Zabezpieczenie działań w terenie o niskiej nośności

Transkrypt

1 BARTNICKI Adam 1 MUSZYŃSKI Tomasz 2 SPRAWKA Piotr 3 Zabezpieczenie działań w terenie o niskiej nośności WSTĘP Zadania SZRP realizowane zarówno na terenie kraju jak i poza granicami w ramach prowadzonych misji stabilizacyjnych, stawiają przed pododdziałami logistycznymi nowe wymagania. Brak szlaków komunikacyjnych zniszczonych w wyniku działań wojennych oraz rozśrodkowanie pododdziałów i posterunków powoduje konieczność poruszania się po bezdrożach. Etap planowania zadań nabiera nowego wymiaru, a brak danych o właściwościach własnego sprzętu i terenu działań stwarza zagrożenie niepowodzenia misji. Znajomość warunków jakie panują na terenach prowadzenia działań bojowych, a w szczególności dostępność terenu, miało i ma kluczowe znaczenie dla manewrowości wojsk i działań zabezpieczenia logistycznego współczesnej armii. Określenie dostępności terenu spoczywa na pododdziałach rozpoznawczych. Jednak uzyskane w ten sposób dane są dostarczane zbyt późno dla etapu planowania. W celu umożliwienia efektywnego planowania operacji logistycznych niektóre kraje zbierające dane na temat właściwości gruntów i ich zmiany w aspekcie zmian czynników pogodowych tworząc bazy danych łączone z mapami cyfrowymi. Przykładem mogą być Stany Zjednoczone, które posiadają National Cooperative Soil Survey (NCSS) oraz National Soil Information System (NASIS). Ich tworzenie wymaga posiadania spójnego systemu oceny terenu pod względem zdolności do przenoszenia ruchu pojazdów. Drugim istotnym zagadnieniem w aspekcie manewrowości wojsk w terenie o niskiej nośności jest posiadanie odpowiedniego sprzętu, który zapewni przejezdność kolumnom wojsk. Zadania zabezpieczenia ruchu pododdziałów spoczywają na wojskach inżynieryjnych, stąd też wyposażenie ich w zautomatyzowane systemy elastycznych pokryć drogowych wydaje się kluczowym problemem tego zagadnienia. 1 OCENA PRZEJEZDNOŚCI TERENU Powszechnie sądzi się, że najtrudniejsze do pokonania są suche piaski, jednak przeprowadzone badania wskazują, że w warunkach klimatu umiarkowanego - najwyższe wymagania pod tym względem, stawiają pola uprawne. Ich gliniasta, drobnoziarnista struktura (zawartość części pylastych, iłów i resztek organicznych) w połączeniu z wysokim stopniem spulchnienia powoduje, że w przypadku znacznej wilgotności - drastycznie spada ich nośność (wzrasta głębokość kolein i opory ruchu) oraz współczynnik tarcia wewnętrznego gruntu limitujący możliwości rozwijania siły napędowej. Badania i testy pokonywania terenu o niskiej nośności prowadzone na poligonach wojskowych nie są w tym zakresie wiarygodne, ponieważ pod stosunkowo cienką warstwą słabego gruntu znajduje się zagęszczone przez wieloletnią eksploatację ciężkich pojazdów - podłoże o wysokiej nośności zapewniające dobrą przyczepność. W tych warunkach dobre pokonywanie terenu wymaga wysokiego prześwitu umożliwiającego dotarcie do nośnego podłoża oraz wąskiego układu bieżnego redukującego opory ruchu w błocie. W naturalnych warunkach takie umocnienie gruntu jednak nie występuje i zapewnienie dobrej mobilności wymaga odmiennych rozwiązań. Wiarygodne oszacowanie możliwości poruszania się w terenie o niskiej nośności stanowi nadal otwarty problem. 1 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego. Wydział Mechaniczny; Warszawa; ul. gen. S. Kaliskiego 2. Tel: , Fax: , abartnicki@wat.edu.pl 2 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego. Wydział Mechaniczny; Warszawa; ul. gen. S. Kaliskiego 2. Tel: , Fax: , tmuszynski@wat.edu.pl 3 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego. Wydział Mechaniczny; Warszawa; ul. gen. S. Kaliskiego 2. Tel: , Fax: , psprawka@wat.edu.pl 1745

2 Jedną z trudności jest określenie rzeczywistej nośności podłoża. Jest ona wyrażana w jednostkach nacisku powierzchniowego zwykle w kpa. Jej wartość zależy jednak od metody pomiaru (kształtu i rozmiaru penetrometru) wynika to z cech i właściwości fizycznych gruntu. W zależności od przewidywanej aplikacji stosuje się odpowiednie metody pomiarowe wciskanie płyt płaskich (okrągłych i kwadratowych), stożków, powierzchni kulistych itp. - zapewniające niezbędną wiarygodność i powtarzalność wyników. Istnieje wiele metod pomiaru nośności podłoża, w przypadku oceny przejezdności terenu dominuje metoda VCI/CI, którą do tego celu opracowała amerykańska Waterway Experiment Station of US Army Corps of Engineer (WES) podczas II Wojny Światowej. Polega ona na określaniu przejezdności terenu go/no go (przejedzie/nie przejedzie) w oparciu o pomiar rzeczywistej nośności gruntu metodą wciskania stożka (Cone Index) i porównywania jej z charakterystyczną dla pojazdu, eksperymentalnie wyznaczoną minimalną nośnością gruntu - niezbędną dla jednorazowego przekroczenia terenu nazywaną Vehicle Cone Index (VCI). Grunty o nośności CI większej od charakterystycznej dla pojazdu VCI pozwalały na pokonanie terenu ( go ), natomiast uzyskanie z pomiaru wyniku gorszego od VCI wskazywało na wysokie prawdopodobieństwo ugrzęźnięcia ( no go ). Porównywanie charakterystycznych dla pojazdu nacisków granicznych VCI z rzeczywistą nośnością gruntu CI jest nadal podstawą oceny mobilności sprzętu rozwinięto jednak metody szacowania dyspozycyjnej siły uciągu w zależności od zmierzonej CI (WES metoda NRMM, DERA metoda VLCI). Nośność gruntu CI, określa się za pomocą stożka o kącie wierzchołkowym 30 stopni i polu podstawy równym 0,5 cala kwadratowego (0,5in 2 =3,23 cm 2 ). Pomiar polega na określeniu siły (w przybliżeniu stałej niezależnej od głębokości penetracji w wierzchniej warstwie gliniastego, uwodnionego gruntu na głębokości do 15 cm) niezbędnej do jego zagłębiania z prędkością 1,2 cala na sekundę (1,2 in/s = 3 cm/s). Wyniki pomiarów (nośność gruntu CI) wyraża się w funtach na cal kwadratowy lub kpa (1 lb/in 2 7 kpa) orientacyjne wartości nośności CI zawiera tab.1. Podczas pomiarów stwierdzono, że nasycone wodą grunty gliniaste oraz uwodnione piaski, pod wpływem wielokrotnych przejazdów ulegają uplastycznieniu (upłynnieniu) i ich nośność CI się obniża. Wskaźnik spadku nośności nazwano RI (Remould Index) i wynosi on zwykle ok %. Nośność uplastycznionego gruntu nazwano RCI (Rating Cone Index) i jest ona podstawą określania przejezdności terenu dla ruchu kolumn pojazdów. Tab.1. Orientacyjna nośność CI wybranych rodzajów podłoża Rodzaj podłoża Nośność CI, kpa (kg/cm 2 ) Śnieg (0,10-0,40) Torfowisko lub bagno 5-15 (0,05-0,15) Torf ziemisty (0,30-0,60) Pola uprawne spulchnione i uwodnione (1,3-2,0) Grunty gliniaste mokre (2,5-4,0) Grunty gliniaste wilgotne (4,0-8,0) Grunty gliniaste suche (8,0-15) Grunty gliniaste suche o dużej spoistości (15-30) 2 WSKAŹNIK ZDOLNOŚCI POKONYWANIA TERENU MMP Na początku lat 70-tych D. Rowland (RARDE Royal Armament Research and Development Establishment, Wielka Brytania) zaproponował metodę oceniania zdolności pokonywania terenu o niskiej nośności przez pojazdy gąsienicowe, opartą o analizę nacisków maksymalnych występujących pod kołami jezdnymi układu gąsienicowego. W wyniku analiz rozkładów nacisków jednostkowych (naprężeń) w gruncie i oporów ruchu pojazdów gąsienicowych stwierdzono, że warunkiem pokonania terenu o niskiej nośności jest nie przekraczanie jego nośności przez wartość średnią z maksymalnych naprężeń (nacisków jednostkowych) występujących pod kołami jezdnymi (Mean Maximum Pressure

3 MMP). Ich wartość określono zależnością empiryczną (1) dla pojazdów gąsienicowych i (2) dla pojazdów kołowych [3,4]: gdzie : W siła ciężkości (kn); b szerokość gąsienicy (m); d średnica koła jezdnego (m); t podziałka gąsienicy (m). 1,26 W MMP (1) 2 n b t d 0, 5 k W MMP (2) 0, 5 2 n b 0,85 d 1,15 / h gdzie : k współczynnik liczby mostów napędowych (tab.3); W siła ciężkości (kn); b szerokość opony napompowanej, nieobciążonej (m); d średnica zewnętrzna koła napompowanego, nieobciążonego (m); - ugięcie opony (m) na twardym podłożu; h wysokość profilu opony (napompowanej nie obciążonej) powyżej obręczy - bez bieżnika (m). Wykazano, że uzyskane dla pojazdów gąsienicowych wartości MMP, są dobrze skorelowane z VCI (RCI) (uzyskanych z testów wielokrotnych przejazdów) dla uplastycznionych gruntów gliniastych wg zależności : VCI ( RCI ) 0, 83 MMP (3) Oznacza to, że graniczna nośność gruntu RCI dla jednokrotnego przekroczenia terenu wynosi 83% MMP. Należy zauważyć, że po uwzględnieniu współczynnika RI - wskaźnik MMP jest porównywalny do wartości VCI 1(CI) natomiast metoda obliczeń jest jednak znacznie mniej pracochłonna [7]. Na podstawie przeprowadzonych testów, zdefiniowano 3 poziomy zdolności pokonywania terenu [1] w zależności od charakterystycznych dla pojazdu wartości MMP (tab.2). Poziom bardzo dobry - odpowiada możliwościom wielokrotnych przejazdów lub zdolnościom pokonywania znacznych pochyleń terenu, natomiast akceptowalny charakteryzuje pojazdy zdolne do jednokrotnego przekroczenia terenu. Wartości MMP wyższe od akceptowalnych, świadczą o możliwości poruszania się pojazdu tylko po suchym i twardym terenie. Tab.2. Graniczne wartości MMP dla pojazdów o skrętnych kołach lub przegubowych (o skręcie burtowym) [1,5,6] - pomiar nośności gruntu metodą CI Podłoże Zdolność pokonywania terenu dopuszczalna wartość MMP, kpa bardzo dobra (idealna) dobra (satysfakcjonująca) Akceptowalna mokre, drobnoziarniste klimat umiarkowany 150 (125) 200 (165) 300 (250) mokre, drobnoziarniste klimat tropikalny 90 (75) 140 (115) 240 (200) torf ziemisty torfowisko lub bagno śnieg Niezbędną nośność gruntu, dla wielokrotnych przejazdów w metodzie MMP należy wyznaczyć zgodnie z zależnością [5]: CI n kn MMP (4) gdzie : k n współczynnik liczby przejazdów tab

4 Tab. 3. Współczynnik liczby przejazdów k n w metodzie MMP Liczba przejazdów n Wsp. liczby przejazdów k n 1 1,20 1,53 1,85 2,35 2,80 3 ELASTYCZNE POKRYCIA DROGOWE Jedną z powszechnie stosowanych metod zwiększenia nośności gruntu, dla potrzeb przemarszu kolumn wojsk, jest układanie na nim lekkich pokryć drogowych. Oczywiście są to działania doraźne, które mają zapewnić odpowiednie tempo zadań realizowanych przez siły zbrojne. Wśród lekkich pokryć drogowych obecnie dominują elastyczne pokrycia drogowe, których konstrukcja wraz z systemami rozkładania umożliwia szybkie ich rozkładanie i zwijanie. Istnieje wiele rozwiązań systemów elastycznych pokryć drogowych stosowanych przez armie na całym świecie. Jednym z takich rozwiązań jest system wsparcia mobilności wojsk zaproponowany przez brytyjską firmę FAUN (rys.1). Początkowo system miał służyć pododdziałom marynarki wojennej w operacjach desantowych na piaszczystych plażach. Dla tych potrzeb powstał system rozkładania paneli TRACKWAY nazywany AGMS. Do systemów drogowych produkowanych przez firmę FAUN należą dwa główne systemy: HGMS i MGMS. System HGMS składa się z 50 m elastycznego pokrycia drogowego, wykonanego z wysokiej jakości stopu aluminium i jest przeznaczony dla pojazdów klasy MLC 70, w tym pojazdów gąsienicowych. System MGMS przeznaczony jest dla pojazdów klasy MLC 30 i stanowi 32 m elastycznego pokrycia drogowego. Na rysunku 2 przedstawiono profile paneli dla systemu MLC 30 i MLC 70.W obydwu przypadkach połączone piórami panele TRACKWAY nawinięte są na bębnie FASTRACK, który osadzony jest na konstrukcji nośnej w postaci ramy posadowionej na pojeździe (rys.1). W przypadku systemu AGMS bęben mocowany jest w miejsce osprzętu roboczego ładowarki (rys.3). Rys. 1. Elastyczne pokrycie drogowe brytyjskiej firmy FAUN [9] a) b) Rys. 2. Profile paneli elastycznego pokrycia drogowego: a) klasa MLC3, b) klasa MLC

5 Rozkładanie pokrycia drogowego odbywa się poprzez najeżdżanie pojazdem bazowym na rozwinięty fragment pokrycia, po uprzednim obróceniu bębna w położenie robocze. Do napędu bębna wykorzystano hydrostatyczny układ napędowy sterowany elektrycznie z pulpitu zdalnego, przewodowego sterowania. W układzie hydraulicznym wykorzystano wolnoobrotowy, wysokomomentowy silnik hydrauliczny, a bęben wyposażono w układ hamulca i sprzęgła, który zapobiega samoistnemu rozwijaniu się pokrycia w czasie rozkładania i obracaniu się bębna podczas transportu. Rys. 3. System AGMS [10] Jedną z istotnych zalet systemu jest jego modułowość, która pozwala na zainstalowanie go na różnych pojazdach i maszynach roboczych (rys.4). Stosunkowo prosty układ napędowy może być z powodzeniem podłączany do układu hydraulicznego maszyny czy pojazdu bez ingerencji w system sterowania. Innym istotnym elementem podatności systemu jest możliwość łączenia pojedynczych odcinków pokrycia (50 i 32 m) z kolejnymi, przez co można uzyskać długości pokrycia sięgające kilkuset metrów, a także rozłączania pojedynczych odcinków na 5 m segmenty. W ten sposób można uzyskać optymalną długość pokrycia, co z punktu widzenia układania na piaszczystych plażach nabiera istotnego znaczenia, gdy szerokość brzegu nie stanowi wielokrotności długości pojedynczego pokrycia (rys.5). Na szczególną uwagę zasługuje rozwiązanie układania kolejnych odcinków. Odcinki te przewożone są na przyczepach transportowych wyposażonych w układ przewijania pokrycia z przyczepy na pojazd bazowy (rys.6). W ten sposób pojedynczy system może składać się z jednego pojazdu bazowego wyposażonego w system rozkładania i kilku przyczep z kolejnymi odcinkami pokrycia. Rys. 4. Elastyczne pokrycie drogowe FAUN na pojeździe rodzimej produkcji STAR [8] 1749

6 Rys. 5. Rozłączanie odcinków pokrycia drogowego podczas układania na piaszczystej plaży [opr. własne] Rys. 6. Przewijanie odcinków pokrycia drogowego z przyczepy na bęben pojazdu bazowego [opr. własne] WNIOSKI Z przedstawionych analiz wynika, że podstawą powodzenia zadań realizowanych przez siły lądowe jest zapewnienie przejezdności terenu, ze szczególnym uwzględnieniem terenu o niskiej nośności. Tak więc należy dążyć do stworzenia rozbudowanego, efektywnego systemu informacyjnego o stanie podłoża terenu prowadzonych działań, który pozwoli na szybką konfigurację dróg przemarszu w oparciu o tworzone mapy przejezdności terenu. Zadanie to wydaje się szczególnie trudne i istotne w przypadku realizacji zadań poza granicami naszego kraju. Brak wiarygodnych informacji, zmieniające się warunki pogodowe, destrukcyjne działania zbrojne powodują, że budowanie takich map wydaje się wręcz niemożliwe, a przynajmniej nieprecyzyjne. Stąd też posiadanie odpowiedniego sprzętu inżynieryjnego w postaci elastycznych pokryć drogowych jest istotnym elementem zapewniającym realizację zadań w terenie o niskiej nośności. Przedstawiony system firmy FAUN jest dobrą odpowiedzią na aktualne zapotrzebowanie SZRP na tego typu rozwiązania, niemniej jednak wymaga on pewnych modyfikacji związanych z zautomatyzowaniem niektórych czynności, co podniosłoby znacząco efektywność rozkładania i zwijania pokrycia. Streszczenie Jednym z najistotniejszych elementów decydujących o powodzeniu prowadzonych działań bojowych jest manewr siłami i środkami, który dotyczy zarówno pododdziałów bezpośrednio biorących udział w działaniach zbrojnych, jak również pododdziałów logistycznych, zabezpieczających wszelkie działania na polu walki. Stąd też zapewnienie przejezdności terenu staje się jednym z kluczowych zadań, które spoczywają przede wszystkim na pododdziałach inżynieryjnych. Zagadnienie to należy rozpatrywać w dwu aspektach: po pierwsze wprowadzenie miarodajnego systemu określenia nośności gruntu pozwoli na wytyczenie tras przejazdu z pominięciem odcinków nieprzejezdnych, po drugie, w przypadku napotkania na odcinki nieprzejezdne, wyposażenie pododdziałów inżynieryjnych w odpowiedni sprzęt, umożliwi doraźne udrożnienie tych odcinków. Problem ten nabiera szczególnego znaczenia w obliczu misji pokojowych realizowanych na obszarach innych państw, gdzie brak jest rzetelnych informacji na temat stanu dróg i bezdroży, a budowa map terenu w czasie rzeczywistym wydaje się nie możliwa. Poza tym dynamika prowadzonych działań bojowych może znacząco 1750

7 zmieniać dotychczasowy stan przejezdności terenu. W referacie przedstawiono wybraną metodę oceny nośności podłoża i wskazano na inne stosowane w armiach na całym świecie, przedstawiono również rozwiązanie systemu elastycznego pokrycia drogowego dla potrzeb zabezpieczenia przemieszczania się pojazdów w terenie o niskiej nośności. Protection activities in the area of low bearing capacity Abstract The article presents the issues related to the building of floating bridge. The authors have attempted to create a new pontoon for this type of bridge. It would replace the current structure operated in Poland. At the beginning of the article design assumptions are presented. Then, an overview of existing solutions. In conclusion their main parameters are collected. The next step was to develop a kinematic structure and size of the pontoon. The authors also singled transport vehicle - 42 tons tractor-trailer. Maximum load capacity was specified by analogies to existing solutions. In accordance with the requirements of the Polish Military Standards safe operation of the asymmetrical load were verified. The resulting parameters fully meet the expectations of design. Preliminary model demonstrated the ability to significantly reduce the trailers needed to transport the bridge, greater security than the current design and large capacity. BIBLIOGRAFIA 1. Larminie J.C. : Soft-ground performance of military vehicles. International Defence Review 4/ Larminie J.C. : Modifications to the mean maximum pressure system. Journal of Terramechanics 29(2) Rowland D. : Tracked vehicle ground pressure and its effect on soft ground performance. Proceedings of the International ISTVS Conference, Stokholm Rowland, D & Peel, J. W. : Soft ground performance prediction and assessment for wheeled and tracked vehicles. Institute of Mechanical Engineering 205: Saarilahti M.: Soil interaction model. Development of protocol for ecoefficient wood harvesting on sensitive sites. Quality of Life and Management of Living Resources Contract No. QLK Report No. 3, Helsinki Wong Y.J. : Theory of ground vehicle. McGrow-Hill Łopatka M.J. :Ocena zdolności pokonywania terenu o niskiej nośności przez Most samochodowy o masie całkowitej 40 t. V Międzynarodowa Konferencja Uzbrojeniowa Waplewo ( r.) 9. ( r.) ( r.) 1751