Почему глыба с высоты полутора метров бьет по днищу в двадцать раз сильнее своего веса? Роняй глыбы в кузов, наезжай колесом на камень и сравнивай пики силы на осциллограмме удара.
Глыба в ковше, колесо на камне и машина на бровке несут энергию движения. Остановить их можно только силой на каком-то пути. Если путь длинный, как в слое мелочи или в мягкой подвеске, хватает небольшой силы. Если путь короткий, как у стального днища или у подвески без азота, сила вырастает в десятки раз. Время удара при этом сжимается до сотых долей секунды, и узлы получают резкий пик, а водитель резкий толчок снизу. Во сколько раз пик больше спокойного веса, показывает динамический коэффициент kд. Где эта сила проходит по машине, смотри в теме «Путь силы через самосвал».
ⓘ Удар показан в замедленном виде. Перемещения машины на рисунке увеличены, числа на осциллограмме настоящие для модели. Самосвал тот же, что в теме 13.1: класс 90 т, обобщенный, не конкретная модель. Допустимые значения учебные.
Откуда берется формула kд, выведено в теме «Путь силы через самосвал». Здесь три формулы для практики: падение, путь торможения и наезд на камень. Числа берутся из опыта.
Во сколько раз глыба бьет сильнее своего веса?
Энергия падения уходит в прогиб опоры. Важно только отношение высоты к статическому прогибу. Уменьшить kд можно двумя способами: ниже опустить ковш или сделать опору мягче.
Почему подсыпка снижает удар?
Глыба теряет энергию m · g · (h + s) на пути торможения s. Средняя сила равна энергии, деленной на путь. Удлини путь в пять раз, и сила станет в пять раз меньше. Та же мысль через импульс разобрана в теме «Импульс и удар».
Как сильно колесо бьет о камень?
Камень подбрасывает колесо вверх со скоростью vz. Чем быстрее едет машина и чем короче камень, тем больше vz. Шина и подвеска гасят эту скорость на своем прогибе δст.
Самосвал для удара это несколько масс на пружинах. Сверху глыба, под ней днище, рама и кузов на цилиндрах подвески, ниже мост с колесами, а под ними шины на дороге. Каждая пружина пропускает удар дальше, но сглаживает его: короткий острый пик в днище превращается в подвеске в плавный горб, а в кабине в покачивание.
Мягкая подвеска сглаживает сильнее, и водитель с рамой получают меньше. Но у цилиндра ограничен ход. Если удар слишком сильный или подвеска слишком мягкая, шток доходит до упора, это пробой: пружины на этом уровне больше нет, и удар проходит в раму почти без смягчения.
Если из цилиндра ушел азот, подвеска становится жесткой, и уже каждый камень бьет в раму и в кабину. Поэтому высоту цилиндров подвески и давление азота проверяют на ТО, а на трассе смотрят, не просела ли машина на один угол.
Первым ковшом кладут мелочь, она становится подушкой. Ковш опускают как можно ниже и разгружают плавно, крупные глыбы кладут поверх мелкого. Над кабиной ковш не проносят. Так кузов, рама и водитель получают удар в разы слабее.
Днище из износостойкой стали держит истирание, но удар передает почти без смягчения. Резиновые или полиуретановые плиты в кузове удлиняют путь торможения глыбы, снижают пик силы и шум и продлевают жизнь днищу и раме.
Камень, упавший из кузова на дорогу, бьет следующие машины по шинам и подвеске. Поэтому по трассам ходит грейдер или погрузчик, а водители сообщают о просыпи диспетчеру. Порез и удар в боковину губят шину, которая стоит как легковой автомобиль.
Сила удара о камень растет со скоростью, а при сходе с бровки колесо летит и падает с полной высоты. На съездах, у экскаватора и на неровных участках скорость ограничивают, а бровку и кромки дороги подсыпают и ровняют.
На ТО проверяют высоту штоков цилиндров подвески и давление азота. Просевший цилиндр бьется в упор, вытекший азот делает подвеску жесткой. Оба случая видны по трещинам у кронштейнов рамы, как в теме «Усталость и концентраторы напряжений».
Бортовая система пишет давление в цилиндрах подвески и ускорения. Удары сверх порога отмечаются вместе с местом и временем: так находят плохой участок дороги или экскаваторщика, который бросает глыбы с высоты. Как устроен поток данных, смотри в теме «Телеметрия и цифровой двойник».
Глыба падает в пустой кузов. Самосвал здесь три массы на пружинах: глыба, подрессоренная часть 53 т (рама, кузов, двигатель) и мосты с колесами 17 т. Жесткость стального днища под глыбой 7,4 МН/м, как в теме 13.1 (прогиб 8 мм под глыбой 6 т). Подсыпка работает как пружина жесткостью 0,3 МН/м, деленной на толщину слоя в метрах, резиновая футеровка 2,5 МН/м, все они соединены последовательно. Мелочь и резина гасят часть энергии: затухание в контакте 5 % у стали и до 35 % у подсыпки. Глыба может отскочить. Пик силы получается чуть ниже формулы, потому что под днищем не неподвижная опора, а машина на подвеске.
Наезд на камень и сход с бровки считаются для переднего колеса груженой машины: подрессоренная масса угла 22,9 т, колесо со ступицей 3,5 т, жесткость шины 3,5 МН/м. Камень обкатывается по плавной кривой длиной 2√(2RH) плюс 0,6 м пятна контакта, бровка это уступ высотой H на длине 0,3 м. Колесо может оторваться от дороги. Подвеска: жесткость по частоте колебаний груженой машины, затухание 30 %, ход сжатия 120 мм, дальше упор в 20 раз жестче.
Допустимые силы взяты из темы 13.1: шина 400 кН, цилиндр подвески 360 кН спереди и 650 кН сзади, кронштейн рамы 450 и 630 кН, днище 1000 кН при ударе. Кузов на дороге оценен по силе инерции кузова с грузом на пальцах. Кабина стоит впереди, а глыба падает ближе к задней оси, поэтому при загрузке в кабину доходит 60 % ускорения рамы. Для водителя 100 % это толчок 1 g. Модель линейная и учебная, настоящие нагрузки меряют датчиками на машине.