В. Жуков - Физика в бою
В связи с отсутствием теоретической базы создание транспортных средств высокой проходимости велось, да и по сей день ведется в армиях многих стран методом «проб и ошибок». Конструкторы оснащают машину устройствами и приспособлениями, позволяющими ей хотя бы на короткое время выполнять задачу вне расчетных условий: агрегаты машины герметизируются, кузов увеличивается до размеров, обеспечивающих плавучесть, ставится специальный движитель для плавания и считается, что задача преодоления водных преград успешно решена. К обычному автомобилю добавляют несколько ведущих осей, резко усложняют трансмиссию, ставят лебедку, вводят шины с регулируемым давлением воздуха и, следовательно, с увеличенной площадью контакта с грунтом. Траки гусеничных машин делают настолько широкими, насколько это позволяют конструктивные соображения. Агрегаты всех армейских машин защищают от попадания влаги и пыли, водителя — от ослепления фарами, специальные устройства обеспечивают стабилизацию теплового режима при холоде и жаре…
Рациональны ли подобные конструктивные решения? Вряд ли, ибо конструкции армейских машин при этом резко усложняются, объем работ по их техническому обслуживанию и ремонту возрастает, становятся более строгими требования к квалификации обслуживающего персонала, надежность снижается, стоимость увеличивается, а собственный вес возрастает настолько, что для полезной нагрузки мало что остается.
Возникает и другой вопрос: оригинальны ли попытки конструкторов оснастить машину приспособлениями, повышающими проходимость, защитить ее специальными устройствами от всех невзгод? Давайте обратимся к литературной аналогии и вспомним небезызвестного чеховского героя — Беликова. Тот тоже, выходя из дома, на всякий случай надевал калоши и теплое пальто, затыкал уши ватой, укутывал шею шарфом, глаза предохранял темными очками, а для защиты от атмосферных осадков всегда таскал с собой зонтик. Есть ли смысл в конструировании армейских машин следовать идеям «человека в футляре»? До поры до времени этот этап был неизбежен. Сейчас же, по мнению многих специалистов, созрели условия для нового качественного скачка. На современном этапе нужны новые пути, новые конструктивные решения, которые могут быть найдены в результате проведения больших и серьезных теоретических и экспериментальных работ, глубокого проникновения в физику процессов, происходящих при движении машины по бездорожью. В связи с этим стоит подробнее рассмотреть, какие теоретические и экспериментальные данные, достижения каких разделов физики могут уже сейчас, сегодня, быть рекомендованы конструкторам для реализации в машинах высокой проходимости.
Прежде всего, условимся для краткости, что в дальнейшем под термином «грунт» мы будем понимать любую поверхность или среду, с которой может встретиться армейская машина, предназначенная для движения по бездорожью. Таким образом, понятием «грунт» охватываются пески и снег, грязь и болота. Движение по лесам, крутым оврагам и скалам — это предмет самостоятельного изучения, и касаться его мы не будем.
Что же такое грунт? В отличие от таких однофазных сред, как вода или воздух, он представляет собой многофазную среду. Любой объем грунта наряду с твердыми частицами, образующими так называемый скелет грунта, содержит жидкую фазу в виде обволакивающих твердые частицы водяных пленок и расположенных между частицами капелек, а также газообразную фазу, состоящую из паров воды и из воздуха. Следовательно, с точки зрения физики, грунты представляют собой сложные многофазные дисперсные системы. Физические свойства таких систем определяются силами связи между частицами.
Такая хорошо развитая дисциплина, как механика грунтов, изучает напряжения, деформации, условия прочности и устойчивости грунтов и изменения их состояния под влиянием внешних, главным образом механических, воздействий. Однако исторически эта наука развивалась, исходя из потребностей строительства зданий и дорожных сооружений, и поэтому исследовала деформации, возникающие под воздействием медленно нарастающих, а то и вообще статических, нагрузок. К тому же, поскольку здания и сооружения не возводятся на снегах, болотах, грязи, свойства этих разновидностей грунтов остались вне поля зрения механики грунтов. А значит, данные и методы этой дисциплины могут лишь в очень малой степени помочь при исследовании процессов, происходящих при движении транспортных средств по бездорожью.
В самом деле, нагрузки, передаваемые движущимися машинами на грунт, носят явно выраженный динамический характер. Мало того, проведенные исследования показали, что они вызывают еще и вибрации в зоне контакта движителя с грунтом. Есть также основания считать, что при контакте заряженных частичек скелета грунта с металлическими поверхностями (траками и т. п.) происходит утечка поверхностных электрических зарядов, что приводит к разрушению структуры грунта. А так как гусеницы большинства машин находятся под напряжением, обусловленным принятой однопроводной схемой электрооборудования, разрушения электростатических связей частиц грунта становятся еще более ощутимыми.
Все перечисленные и многие другие соображения и привели к возникновению новой научной дисциплины, которая за рубежом получила название механики системы «грунт-машина». Первый международный конгресс ученых, занимающихся этой дисциплиной, состоялся в 1961 г. в Турине. Наиболее фундаментальные работы по механике системы «грунт-машина» принадлежат перу упоминавшегося выше М. Г. Беккера. Значительное количество интересных трудов опубликовал в последние годы также польский ученый А. Солтынский. Несмотря на свою молодость, новая научная область уже сейчас располагает целым рядом данных, весьма полезных конструкторам, разрабатывающим армейские машины высокой проходимости.
Как мы уже говорили, передвижение — результат процесса взаимодействия движителя машины с грунтом. Это взаимодействие определяется величиной, характером и направлением нагрузок, передаваемых движителем на грунт. Установлено, что при прочих равных условиях движитель может быть оценен величиной и формой поверхности контакта с грунтом. Такой подход позволяет сравнивать между собой различные движители и оценивать их пригодность для передвижения по тем или иным грунтам.
Грунт воспринимает вес машины и тяговое усилие, развиваемое ее движителем. Очевидно, равнодействующая этих двух сил не должна вызывать разрушения структуры грунта, ибо в противном случае машина начнет зарываться, проходимость будет потеряна.
По своим свойствам все грунты могут быть подразделены на фрикционные и связные. У первых преобладают силы трения между частицами. К таким грунтам относятся песок и снег при низких температурах. У вторых решающее влияние оказывают силы сцепления между составляющими грунт частицами.
Движение машины по грунту возможно только в том случае, если напряжения в грунте, возникающие под воздействием движителя машины в момент ее прохода по данному участку, не превышают несущей способности грунта и сопротивления сдвигу. Однако увеличение веса машин и скорости их передвижения привело к тому, что деформации грунта стали больше величин, преодоление которых возможно при существующих конструктивных решениях движителей. Погружение машины в грунт, а следовательно, и сопротивление движению возрастают при этом настолько значительно, что машина теряет проходимость.
Выход заключается в уменьшении нагрузок на единицу поверхности грунта, находящуюся в контакте с движителем. При заданных нагрузках это решается путем увеличения площади опорной поверхности, передающей нагрузки на грунт. Увеличение площади в свою очередь достигается двояко. Если предполагаются достаточно интенсивные и длительные перевозки между двумя пунктами, то на грунте на всем протяжении маршрута возводится сооружение, распределяющее нагрузки по большой площади. Такое сооружение в зависимости от устройства называется либо железной, либо шоссейной дорогой. Если же интенсивность перевозок между двумя пунктами невелика или не представляется возможности заранее точно определить и подготовить маршрут движения (как для армейских машин), устройство, распределяющее нагрузки на большую площадь грунта — движитель, — становится принадлежностью самой машины.
Размеры и конфигурация движителя машины, естественно, должны определяться свойствами того грунта, для движения по которому машина предназначена. Отсюда конструкторы могут сделать для себя вывод: если они хотят проектировать вездеход — машину для движения по различным грунтам, она должна иметь изменяемую (гибкую) конструкцию движителя. В противном случае неизбежны большие потери мощности на разрушение грунта, а то и полная потеря проходимости.