В настоящее время применение однозвенных гусеничных машин средней и большой грузоподъёмности сильно ограничено запретом их эксплуатации в условиях тундры из за повреждения верхнего слоя почвы металлическими гусеницами вкупе с бортовым принципом поворота. Вместе с этим все, кто эксплуатирует в этих условиях технику на шинах низкого давления отмечают низкую грузоподъемность и недостаточную проходимость данного вида техники. В настоящем описании научно – исследовательской работы, состоящей из двух частей, первая из которых посвящена гусеничным обводам нового, ранее не применявшегося в силу технологической невозможности типа, а вторая часть посвящена разработке инновационного, не имеющего аналогов в мире механизма бортового поворота, позволяющему не повреждать слабонесущие грунты в зоне вечной мерзлоты в летний период и при необходимости присоединять к головной машине гусеничный прицеп с ведущими гусеницами.
Часть1.
Полиуретановые гусеницы. Типы и сфера применения.
В настоящее время на всех разновидностях гусеничных машин применяются только два вида гусениц – металлические и резиновые. Металлические гусеницы используются на военных машинах из- за высокой устойчивости к механическим повреждениям вследствие воздействия ударной волны при наезде на мины, либо же вследствие попадания различных боеприпасов. Они быстро ремонтируются путем замены поврежденных пальцев и траков, однако чрезвычайно тяжелы и имеют небольшой ресурс. Так же эти гусеницы сильно повреждают почву и мало подходят для эксплуатации в заснеженных районах с резкими изменениями температурного режима и сильноизрезанным ландшафтом, так как при пересечении даже неглубоких водоемов гусеницы впоследствии сильно обмерзают, что делает их эксплуатацию невозможной без частой очистки, а так же требуется специальная подготовка поверхности при постановке на ночной отдых для предотвращения примерзания нижней части гусеничного обвода. На гражданских машинах малой и средней грузоподъемности применение довольно тяжелых металлических гусениц совершенно неоправданно экономически, учитывая их процентную долю в общей массе машины и околонулевую вероятность повреждения вследствие подрыва на мине.
В мировой практике на машинах малой и средней грузоподъемности применяют резиновые гусеницы в виде сплошной резинокордовой ленты с прикрученными к ней металлическими усилителями и ограничителями. Они так же имеют технически неустранимые недостатки:
- Невозможность изготовления без оголенных стальных элементов, ибо обрезиненные опорные катки при трении по стальным ограничителям имеют гораздо меньший коэффициент трения, чем по ограничителям обрезиненным. Разница – в разы, а это очень существенные потери мощности. А к стальным элементам мгновенно налипает мокрый снег, грязь, что сильно утяжеляет гусеничный обвод и приводит к серьезным потерям мощности на перематывание.
- Современные резиновые смеси не могут в полной мере удовлетворить требования по температурным градиентам эксплуатации техники даже в пределах стандартных значений от минус 40 до плюс 40 градусов по Цельсию. Резиновые смеси не универсальны. Приходиться делать выбор между летней резиной и зимней, что исключительно неудобно в условиях, где температура в течение суток меняется от минусовых до плюсовых значений. Но даже при эксплуатации зимних сортов резины в условиях значений температур от минус40 и ниже она крайне быстро теряет гибкость и растрескивается.
- Ремонт резиновой гусеницы даже в случае небольших повреждений, связанных с надрывом полотна, чаще всего невозможен.
- «Пропеллерная» жесткость (возможность противостоять поперечному скручиванию) резиновой гусеницы крайне низка, из- за чего приходиться сильно натягивать гусеничный обвод для предотвращения схода опорных катков с полотна, что приводит к серьезным потерям мощности – теоретические выкладки дают цифру потерь до 30%. Боле того, мягкая поверхность соприкосновения с опорными катками только увеличивает процент потерь. Если же для увеличения пропеллерной жесткости и износостойкости резинового полотна увеличить его толщину, то цифры потерь возрастают до неприемлемых значений.
- Невозможность изготовления полноценной зимней гусеницы с шипами необходимой длины ( до 5 мм над поверхностью) вследствие того, что из за мягкой резиновой смеси и они быстро выпадут вследствие износа опорных гнезд, в которые они будут установлены. Это наблюдается и на автомобильных покрышках, где шипы и вовсе почти не выступают над поверхностью., но через два – три сезона начинают выпадать.
- Технология изготовления резиновых гусениц требует вулканизации резиновой смеси в металлических матрицах определенной формы и длины, что ограничивает возможности быстрой перестройки мелкосерийного производства на модифицированные модели вследствие дороговизны заказа новых форм для гусениц даже для незначительного изменения её длины, не говоря уже о типе протектора или прочих изменениях. К тому же в Росси остался только один завод, более или менее имеющий возможность изготавливать подобные изделия, китайских производителей нельзя рассматривать всерьез из- за нестабильного качества, непонятного ценообразования и невозможности заказа малых серий.
Все вышеперечисленные факторы наводят на мысль, что ни один из типов гусениц в полной мере не может удовлетворить наши потребности как изготовителей гусеничной техники. Напомню, что наша организация с торговой маркой «Русский Вездеход» производит гусеничные вездеходы «Штурм» в штучном исполнении. Более того, так как мы постоянно держим связь не только с нашими клиентами, но и с производителями других марок подобной техники, мы пришли к выводу, что у них эта проблема так же очень актуальна и долгие годы не решается по вышеизложенным причинам. На основании этих выводов, а так же на основе изучения полиуретана различных марок и успешного применения его в конструкции нашего вездехода, где он оправдал все ожидания, а в некоторых элементах, таких как приводная звезда гусеницы – даже превзошел их, возникла идея проработать конструкцию гусеницы из полиуретана, полностью удовлетворяющую нашим требованиям.
Начнем с преимуществ полиуретана.
- Очень износостойкий материал, превосходит в разы по этим показателям резину.
- К нему не прилипает снег и грязь, нет намерзания снега или вкрапления песка при втирании.
- Простой технологический процесс отливки полиуретана в силиконовые формы, отсутствие необходимости нагревать материал для отверждения.
- Возможность послойной заливки материала с разной твердостью, что позволяет отформовывать беговые дорожки и грунтозацепы более твердыми, чем сама сердцевина гусеницы, что уменьшает сопротивление её перемотки , а значит и потери мощности при движении. Так же более твердые грунтозацепы позволяют инсталлировать в них твердосплавные шипы еще на этапе отливки, а адгезия к металлу у полиуретана – очень серьезная ( им приклеивают лобовое стекло автомобиля к кузову – держится десятками лет).
- Возможность все металлические элементы – ограничители облить полиуретаном, так как это очень скользкий материал и потери на трение в паре – ограничитель – опорный каток будут незначительными. В итоге – полное отсутствие налипания на гусеницу снега и грязи, а значит кардинальное улучшение условий эксплуатации и минимизация потерь мощности на движение.
- Высокий диапазон температурного применения – от минус 80 до плюс 80 градусов по Цельсию, что решает вопрос всесезонности.
- Ремонт поврежденного участка гусеницы возможен при определенных температурных условиях в любом отапливаемом помещении с минимумом оборудовании без вулканизации и нагрева.
На основе опыта проектирования и эксплуатации вездехода Штурм различных модификаций было принято решение спроектировать гусеничные ленты трех различных конструкций и провести сравнительные испытания на одинаковой модели вездехода.
Тип 1. Универсальная неразъемная всесезонная гусеничная лента. Конструкция представлена на рис. 1. По сравнению резинокордовой гусеничной лентой она, при схожести конструкции, обладает рядом существенных достоинств. Перечислим их по порядку:
- Внутренняя часть ленты, по которой движутся опорные катки, отлита из полиуретана с жесткостью 80 – 90 единиц по Шору А для устранения упругой деформации в месте контакта катка и поверхности ленты. Это снижает потери на перематывание . Толщина слоя 2 мм.
- Наружный слой ленты так же отлит из тведых сортов полиуретана с тем же индексом – 80 – 90 единиц по Шору А. Это уменьшает износ слоя, контактирующего с поверхностью . Толщина слоя 2 – 10 мм, в зависимости от места.
- Внутренняя прослойка отлита из более мягкого полиуретана с твердостью по Шору А 35 единиц. Толщина этого слоя 8 мм. В нем же залит армирующий слой металлокордовой сетки по всей длине ленты с напуском и сшиванием металлической нитью краев внахлест. В этот же слой заливаются стеклопластиковые стержни для придания продольной жесткости полотну и обеспечения возможности формовки усиленных элементов по краям, за которые будет осуществляться перемотка ленты посредством зубчатых колес. Этот слой обеспечит гибкость ленты, что значительно снизит потери мощности.
- Направляющий зуб опорного катка, препятствующий сходу катка с ленты – двухкомпонентный. Внутренняя часть заполнена пенополиуретаном для уменьшения веса, снаружи он облит жестким полиуретаном той же твердости, что и беговая дорожка.
Этот тип ленты – наиболее универсальный и предназначен для применения на скоростных версиях вездеходов для круглогодичной эксплуатации в при небольшом снеговом покрове – примерно до 60 см.
Тип 2. Неразъемная гусеничная лента для болот и глубокого снега.
Данный тип предназначен для профессиональных вездеходов, эксплуатирующихся в сверхтяжелых условиях, преимущественно на болотах и при снеговом покрове выше 60 см. Характерной особенностью является очень высокий поперечный зуб – до 7 см высотой, в который в нижней части залита опора под твердосплавный шип, вкручиваемый в гусеницу по мере необходимости. Вместо шипа можно прикрутить уголок из алюминиевого сплава для увеличения высоты зуба на сыпучих поверхностях. Шаг зуба увеличен в 1,5 – 2 раза по сравнению с универсальной гусеницей для лучшего сцепления с мягкой поверхностью. Беговая дорожка , по которой движется опорный каток, так же, как и в случае с универсальной гусеницей отлита из твердого полиуретана, далее идёт сердцевина из мягкого сорта, в который залита металлокордовая сетка и стеклопластиковые стержни направляющий зуб так же наполнен мягким пенополиуретаном и облит жестким, а вот наружный слой – более сложный, нежели в универсальной версии. Снаружи он из жесткого полиуретана, в вершины зубьев протектора влиты металлические пластины из нержавеющего сплава толщиной 5 мм для вкручивания шипов или болтов, внутреннее наполнение зуба – так же мягкий пенополиуретан. Такая схема позволяет сделать гусеницу достаточно мягкой при огибании ведущей звезды и натяжного катка, но вместе с тем зуб протектора не деформируется при контакте с твердой поверхностью. Из за уникальных свойств полиуретана склеиваться послойно без всяких ограничений, а так же хорошей адгезии к различным материалам гусеничное полотно получается монолитным и не при каких условиях не расслаивается, в отличие резиновой гусеницы. Благодаря многослойной конструкции и применению пенополиуретана, удельный вес которого менее 200 кг на кубический метр, а трак же вследствие того, что удельный вес самого полиуретана 1100 кг на кубический метр, гусеничная лента обладает положительной плавучестью, то есть при сходе ее в воде она не пойдет ко дну, а вездеход не опрокинется набок, как это бывает с амфибиями на металлических гусеницах.
Тип 3. Разъёмная гусеница для тяжелых условий эксплуатации и применения в военных целях.
Данный тип гусеничной ленты обладает уникальными свойствами – её можно ремонтировать в полевых условиях посредством замены траков и пальцев, так же, как и гусеничную ленту на танках. При этом она ненамного тяжелее Типов 1 и 2 и так же имеет положительную плавучесть, что немаловажно для вездехода – амфибии по указанным в предыдущем параграфе причинам. Основой конструкции являются траки, соединяющиеся в ленту посредством специальных пальцев. Траки абсолютно одинаковые, что очень удобно при ремонте. Каждый трак состоит из внутренней армирующей пластины с цилиндрическими проушинами в районе присоединения другого трака. Сквозь эти проушины вставляются пальцы. И пластины и пальцы изготавливаются для минимизации износа и уменьшения массы из специального сплава (как вариант – ВНС 2 ) . Так как проушины заливаются снаружи полиуретаном, а диаметр отверстия под пальцы при заливке задается с некоторым уменьшением относительно диаметра пальца, то пальцы вставляются с натягом в каждую из проушин, что обеспечивает герметичность соединения палец – проушина и значительно увеличивает срок службы этого узла вследствие отсутствия абразива из окружающей среды. Получается что то вроде применяемых на современной гусеничной технике резино – металлических шарниров, но с гораздо большим ресурсом соединения в силу уникальных свойств полиуретана сопротивляться износу.
Пластина же, в свою очередь, не дает гусенице растягиваться при нагрузке и в совокупности с пальцами обеспечивает отличную жесткость при кручении.
Учитывая ширину гусеницы – а это 50 см минимум, для исключения при поперечном изгибе деформации пальца решено траки соединять не одним, а двумя пальцами, которые вставляются один снаружи, другой изнутри и имеют одинаковую конструкцию. Выбивание пальца тоже простая задача – снаружи через проставку выбивается внутренний, а далее выходит наружный. Пальцы встречаются посередине, снаружи они удерживаются от от выскакивания гибкими технологическими заглушками. Ограничители опорных катков – двухкомпонентные, по аналогии с предыдущими типами гусениц. Трак по наружной и внутренней дорожке залит жестким полиуретаном, а зубья протектора – так же двухкомпонентные для снижения веса и придания положительной плавучести.
На основании опыта использования в конструкции вездехода Штурм полиуретановых деталей можно сделать вывод, что гусеницы из полиуретановых компаундов при цене в 2- 3 раза выше, чем подобные гусеницы на основе резиновых смесей будут экономически более выгодны при эксплуатации, так как ресурс их так же по предварительным оценкам выше в 2-3 раза. Так ли это – покажет практика.
Часть 2.
Для обеспечения сохранности слоя почвы в районах вечной мерзлоты в первую очередь необходимо исключить срыв гусениц в пробуксовку при осуществлении поворота и развороте на однозвенных гусеничных машинах, а также использовать мягкие полиуретановые или резиновые гусеницы без выступающих металлических элементов.
Для исключения пробуксовки и обеспечения плавного поворота любым радиусом, вплоть до разворота на месте путем вращения гусениц в разные стороны и был разработан механизм поворота на основе планетарного редуктора с вкупе с механизмом, соединяющим приводные полуоси ведущих звезд, осуществляющих перематывание гусеничных лент правого и левого борта. Данная схема создана и проходит испытания на новых моделях вездехода Штурм без электронных компонентов, электронные компоненты находятся в стадии разработки и устанавливаются для опытной эксплуатации по мере готовности
Схема работы:
Поток мощности от двигателя вездехода через коробку переключения передач, которая может быть ручная и автоматическая, направляется на правый и левый бортовые редуктора в соотношении 50% постоянно. В планетарном редукторе происходит понижение оборотов в 3, 15 раза , соответственно во столько же повышается крутящий момент. Этот же редуктор отвечает за прерывание крутящего момента путем растормаживания одной из шестерен планетарного механизма, за что отвечает тормозной механизм на основе вентилируемого тормозного диска и тормозного суппорта. При прерывании крутящего момента на один из бортов происходит поворачивание вездехода в сторону, где на данный момент крутящий момент прервался, так как гусеница этого борта перестает двигать вездеход. При недостатке подтормаживающего усилия в работу вступает ещё один тормозной механизм, расположенный уже на валу привода звезд гусеницы, он может полностью заблокировать гусеницу и тогда она начнет срывать верхний слой почвы, чего нельзя допускать.
Чтобы исключить полную остановку гусеницы и осуществить поворот без блокирования одной из гусениц в данной схеме применяется система, аналогичная антиблокировочной системе в автомобилях – датчик следит за положением тормозных дисков и выдает команды на прерывание торможения для исключения полной остановки. Система одновременно управляет тормозными механизмами на планетарном редукторе и на валу приводящих звезд, что и дает возможность поворачивать вездеходу без прерывания потока мощности, а значит без пробуксовки гусеницы и без срыва слоя почвы. При этом радиус разворота может быть любым, что выгодно отличает данную схему от широко применяемых схем с фиксированными радиусами, как, например, на всех российских танках.
При развороте на месте для уменьшения радиуса разворота до 0, то есть разворот осуществляется вокруг центра оси вездехода, применяется задний разворотный механизм. Он устроен таким образом, что при полной остановке вездехода и нажатом рычаге бортового поворота он автоматически переходит в режим, задающий вращение гусениц в разные стороны, таким образом осуществляя поворот на месте или разворот без существенной потери мощности и с малым повреждением опорной поверхности. Одним из преимуществ данной конструкции является то, что пока вездеход не остановится, вращение гусениц в разные стороны невозможно, то есть этот режим никогда не включается на ходу.
Есть и еще одно очень важное преимущество данной конструкции над всеми, на данный момент выпускающимися не только в России, но и в мире: Данная схема позволяет при дополнительном оснащении присоединять к вездеходу Штурм самодвижущийся гусеничный модуль, наподобие шведского вездехода BV 206, или российского Витязя. Однако их нельзя использовать без модуля, а Штурм – можно. Отбор мощности на модуль осуществляется посредством быстросъемного карданного соединения через задний механизм разворота. При присоединении модуля так же присоединяются гидроцилиндры от кормовой части вездехода Штурм к проушинам поворотного узла модуля. Таким образом , несмотря на возросшую нагрузку на головную машину проходимость данного сочлененного вездехода возрастает, так как в движение его приводят уже не две, а четыре гусеницы, а поворот осуществляется по принципу сочлененных вездеходов – путем смещения передней и задней части. Управление осуществляется с тех же рычагов, что и управление одиночного вездехода, необходимо лишь просто тумблером выставить режим.
Необходимо отметить, что бортовые редуктора имеют понижающую передачу, которая включается отдельным тумблером на панели управления и понижает передаточное отношение еще в 3 раза, что позволяет вездеходу при наличии сухой твердой поверхности преодолевать подъемы более 45 градусов, что абсолютно недостижимо другими вездеходами, предельная величина преодолеваемых уклонов которых по паспорту редко превышает 31 градус, а в реальности – еще меньше. Отдельно остановлюсь на присоединяемом модуле. Он проектируется именно модулем – то есть отдельно ведущая гусеничная платформа с приводом от головной машины и устанавливаемые модули – жилой, буровой, лесовозный, для техники и оборудования и далее по списку в соответствии с пожеланиями заказчика. Его можно оставить на стоянку без разборки, и ездить только на головной машине, а можно и снять с помощью специального встроенного механизма в течение короткого времени и ездить на сочленёнке, а после опять установить и увезти.