Влияние конструкции ходовой части на устойчивость машины на склонах

Распределение давления на грунт и устойчивость на склонах

Правильное распределение веса имеет большое значение для безопасной эксплуатации на склонах. При неравномерном давлении на грунт возникают проблемы неустойчивости, которые усугубляются по мере увеличения угла наклона. Большинство специалистов знают, что это происходит при несоосности роликов или износе опорных точек вследствие постоянного использования. В результате возникает дисбаланс распределения веса по машине, что фактически снижает силу трения между поверхностями. Испытания на наклонных платформах показывают, что это может повысить вероятность бокового скольжения более чем на 40 процентов. Одновременно возрастает риск опрокидывания машины из-за непредвиденного смещения центра тяжести. Крупные производители спецтехники решают эти проблемы с помощью специальных систем регулировки натяжения гусениц и тщательного размещения направляющих роликов по всему шасси. Такие корректировки способствуют равномерному распределению давления по всем точкам контакта машины с поверхностью, значительно повышая её проходимость в сложных условиях рельефа.

Как неравномерное давление на грунт повышает риск бокового скольжения и опрокидывания на склонах

Проблемы с давлением на склонах могут привести к серьёзной неустойчивости двумя основными способами: когда грунт локально обрушивается и когда вес распределяется неравномерно по машине. Проблема усугубляется, когда участки с повышенной нагрузкой оказывают давление, превышающее несущую способность грунта, особенно при наличии влажной глины или рыхлых скальных пород. В результате под местами наибольшего давления формируются зоны ослабления. Одновременно участки с меньшим давлением склонны к большему проскальзыванию, выступая в роли опорных точек, из-за которых машины могут внезапно опрокинуться. Согласно испытаниям по стандарту ISO 5010:2021, даже незначительные различия имеют большое значение: всего лишь 15%-ное различие в давлении на склоне с углом около 20 градусов повышает вероятность опрокидывания в шесть раз. Для борьбы с этими проблемами производители техники начали применять, например, маятниковые уравнительные балки и регулируемые гусеничные траки. Эти компоненты помогают распределить усилие по различным частям машины во время её движения, что оказывается чрезвычайно важным для обеспечения устойчивости экскаваторов независимо от их размеров или ширины базы.

Преимущества плавучести за счет оптимизированной колеи: испытательные данные по стандарту ISO 10266 относительно способности удерживаться на склоне

Более широкие колейные профили повышают эксплуатационные характеристики на склонах благодаря физике плавучести. Расширение площади контакта с грунтом позволяет снизить давление на грунт до 35 % по сравнению со стандартными конструкциями. Это создаёт эффект присасывания, компенсирующий силы гравитационного скольжения — принцип, подтверждённый в ходе сертификационных испытаний по стандарту ISO 10266:2023:

Данные получены при испытаниях по стандарту ASTM F1637 на грунте с влажностью 30 %

Более широкая колея способствует лучшему распределению крутящего момента по всей системе ходовой части и обеспечивает устойчивость машины при перемещении. Это фактически предотвращает чрезмерное уплотнение грунта в одной точке при поворотах — особенно важный фактор для сохранения курса при работе на склонах крутизной более 30 градусов. Особенно негативные последствия проявляются в сырую погоду, когда машины с узкими гусеницами скользят примерно на 70 % чаще. В настоящее время техника, предназначенная для работы на крутых склонах, эффективно использует взаимосвязь между шириной опорной поверхности и давлением, чтобы преодолевать сложные участки местности, на которых другая техника просто останавливается.

Тяга Взаимодействие материалов и поверхности на скользких склонах

Стальные и резиновые гусеницы: сравнение коэффициентов сцепления (ASTM F1809) на мокрых, грязных и обледенелых склонах

Что касается сухих склонов, стальные гусеницы обеспечивают примерно на 18 % лучшее сцепление по сравнению с резиновыми: согласно стандарту ASTM F1809-22, коэффициент сцепления для стали составляет 0,42, а для резины — 0,35. Однако при переходе к влажным глинистым условиям картина существенно меняется. Здесь резина действительно проявляет свои преимущества, превосходя сталь почти на 27 % благодаря способности плотно облегать поверхность. На обледенелых склонах с углом наклона 25 градусов вулканизированная резина всё ещё сохраняет достаточно хорошее сцепление с поверхностью, обеспечивая коэффициент около 0,28 за счёт микроскопической деформации. Сталь в этих же условиях менее удачлива и снижает коэффициент сцепления до всего лишь 0,19. Эти различия имеют большое значение для проектирования ходовой части и общей устойчивости машины. Эластичность резины помогает снизить проблемы проскальзывания при аквапланировании, тогда как машины со стальными гусеницами склонны легче скользить по замёрзшим поверхностям, где сцепление и так уже снижено.

Потеря устойчивости, вызванная износом: кривые деградации сцепления резиновых гусениц на склонах круче 30°

Резиновые гусеницы начинают значительно терять сцепление уже после примерно 2000 часов эксплуатации, особенно при подъёме по склонам круче 30 градусов. Коэффициент сцепления резко падает — с примерно 0,38 до всего лишь 0,23 в грязных условиях, что существенно повышает риск опрокидывания техники. В чём причина? В первую очередь, грунтозацепы со временем сжимаются, а на поверхности резины образуются мелкие разрывы, из-за чего они уже не могут эффективно очищаться от грязи на почвах, богатых глиной. Машины, оснащённые такими изношенными гусеницами, на склонах круче 35° проскальзывают вдвое чаще, чем машины с новыми гусеницами. Для борьбы с этой проблемой большинство производителей техники проектируют гусеницы с шахматным расположением блоков, обеспечивающим достаточное расстояние между ними для соблюдения базовых требований безопасности при работе на крутых склонах в соответствии с отраслевыми нормативами.

Кинематическая геометрия и управление перераспределением веса

Конфигурация главной передачи (пониженная\/повышенная передача) и её влияние на векторизацию крутящего момента и смещение центра тяжести при подъёме\/спуске

Расположение конечной передачи имеет решающее значение для обеспечения устойчивости машин при движении по склонам. В конструкциях с низким расположением привода ведущая звёздочка размещается под рамой гусеницы, что фактически снижает центр тяжести (ЦТ) на 12–18 % по сравнению с конфигурациями с высоким расположением привода. Такая конструкция помогает значительно снизить нежелательные продольные колебания («кивание») при подъёме в гору, поскольку крутящий момент распределяется равномерно по всей ходовой части, а не концентрируется в одной точке. Это означает отсутствие резких изменений распределения веса, которые могут привести к опрокидыванию машины назад на склонах с углом наклона более 25 градусов. При спуске вниз такие системы используют специальные планетарные редукторы для поддержания постоянного натяжения гусеницы, что снижает риск неконтролируемого соскальзывания машины. Практические испытания показали впечатляющий результат: машины с низким расположением привода скользят вбок примерно на 40 % меньше на склонах из сланца. Этого достигают за счёт противодействия центробежным силам с использованием базовых принципов механического рычага, что делает их значительно безопаснее и предсказуемее в сложных условиях местности.

Шарнирное сочленение поворотной опоры и вилки: баланс между адаптацией к рельефу местности и структурной жёсткостью для эксплуатации на крутых склонах

Шарнирные соединения в шарнирно-сочленённых системах позволяют машинам изгибаться и гнуться при движении по неровной местности, не разрушаясь. Обычно такие соединения оснащены вилками с сферическими роликовыми подшипниками, обеспечивающими примерно 15 градусов вертикального перемещения для каждого колеса тележки. Это помогает гусеницам сохранять контакт с поверхностью земли без скручивания рамы. Однако здесь существует компромисс: чрезмерная гибкость может привести к неустойчивости. Согласно испытательным стандартам, машины с жёсткими шарнирно-сочленёнными системами опрокидываются на склонах с углом наклона 30 градусов на 28 % реже. Опытные инженеры находят оптимальное решение, используя конические роликовые подшипники, которые лучше воспринимают боковые нагрузки, одновременно ограничивая угловое перемещение в допустимых пределах. Хорошо продуманная конструкция обеспечивает искажение рамы менее пяти миллиметров даже при максимальных боковых нагрузках, что гарантирует правильное распределение веса между гусеницами и опорной поверхностью — это особенно важно для устойчивости на крутых склонах.

Гусеничные и колёсные системы: почему Ходовая часть Дизайн определяет производительность на склонах

То, что действительно отличает гусеничные машины от их колёсных аналогов, — это способ распределения веса по поверхности земли, и именно это определяет всё различие при работе на склонах. Благодаря гусеницам вес машины распределяется по значительно большей площади поверхности, поэтому давление на грунт оказывается намного ниже, чем при использовании колёс. Такая конструкция также обеспечивает более низкое расположение машины относительно земли и лучшее сцепление с поверхностью под действием силы тяжести, что снижает вероятность бокового скольжения на склонах. Колёсные машины демонстрируют иную картину: весь их вес приходится всего на несколько небольших точек контакта, из-за чего они могут проваливаться в рыхлый грунт и терять устойчивость при уклоне более 15 градусов. Специалисты отрасли отмечают, что на склонах с углом наклона 30 градусов гусеничные машины сохраняют контакт с поверхностью примерно на 40 % дольше, чем колёсные, — что, разумеется, существенно повышает устойчивость при работе на сложных боковых склонах. При эксплуатации в условиях чрезвычайно крутого рельефа, где высока опасность опрокидывания, правильный выбор ходовой части становится абсолютно необходимым условием обеспечения безопасности персонала.

Часто задаваемые вопросы

Каковы основные риски, связанные с неравномерным давлением на грунт на склонах?

Неравномерное давление на грунт на склонах повышает риск бокового скольжения и опрокидывания. Участки с повышенной нагрузкой могут вызвать локальное обрушение грунта, а несбалансированное распределение веса может привести к неожиданному опрокидыванию и потере устойчивости.

Каким образом производители техники решают проблемы устойчивости на склонах?

Производители используют системы натяжения гусениц, уравнительные балки, регулируемые гусеничные траки и более широкие гусеничные профили для поддержания сбалансированного давления на грунт и повышения устойчивости на склонах.

Каковы преимущества использования резиновых гусениц по сравнению со стальными на различных типах местности?

Резиновые гусеницы обеспечивают лучшее сцепление во влажных и грязных условиях благодаря их способности адаптироваться к поверхности, тогда как стальные гусеницы обеспечивают повышенное сцепление на сухих поверхностях. Резиновые гусеницы также снижают проскальзывание на обледенелых поверхностях.

Как конфигурация конечной передачи влияет на устойчивость машины на склонах?

Конфигурации с низким расположением привода снижают центр тяжести, уменьшают продольные колебания и смещения распределения массы, тем самым повышая устойчивость как на подъёмах, так и на спусках.