Bilim.techО проекте

Колесный и гусеничный ход

Почему бульдозер на гусеницах не тонет там, где вязнет колесная машина, и что ограничивает шину карьерного самосвала? Меняй грунт, башмаки и натяжение гусеницы, считай TKPH шины.

01 Что это такое

Гусеница раскладывает вес машины на большую площадь и цепляется за грунт всей длиной. Колесо быстрее и дешевле, но давит на маленькое пятно.

Бульдозер весом 70 т стоит на двух лентах длиной почти 4 м, и грунт под ним чувствует давление, как от человека на лыжах. Погрузчик того же веса стоит на четырех шинах, и пятно каждой размером с журнальный столик: давление в три-четыре раза выше. Поэтому на мокрой глине колесная машина вязнет там, где гусеничная работает. Зато гусеница дорога в обслуживании: звенья, пальцы, втулки, ролики и звездочка все время трутся друг о друга в грязи, и ходовая съедает до половины затрат на ремонт бульдозера. У карьерного самосвала своя беда: огромная шина греется изнутри от постоянного обжатия, и если ездить слишком много и слишком быстро, резина перегревается и шина разрушается.

ведущая звездочканаправляющее колесоподдерживающий катокопорные каткизвенья, пальцы, башмакипровисание f
Звездочка тянет нижнюю ветвь, машина перекатывается по ней на опорных катках. Верхняя ветвь провисает между направляющим колесом и поддерживающим катком.
p
Давление на грунт, кПа. Вес машины, деленный на площадь, которой она касается земли. Если p больше несущей способности грунта, машина вязнет.
f
Провисание гусеницы, мм. По нему проверяют натяжение. Перетянутая гусеница изнашивается в разы быстрее, слабая соскакивает.
TKPH
Тонно-километры в час. Нагрузка на шину, умноженная на среднюю скорость за смену. Показывает, сколько тепла копится в шине.
02 Опыт
Меняй грунт, башмаки и натяжение. Проверь шину самосвала. ХОДОВАЯ И ШИНЫ
ХОДОВАЯ ЧАСТЬ

Пройдет, не увязнет, не перегреется?

Рис. 6.6

ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
Давление гусеница / колесо
Ресурс ходовой
TKPH участка / шины
03 Формулы по буквам

Давление, натяжение и нагрев шины

Три расчета, которые механик делает для ходовой: не увязнет ли машина, правильно ли натянута гусеница и выдержит ли шина режим работы. Числа под формулами берутся из опыта.

Как сильно машина давит на грунт?

p = G / (2 · b · L)

Вес делим на площадь двух гусениц: ширина башмака на длину опорной части. У колесной машины площадь это сумма пятен контакта шин, и давление получается близким к давлению воздуха в шине.

p
среднее давление на грунт, кПа
G
вес машины, кН. 70 т дают около 687 кН
b
ширина башмака, м
L
длина опорной части гусеницы, от первого до последнего катка, м. Здесь 3,9 м

Как натянута гусеница?

S = q · l² / (8 · f)

Верхняя ветвь висит, как провод между столбами. Чем меньше провисание, тем сильнее натяжение. Сила натяжения давит на пальцы, втулки и звездочку даже без нагрузки.

S
натяжение гусеницы, кН
q
вес одного метра гусеницы, кН/м. Здесь 6 кН/м
l
пролет между направляющим колесом и поддерживающим катком, м. Здесь 1,6 м
f
провисание посередине пролета, м

Не перегреется ли шина самосвала?

TKPH = Qср · Vср

Средняя нагрузка на самую нагруженную шину за рейс, умноженная на среднюю скорость за смену, с учетом простоев. Если результат больше паспортного TKPH шины, тепло не успевает уходить, и резина внутри перегревается.

Qср
средняя нагрузка на шину: (порожний + груженый) / 2, т
Vср
средняя скорость смены: путь за смену, деленный на ее часы, км/ч
TKPH
тонно-километры в час, у шины указан в каталоге

Почему у колеса давление почти не зависит от веса

Шина это воздушный мешок с гибкими стенками. Под нагрузкой она сплющивается, пока площадь пятна, умноженная на давление воздуха, не уравновесит вес. Добавь груз, шина сплющится сильнее, пятно вырастет, а давление на грунт останется почти таким же, примерно давление в шине плюс 10–20 % на жесткость каркаса. У карьерного самосвала в шине около 6 бар, значит, на грунт она давит около 650 кПа.

У гусеницы площадь задана жестко, поэтому давление растет прямо с весом. Зато площадь огромная, и давление получается 60–160 кПа. Сила тяги тоже на стороне гусеницы: десятки грунтозацепов одновременно врезаются в грунт, и коэффициент сцепления на глине около 0,9 против 0,5–0,6 у шины.

Шина греется оттого, что резина при каждом обжатии немного теряет энергию на внутреннее трение. Чем больше нагрузка и чем чаще обжатие, то есть выше скорость, тем больше тепла. Отсюда и произведение тонн на километры в час.

пятна контакта машин по 70 т, вид снизугусеница: 4,8 м²4 шины: около 1,1 м²144650кПакПа
Площади в одном масштабе. Колесная машина опирается на площадь вчетверо меньше.
04 Где и зачем это применяют

Чтобы ходовая жила, а шины не горели

Допущения модели+

Давление гусеницы считается средним по всей опорной длине, хотя под катками оно в 2–3 раза выше среднего. Колесная машина того же веса стоит на четырех шинах с давлением воздуха 5,9 бар. Несущая способность грунтов учебная, в жизни ее определяют испытанием. Ресурс ходовой: базовые часы зависят от абразивности грунта, натяжение меняет его по учебной зависимости. Самосвал класса 90 т: порожний 70 т, груженый 161 т, самая нагруженная шина передняя, смена 11 часов работы, скорость берется из пройденного пути. Паспортный TKPH шины учебный и пересчитан к местной температуре; производители дают поправки на температуру воздуха и длину рейса.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →