Взаимодействие пневматического колеса с грунтом

Цель работы: изучить процесс взаимодействия пневматического колеса с опорной поверхностью и определить коэффициент буксования.

Общие сведения

о взаимодействии пневматического колеса с грунтом

При оценке проходимости и тяговых качеств строительных машин наибольший интерес представляет процесс взаимодействия их движителей с грунтом. Основными видами ходового оборудования современных строительных машин являются колесные и гусеничные движители, главнейшими характеристиками которых будут: удельное давление σ и закон его распределения по опорной поверхности, сопротивление качению и сцепление ведущих движителей с грунтом.

Удельным давлением называется нагрузка, приходящаяся на единицу площади опорной поверхности движителя. Обычно пользуются понятием среднего удельного давления σ _ср, полагая, что нагрузка располагается по опорной поверхности F _ο равномерно:

σ _ср = Q ∕ F _o,

где Q - нагрузка на движитель машины.

Следует иметь в виду, что в результате неравномерного распределения нагрузки на опорную поверхность движителя, а также в зависимости от особенностей его конструкции, максимальные значения удельного давления могут значительно превышать его среднюю величину.

Удельное давление в значительной степени определяет проходимость колёсных и гусеничных машин на грунтовых поверхностях. Сопротивление качению W _f связано с потерями энергии на обратимые и необратимые деформации грунта и движителя, на трение последнего о грунт, на внутреннее трение в грунте и в элементах ходового оборудования. Экспериментальными исследованиями установлено, что между сопротивлением качению и нормальной нагрузкой на опорную поверхность движителя имеется определённая связь, близкая к прямой пропорциональности. Поэтому для практических целей при определении сопротивления качению пользуются зависимостью

W _f = f G cosa,

где f – коэффициент сопротивления качению;

G – вес машины, кгс;

a – угол наклона поверхности качения по отношению к горизонту.

При малых уклонах (в пределах нормальных условий движения машин) можно полагать, что cos a = 1.

Коэффициент сопротивления качению зависит не только от конструкции ходового оборудования, но и от свойств и состояния грунта

Плотные глинистые грунты в определённых интервалах влажности характеризуются малым сопротивлением качению. Рыхлый глинистый грунт оказывает значительные сопротивления вследствие больших деформаций (рис.7). Проходимость машин в рыхлых грунтах можно повысить за счёт уменьшения удельного давления. При влажности, близкой к верхнему пределу пластичности, глинистые грунты практически непроходимы. Песчаные грунты, вследствие малого сопротивления сдвигу, наоборот, в сухом состоянии характеризуются высоким сопротивлением качению и плохой проходимостью. С увлажнением их проходимость повышается.

Сцепление движителей с грунтом является важной характеристикой самоходных машин, от которой зависит величина тягового усилия, реализуемого через поверхность соприкосновения колеса или гусеницы с грунтом. Сила сцепления, аналогично силе трения, имеет предельную величину, превышение которой приводит к скольжению ведущего колеса (гусеницы) относительно поверхности качения, вследствие чего дальнейшее движение становится невозможным. Нормальная работа самоходной машины возможна при соблюдении условия

R _j ³ R _т ³ S W,

где R _j – сила сцепления движителей с поверхностью качения;

R _т – полное тяговое (окружное) усилие, развиваемое ведущими движителями машины;

S W – сумма всех сопротивлений (включая и W _f), возникающих в процессе движения машины.

Таким образом, под силой сцепления понимают предельную величину тягового усилия, которое может быть реализовано по условию сцепления движителей с поверхностью качения. Силу сцепления полагают пропорциональной нагрузке на ведущие движители. Эту нагрузку называют сцепным весом машины G _j.

Сила сцепления определяется по формуле

R _j = j G _j,

где j – коэффициент сцепления.

Коэффициент сцепления также зависит от конструкции движителей, от свойств и состояния грунта. Важнейшей характеристикой грунта, влияющей на коэффициент сцепления, является сопротивление сдвигу. Низкий коэффициент сцепления имеет место на сильно увлажнённых глинистых и сухих песчаных грунтах. Еще до полного нарушения сцепления качение движителей по реальным поверхностям сопровождается некоторым частичным проскальзыванием. Величина частичного проскальзывания оценивается коэффициентом буксования d, которая определяется соотношением:

d = ((S _т – S) / S) 100%,

где S _т – теоретический путь, определяемый по числу оборотов ведущего движителя;

S – действительный путь, определяемый измерительным колесом.

Часто определяют коэффициент буксования и по скорости:

d = 1- V / V _р,

где V – действительная линейная скорость движителя;

V _р – расчётная линейная скорость.

Коэффициент буксования, аналогично коэффициенту сцепления, зависит от типа и состояния грунта, конструкции ходового оборудования. Кроме того, на величину коэффициента буксования существенным образом влияют передаваемая через движитель окружная сила Р _т и нормальная нагрузка G _j. При прочих равных условиях коэффициент d растёт с увеличением отношения Р _т/ G _j.

Из числа существующих разновидностей движителей в современных строительно-дорожных машинах наибольшее распространение получили колёса на пневматических шинах. Основной особенностью взаимодействия пневматического колеса с грунтом является то обстоятельство, что деформация пневматической шины соизмерима с деформациями грунта. В процессе качения энергия расходуется на деформацию пневматического колеса и деформацию грунта. Деформация пневматического колеса зависит от внутреннего давления воздуха и жесткости покрышки. При движении по твёрдой поверхности жёсткие шины высокого давления оказывают меньшее сопротивление качению. На рыхлых грунтах за счёт снижения давления воздуха и применения более эластичных покрышек (шин) достигается увеличение поверхности соприкосновения колеса с грунтом, уменьшение удельного давления и деформации грунта, а следовательно, и сопротивление качению. Таким образом, внутреннее давление воздуха и конструкция шины должны соответствовать условиям работы. Для машин, работающих преимущественно в условиях слабых грунтов, применяют шины низкого давления (2–4 атм.).

При движении машин с высокими скоростями по неровным, твердым поверхностям эластичные шины низкого давления хорошо поглощают толчки и

удары, что в значительной степени компенсирует некоторое увеличение сопротивления качению вследствие большой деформации шины. Это особенно важно для современных конструкций быстроходных строительно-дорожных машин, ходовые устройства которых не снабжаются рессорами и другими упругими элементами, применяемыми на автомобилях.

Величина коэффициента сопротивления качению пневматических шин, в зависимости от вида состояния грунта, давления воздуха и типа шины колеблется в широких пределах. Кроме того, коэффициент сцепления пневмоколесных движителей зависит от рисунка протектора, ширины шины и внутреннего давления воздуха. Зависимости эти имеют сложный характер и

недостаточно изучены. В общем, установлено, что лучшими сцепными качествами обладают шины повышенной проходимости с глубоким рисунком протектора, широкие бочкообразные шины низкого давления. Значения коэффициентов сцепления и сопротивления качению представлены в табл. 7.

Таблица 7