О ГУСЕНИЧНОМ ДВИЖИТЕЛЕ

Ограничиваясь рассмотрением наземных транспортных средств, которые движутся за счет создания реакции опорного основания (дороги), отметим, что наибольшее распространение получили и более привычны для нас транспортные средства с колесными и гусеничными движителями (далее соответственно сокр. КД и ГД) в отличие роторно-винтовых, шагающих и прочих экзотических движителей. Сравнивать КД и ГД по показателям эффективности использования имеет смысл в отношении к конкретным видам опорных оснований (асфальт, песок, глина, торф, снег и т.п.): в целом они предназначены для совершенно различных условий движения. Интересно сравнить КД и ГД через призму «усовершенствованного покрытия». КД предназначен для эффективного использования на дорогах с усовершенствованным покрытием, которое уложено заранее на всем протяжении пути (асфальт, бетон, щебень и т.п.). Но почему бы не возить небольшой участок усовершенствованного покрытия с собой и его непрерывно раскладывать впереди движения машины?! ГД – это, как раз, и есть реализация данной идеи: участок усовершенствованного покрытия, возимого с собой, это гусеничная цепь, по которой перекатываются опорные катки.

Эффективность использования того или иного движителя оценивают множеством параметров, одним из которых является КПД движителя и определяется по формуле, где P_п – подводимая к движителю мощность от привода (трансмиссии); P_о – отводимая мощность от движителя. Снижение КПД КД в первую очередь обуславливается повышенным сопротивлением качению, которое, в свою очередь, связано с такими явлениями, как «экскавация», «бульдозерный» эффект, пенетрация опорного основная и пр. Если, вкратце, то «экскавация» - это вынос грунта из под КД или его закапывание; «бульдозерный» эффект – образование валика из грунта спереди движущегося КД; пенетрация – не упругая деформация, уплотнение грунта.

Сам КД подкупает своей простотой, целостностью низкими внутренними потерями. ГД в этом смысле противоположен КД: эффекты экскавации, бульдозерный и пенетрации не настолько существенны, как у КД, но сам ГД состоит из отдельных элементов (траки, катки, балансиры, ленивец и т.д.), которые находятся в интенсивном динамическом взаимодействии и могут обуславливать повышенные внутренние потери. Совершенство конструкции ГД определяется согласованностью конструктивных параметров всех входящих в него элементов. В настоящее время нет единой конструктивной схемы ГД, наблюдается большое разнообразие конструкций отдельных составляющих элементов, в отличие от колесного, водного или воздушного движителей. Данная причина объясняется широким диапазоном варьирования физико-механических свойств опорного основания ГД, неоднородностью и анизотропией свойств, высокими градиентами процессов, протекающих в грунтах, при взаимодействии с траком ГД, а также многофазностью грунтового основания (выделяют минеральную, водную, биологическую фазы), в отличие от однородной водной и воздушной среды.

В общем, не вдаваясь в подробности, «краеугольным камнем» во всей конструкции ГД является гусеничный трак. Трак, как элемент ГД на первый взгляд является относительно простым с точки зрения его структуры, внутреннего устройства и физико-механических свойств. Тем не менее, выбор рационального соотношения геометрических и физико-механических параметров трака требует оценки динамики всей гусеничной цени во взаимодействии с опорным основанием. В случае трака, имеет первое место не конструктивная (структурная) сложность, а сложность поведения в составе гусеничной цепи. Исследование коллективного поведения отдельных элементов (траков) в большой системе (гусеничной цепи) выявляет эмерджентные закономерности движения, присущие всей системе, такие, как солитоны и др.

Задачи проектирования ГД, в частности траков, требуют больших вычислительных ресурсов, имеют высокую чувствительность к начальным условиям и величинам параметров, сама постановка задачи требует от исследователя адекватного априорного понимания многих явлений, происходящих при движении трака во взаимодействии в гусеничной цепи. Как известно, основные задачи научного исследования – предсказание и объяснение явления. Объяснительную функцию несут в большей мере аналитические исследования, которые, применительно к ГД и траку, широко проводились в советский период (Платонов В.Ф. Динамика гусеничного движителя). Предсказательную функцию несут численные методы, типичным представителем которых является, так называемый, метод наименьших квадратов МНК, которые позволяют получить конечные результаты с учетом большого количества исходных данных и нелинейных характеристик отдельных элементов. Но, в отличие, от аналитических методов, не вскрывают явных зависимостей и закономерностей. Любые теоретические исследования (аналитические, численные) должны, в конечном итоге, проверяться в ходе эксперимента, который, как известно, является критерием истины той или иной теоретической конструкции. Таким образом, трудно формализуемая задача динамики гусеничной цепи, как совокупности взаимодействующих траков, должна решаться в комплексе: аналитическими, численными и экспериментальными методами.

В последнее время, не только при рассмотрении задач ГД, наблюдается смещение центра исследования в сторону численных методов, численного эксперимента. Такое однобокое исследование не ведет к более глубокой ступени понимания, а замыкается в рамках исходной принятой парадигмы. Пренебрежение комплексным исследованием в области динамики ГД и, в частности, гусеничного трака, могут привести и приводят на самом деле к большому числу не зрелых и не жизнеспособных конструктивных реализаций траков и гусеничных цепей. В лучшем случае, сильно преувеличиваются технико-эксплуатационные качества некоторых конструктивных схем.

Оценить преимущества и недостатки ГД по всем важным параметрам не представляется возможным в ограниченных рамках статьи, поэтому рассмотрим основные, наиболее актуальные на настоящем этапе.

- звенчатость гусеничной цепи:

Известны звенчатые (траковые), сегментные и ленточные гусеницы. Траковые (классические) гусеницы обладают высокой жесткостью при растяжении и кручении, что снижает вероятность их спадания. Траковые гусеницы более ремонтопригодны, т.к. возможно заменить лишь поврежденный трак. Также траковые гусеницы требуют менее дорогостоящую оснастку при производстве. Ленточные гусеницы конкурируют со звенчатыми по весовым показателям и себестоимости. Кроме того, ленточные гусеницы, по определению, выполнены из эластичного материала, т.е. не выдерживают длительной эксплуатации, например, на скальных грунтах и др. абразивных покрытиях.

- наличие или отсутствие поддерживающих катков:

Гусеничные движители с отсутствием поддерживающих катков по необходимости имеют большие диаметры опорных катков, характеризуются повышенными колебаниями верхнего гусеничного обвода при движении на высоких скоростях. Кроме того, так как верхняя часть гусеничного обвода должна лежать на опорных катках, существенно усложняются ограничения на компоновку ведущего колеса и ленивца.

- с передней или задней ведущей звездочкой:

Переднее или заднее расположение ведущей звездочки зачастую принимается из компоновочных соображений. При переднем расположении ведущей звездочки в напряженном состоянии от тягового усилия находится верхняя ветвь гусеницы, что снижает ее склонность к биениям и высокоамплитудным колебаниям при высоких скоростях движения. Но в этом случае в напряженном состоянии находится большое число шарниров (если гусеница звенчатая) часть которых работает с угловым перемещением, что приводит к большим потерям, нежели при заднем расположении ведущего колеса. Также, при переднем расположении ведущей звездочки значительное усилие воспринимается ленивцем, которое возрастает при увеличении тягового усилия.

- с двойным или одинарным опорным катком:

Двойные опорные катки считаются более сложными в изготовлении и тяжелыми, но обеспечивают лучшее удержание гусеницы от спадания и кручения. Кроме того, для удержания гусеницы двойным катком требуется один центрально расположенный клык, а для удержания одинарным катком – два ограничивающих боковых клыка, что увеличивает материалоемкость и массу трака.

- с открытым, закрытым или резинометаллическим шарниром:

Открытый шарнир отличается простотой и дешевизной. Из-за отсутствия защиты от попадания посторонних частиц и вредных воздействий окружающей среды имеет ограниченный ресурс 3-5 тыс. км пробега. Закрытый шарнир имеет защиту трущихся поверхностей, причем защитное резиновое уплотнение частично воспринимает нагрузки и работает подобно сайлентблоку. Закрытый шарнир отличается высокой стоимостью, сложностью разборки, но обеспечивает высокою жесткость гусеницы как при растяжении, так и при кручении (подобно открытому шарниру), а также обеспечивает высокий ресурс до 10 тыс.км пробега. Резинометаллический шарнир (РМШ) представляет собой обрезиненный палец, который работает как сайлентблок. Существенным недостатком РМШ является низкая жесткость гусеницы при растяжении и кручении, поэтому применение его оправдано на легких транспортных машинах.

- зацепление цевочное, зубовой, гребневой или фрикционное:

В настоящее время наибольшее распространение получило цевочное зацепления трака с ведущим колесом, причем существуют одно-, двух-шаговые и многошаговые варианты профиля зуба и цевки. Цевочное зацепление обеспечивает устойчивое положение трака в зацеплении, малые ударные нагрузки при вхождении и схода трака в зацеплении. При зубовом и гребневом зацеплениях возникают выворачивающие моменты сил, а также сложности с компоновкой зацепления. Фрикционный способ сцепления ведущего колеса с гусеницей применяется только на сверхмалых машинах.

- с параллельным или последовательным шарниром:

Параллельный шарнир применяется на тяжелых гусеничных машинах и тягачах т.к. имеет наибольшую длину втулки, по которой воспринимается нагрузка. Кроме этого благодаря удвоенному количеству шарниров на единицу длины гусеницы (по сравнению с последовательным шарниром) снижается абсолютное угловое перемещение в каждом отдельном шарнире, что существенно повышает долговечность всей гусеницы в целом. Гусеницы с параллельным шарниром отличаются большей массой, высокой ценой. Параллельный шарнир имеет меньшую длину втулок что, с одной стороны, усложняет защиту шарнира, но улучшает схему нагружения пальца по сравнению с параллельным шарниром.

- ширина гусеницы и уширители:

Как и большинство параметров ГД, ширина является компромиссным параметром, принимаемым из соображений наибольшей вероятность движения по грунтам со среднестатистическими величинами физико-механических параметров (если быть точным, то последнее утверждение имеет место только для частного случая закона распределения вероятности). Поэтому необоснованное стремление к большей ширине гусеницы на некоторых опорных основаниях приводит к большому сопротивлению движения и к большему износу самой гусеницы. Так, например, при движении КД или ГД по опорному основанию, которое имеет слабонесущий верхний слой и твердое подстилающее основание, узкий движитель продавливает и выжимает в стороны из-под пятна контакта материал верхнего слоя и осуществляет надежный контакт с нижним слоем. Кроме всего прочего, зачастую указывается ширина гусеницы с учетом весьма податливых уширителей с весьма ненадежным креплением их к траку. Уширитель, конечно, должен иметь значительно большую податливость, чем сам трак, но не настолько малую, какая есть у многих гусениц.

В настоящее время, учитывая смену конъюнктуры рынка, его ориентацию на коммерческую стезю, зачастую предлагаются не долговечные, мало приспособленные к условиям нашей страны конструкции гусениц и ГД в целом. Не умаляя достоинств тех конструкций, которые будут ниже упомянуты, рекомендуется обращать особенно пристальное внимание на ленточные гусеницы, фрикционный способ зацепления и не балансирные подвески, а также прочие «ноу хау», которые рождаются в большом количестве.

Материалы для скачивания

Версии и комплектации тракторов ELF