Рис. 15. Распределение напряжений под колесом с жестким ободом: а — неподвижное колесо; б — движущееся колесо

На рис. 15 показана схема распределения напряжений под колесом с жестким ободом. В случае неподвижного колеса (рис. 15, а) эпюра напряжений на поверхности грунта симметрична относительно вертикальной оси. На последней расположен и максимум напряжений. При движении колеса имеет место иная картина. Ранее уже указывалось, что при разгрузке восстановление обратимой деформации грунта начинается не сразу и происходит со сравнительно небольшими скоростями. Надо также учесть, что на процесс восстановления обратимой деформации накладывается процесс последействия нагружения. Все это приводит к тому, что нагрузка на грунт при достаточно большой скорости движения колеса не может передаваться по всей поверхности контакта колеса с грунтом, так как фактически в задней части этой поверхности такого контакта нет. Поэтому нагрузка передается только через переднюю часть этой поверхности.
Если колесо ведомое, то под действием силы тяги Т максимум напряжений сдвигается по отношению к вертикальной оси несколько вперед. Таким образом, можно сказать, что если в случае неподвижного колеса, напряжения, которые развиваются от действия нагрузки на колесо Р, на поверхности контакта распределяются крайне неравномерно, то при движущемся колесе эта неравномерность усиливается.

В отличие от жесткого, колесо, снабженное пневматической шиной, при перекатывании по поверхности не только деформирует эту поверхность, но и само сжимается. Если поверхность, по которой движется это колесо, легко деформируется, что имеет место, например, при рыхлом грунте, то деформация пневматика относительно мала и он ведет себя как жесткое колесо. Наоборот, при движении по практически недеформируемой поверхности, например, по цементно-бетон-ному дорожному покрытию, сжимается только колесо.

Рис. 16. Распределение напряжений под пневматическим колесом

Площадь контакта между пневматическим колесом и твердой поверхностью может рассматриваться как эллипс. Для шин сравнительно больших размеров (10,5—20 и более) отношение осей эллипса находится в пределах от 1 : 4 до 1 : 2.

Распределение напряжений по поверхности контакта движущейся шины схематически изображено на рис. 16. На основе проведенных опытов можно полагать, что напряжения распределяются по эллипсоиду.

Более благоприятное распределение напряжений и большая площадь контакта приводят к тому, что, по сравнению с жестким колесом, здесь как средние, так и максимальные напряжения всегда ниже. Поэтому машины, снабженные колесами на пневматиках, всегда обладают большей проходимостью, чем машины с жесткими колесами. Это, а также эластичность шин, позволяющая производить движение машин с высокими скоростями, привели к тому, что в настоящее время почти все строительные и дорожные машины выпускаются с колесным ходом, оборудованным пневматическими шинами. Жесткие колеса еще применяются на тяжелых, преимущественно полустационарных машинах, передвижение которых производится в редких случаях и при малых скоростях движения.

Оказываемое пневматикой на грунт удельное давление, или напряжение на поверхности контакта шины с грунтом складывается из двух составляющих: давления воздуха и давления, развивающегося за счет жесткости самой шины.

При перекатывании колеса возникают сопротивления. Эти сопротивления являются следствием деформации как поверхности, по которой происходит перекатывание колеса, так и самой шины. При этом должно быть учтено также сопротивление трения, возникающее в подшипниках колеса. В настоящее время разработаны методы определения этих сопротивлений. Пользоваться ими затруднительно не только ввиду их сложности, но также и потому, что движение колес может происходить в самых разнообразных условиях, учесть которые бывает весьма затруднительно. Поэтому расчет сопротивления перекатыванию колеса лучше всего вести, пользуясь опытными данными.

От того, насколько хорошо будет обеспечено сцепление шины с поверхностью дороги, зависят не только возможность реализации мощности имеющегося двигателя, но и безопасность движения. Поэтому для повышения сцепления принимается ряд мер. Так, поверхности асфальтобетонных и других дорожных покрытий устраиваются шероховатыми, а предназначенные для движения по грунту шины снабжаются протектором с глубокими рисунками. При этом наибольшее сцепление соответствует шинам с рисунком типа «елка».

Рис. 17. Схемы поворота двухосных машин: а — с двумя управляемыми колесами; б — со всеми управляемыми колесами

Изменение направления движения колесных машин осуществляется путем поворота управляемых колес относительно рамы машины. Управляемыми могут быть как передние, так и задние колеса, а также все колеса машины. Поворот осуществляется во время движения машины, т. е. на ходу. Некоторые машины не имеют поворотных колес. В этих случаях поворот осуществляется за счет разности скоростей вращения колес правого или левого борта или же вращением их в противоположных направлениях. Такой поворот называется бортовым. По этому же принципу производятся повороты гусеничных машин. Устройство поворотного механизма машин с управляемыми колесами аналогично устройству автомобиля (рис. 17, а). Для того чтобы обеспечить движение колес без скольжения, они должны перемещаться по дугам концентрических окружностей. Из этого условия вытекает, что угол поворота внутреннего колеса р должен быть больше угла поворота наружного колеса а.

Маневренность машины со снижением радиуса поворота повышается, так как появляется возможность работать на более узких полосах. Поэтому всегда надо стремиться к тому, чтобы получить этот радиус возможно более малым. Угол а обычно принимается в пределах 40—45°.

В случае трехосных машин неизбежно некоторое скольжение колес. Для его уменьшения расстояние между неуправляемыми второй и третьей осями должно быть снижено до возможного минимума.

Машины со всеми управляемыми колесами (рис. 17, б) обладают значительно большей маневренностью, так как радиус их поворота снижается в 2 раза. Кроме того, когда колеса повернуты параллельно, возможно боковое (косое) движение машины, что удобно при объезде препятствий.

Рис. 18. Схема машины с поворотной осью

Машины, созданные на базе одноосных тягачей, изменяют направление движения путем поворота передней оси (рис. 18). Положение колес относительно этой оси остается неизменным. При повороте оси на угол а = 90° машина совершает поворот на месте, чем достигается высокая ее маневренность. Вместе с тем устойчивость этих машин при поворотах ниже, чем машин с поворачивающимися колесами. Снижению устойчивости способствует то обстоятельство, что шарнир О устраивается таким образом, чтобы передняя ось могла поворачиваться в вертикальной плоскости.

Для поворота оси требуются значительно большие усилия, чем для поворота колеса, ввиду чего поворот этой оси, как правило, механизируется.

Наклон способствует также более устойчивому прямолинейному движению машины, так как каждый поворот колес обязательно сопровождается необходимостью поднятия передка машины. Поэтому наклон облегчает также возврат колес в положение, соответствующее прямолинейному движению машины. В плоскости, параллельной продольной оси машины, шкворень наклонен под углом а, что снижает усилия в рулевом механизме и обеспечивает устойчивое положение колеса. У машин, движущихся с высокими скоростями, колеса устанавливаются так, что они в плане имеют так называемую сходимость, которая обеспечивается углом б. Сходимость измеряется разностью (Ь — а), которая обычно равна нескольким миллиметрам.

Широкое распространение начинают приобретать шины с регулируемым давлением. Такое регулирование осуществляется централизованно — из кабины оператора — и может производиться как на ходу, так и во время стоянки машины. При проходе машины по рыхлому или влажному грунту
давление воздуха в шинах снижается и тем самым уменьшается глубина колеи, а следовательно, и сопротивление движению. При выходе машины на твердую поверхность давление в шинах повышается, что уменьшает их деформацию и тем самым увеличивает срок службы. Современные модели шин низкого давления позволяют изменять давление воздуха в них от 0,5 до 2,5 кПсм1, а в шинах высокого давления — от 2 до 5—6 кГ/см2. На строительных и дорожных машинах находят применение также арочные шины, которые от обычных отличаются большей шириной профиля, что улучшает их сцепление с грунтом.

В месте контакта с поверхностью грунта шина деформируется.

Рис. 21. Схема расстановок колес в плане

Эти изменения связаны с тем, что задние колеса часто движутся по следу передних, т. е. по уже несколько уплотненному грунту, и поэтому здесь коэффициент сопротивления движению оказывается ниже.

Если /i — коэффициент сопротивления перекатыванию передних колес по рыхлому грунту, a fcp — средний коэффициент сопротивления перекатыванию всей тележки, то при расстановке колес по схеме на рис. 21, а, б, в f„ = fi; fcp = 0,7/i; fcp = 0,8/х.

Гусеничный ход обладает большой площадью контакта с грунтовой поверхностью. Ввиду этого оказываемое на грунт удельное давление здесь ниже, чем при колесном ходе. Поэтому гусеничные машины, как правило-, обладают большей проходимостью по рыхлым и особенно переувлажненным грунтам. Вместе с тем эти машины, по сравнению с колесными, тихоходны и при движении имеют место значительные потери на трение внутри самого механизма гусениц.
Поэтому, несмотря на небольшое удельное давление, а следовательно, и глубину колеи, сопротивление движению гусениц в большинстве случаев выше, чем колес.

Более высокому сопротивлению движению способствует также и местные неровности пути, преодоление которых часто сопровождается продольными наклонами как гусеничного хода, так и всей машины в Целом. Эти недостатки послужили причиной для постепенного вытеснения гусеничного движителя колесным, устроенным с применением пневматических шин. Однако такая замена не всегда возможна. Машины с большими нагрузками на ходовое устройство и предназначенные для работы на слабых грунтах в настоящее время делаются и еще долгое время будут устраиваться на гусеничном ходу.

Опорная поверхность траков гусеничного хода может быть гладкой или снабженной грунгозацепом (рис. 22). В последнем случае проскальзыванию гусениц противостоят не только развивающиеся на поверхности контактов траков с грунтом силы сцепления, но и сопротивление верхнего слоя грунта срезу, который может произойти на поверхности, расположенной на глубине L.

Гусеничный ход может быть выполнен в виде жесткой рамной многоопорной конструкции (рис. 22, а) или быть гибким безрамным малоопорным (рис. 22, б). В первом случае ведомое и ведущее колеса, а также опорные ролики монтируются на специальной раме, а во втором такая рама отсутствует.

Жесткая гусеница обеспечивает более равномерное распределение давления, чем гибкая, и потому может быть устроена несколько меньшей ширины.

Рис. 22. Типы гусениц

При такой конструкции можно обеспечить надежную защиту механизмов гусеницы от пыли, но потери на трение выше, чем при гибкой гусенице. Жесткая конструкция гусениц применяется на машинах, предназначенных для движения по слабым грунтам, и в случаях, когда наклоны всей машины большого значения не имеют. Имеется также промежуточный тип гусеницы — полужесткий. Здесь устраивается рама, но опорные ролики попарно объединяются в шарнирно подвешенные подвижные блоки, снабженные амортизационными пружинами.

При наездах на препятствия блоки перекашиваются и тем самым гусеничная лента может «вписываться» в неровности пути.

Различают внешние и внутренние сопротивления передвижению гусеничного хода. К числу внешних относятся сопротивления, связанные со смятием грунта и преодолением уклонов. К внутренним относятся те сопротивления, которые возникают в самих механизмах гусеничного хода ввиду сил трения. Для жестких гусениц внутренние сопротивления обычно составляют 20—30% от внешних сопротивлений. Метод расчета развивающихся сопротивлений сложен и вместе с тем недостаточно надежен. Поэтому при определении общего сопротивления движению гусеничного хода лучше всего пользоваться опытными данными. Опытами установлено, что коэффициент сопротивления движению повышается со снижением модуля деформации грунта или с повышением удельного давления. При одинаковом удельном давлении он несколько возрастает с увеличением поперечных размеров площади контакта гусеницы с грунтом, т. е. с ростом ширины или длины гусеницы.

Коэффициент сцепления гусеничного хода с грунтом мало зависит от его влажности. При движении по горизонтальному участку коэффициенты сопротивления движению и сцеплению могут быть приняты согласно табл. 5. При движении по весьма рыхлым или очень влажным грунтам сопротивление движению колесных машин, как правило, выше, чем гусеничных, а при движении по плотным грунтам и по дорогам — ниже.

Максимальное удельное давление, оказываемое на грунт со стороны гусеничного хода, зависит не только от веса машин, но и от тех усилий, которые воспринимаются ее рабочими органами.

Рис. 23. Распределение давлений под гусеничной машиной

Поворот гусеничной машины аналогичен повороту машин, изоора-женных на схеме (рис. 20). Возможность поворота гусеничных машин как во время движения, так и на месте обеспечивает высокую маневренность. Поворот осуществляется выключением или затормаживанием одной из гусениц. При этом центром поворота всей машины становится центр опорной поверхности заторможенной гусеницы.

При работе землеройно-транспортных машин возникают еще сопротивления, связанные с копанием грунта. Эти сопротивления являются самыми большими и потому должны учитываться в первую очередь. Выше было показано, что при прочих равных условиях они зависят от типа рабочего органа. Методы численного определения этих сопротивлений будут даны ниже при рассмотрении конкретных машин.

При проектировании машины весьма важно правильно выбрать мощность двигателя или тягача, что можно сделать лишь при полном учете развивающихся сопротивлений. Такой учет и определение необходимой мощности и является задачей тягового расчета.

В случае землеройно-транспортных машин следует различать два режима работы — тяговый, или рабочий, и транспортный. Тяговый режим соответствует процессу копания грунта, а транспортный — его перевозке. В каждый момент времени внешние сопротивления должны уравновешиваться той окружной силой, которая развивается на ходовом устройстве. Уравнение, которым обусловливается это равновесие, называется тяговым балансом.

Рис. 26. Тяговая характеристика машины

В результате испытаний землеройно-транспортных машин может быть построена их тяговая характеристика (рис. 26). Под тяговой характеристикой понимается зависимость мощности, расходуемой на копание NK, часового расхода топлива GT и действительной скорости движения v от силы тяги Wк на рабочем органе при изменении последней от нуля до максимального значения. Такая характеристика строится на разных передачах при установившемся режиме работы машины на горизонтальной поверхности.

Тяговые характеристики могут быть получены также и теоретическим путем.