Як конструкція ходової частини впливає на стабільність машини на схилах

Розподіл тиску на ґрунт та стійкість на схилах

Правильне розподілення ваги має велике значення для безпечного руху на схилах. Коли тиск на ґрунт нерівномірний, це призводить до проблем зі стабільністю, які посилюються зі зростанням кута нахилу. Більшість людей знає, що це відбувається, коли ролики виходять із вирівнювання або опорні точки показують ознаки зношування через тривале використання. Як наслідок, виникає дисбаланс у розподілі ваги по машині, що фактично зменшує силу тертя між поверхнями. Випробування на нахиляючих столах показують, що це може збільшити ймовірність поперечного ковзання більше ніж на 40 відсотків. У той самий час машина стає схильнішою до перекидання, оскільки її центр ваги несподівано зміщується. Великі виробники спеціальної техніки вирішують ці проблеми за допомогою спеціальних систем натягнення гусениць і ретельного розташування направляючих роликів по всьому шасі. Такі регулювання допомагають підтримувати рівномірний тиск у всіх точках контакту машини з поверхнею, значно покращуючи її здатність працювати в складних умовах рельєфу.

Як нерівномірний тиск на ґрунт підвищує ризик поперечного ковзання та перекидання на схилах

Проблеми з тиском на схилах можуть призвести до серйозної нестійкості двома основними способами: коли ґрунт місцево обрушуються й коли вага розподіляється нерівномірно по машині. Проблема погіршується, коли важкі ділянки створюють більший тиск, ніж ґрунт здатен витримати, особливо за умов вологого глинистого ґрунту або розсипчастої породи. Це призводить до утворення слабких зон безпосередньо під ділянками, де тиск є максимальним. У той самий час ділянки з меншим тиском схильніші до ковзання, виступаючи як точки обертання, що спричиняють неочікуване перекидання машин. Згідно з випробуваннями за стандартом ISO 5010:2021, навіть незначні різниці мають велике значення. Наявність лише 15-відсоткової різниці в тиску на схилі з кутом нахилу близько 20 градусів збільшує ймовірність перекидання в шість разів. Щоб запобігти цим проблемам, виробники обладнання почали використовувати такі елементи, як маятникові вирівнювальні балки та регульовані гусеничні опорні плити. Ці компоненти допомагають рівномірно розподілити навантаження по різних частинах машини під час її руху, що виявляється надзвичайно важливим для забезпечення стійкості екскаваторів незалежно від їхніх розмірів або ширини розстановки.

Плавучість завдяки оптимізованій колії: дані випробувань за стандартом ISO 10266 щодо здатності утримуватися на схилі

Ширші профілі колії покращують роботу на схилах завдяки фізиці плавучості. Збільшення площі контакту з ґрунтом дозволяє оптимізованим конфігураціям знизити тиск на ґрунт до 35 % порівняно зі стандартними конструкціями. Це створює ефект присосу, який компенсує сили гравітаційного ковзання — принцип, підтверджений випробуваннями в рамках сертифікації за стандартом ISO 10266:2023:

Дані отримано для ґрунтових умов за стандартом ASTM F1637 при вологості 30 %

Ширша опорна поверхня сприяє кращому розподілу крутного моменту по всій системі ходової частини й забезпечує стабільність машини під час руху. Це, зокрема, запобігає надмірному ущільненню ґрунту в одному місці під час виконання поворотів — що є дуже важливим для збереження курсу при роботі на схилах з ухилом більше 30 градусів. Особливо негативні наслідки спостерігаються в дощову погоду, коли машини з вузькими гусеницями ковзають приблизно на 70 % частіше. Сучасна техніка, призначена для роботи на складних схилах, ефективно використовує залежність між шириною опорної поверхні та тиском, щоб подолати складні проблеми рельєфу, які зупинили б інші машини.

Тяга Взаємодія матеріалів і поверхні на ковзких схилах

Сталеві та гумові гусениці: порівняння коефіцієнтів зчеплення (стандарт ASTM F1809) за умов вологих, багнюкових та обледенілих схилів

Щодо сухих схилів, стальні гусениці забезпечують приблизно на 18 % краще зчеплення порівняно з гумовими: за даними стандарту ASTM F1809-22 коефіцієнт зчеплення для сталі становить 0,42, а для гуми — 0,35. Однак ситуація суттєво змінюється в умовах вологого глинистого ґрунту. Саме тут гума справжньо «світиться», перевершуючи сталь майже на 27 % завдяки своєму конформному (адаптивному) зчепленню. На тих же обледенілих схилах з нахилом 25 градусів вулканізована гума все ще досить добре утримує машину на поверхні, забезпечуючи коефіцієнт зчеплення близько 0,28, оскільки на мікрорівні вона трохи деформується. Сталеві гусениці пощастило значно менше: за аналогічних умов їх коефіцієнт зчеплення падає до всього 0,19. Ці різниці мають велике значення для проектування ходової частини та загальної стабільності машини. Еластичність гуми сприяє зменшенню проблем із пробуксовкою під час аквапланування, тоді як машини зі стальними гусеницями схильні більш легко ковзати по замерзлих поверхнях, де й так уже знижене зчеплення.

Втрата стійкості через зношування: криві зниження зчеплення гумових гусениць на схилах понад 30°

Гумові гусениці починають помітно втрачати зчеплення після приблизно 2000 годин роботи, особливо під час підйому схилами крутизною понад 30 градусів. Коефіцієнт зчеплення різко знижується — з близько 0,38 до всього 0,23 у мулистих умовах, що значно підвищує ризик перекидання техніки. Що спричиняє це явище? Переважно внаслідок поступового стиснення грунтозахоплювальних виступів (лапок) та утворення мікротріщин на гумовій поверхні, через що вони вже не можуть ефективно очищатися від мулу в ґрунтах, багатих глиною. Машина, що працює на таких зношених гусеницях, на схилах крутизною понад 35° буксує вдвічі частіше, ніж на нових. Щоб запобігти цій проблемі, більшість виробників спецтехніки проектують гусениці з розміщеними у шаховому порядку блоками, які забезпечують достатню відстань між собою для виконання базових вимог безпеки при роботі на крутій місцевості згідно з галузевими нормативами.

Кінематична геометрія та контроль перерозподілу ваги

Конфігурація кінцевого приводу (низький/високий передавальний відношення) та її вплив на векторизацію крутного моменту й зміщення центру ваги під час підйому/спуску

Розташування кінцевої передачі має вирішальне значення для забезпечення стабільності машин під час руху по схилах. У конфігураціях з низьким розташуванням приводу ведуче зубчасте колесо розташоване під рамою гусениці, що фактично знижує центр ваги (ЦВ) приблизно на 12–18 % порівняно з високорозташованими приводами. Така конструкція сприяє зменшенню неприємних коливань у поздовжній площині («кивання») під час підйому схилами, оскільки крутний момент рівномірно розподіляється по всій ходовій частині замість того, щоб концентруватися в одному місці. Це означає, що не виникає раптових змін розподілу ваги, які могли б спричинити перекидання машини назад на схилах з ухилом понад приблизно 25 градусів. Під час руху вниз схилом такі системи використовують спеціальні планетарні передачі для підтримання постійного натягу гусениць, що зменшує ймовірність неконтрольованого ковзання машини. Результати реальних випробувань також демонструють досить вражаючі показники: машини з низькорозташованим приводом ковзають убік приблизно на 40 % менше на схилах із сланцю. Вони досягають цього за рахунок протидії відцентровим силам за допомогою базових принципів механічного важеля, що робить їх набагато безпечнішими та передбачуванішими в складних умовах рельєфу.

Шарнірне з’єднання поворотної осі та вилки: забезпечення балансу між адаптацією до рельєфу та структурною жорсткістю під час експлуатації на крутосхилах

Шарнірні з'єднання в шарнірно-зчленованих системах дозволяють машинам згинатися та гнучко рухатися по нерівному ґрунті, не розпадаючись на частини. Ці з'єднання, як правило, мають вилки з сферичними роликовими підшипниками, що забезпечують приблизно 15 градусів вертикального переміщення для кожного колеса візка. Це сприяє тому, щоб гусениці залишалися в контактах із ґрунтом без скручування рами. Однак тут також існує компроміс: надмірна гнучкість може фактично знижувати стабільність. Згідно з тестовими стандартами, машини з жорсткими шарнірно-зчленованими системами перевертаються на 28 % рідше на схилах з кутом нахилу 30 градусів. Розумні інженери знаходять «золоту середину», використовуючи конічні роликові підшипники, які краще сприймають бічні навантаження, але при цьому обмежують кутове переміщення в допустимих межах. Добре продуманий дизайн забезпечує деформацію рами менше ніж 5 мм навіть під дією максимальних бічних навантажень, що гарантує правильний розподіл ваги між гусеницями та поверхнею ґрунту — чинник, який має вирішальне значення для утримання стійкості на крутіших схилах.

Гусеничні та колісні системи: чому? Ходова частина Дизайн визначає продуктивність на схилах

Те, що справжньою відмінністю гусеничних машин від їхніх колісних аналогів, — це спосіб розподілу їхньої ваги на поверхні землі, що має вирішальне значення під час роботи на схилах. У разі гусениць вага машини розподіляється на значно більшу площу, тому тиск на ґрунт набагато менший, ніж у разі коліс. Така конструкція також забезпечує нижче розташування машини щодо землі та краще зчеплення з поверхнею проти дії сили тяжіння, що зменшує ймовірність її поперечного зсуву на схилах. Колісні машини мають іншу специфіку: вони концентрують усю вагу лише на кількох невеликих ділянках, що може призвести до просідання в рихлий ґрунт і ускладнює утримання позиції, як тільки кут нахилу схилу перевищує приблизно 15 градусів. Експерти галузі встановили, що на схилах із нахилом 30 градусів гусеничні машини залишаються в контакті з поверхнею землі приблизно на 40 % довше, що, зрозуміло, сприяє стабільності під час роботи на складних бічних схилах. У разі дуже крутого рельєфу, де загроза перекидання є серйозною проблемою, правильний вибір ходової частини стає абсолютно необхідним для забезпечення безпеки працівників.

ЧаП

Які основні ризики пов’язані з нерівним тиском на ґрунт на схилах?

Нерівний тиск на ґрунт на схилах підвищує ризик бічного ковзання та перекидання. Місця зі значною вагою можуть спричинити локальне обвалення ґрунту, а незбалансоване розподілення ваги — неочікуване перекидання й нестійкість.

Як виробники обладнання вирішують проблеми стабільності на схилах?

Виробники використовують системи натягу гусениць, балансувальні балки, регульовані гусеничні плити та ширші профілі гусениць для підтримання збалансованого тиску на ґрунт і покращення стабільності на схилах.

Які переваги використання гумових гусениць порівняно зі стальними на різних типах місцевості?

Гумові гусениці забезпечують краще зчеплення у вологих і багнючих умовах завдяки їхньому пружному (адаптивному) захопленню, тоді як стальні гусениці забезпечують краще зчеплення на сухих поверхнях. Гумові гусениці також зменшують ковзання на льоду.

Як конфігурація кінцевого приводу впливає на стабільність машини на схилах?

Низькі приводні системи знижують центр тяжіння, зменшуючи крен і зміщення розподілу ваги, що покращує стабільність як на підйомах, так і на спусках.