шт и тягового усилия на крюке Тк, а также зависимость коэффициента сцепления ц.сц от осадки h, которые аппроксимированы с помощью метода наименьших квадратов соответствующими эмпирическими формулами [20-22].
О 10,5 1,0
Рис. 2. Зависимость времени взаимодействия шагающей опоры (опор) с грунтом t^ от теоретической скорости движения шагающего болотохода Шт
Fig. 2. Dependence of the interaction time
of the walking support (supports) with the ground t^
on the theoretical speed of the mire walker Шт
Эти формулы могут быть использованы в расчетах при определении силы сцепления неподвижной опоры с грунтом Тсц.н., силы сопротивления передвижению переносимой опоры Тс.п. и тягового усилия Тк на крюке.
Также установлено, что применение активных грунтозацепов с их автоматическим управлением значительно повышает тягово-сцепные свойства болотоходной шагающей машины, особенно в условиях сильнообвод-ненного торфяного болота [23].
Под проходимостью болотоходной шагающей машины по препятствиям следует понимать ее способность преодолевать встречаемые на пути неровности рельефа и древесную растительность при передвижении по болоту и во внедорожных условиях (на подступах к болоту). Преодоление препятствий шагающей машиной характеризуется ее способностью передвигаться во внедорожных условиях без создания «бульдозерного эффекта». Проходимость болотоходной шагающей машины по препятствиям зависит как от конструкции ее движителя, так и от характера препятствий, их размеров, формы и расположения. На способность преодолевать те или иные препятствия влияют такие конструктивные параметры шагающей машины, как высота подъема ее опоры в передней (носовой) части Но, высота подъема опоры в ее задней части Н (клиренс), радиус проходимости вдоль выпуклого цилиндрического препятствия R, радиус проходимости вдоль вогнутого цилиндрического препятствия R1 и ряд других параметров.
Результаты исследования основных свойств проходимости болотоходной шагающей машины по препятствиям и оценка проходимости по препятствиям приведены в литературе [24].
Поворотливость болотоходной шагающей машины - это ее способность изменять направление движения и описывать своими шагающими опорами при повороте траектории заданной кривизны (способность двигаться по криволинейному пути).
При повороте шагающая машина одновременно вращается вокруг своей вертикальной оси и движется по криволинейной траектории. Поворотливость оценивается наименьшим радиусом поворота Rп, при котором не происходит потери проходимости машины из-за существенного ухудшения тягово-сцеп-ных свойств при повышенном буксовании. На поворотливость шагающей машины ока-
зывают влияние геометрические параметры ее опорной части, тяговое усилие на его крюке и другие нагрузки от рабочего оборудования, а также физико-механические свойства торфяной залежи.
Например, чем выше влажность залежи и ниже ее прочность, тем больше осадка опор в грунт, тем больше сопротивление повороту опор со стороны грунта и тем больше радиус поворота Rп.
Минимальный радиус поворота Rп болотоходной шагающей машины для сильнообвод-ненной торфяной залежи верхового типа можно определять по теоретической формуле [15]:
Rn =
L (l - 0,5 • 5)
_ . ,2 а - ß ' 2 Sin(—j-^)
где L - длина шага опоры.
Однако данная формула сложна для ее применения в практических расчетах из-за сложности определения угла смещения средней опоры ß, о котором было сказано выше при рассмотрении показателя проходимости шагающего движителя П'0.
Поэтому с практической точки зрения для приближенной оценки поворотливости болотоходной шагающей машины на неосушен-ной торфяной залежи с прочностью грунта на сдвиг 6 кПа и более при относительно малой величине буксования 8 рекомендуется применение упрощенной формулы [25]:
1 а Rn = -L-Ctg-,
а при наличии буксования 8, которое возникает, например, за счет появления нагрузки на крюке, можно производить оценку поворотливости по формуле:
1 (100-6) а Rn = -L- --- Ctg-.
4 100 6 2
Исследованиями также установлено, что поворотливость болотоходной шагающей машины значительно возрастает, если в ее конструкции применить автоматическое устройство управления процессом поворота [26, 27].
Как было отмечено выше, болотоходные шагающие машины должны удовлетворять требованиям хорошей поворотливости, способности в преодолении встречаемых на пути препятствий и обладать высокими тягово-сцепными свойствами.
В условиях сильнообводненных торфяных болот такие машины наряду с прочими требованиями должны удовлетворять требованиям плавучести и остойчивости, что имеет особенно важное значение в рассматриваемых условиях [2].
Однако до появления в технике болотоход-ных машин, обладающих свойством плавучести, их создателями уделялось мало внимания рассмотрению этого свойства, а также рассмотрению свойства остойчивости.
Плавучесть болотоходной шагающей машины
Плавучесть болотоходной шагающей машины - это ее способность держаться на воде (плавать) при заданной нагрузке.
Плавучесть должна сохраняться и при на-гружении машины.
Болотоходная шагающая машина в спокойном состоянии находится на воде в равновесии под действием двух сил: силы веса, направленной вертикально вниз, и силы давления воды на ее подводную часть, а именно на среднюю и боковые шагающие опоры. Сила давления направлена вертикально вверх.
Сила давления на подводную часть шагающей машины называется силой плавучести.
В соответствии с законом Архимеда сила плавучести, действующая на машину, равна весу воды, вытесненной ее шагающими опорами.
При рассмотрении плавучести шагающего болотохода к нему применимы основные понятия из теории плавания (рис. 3).
К ним относятся:
плоскость плавания - плоскость свободной поверхности жидкости, пересекающая шагающие опоры;
ватерлиния - линия пересечения плоскости плавания и поверхности шагающих опор; осадка h - глубина погружения низшей точки шагающих опор, то есть расстояние самой углубленной точки подводной части шагающих опор от поверхности воды; водоизмещение - вес воды, вытесненный опорами;
центр водоизмещения т. D - центр тяжести водоизмещения, через который проходит линия действия выталкивающей силы А; ось плавания ОО1 - линия, проходящая через центр тяжести шагающего болотохода т. С и через центр водоизмещения т. D при равновесии машины. Для сохранения равновесия ось плавления ОО1 должна находиться в вертикальном положении; диаметральная плоскость - вертикальная продольная плоскость шагающего болотохода, представляющая собой плоскость его симметрии. Эта плоскость проходит через всю длину средней опоры и делит шагающий болотоход на две симметричные части;
длина по ватерлинии - расстояние между точками пересечения переднего и заднего торцов шагающих опор с плоскостью воды, измеряемое в диаметральной плоскости; ширина по ватерлинии - расстояние между крайними точками опор (без учета выступающих частей), измеренное перпендикулярно диаметральной плоскости.
в плавающем положении
Fig. 3. Left and front views of a mire walker. The equilibrium condition of a walking machine in a floating position
Плавучесть шагающей болотоходной машины определяется неравенством < А, где - суммарная сила тяжести машины с учетом дополнительной нагрузки.
При плавании в погруженном состоянии Ж = А.
Зная осадку шагающего болотохода ^ нетрудно определить объем части его опор, погруженных в воду V, измеряемый в м3.
В общих случаях выталкивающая сила (А), которую удобно измерять в ньютонах, может быть вычислена через объем Vh части шагающих опор, погруженных в воду, по формуле:
А = Vh • р • & [Н],
где р - плотность воды, измеряемая в кг/м3, приблизительно равная 1000 кг/м3; & - ускорение свободного падения, равное 9,81 Н/кг.
Выполнив дополнительные расчеты, можно определить, будет ли болотоходная шагающая машина плавать или станет тонуть.
Для этого нужно найти выталкивающую силу, действующую на машину, опоры которой полностью погружены в воду.
А затем найти силу тяжести машины по формуле: Р = т • & [Н], где т - масса машины, кг.
Если выталкивающая сила окажется больше силы тяжести, то шагающий болотоход будет плавать.
Если же сила тяжести больше выталкивающей силы, то машина будет тонуть.
Если рассматриваемые силы будут равны, то болотоходная шагающая машина будет обладать так называемой «нейтральной плавучестью».
Водоизмещение является мерой плавучести машины и одной из ее основных технических характеристик.
В то же время водоизмещение не полностью характеризует плавучесть машины и безопасность плавания.
Главную роль для сохранения плавучести при нагрузке играет высота надводной части шагающих опор.
Если машину полностью загрузить каким-либо грузом, то она сядет в воду глубже, и ее водоизмещение станет больше.
Разница между весовыми водоизмещения-ми груженой и порожней машины является ее грузоподъемностью.
Для обеспечения безопасного движения по сильнообводненной торфяной залежи с мочажинами и открытыми водяными линзами в них, а также по открытым водным преградам в
виде карьеров и озер болотоходная шагающая машина должна обладать определенной потенциальной плавучестью, то есть запасом плавучести, который характеризуется величиной непроницаемого для воды объема опор, расположенного выше действующей ватерлинии.
Запасом плавучести можно считать то количество грузов, которое машина может принять на себя сверх уже находящегося на ней груза до полной потери плавучести.
Запас плавучести болотоходной шагающей машины может быть выражен в процентах от ее водоизмещения с полным грузом.
Такой запас плавучести является относительным.
Обозначим надводный объем шагающих опор через Vн.
Тогда относительный запас плавучести кп выразится отношением:
Ун
кп = у 100,
где V - полный объем шагающих опор, то есть объем опор при полном их погружении в воду.
Относительный запас плавучести кп является коэффициентом запаса плавучести и критерием оценки плавучести.
По этому показателю можно сравнивать между собой величину плавучести различных болотоходных машин.
По приведенной выше формуле выполнялся расчет запаса плавучести шагающих болотоходов без учета перевозимого на них груза. При таком расчете запас плавучести составлял от 33 до 40%. Понятно, что относительный запас плавучести шагающих болотоходов с учетом находящихся на них грузов будет меньше.
Достаточный запас плавучести в процессе проектирования достигается рядом конструктивных мероприятий, к числу которых относится обеспечение необходимой высоты надводного борта. Высоту надводного борта болотоходной шагающей машины также можно принять в качестве измерителя запаса плавучести.
Испытание шагающих болотоходов БШ-1 и БТ-1 на плавучесть проводилось в Тверской области на торфяных карьерах торфяного месторождения Галицкий Мох, а болотоходов БШМ и БШМ-1 - на торфяном озере (рис. 4) и в противопожарном канале (рис. 5) вблизи тор-фопредприятия «Емельяновское».
Передвижение шагающих болотоходов по воде осуществлялось за счет взаимодействия
Рис. 4. Испытание шагающего болотохода БШМ-1 на плавучесть в Тверской области вблизи торфопредприятия «Емельяновское» на торфяном озере глубиной 2,5-3 м
Fig. 4. Test of the mire walker БШМ-1 for buoyancy in the Tver Region near the peat enterprise "Yemelyanovskoye" on a peat lake with a depth of 2,5-3 m
Рис. 5. Испытание шагающего болотохода БШМ на плавучесть в противопожарном канале: а - движение машины по воде за счет использования активных грунтозацепов; б - движение машины по воде за счет работы фрезы, используемой в качестве водяного движителя
Fig. 5. Testing of a walking mire walker БШМ for buoyancy in a fire-fighting channel: a - movement of the machine through the water due to the use of active ground hooks; b - the movement of the machine through the water due to the operation of the milling cutter used as a water mover
с ней его шагающих опор, оснащенных активными грунтозацепами.
При использовании активных грунтозацепов шагающий болотоход передвигался по
воде со скоростью 0,5 км/час, что было вполне достаточно для преодоления водных преград.
Экстремальные испытания шагающего болотохода БШМ и болотоходов других модифи-
каций проводились в их плавающих положениях в противопожарном канале глубиной до 3 м.
Болотоходы передвигались по воде с помощью активных грунтозацепов со скоростью около 0,5 км/час, а с использованием фрезы для рекультивации болотной почвы, применяемой в качестве водяного движителя, - со скоростью 1 км/час и выше.
Болотоходы всех модификаций, включая БШМ и БШМ-1, для повышения плавучести и боковой остойчивости на воде в условиях топких болот были оснащены двумя съемными понтонами (модулями плавучести, или «поплавками»), правым и левым, которые присоединены соответственно к правой и левой боковым опорам.
При испытаниях осадка болотоходов БШ-1 и БШ-2, находящихся на плаву, при среднем положении опор составляла 0,55 м и 0,6 м при конструктивной высоте опор соответственно 0,9 м и 1,0 м.
Исходя из практического опыта применения болотоходных шагающих машин с высотой бортов 0,9-1,0 м, можно утверждать, что для обеспечения достаточной плавучести необходимо иметь высоту надводной части опор 0,3-0,4 м.
Остойчивость болотоходной шагающей машины
Остойчивость, как было отмечено выше, одно из важнейших качеств проходимости болотоходной шагающей машины при ее передвижении по сильнообводненному торфяному болоту, свойства которого близки к свойствам воды.
Под остойчивостью болотоходной шагающей машины как плавучего средства следует понимать ее способность противостоять внешним силам, вызывающим дифферент или крен (поперечный дифферент), и возвращаться в состояние равновесия по окончании возмущающего воздействия.
А равновесием считается положение машины на сильнообводненном болоте или на воде с допустимыми величинами углов дифферента и крена (в частном случае, близкими к нулю).
Болотоходная шагающая машина, отклоненная от положения равновесия, стремится вернуться к равновесию.
То есть остойчивость машины проявляется только тогда, когда появляются условия для ее выведения из равновесия.
Остойчивость бывает статическая и динамическая. В связи с тем что шагающая машина
не является речным судном, а передвигается по воде лишь для преодоления водной преграды с относительно малой скоростью, при ее расчетах будет достаточным рассматривать только статическую остойчивость.
Если расчетная ватерлиния в продольном направлении не параллельна действительной, то болотоходная шагающая машина имеет дифферент на один край (передний или задний).
Дифферент является следствием неверного расчета машины или неправильного распределения грузов по ее длине.
Особенность шагающей машины состоит в том, что при ее передвижении центры тяжести рамы и опор, а стало быть, и общий центр тяжести, изменяют свое положение. В результате смещения центра тяжести при передвижении по неосушенной торфяной залежи или по воде машина будет иметь небольшой дифферент, изменяющийся по величине в процессе движения.
Определение дифферента и крена шагающего болотохода БТ-1 производилось на неосушенной торфяной залежи прочностью грунта на сдвиг т = 6 кПа и на чистой воде в торфяном карьере глубиной около 4 м [28], а болотоходов более поздней модификации БШМ и БШМ-1 -на торфяном озере.
Измерения дифферента и крена шагающего болотохода БТ-1 производились в пяти положениях переднего катка рамы относительно передней направляющей опоры.
Перемещению катка от первого до пятого положения соответствовало перемещение опоры на величину одного шага. В первом и пятом крайних положениях катка болотоход опирался одновременно на все три опоры. Максимальная величина дифферента болотохода БТ-1 на воде составила 58' ~ 1°, а на неосушенной торфяной залежи 1'57'' (наклон вперед).
Незначительная величина дифферента свидетельствует о рациональном положении центра тяжести шагающей машины, который был рассчитан еще на стадии ее проектирования.
Максимальная величина крена шагающего болотохода БТ-1 на воде составила 25' (наклон влево), а на неосушенной торфяной залежи всего лишь 53'' (наклон влево).
Величина крена на воде близка к 0°, что свидетельствует о симметричности конструкции машины относительно диаметральной плоскости.
Длина опорной части шагающего болотохода примерно в 2 раза больше ее ширины,
поэтому в продольном направлении шагающий болотоход имеет высокую остойчивость, значительно большую, чем в поперечном направлении.
В связи с этим в дальнейшем целесообразно рассматривать не продольную, а поперечную статическую остойчивость шагающей болото-ходной машины.
Поперечная остойчивость шагающего болотохода - это его способность противостоять крену в поперечном направлении и возвращаться в нормальное положение по прекращению действия кренящих сил.
У шагающего болотохода при отсутствии киля остойчивость в значительной степени зависит от площади опорной поверхности.
Когда шагающий болотоход стоит на воде при нулевом крене (без крена), он находится в равновесии под действием силы плавучести А и своего веса Р (рис. 3).
Точка приложения силы тяжести Р шагающего болотохода со всеми его частями и грузами находится в центре тяжести т. С, а точка приложения силы плавучести А находится в т. D - в центре тяжести вытесненного опорами объема воды.
Эта точка называется центром водоизмещения или центром давления.
Центр водоизмещения т. D одновременно является точкой приложения всех гидростатических сил, выталкивающих плавающее тело на поверхность. Иначе говоря, это воображаемая точка приложения равнодействующей сил плавучести.
Если грузы на шагающем болотоходе неподвижны и их не перемещают и сам болотоход не перемещается, то при любом положении его опор центр тяжести т. С сохраняет свое положение.
Однако центр водоизмещения т. D при крене перемещается из-за изменения формы подводной части шагающих опор.
Если все грузы на шагающем болотоходе размещены симметрично относительно диаметральной плоскости, то центр тяжести т. С также будет расположен в диаметральной плоскости.
Если шагающий болотоход накренится, то центр водоизмещения т. D переместится по горизонтали в сторону крена в т. D1 вследствие изменения формы подводной части опор, так как одна из боковых опор вытеснит больший объем воды по сравнению с другой боковой опорой (рис. 6).
При крене ось плавания ОО1 повернется относительно центра тяжести т. С, линия действия выталкивающей архимедовой силы (А) пройдет через новый центр водоизмещения D1.
Сила тяжести Р и сила плавучести А уже не будут расположены в одной плоскости и образуют пару сил, стремящуюся возвратить шагающий болотоход в нормальное положение. Остойчивость болотохода в этом случае обеспечена.
Такая остойчивость называется положительной.
Мерой остойчивости шагающего болотохода, как и любого плавсредства, является момент статической остойчивости Мк (рис. 6), который равен произведению весового водоизмещения на плечо остойчивости £0. В свою очередь, плечо остойчивости £0 равно расстоянию между векторами силы веса Р и силы плавучести А.
При угле крена 20-35° остойчивость может достигнуть максимального значения. При дальнейшем увеличении угла крена остойчивость постепенно уменьшается.
Наступает такое положение, когда вектор силы веса Р приходит в одну плоскость с вектором силы плавучести А. В этом случае снова
Рис. 6. Крен шагающего болотохода. Вариант расположения центра тяжести (т. С) ниже центра водоизмещения (т. D): Мк - момент статической остойчивости; 10 - плечо остойчивости
Fig. 6. The roll of a walking swamp walker. A variant of the location of the center of gravity (t. C) below the displacement center (t. D): Мк is the moment of static stability; £0 is the stability shoulder
наступает положение равновесия. Если шагающему болотоходу придать больший крен (угол крена 50-60°), то действие пары сил будет уже стремиться опрокинуть его. Равнодействующие силы веса Р и силы плавучести А образуют момент, стремящийся увеличить угол крена болотохода. Болотоход будет не остойчив. Будет иметь место отрицательная остойчивость.
Остойчивость шагающего болотохода зависит от взаимного положения центра тяжести машины т. С и центра водоизмещения т. D.
Здесь имеют место несколько вариантов.
Первый вариант: центр тяжести т. С находится ниже центра водоизмещения т. D.
При надводном плавании при первом варианте шагающий болотоход будет всегда остойчив, так как возникающий при крене крутящий момент Мк всегда направлен в сторону, противоположную крену.
Второй вариант: центр тяжести т. С расположен выше центра водоизмещения т. D. В данном случае шагающий болотоход может быть остойчивым или неостойчивым, то есть у второго варианта есть два подварианта. Расчеты показывают, что центр тяжести шагающего болотохода лежит выше центра водоизмещения.
В таком случае необходимо выяснить, будет ли машина остойчива на воде или нет.
Перед рассмотрением этих двух подвариан-тов приведем определения некоторых понятий, таких как метацентр (т. М), метацентри-ческий радиус Ь (метацентрическая высота) и эксцентриситет (А), которые следует относить
к основным показателям остойчивости боло-тоходной шагающей машины.
В соответствии с теорией плавания метацентром называют точку пересечения архимедовой силы (А) с осью плавания ООХ, а метацен-трическим радиусом Ь - радиус окружности, частью которой является дуга, по которой центр давления перемещается в метацентр.
При крене шагающего болотохода центр водоизмещения т. D смещается по горизонтали в сторону крена в т. D1, так как одна боковая опора вытесняет больший объем воды, чем другая боковая опора. Тогда линия действия выталкивающей силы (А) пройдет через новый центр водоизмещения т. D1 и пересечется с осью плавания в метацентре т. М.
При этом расстояние от метацентра до нового центра водоизмещения, то есть отрезок МD1, будет являться метацентрическим радиусом Ь, а расстояние от центра масс до центра водоизмещения, то есть отрезок СD1, называют эксцентриситетом А (рис. 7).
При малых углах крена метацентрический радиус Ь = МD1 называют метацентрической высотой.
Условие остойчивости шагающей болото-ходной машины, как и любого плавающего тела, будет состоять в следующем:
- если его метацентрический радиус Ь больше эксцентриситета Д, то есть Ь > Д, то машина остойчива;
- если его метацентрический радиус Ь меньше эксцентриситета Д, то есть Ь < Д, то машина не остойчива.
Рис. 7. Крен шагающего болотохода. Два варианта расположения центра тяжести (т. С) выше центра водоизмещения (т. D): а - болотоходная шагающая машина остойчива (b > Д); б - машина не остойчива (b < Д)
Fig. 7. The roll of a walking swamp walker. Two options for the location of the center of gravity (t. C) above the displacement center (t. D): a - the mire-walking machine is stable (b > Д); b - the machine is not stable (b < Д)
Выше приведена графическая интерпретация условия остойчивости болотоходной шагающей машины (рис. 7), из которой следует, что, если метацентр т. М лежит выше центра масс т. С, то положение машины будет остойчивым, а если ниже - неостойчивым.
При малых углах крена величина метацент-рического радиуса Ь определяется по формуле:
Ь = 1о / V',
где 10 - центральный момент инерции площади плавания относительно продольной оси, заключенной в ватерлинии, [см4]; V' - объем той части шагающих опор, которая погружена в воду [см3].
Методика расчета и пример расчета на поперечную остойчивость
Для примера приведем расчет на поперечную остойчивость реальной шагающей болотоходной машины БШ-2 с ее реальным весом 9540 кг (9 540 000 г) и реальными размерами опор (рис. 8).
В продольном направлении центр тяжести болотохода расположен посередине его опор-
ной поверхности при среднем положении опор, что было достигнуто в процессе проектирования шагающей машины.
Поскольку шагающий болотоход БШ-2 симметричен в поперечном направлении, то его центр тяжести т. С лежит в диаметральной плоскости на оси плавания ОО1.
Высота центра тяжести шагающей машины 20 относительно опорной поверхности при поднятой средней опоре была определена расчетным путем по известной формуле из курса торфяной механики [29]. При поднятой средней опоре относительно боковых опор на 200 мм (20 см) центр тяжести шагающего болотохода т. С расположился на высоте 946 мм.
Высоту ^ в см от днища боковых опор до ватерлинии (осадку боковых опор в воде) легко определить исходя из веса машины и геометрических размеров ее опорной части по закону Архимеда из уравнения: 9 540 000 = 2 • Ь1 • + Ь2(^ - 20^2, или уравнения: 9 540 000 = 2 • Ь1 • h1L1 + Ь2(^ - 20^2, откуда ^ = 63 см, или 630 мм (рис. 8), где: L1 и L2 - длина соответственно боковой и средней опор, причем Ь1 = L2 = 600 см; Ь1 и Ь2 - ширина соответственно
Рис. 8. К расчету шагающего болотохода БШ-2 на поперечную остойчивость Fig. 8. To the calculation of the mire walker БШ-2 for transverse stability
боковой и средней опор; ^ - глубина погружения в воду средней опоры.
Определим для рассматриваемого случая центр водоизмещения Ъ/ из уравнения:
Ъ^ = (2^ • Ъх + V;, • Ъ2) / (2^ + V2),
где Ъх - положение центра водоизмещения боковой опоры; Ъ2 - положение центра водоизмещения средней опоры, V! - объем жидкости, вытесненный одной боковой опорой; V2 - объем жидкости, вытесненный средней опорой.
V! = F1 • L1 = Ь • = 75 см • 63 см • 600 см = 2,835 • 106 см3;
V;; = F2 • L2 = Ь2 •h2L2 = 150 см • 43 см • 600 см = 32,87 • 106 см3.
Положения центров водоизмещения опор прямоугольного сечения Ъх и Ъ2 равны:
Ъх = ^ / 2 = 63 / 2 = 31,5 см;
Ъ2 = h2 / 2 = 43 / 2 = 21,5 см.
Из приведенного выше уравнения центр водоизмещения Ъ/ будет равен:
Ъ0Х = (2 • 2,835 • 106 • 31,5 + 3,87 • 106 • 21,5) / (2 • 2,835 • 106 + 3,87 • 106) = 27,5 см.
В соответствии с расчетами центр водоизмещения (т. D) находится ниже уровня воды на расстоянии 27,5 см.
Центр тяжести (т. С) находится выше уровня воды на расстоянии: 946 - 630 = 316 мм = 31,6 см (рис. 8).
В таком случае эксцентриситет А (расстояние от центра тяжести до центра водоизмещения) будет равен: А = 27,5 + 31,6 = 59,1 см.
Определим метацентрический радиус Ь шагающего болотохода, для чего найдем 10 - центральный момент инерции площади плавания относительно оси поворота.
Поскольку площади плавания боковых опор и средней опоры в упрощенном варианте имеют форму прямоугольников, то: 10 = 2 • (1х + а2 • ^1) + 12, где 1х - момент инерции площади боковой опоры в плоскости плавания относительно своей продольной оси симметрии; - площадь боковой опоры в плоскости плавания; а - расстояние от продольной оси площади боковой опоры в плоскости плавания до оси плавания ООХ; 12 - момент инерции площади плавания средней опоры относительно оси поворота.
= L1 • Ьх3 / 12; 12 = L2 • Ь23 / 12; = L1 • Ьх;
10 = 2 • ^ • Ьх3 / 12 + а2 • L1 • Ьх) + L2 • Ь23 / 12 = = 2(600 • 753 / 12 + 152,52 • 600 • 75) + + 600 • 1503 / 12 = 4160,25 • 106 см4;
V' = (2^ + V2) = (2 • 2,835 • 106 + 3,87 • 106) = = 9,54 • 106 см3;
Ь = 10/^ = 4160,25 • 106 / 9,54 • 106 = 241,5 см.
Из сравнения полученных значений мета-центрического радиуса Ь и эксцентриситета А следует: Ь = 241,5 см > А = 59,1 см.
Таким образом, расчет показал, что условие поперечной остойчивости для данного шагающего болотохода выполнимо. Шагающий болотоход остойчив на воде, несмотря на то что его центр тяжести (т. С) располагается выше центра водоизмещения (т. D).
При этом для сравнения следует отметить, что практически все более-менее остойчивые военные вездеходы проектируются с метацен-трическим радиусом Ь от 100 до 150 см. И чем больше величина Ь, тем выше остойчивость машины.
В процессе движения шагающей машины ее опоры меняются местами.
Средняя опора опускается, а боковые опоры, наоборот, приподнимаются.
Остойчивость болотохода практически не изменится в положении, когда боковые опоры приподняты, например, на те же 200 мм по отношению к средней опоре, так как объем водоизмещения и вес двух боковых опор равен объему водоизмещения и весу средней опоры.
Центр тяжести болотохода при изменении положения опор остается примерно на той же самой высоте, и величина момента инерции площади плавания будет та же, что и в рассмотренном первом положении, когда боковые опоры были опущены, а средняя опора приподнята на 200 мм.
Пути и средства увеличения плавучести и остойчивости
Исходя из условия плавучести следует, что для ее увеличения следует стремиться проектировать такие болотоходные шагающие машины, которые обладают меньшей массой и большим водоизмещением.
Исходя из условия остойчивости следует, что для ее повышения надо стремиться проектировать машины с пониженным расположением центра тяжести.
При этом центр тяжести машины должен располагаться в его диаметральной плоскости.
Поскольку общий центр тяжести шагающего болотохода находится выше центра водоизмещения, то для обеспечения боковой остойчивости необходимо, чтобы метацентрический радиус Ь был больше эксцентриситета А.
При этом необходимо стремиться к уменьшению эксцентриситета и к увеличению мета-центрического радиуса [30].
Уменьшение эксцентриситета А достигается понижением общего центра тяжести машины, а увеличение метацентрического радиуса Ь достигается за счет увеличения центрального момента инерции 10 площади плавания относительно продольной оси, заключенной в ватерлинии, который зависит от размеров опор и расстояния между ними.
Для повышения плавучести и боковой остойчивости шагающего болотохода его необходимо оснащать двумя дополнительными съемными понтонами (поплавками), которые присоединяются снаружи к каждой боковой опоре.
Для повышения боковой остойчивости рекомендуется каждую боковую опору шагающего болотохода в поперечной плоскости выполнить увеличивающейся по высоте по мере удаления от ее внутреннего борта к внешнему с наклоном палубы, параллельным ватерлинии при допускаемом боковом крене [31].
То же касается и конструкции дополнительных съемных понтонов.
Для повышения боковой остойчивости каждый съемный понтон в поперечной плоскости рекомендуется выполнять увеличивающимся по высоте по мере удаления от его внутреннего борта к внешнему борту.
При такой конструкции ходовой части при значительном боковом крене, когда ватерлиния приближается к палубе дополнительного съемного понтона, а тем более к палубе боковой опоры, в работу вступают дополнительные объемы соответствующих понтонов, и появляется дополнительная выталкивающая сила, от которой создается дополнительный восстанавливающий момент от бокового опрокидывания, повышающий боковую остойчивость.
Заключение
Для эффективного передвижения и работы болотоходных машин в условиях неосушенных торфяных болот к их проектированию наряду с требованиями общего характера должны предъявляться следующие специальные требования: - низкое давление опорной части на грунт
(10 кПа и менее) и небольшая осадка, кото-
рые зависят от массы машины, площади ее опорной поверхности и физико-механических свойств грунта;
- высокие тягово-сцепные свойства; определяемые силой сцепления движителя с грунтом, а со стороны грунта - малым лобовым сопротивлением передвижению машины;
- хорошая поворотливость, определяемая минимальным радиусом поворота (10-12 м и менее);
- способность передвигаться не только по неосушенной торфяной залежи, но и при подъезде к ней в различных внедорожных условиях, в том числе способность преодолевать встречаемые на пути препятствия в виде древесной растительности и неровностей рельефа поверхности (бугры, канавы и т. п.);
- плавучесть с определенным относительным запасом плавучести 30-40%, не менее, причем плавучесть машины должна быть обеспечена за счет плавучей части, которая заключена не в ее корпусе, а непосредственно в ходовой части движителя, элементы которой должны быть полностью герметизированы;
- остойчивость, то есть способность возвращаться в состояние равновесия после получения допустимого крена, причем для обеспечения остойчивости ее показатель -метацентрический радиус Ь по величине всегда должен быть больше эксцентриситета А.
На основании критического анализа критериев оценки проходимости болотоходных машин по неосушенной торфяной залежи в статье приведена структура понятия проходимости болотоходного шагающего движителя.
Она включает в себя основные параметры проходимости (свойства и показатели).
К параметрам проходимости отнесены опорные и тягово-сцепные свойства, способность преодоления различных препятствий, поворотливость, плавучесть и остойчивость. Рассмотрены показатели, характеризующие те или иные свойства проходимости болотоходного шагающего движителя.
При этом отмечается, что в условиях силь-нообводненных торфяных болот удовлетворение высокопроходимых болотоходных машин требованиям плавучести и остойчивости имеет особенно важное значение.
При рассмотрении плавучести шагающей болотоходной машины к ней примени-
мы основные понятия из теории плавания, к которым относятся плоскость плавания, ватерлиния, осадка, водоизмещение, центр водоизмещения, ось плавания, диаметральная плоскость, длина и ширина по ватерлинии.
Для обеспечения плавучести шагающей бо-лотоходной машины ее суммарная сила тяжести с учетом дополнительной нагрузки должна быть меньше выталкивающей (архимедовой) силы.
Водоизмещение является мерой плавучести машины и одной из ее основных технических характеристик.
Кроме водоизмещения мерой плавучести, обеспечивающей безопасность плавания, является величина относительного запаса плавучести кп, или коэффициента запаса плавучести, который характеризуется отношением надводного объема шагающих опор Vн к полному их объему V, выраженного в процентах.
Коэффициент запаса плавучести является критерием оценки плавучести.
По коэффициенту запаса плавучести можно сравнивать между собой величину плавучести различных болотоходных машин.
При расчетах шагающего болотохода на плавучесть рекомендуется относительный запас плавучести кп принимать равным 30-40%, не менее.
При этом высоту надводной части опор для шагающего болотохода, из практического опыта, достаточно иметь равной 0,3-0,4 м при высоте опор 0,9-1,0 м.
При рассмотрении остойчивости болото-ходного шагающего движителя к нему применены такие понятия из теории плавания, как центр водоизмещения, метацентр, центр тяжести или центр масс, момент статической остойчивости и др., а также основные показатели остойчивости - метацентрический радиус Ь или метацентрическая высота (при малом крене) и эксцентриситет А.
Остойчивость шагающего болотохода будет зависеть от относительного расположения центра тяжести и центра водоизмещения.
Если центр тяжести находится ниже центра водоизмещения, то шагающая болотоход-ная машина будет всегда остойчива, так как возникающий при крене крутящий момент всегда направлен в сторону, противоположную крену.
Если центр тяжести находится выше центра водоизмещения, то машина может быть остойчивой или неостойчивой.
Расчеты показывают, что центр тяжести шагающего болотохода находится выше центра водоизмещения. В таком случае для обеспечения поперечной остойчивости шагающего болотохода в его статическом положении должно выполняться неравенство Ь > А, то есть метацентрический радиус Ь по величине должен быть больше эксцентриситета А. В качестве примера приведена методика расчета и сам расчет на поперечную остойчивость шагающего болотохода с его реальными размерами и реальным весом.
Выполненные расчеты и испытания показали, что шагающие болотоходы обладают достаточной плавучестью и остойчивостью.
При этом их плавучая часть заключена непосредственно в движителях, в отличие, например, от плавающих гусеничных машин.
Приведены пути и средства увеличения плавучести и остойчивости болотоходных шагающих движителей.
Испытания натурных образцов болотоходных шагающих движителей в условиях неосу-шенных торфяных болот, в том числе в условиях топких болот Западной Сибири, позволили выявить ряд их преимуществ по сравнению с другими типами движителей по проходимости, включая тягово-сцепные свойства, способность в преодолении препятствий во внедорожных условиях, поворотливость, плавучесть и остойчивость [32].
Библиографический список
1. Амарян Л.С. Прочность и деформируемость торфяных грунтов. - М.: Недра, 1969. - 191 с.
2. Кафедра технологических машин и оборудования ТвГТУ: история, достижения, перспективы развития / Б.Ф. Зюзин, Л.В. Ко-пенкина. - Тверь: ТвГТУ 2022. - С. 36-38.
3. Базин Е.Т. Физико-механические свойства торфяных залежей: учеб. пособие. - Калинин: КПИ, 1982. - 84 с.
4. Солопов С.Г. Торфяные машины и комплексы: учеб. пособие для вузов по специальностям «Технология и комплексная механизация разработки торфяных месторождений» и «Торфяные машины и комплексы». - М.: Недра, 1973. - 389 с.
5. Далин А.Д. Фрезер на освоении лугов и болотных земель. - М.: Сельхозгиз, 1938. -148 с.
6. Опейко Ф.А. Колесный и гусеничный ход. -Минск: Изд-во Акад. с.-х. наук БССР, 1960. -228 с.
7. ГинцбургА.Г. Устойчивость вертикального откоса и некоторые общие зависимости механики торфяной залежи: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: МТИ, 1953. - 19 с.
8. ПавловЛ.Н. Оценка проходимости техники по заболоченной местности // Строительство трубопроводов. - 1976. - № 9. - С. 15-16.
9. Танклевский М.М. Теоретические и экспериментальные исследования и метод расчета параметров взаимодействия ходовых устройств торфяных машин с залежью: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - Калинин: КПИ, 1970. - 64 с.
10. Корчунов С.С. О возможности повышения проходимости гусеничных торфяных машин / С.С. Корчунов, О.Н. Абакумов, В.Г. Се-леннов // Труды ВНИИТП. - Л.: ВНИИТП, 1978. - Вып. 40. - С. 60-68.
11. Персиков В.И. Исследование взаимодействия колесного движителя на арочных шинах с неосушенной торфяной залежью верхового типа: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Калинин: КПИ, 1974. - 180 с.
12. Кириллов В.К. Исследование и расчет предельных условий передвижения колесного движителя по сильнообводненной торфяной залежи верхового типа: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Калинин: КПИ, 1986. -166 с.
13. Скотников В.А. Проходимость машин. -Минск: Наука и техника, 1982. - 328 с.
14. Роффе Ю.С. Одноковшовый понтонно-гусе-ничный экскаватор // Дорожные и строительные машины. - 1962. - № 12. - С. 1-3.
15. Александров В.Н. Обоснование параметров проходимости шагающего движителя по сильнообводненной торфяной залежи верхового типа: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Калинин: КПИ, 1999. -20 с.
16. Деформационные свойства неосушенной торфяной залежи / В.Ф. Синицын, А.А. Петров, Л.Ф. Коровицын // Торфяная промышленность. - 1986. - № 4. - С. 15-16.
17. Исследование деформационных свойств неосушенной торфяной залежи методом статистического моделирования / В.Ф. Синицын, Н.В. Герцева, А.А. Петров,
В.Б.Тулупов // Торфяная промышленность. - 1988. - № 4. - С. 12-13.
18. Обоснование формы опор шагающего болотохода / А.А Петров, Л.Ф. Коровицын. -Калинин: КПИ, 1983. - 8 с. - Рукопись деп. в ЦБНТИ МТП РСФСР 13.07.83 г., № 4, тп -Д 83.
19. О величине зазора между опорами шагающего болотохода / А.А. Петров, Л.Ф. Коровицын // Технология и комплексная механизация торфяного производства. -Калинин: КГУ 1983. - С. 75-79.
20. Петров А.А., Коровицын Л.Ф. Определение коэффициента буксования шагающего движителя // Торфяная промышленность. - 1987. - № 9. - С. 19-20.
21. Коровицын Л.Ф., Петров А.А. Проходимость шагающего болотохода // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -1987. - № 4. - С. 20-22.
22. Способы увеличения тягово-сцепных свойств шагающих болотоходных машин и устройства для их осуществления / А.А. Петров, Б.Ф. Зюзин // Труды ИНСТОРФА. - 2022. - № 25 (78). - С. 24-44.
23. Исследование процесса передвижения активных грунтозацепов шагающей бо-лотоходной машины и определение оптимальных моментов их включения и выключения для автоматического управления / А.А. Петров, Б.Ф. Зюзин // Труды ИНСТОРФА. - 2021. - № 23 (76). - С. 34-47.
24. Проходимость шагающего болотохода по препятствиям / А.А. Петров, Л.Ф. Коровицын // Торфяная промышленность. -1986. - № 6. - С. 20-23.
25. Основные параметры поворота шагающего болотохода / А.А. Петров, Л.Ф. Корови-цын. - Калинин: КПИ, 1983. - 7 с. Рукопись деп. в ЦБНТИ МТП РСФСР 13.07.83 г., № 3, тп - Д 83.
26. Исследование процесса передвижения опор шагающей болотоходной машины на повороте и определение оптимальных моментов включения и выключения привода их поворота для автоматического управления / А.А. Петров, Б.Ф. Зюзин // Труды ИНСТОРФА. - 2021. - № 24 (77). - С. 37-52.
27. Поворотливость шагающих болотоход-ных машин на неосушенной торфяной залежи и устройства для автоматического управления их поворотом / А.А. Петров, Б.Ф. Зюзин // Труды ИНСТОРФА. - 2022. -№ 26 (79). - С. 26-44.
28. Испытать опытный образец шагающего болотного тягача в условиях неосушен-ного болота: отчет о НИР (промежуточ.) / КПИ, рук. Коровицын Л.Ф.; ответств. ис-полн. Петров А.А. - Калинин, 1987. - 64 с. № ГР 01860121409. Инв. 02880043024.
29. Сборник задач по теории и расчету торфяных машин / Под. ред. С.Г. Солопова. - М.: Недра, 1966. - 132 с.
30. Маломерные суда на водоемах России / В.В. Антонов, В.В. Романов. - М.: Водный путь, 2006. - 423 с.
31. А.с. 1110066 СССР, МПК В62D 57/02. Ходовой механизм шагающего транспортного средства / А.А. Петров, Л.Ф. Коровицын, Н.П. Васильев и др. (СССР). № 3447436/11; заявл. 07.06.82; опубл. 28.07.20, Бюл. № 22.
32. ПетровА.А. Результаты производственных испытаний шагающей машины в условиях болот Западной Сибири / Тез. докл. НТК «Перспективы комплексного использования торфа и продуктов его переработки». -Калинин, 1990. - С. 58-59.
