Исследование шин сверхнизкого давления для снегоболотоходов.

Шапиро В.Я. к.т.н..Дмитриев В.Н. инж. Ассоциация «Арктиктранс»
Годжаев З.А. д.т.н., Гончаренко СВ. инж. «Федеральный Исследовательский испытательный центр машиностроения»
(ФИИЦМ)

Повышение проходимости транспортных средств является одной из основных проблем современного транспортного машиностроения. Решение этой проблемы связано главным образом с уменьшением величины удельного давления в контакте движителя с грунтом.

Именно поэтому, в последние десятилетия двадцатого века возникли конструкции легких транспортных средств на базе мотоциклетной и легковой автомобильной техники, называемые вездеходами на пневматиках сверхнизкого давления (каракаты, тундролеты, дутики и т.д.). В качестве движителей, использовались камеры от грузовых автомобилей, самолетов и тракторов. Для увеличения сцепных свойств они оснащались поперечными ремнями с наклепанными грунтозацепами, а для повышения эксплутационной живучести, дополнительной оболочкой из разрезанной по образующей такой же камеры (использовалась как покрышка). Огромное количество таких машин создается и используется до сих пор на необъятных бездорожных просторах России.

Организация промышленного выпуска снегоболотоходов потребовала создания промышленного производства тонкостенных шин, имеющих большую нагрузочную способность, чем камеры. В настоящее время освоено производство различных тонкостенных шин, использующихся как в камерном так и бескамерном вариантах. Наиболее известны шины фирм ТРЭ-КОЛ, АВТОРОС и АРКТИКТРАНС, которые и были использованы для сравнительного анализа их свойств.

В таблице 1 приведены данные производителей трех близких по размерам шин сверхнизкого давления. Внешний вид шин показан на рисунке 1.

Исследования проводились по единым методикам, в сопоставимых условиях на аттестованном испытательном оборудовании «Федерального исследовательского испытательного центра машиностроения».

Лабораторные испытания проводились на универсальном функциональном стенде СИБ - Ш конструкции А.Р.Шабарова с дальнейшей модернизацией осуществленной С.В. Гончаренко (рис. 2). На стенде устанавливалась аппаратура высокой чувствительности с большими коэффициентами усиления. Подвижные части стенда уравновешивались противовесами, что позволило вести измерения параметров процесса от абсолютного «нуля».

Испытания на определение давлений шин на почву проводились в соответствии с ГОСТ 26953 - 86, раздел 3. На подвижный стол стенда устанавливались борта, и в полученную емкость засыпался грунт соответствующий по характеристики мягкому полю, подготовленному под посев. Грунт просеивался через сетку размером ячейки 1,5x1,5 мм, таким образом размер частиц грунта был от 0,06 до 1,5 мм и влажность его не превышала 3%. Это соответствовало утверждениям транспортников: «нога человека проваливается, а шина - едет». Твердость грунта составляла один удар по ударнику ДорНИИ. На глубину 21±1 см устанавливались протарированные мембранные датчики собственной конструкции лаборатории испытаний шин «ФИИЦ М». Датчики устанавливались вдоль продольной оси шины в плоскости ее качения и поперек ее движения. Таким образом снимались продольные и поперечные эпюры давления шин на почву при многократных проездах. Количество проездов устанавливались опытным путем до получения стабильных результатов, но не менее шести заездов в прямом и обратном направлениях.

Результаты испытаний шин на несущую способность на стенде были сведены в таблицу 2. Результаты испытаний шин на удельное давление на мягком грунте приведены на рис. 4. 5 и 6.

Как следует из данных таблицы 2, нагрузочная способность шин при внутреннем давлении воздуха 10 кПа (0,1 атм.), что рекомендуется фирмой ТРЭКОЛ для преодоления участков трассы с малой несущей способностью, не позволяет эксплуатировать эти шины в нормальном режиме (рис. 3).

Образование складок и переход боковины на беговую дорожку ведет к интенсивному износу. Как следует из таблицы 2 при давлении 20 кПа (0,2 атм.) несущая способность увеличивается в 2 раза, но еще не достаточна для нормальной эксплуатации. Только при внутреннем давлении 60 кПа (0,6 атм.) несущая способность вышеуказанной шины и шины 49x23,5-21 «Авторос» достигает 600 кг, которые необходимы для эксплуатации 4-х 6-и и 8-и колесных снегоболотоходов этих фирм в нормальном режиме.

По этому показателю несущая способность шины 1300x700-24" «АРКТИКТРАНС» превышает показатели двух других шин в 1.6-1,8 раза (имеет максимальную несущую способность) что делает возможным ее использование при более низком внутреннем давлении в шине.

Низкое внутреннее давление является определяющим для снижения давления шины на грунт. До проведения настоящего исследования предполагалось, что давление на грунт приблизительно равно давлению воздуха в шине. Однако было установлено, что это не соответствует действительному показателю.

Так при давлении воздуха в шине 10 кПа давление на почву составляет 15-20 кПа а при давлении воздуха 60 кПа давление на почву колеблется от 17 до 39 кПа для всех исследованных шин.

Численные значения удельных давлений шин в зависимости от давления воздуха и нагрузки приведены в таблице 3. На основании таблицы 3 построены графики зависимости давления на мягкий грунт от внутреннего давления воздуха в шине и от нагрузки, см. рис. 4, 5 и 6.

Как следует из этих графиков при повышении нагрузки возникает положение когда при недостаточном внутреннем давлении шина теряет несущую способность, происходит раздавливание шины (точнее потеря ее геометрии). По этому показателю шина 1300x600-21" и шина 49x23.5-21" весьма близки, хотя у последней они несколько лучше. Шина 1300x700-24" имеет значительно более высокую нагрузочную способность. Если у первых двух шин потеря несущей способности происходит при нагрузке 600 кг и внутреннем давлении в шине 15 кПа, то у последней шины это происходит при нагрузке 1000 кг и таком же внутреннем давлении. А при давлении 60 кПа шина выдерживает нагрузку 1200 кг, что в 1.5 раза больше чем заявлено по ТУ. Интересные данные были получены при изучении тягово-сцепных показателей как на твердом, так и на мягком грунте, Сводные данные для мягкого грунта представлены в таблице 4.

Как следует из этой таблицы шины 1 и шины 2 по первым трем показателям весьма близки и отличаются только разницей в предельном буксовании, что объясняется более высокими и более удачно расположенными грунтозацепами последней (рис. I). Максимальная сила тяги шины 1300x700-24" в 1,5 раза выше, а тяговый коэффициент полезного действия выше в 1,27-1,19 раза, что косвенно указывает на более высокий КПД работы шины.

Таким образом, проведенные исследования показали преимущество шины 1300x700-24" (52.2x25,5-24") во всем диапазоне исследований, что также подтверждается отзывами потребителей о практике использования этой шины. Она испытывалась на снегоболотоходах «ПЕТРОВИЧ» (Тюмень), «КЕРЖАК» (Н. Новгород), КБ Старатель (Самара), «ЛЕШИЙ» (Саратов), «ТРОМ» (Сургут) и показала высокие эксплутационные свойства.

В настоящее время результаты исследования используются авторами для создания новых типов тонкостенных шин сверхнизкого давления.