Взаимодействие со снежным покровом эластичных движителей специальных транспортных машин

В любой отрасли техники и промышленности приходится иметь дело с элементами конструкции, сооружений и машин, с массами газов, жидкостей и твердых сред или их смесей. Все элементы и массы находятся в движении, во взаимодействии друг с другом и с окружающей средой.

Не вдаваясь в детальный расчет конкретных сооружений, что является предметом специальных дисциплин, механика на основе теоретического и экспериментального анализа явлений дает основы технических расчетов, применяемых в самых разнообразных отраслях техники и промышленности. Для современной механики характерно широкое применение самого разнообразного математического аппарата, включая новейшие разделы теоретической и вычислительной математики. Это приводит к тому, что и специальные дисциплины научно-технического знания так же используют этот математический аппарат. Не исключением является и теория взаимодействия движителей транс-портно-технологических машин с полотном пути.

Предлагаемая работа рассчитана на приложение новых методов теоретического исследования пространственно-временных систем к теории проходимости специальных транспортно-технологических машин в сложных дорожно-грунтовых условиях. Значительная часть работы есть результат критического анализа и обобщения литературного и научно-технического материала. Результатам собственных исследований уделено относительно небольшое место. Но, несмотря на это, излагается собственная точка зрения на решаемую проблему проходимости специальных машин. При этом автор принимает на себя полную ответственность за возможные ошибки в трактовке работ других исследователей.

Актуальность проблемы. Изменившиеся экономические отношения в России, приведшие к серьезному росту конкуренции среди отечественных производителей специальной автотракторной техники, и попытки их выхода со своей продукцией на международный рынок стимулировали поиск новых путей повышения ее производительности. Для специальных машин, работающих в сложных дорожно-климатических эксплуатационных условиях, а во многих случаях просто на бездорожье и в экстремальных природных и техногенных чрезвычайных ситуациях, производительность определяется их мобильностью. Одним из эксплуатационных свойств, определяющих мобильность машин, является проходимость, которая обусловлена взаимодействием движителя с полотном пути. При этом одним из тяжелейших режимов движения является передвижение машин по снегу.

Известно, что тяговые качества и проходимость специальных транспортно-техно8 логических машин проявляются при взаимодействии их движителей с различными поверхностями движения и, в том числе, со снегом. Поэтому выбору оптимальных параметров машин должно предшествовать изучение взаимодействия их движителей с до-рожно-грунтовым основанием. По своей сущности это сложная задача, не имеющая однозначного решения для машин различных типов и, следовательно, требующая проведения дальнейших экспериментально-теоретических исследований. Эта задача достигает максимума сложности и общности в случае совместной деформации как опорно-тяговых элементов движителя, так и полотна пути, когда машина работает в режиме криволинейного движения.

На сегодняшний день наряду с большим парком машин, оснащенных колесными движителями на основе пневматических шин, широкое применение нашли гусеничные машины, оснащенные движителями, собранными из пневмотраков, которые, как и шины обладают эластичностью.

Поэтому актуальной является проблема создания единой пространственно-временной теории взаимодействия эластичного движителя независимо от его типа с деформируемым полотном пути безотносительно к его физическим свойствам и природе. При этом должна быть обеспечена реализация данной теории при конкретизации как типа движителя, так и типа полотна пути.

В виду того, что движители колесных, гусеничных и других типов машин, а также их рабочие органы во время выполнения транспортно-технологической операции находятся во взаимодействии с материалом полотна пути, то и свойства этих материалов представляют существенный интерес при рассмотрении вопросов их деформирования и разрушения, а также при изучении проходимости и тяговых свойств машин. Знание физико-химических, прочностных и реологических свойств материалов поверхностей движения во многом предполагает правильный выбор параметров движителей при их расчете и проектировании.

В реальных условиях материалы поверхностей движения являются ни чисто упругими, ни чисто пластическими или вязкими. При различных природно-климатических условиях и режимах нагружения один и тот же материал полотна пути проявляет свойства как упругости, так и вязкопластичности. В общем случае материалы опорно-дорожных оснований принято считать дисперсными смесями слоистой структуры с упруго-вязкопластическими свойствами. Причем их свойства существенным образом зависят от соотношения непрерывной (жидкогазовой) фазы и дискретной (твердой) фазы.

Таким образом, актуальным является построение общей аналитической модели поведения материала полотна пути под действием внешних нагрузок с учетом 9 влажности и пористости, входными параметрами которой должны быть жесткость (объемное смятие, модуль деформации, твердость), связность, внутреннее трение, плотность и структурный рисунок среды после деформирования и разрушения. При этом эмпирические модели на основе экспериментальных данных, как и сами результаты экспериментальных исследований, должны служить лишь средством определения достоверности и адекватности аналитической модели.

Так как опорно-тяговые элементы движителя не являются изолированными конструкционными узлами, а являются совокупностью элементов конструкции и передаточными звеньями силовых и кинематических режимов движения машин, то в рамках создания единой теории взаимодействия движителей с поверхностью движения и общей аналитической модели поведения материала полотна пути актуальным является решение задачи о взаимовлиянии элементов движителя (колес, пневмотраков и т. д.) и изменении свойств и структуры материала дорожно-грунтового основания при повторных проходах с учетом разрушения материала опорного основания и переноса его в межопорную область из зоны контакта (экскавационно-бульдозерные продольно-поперечные эффекты).

Особое место в механике материалов, образующих верхний слой Земли, планет и спутников Солнечной системы, принадлежит исследованиям физико-механических свойств снега и льда.

Ежегодно снегом покрывается до 130 миллионов квадратных километров — четвертая часть всей поверхности Земли вместе с океанами. Восьмая часть покрываемой снегом территории приходится на ледники, в том числе на ледяные щиты Антарктиды и Гренландии. Треть заснеженной территории планеты составляют морские льды в Арктическом и Антарктическом бассейнах. Длительные наблюдения показывают, что около 80% территории России на длительный срок (5. 10 месяцев в году) покрывается снегом. В ряде районов среднемноголетняя максимальная высота снежного покрова достигает 1,2 метра.

Наряду с выше сказанным следует заметить, что большая часть спутников планет гигантов (Юпитер, Сатурн) покрыта снегом и льдом, а планеты Нептун и Плутон сами представляют собой «снежный ком». При этом на планетах и спутниках дальнего космоса Солнечной системы, наряду с водным снегом и льдом, имеют место неводные (аммиачный, метановый, углекислотный и пр.) снега и льды. Физика последних практически не изучена из-за весьма низкой температуры кристаллизации (-80.-180 С), что делает их исследование весьма дорогостоящим делом в условиях Земли. Поверхность планеты Марс также в ряде областей покрыта снегом и льдом. При этом на поверхности наблю.

10 даются композиты из грунтово-снежных компонентов (минерально-снежные композиты), поведение которых при приложении нагрузок и физические свойства также мало изучены.

Таким образом, присутствие снега и льда в природе, окружающей человека, оказывает большое влияние на его экономическую и научную деятельность, а также на образ жизни населения ряда регионов Земли. Присутствие снега и льда на планетарных объектах Солнечной системы в перспективе затруднит их научное исследование и освоение.

В условиях, когда полотно пути покрыто снегом, движение транспортно-техно-логичских машин не только затрудняется, но в большинстве случаев исключается совсем. Поэтому использование специализированных машин, оснащенных высокоэластичными движителями, является чаще всего единственной возможностью осуществления транспортно-технологических операций.

Если теория колесных и гусеничных машин при движении по грунтам разработана относительно полно как отечественными, так и зарубежными учеными, то вопросы передвижения машин на эластичных движителях по снегу освещены недостаточно, и тем более вопросы, связанные с движением по неводным снегам и минерально-снежным композитам. Специфические условия работы требуют уточнения и пересмотра целого ряда положений, особенно в области взаимодействия эластичного движителя со снежным полотном пути при криволинейном движении.

В связи с чем в рамках единой пространственно-временной теории взаимодействия эластичного движителя с деформируемым полотном пути и общей аналитической модели поведения материала поверхности движения актуальным является создание теории взаимодействия эластичных движителей со снежным покровом, включая и неводные снега, а также с минерально-снежными композитами. Эта теория является наиболее Общей из теории взаимодействия движителей с полотном пути. Общность теории взаимодействия эластичного движителя со снежным покровом минерально-ледовой природы при криволинейном движении машины определяется следующими соображениями: 1) жесткий (неэластичный) движитель является частным случаем эластичного, когда его жесткостные характеристики велики, а деформации весьма малы и условны- 2) взаимодействие одиночного движителя (колесотракгусеничный, шнеко-роторный, планетарно-колесный, планетарно-катковый модулиопорная стопа шагающего механизма и т. п.) является частным случаем работы движителя, когда число элементов в движителе равно единице- 3) чисто минеральные опорные основания, также как чисто снежный покров, являются частными случаями минерально-ледового основания, когда.

11 концентрация минеральной или ледовой составляющих равна 100% соответственно- 4) снег, как материал полотна пути, представляет собой наиболее общую его разновидность по следующим признакам: 4.1) наличие близлежащего твердого подстилающего слоя, 4.2) полислойность, полизональность и полирельефность структуры сложения, 4.3) дисперсность снега с упруговязкопластичными деформационными свойствами, 4.4) абсолютная зависимость от температуры и влажности, то есть термодинамика межфазовых переходов. Исключение из общности составляет: 1) отсутствие связей, обеспечиваемых биологической природой происхождения почв (корневые системы, останки растений и животных и прочие) — 2) отсутствие связей, обеспечиваемых искусственным происхождением поверхностей движения- 3) отсутствие связей, обеспечиваемых минеральной природой грунтов. Однако эти недостатки можно устранить при абстрактном рассмотрении среды, с которой взаимодействует движитель машины.

Цель работы. Решение научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение, связанное с передвижением по снегу специальных транспортных машин, на основе дальнейшего развития теории взаимодействия эластичных движителей специальных транспортно-технологических машин со снежном покровом различного физико-химического происхождения и структуры строения, а также реализация разработанных теоретических положений при повышении мобильности (проходимости) колесных машин по снегу и минерально-снежным композитам на базе комплекса экспериментально-теоретических исследований системы «местность-машина» и конструкторских работ в области создания и совершенствования автотракторной и вездеходной техники.

Объекты исследований. На разных этапах работы в качестве объектов исследований выбирались как колесные, так и гусеничные машины.

Колесные машины: грузовой автомобиль ГАЗ-66, бронетранспортер БТР-80, различные модификации полноприводного колесного шасси ГПИ-3901 с бортовым способом поворота, переменной колесной формулой и коэффициентом базы, полным весом от 7 до 9 тонн в зависимости от конструкции движителя и разнообразные средства повышения к названной машине (см. приложение 3) — полноприводная 8×8 машина НГТУ-2901 с бортовым способом поворота.

Гусеничные машины: НГТУ- 1901 «Минилесовоз», НГТУ-1903 «Минитрелевщик» на эластичных ленточных гусеницах.

Объекты: ГАЗ-66, БТР-80, НГТУ-2901 представлены в работе как машины, с которыми проводились исследования в ОНИЛВМ, а ГПИ-3901, НГТУ-1901, НГТУ-1903 рассматриваются в работе как машины в проектировании, изготовлении и испытаниях, которых принимал непосредственное участие автор диссертации.

Общая методология исследований. При проведении теоретических исследований использованы методы аналитической механики, механики сплошных сред, механики сложных пространственных конструкций, механики разрушений, механики слоистых систем, механики контактного взаимодействия пространственных систем с ограниченными телами, механики волновых процессов в сложных пространственных системах, теорий упругости и вязкопластичности, математики многомерных пространств и тен-зерного исчислениячисленные методы решения систем дифференциальных уравнений и нелинейных алгебраических уравненийразнообразные методы математического моделирования и оптимизации параметров.

Экспериментальные исследования проводились на серийно выпускаемых машинах, экспериментальных образцах, а также специально созданных ходовых макетах и стендах с использованием разнообразных измерительных средств.

Научная новизна. Создана оригинальная обобщенная формализованная математическая модель пространственного контактного взаимодействия упругого эластичного движителя, в том числе и колесного, с дисперсным упруговязкопластичным материалом многослойного локального пространства поверхности движения, в том числе и снежным покровом, независимо от его физико-химической природы и структуры строения на основе четырехмерных пространственно-временных представлений о динамике системы «машина-местность», которая учитывает пространственное разрушение полотна пути движителем и экскавационно-бульдозерно-фрикционный перенос материала опорного основания из зон контакта в межопорные области, а также законы формирования межопорных холмов и колеи в целом.

Разработана оригинальная обобщающая модель снежного покрова, в том числе и внеземного происхождения, как полотна пути для движения специальных транспортных машин, которая учитывает: химическую природу снегообразующего вещества, изменение под действием природно-климатических и техногенных факторов физических параметров состояния снега (пространственную прочность, внешние и внутренние сцепление и трение, влажность, температуру), топологию сложения (зональность, слоистость, толщину массива, тип подстилающего основания) и наличие структурных неоднородно-стей в снежном массиве (дисперсность, минеральные примеси, настовые корки, внутри массивные ледяные прослойки и мете левые рельефные образования).

Создана оригинальная формализованная математическая модель колесного движителя, которая может быть распространена на любой тип опорно-тяговых механизмов независимо от их конструкционной конфигурации, в которой на основе теории пространственных систем многих тел, представленной в виде графа, описывается топология.

13 строения движителя, позволяющая учесть конкретные геометрические, кинематические и силовые характеристики конструкций движителей, а также на базе математического аппарата, описывающего фиктивные четырехмерные пространственно-временные континуумы, рассматривается отклик на внешнее воздействие и рассчитается напряженно-деформационное состояние его элементов.

При решении научной проблемы на основе полученных экспериментально-теоретических результатов созданы обобщающие классификации поверхностей движения, опорно-тяговых движителей и задач их контактного взаимодействия, а также разработаны алгоритмы, вычислительные программы и методики расчета силы тяги, сопротивления движению и показателей проходимости специальных транспортно-технологических машин по снегу, в том числе и колесных, которые позволили выявить влияние конструкционных параметров (число осей и их расположение по базе, параметры колеса и протектора) на тягово-сцепные свойства колесных движителей и определить их конкретные размеры и характеристики. Сформулирована и решена задача применения средств повышения проходимости для колесных машин и разработаны методы их расчета.

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Из теоретических разработоктеория взаимодействия эластичных движителей специальных транспортно-технологических машин с деформируемым полотном путиматематические модели и закономерности взаимодействия различных типов эластичных движителей со снегомгипотетические модели снежных покровов на основе неводных снегов и модели поверхностей движения на основе минерально-снежных композитов.

2. Из научно-методических разработок — методика выбора и оптимизации конструкционных параметров ходовой части, обеспечивающих проходимость по снегу специальных транспортно-технологических машин на эластичных движителяхметод расчета процесса и соответствующих параметров взаимодействия эластичных движителей специальных транспортно-технологических машин со снежным покровом, позволяющий производить выбор рациональных конструкционных параметров движителя на стадии проектирования и оптимальный выбор средств повышения проходимости для серийно выпускаемых машин.

3. Из научно-технических разработок — экспериментально-теоретически обоснованные пути повышения проходимости и созданные по результатам исследований новые конструкционные решения и практические рекомендации, направленные на повышение проходимости специальных транспортно-технологических машин по снегу и слабо несущим поверхностям движения.

Достоверность результатов. Проведенный комплекс экспериментальных исследований на серийных машинах, опытных образцах, специально созданных ходовых макетах и стендах подтвердил основные теоретические положения, методы и средства повышения уровня проходимости специальных транспортно-технологических машин на эластичных движителях по слабонесущим поверхностям движения, в том числе по различным снегам и минерально-снежным композитам.

Практическая ценность состоит в реализации теоретических разработок, методик расчетов, практических рекомендаций при совершенствовании существующих и создании новых конструкций эластичных движителей специальных транспортно-технологических машин и средств повышения проходимости к ним для обеспечения их эффективной работы на слабонесущих поверхностях движения, в том числе и на снежных различной химической природы, а также на поверхностях, представляющих собой механические смеси минеральных грунтов и снега.

Реализация работы. Результаты экспериментально-теоретических исследований по теме диссертации внедрены в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории вездеходных (снегоходных) машин — ОНИЛВМ, в п/я А-7701, использованы при проведении НИОКР в ОНИЛВМ для АО «ГАЗ», Арзамасского машиностроительного завода, Заволжского завода гусеничных тягачей, АО «Нижегородлес», Управления лесами по нижегородской области, Управления Верхне-Волжскими магистральными нефтепроводами, АО «Нижегородлестоп», Муниципального предприятия «СПАС НН». Результаты работы используются в учебном процессе на кафедрах «Автомобили и тракторы» и «Строительные и дорожные машины» Нижегородского государственного технического университета.

Результаты работы вошли в научно-учебную коллективную монографию «Проходимость автомобилей», изданную в 1996 году в издательстве НГТУ и в методическую разработку «Формулы и алгоритмы для решения задач по теории автомобиля», изданной в 1990 году издательстве ГПИ.

Основные положения работы «Проходимость автомобиля», в которую вошли результаты данной диссертационной работы используются в учебном процессе и в научно-исследовательской работе при выполнении дорожных испытаний автомобилей кафедры «Автомобильная техника» Военного автомобильного института (г. Рязань).

Апробация работы. Отдельные результаты и основные положения докладывались на региональных научно-технических конференциях «Повышение эффективности проектирования, испытаний и эксплуатации автомобилей» (г. Горький, 1986, 1987, 1988гг.) — на седьмой научно-технической конференции молодых ученых Волго-Вятского.

15 региона (г.Горький, 1987 г.) — на Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение надежности и экологических показателей автомобильных двигателей» (г. Горький, 1990 г.) — на Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности проектирования, испытаний и эксплуатации двигателей, автомобилей, вездеходных, и дорожных машин» (Нижний Новгород, 1994 г.) — на Международной научно-технической конференции «100 лет Российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа» (Москва, 1996 г.) — на научно-технической конференции «Проблемы машиноведения» (Нижний Новгород, 1997 г.) — на Международной научно-технической конференции «Механика машиностроения» (г. Набережные Челны, 1997 г.) — на Международной научно-практической конференции «Развитие транспортно-технологических систем в современных условиях» (Нижний Новгород, 1997 г.) — на Международной научно-технической конференции «Interstroimech-98» (г. Воронеж, 1998 г.) — на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России» (Нижний Новгород, 1998 г.) — на научно-техническом семинаре, посвященном 60-летию кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ (Нижний Новгород, 1996 г.) — на совместных заседаниях кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ и научно-технического совета ОНИЛВМ (Горький — Нижний Новгород, 1982;1999гт.). Ряд положений, вошедших в данную работу, рассматривались при защите кандидатской диссертации на заседании специализированного совета К053.15.10 в МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, 1992, г.), научно-техническом семинаре кафедр М9 и М10 МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, 1991, 1999 гг.) и научно-техническом семинаре в в/ч 63 539 (г. Бронницы, 1992 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 1 научно-учебная монография, 4 учебно-методических пособия, 38 научных работ и 6 отчетов по НИР.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех частей, в которых содержится восемь глав, общих выводов, списка использованной литературы из 644 наименований, четырех приложений. Общий объем работы 485 страниц, из них основной текст работы изложен на 305 страницах, 120 рисунков на 80 страницах, список литературы на 35 страницах, три приложения на 100 страницах, которые содержат 26 справочно-информационных таблиц на 77 страницах, описание объектов исследования на 10 страницах и 8 фотографий по тексту. Представлены акты внедрения на 11 страницах.

1.3. Выводы по главе.