DĄBROWSKA Agnieszka 1 ŁOPATKA Marian 2 Ocena zdolności pokonywania terenu o niskiej nośności przez pojazdy o dopuszczalnej masie całkowitej 14 ton WSTĘP Zdolność pokonywania terenu o niskiej nośności uważa się obecnie za kluczową dla pojazdów średniej ładowności o dopuszczalnej masie całkowitej (DMC) rzędu 14 000 kg (masa własna pojazdu 9 000 kg i masa ładunku 5 000 kg). W europejskich warunkach klimatycznych powinny one móc przekraczać m.in. tereny upraw rolnych charakteryzujących się drobnoziarnistą strukturą, wysokim stopniem spulchnienia i dużą zdolnością akumulacji wilgoci. Niezwykle istotne dla zdolności przekraczania takich terenów są wywierane naciski powierzchniowe i ich odniesienie do nośności pokonywanego podłoża. Rys. 1. Pokonywanie terenu o niskiej nośności 1. METODY I KRYTERIA OCENY ZDOLNOŚCI POKONYWANIA TERENU O NISKIEJ NOŚNOŚCI Początkowo do oceny zdolności pokonywania terenu wykorzystywano naciski średnie. Dla podłoży o dużej nośności wyznaczane są one z zależności [3]: p G G k sr (1) Sk nk Sk G k obciążenie koła [kn], S k powierzchnia styku koła z podłożem [m 2 ], wyznaczana metodą odcisku, G siła ciężkości pojazdu [kn], n k liczba kół. 1 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego, Wydział Mechaniczny, Instytut Budowy Maszyn; 00-908 Warszawa; ul. Gen. S. Kaliskiego 2. Tel: + 48 22 683-71-07, Fax: + 48 22 683-96-16, E-mail: agnieszka.dabrowska@wat.edu.pl 2 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego, Wydział Mechaniczny, Instytut Budowy Maszyn; 00-908 Warszawa; ul. Gen. S. Kaliskiego 2. Tel: + 48 22 683-96-16, Fax: + 48 22 683-96-16, E-mail: marian.lopatka@wat.edu.pl 916
Niestety na podłożach gruntowych powierzchnia styku koła zmienia się w bardzo szerokim zakresie i zależy od stopnia zagłębienia koła w podłoże. Z tych względów dla pojazdów terenowych wprowadzono pojęcie nacisków nominalnych wyznaczanych z zależności [3]: Gk G G pn (2) b r 2nb r nb d b szerokość ogumienia (koła) [m], r promień koła [m], n liczba osi, d średnica koła [m], przy założeniu, że każda z osi wyposażona jest w tylko 2 koła (brak kół bliźniaczych) oraz, że nominalna długość kontaktu koła z gruntem jest równa promieniowi koła. Tak wyznaczane naciski jednostkowe są odpowiednikiem nacisków nominalnych w pojazdach gąsienicowych wyznaczanych z zależności [3]: G p n (3) bl b szerokość gąsienicy, l długość gąsienicy. Niestety szybko okazało się, że ze względu na specyficzne cechy gruntu (np. zdolność do wypływania na boki pod wpływem obciążenia bardzo silnie zależna od szerokości koła lub gąsienicy oraz rozkładu nacisków pod kołem lub gąsienicą) naciski nominalne (średnie) nie są wiarygodnym wskaźnikiem oceny zdolności pokonywania terenu o niskiej nośności. Kluczowe znaczenie mają naciski maksymalne i wymiary geometryczne układu jezdnego one decydują o głębokości powstających kolein i oporach ruchu, a w konsekwencji o zdolności pokonywania terenu. Obecnie standardowo do oceny zdolności pokonywania takiego terenu przez pojazdy wykorzystywane są alternatywnie dwie podstawowe metody analityczne (obliczeniowe) opracowane na podstawie badań eksperymentalnych [1,2,3]: VCI (Vehicle Cone Index) opracowana na zlecenie armii USA stanowi podstawę NATO Reference Mobility Model II (NRMMII), MMP (Mean Maximum Pressure) opracowana na zlecenie armii brytyjskiej wykazująca bardzo wysoką zgodność z metodą VCI wykazująca jednak wartości około 30 % wyższe [4]. Metoda VCI polega scharakteryzowaniu pojazdu za pomocą minimalnej nośności gruntu niezbędnej do przekroczeniu terenu (przy mniejszej nośności terenu pojazd ugrzęźnie) jest to tzw. wskaźnik VCI i porównania go z rzeczywistą nośnością gruntu w terenie RCI (Rating Cone Index), określoną za pomocą penetrometru stożkowego z uwzględnieniem podatności gruntu na uplastycznienie. Jeśli niezbędna nośność gruntu (VCI) jest mniejsza od rzeczywistej nośności gruntu (RCI) to pojazd może pokonać teren. Przyjmuje się, że pojazd ma akceptowalne w warunkach klimatu umiarkowanego zdolności przekraczania terenu jeśli VCI = 30 lbs/in 2 (funtów na cal kwadratowy) odpowiada to około 200 kpa. Takim poziomem mobilności charakteryzują się najcięższe pojazdy gąsienicowe (np. czołg Abrams o masie 63 450 kg), które w warunkach europejskich stosunkowo często grzęzną podczas pokonywania gruntów ornych po opadach charakteryzujących się drobnoziarnistą strukturą, niskim tarciem wewnętrznym oraz wysokim stopniem spulchnienia i nasycenia wodą. Dobry poziom mobilności terenowej wymaga zmniejszenia wymaganej nośności gruntu do około VCI = 20 lbs/in 2 (140 kpa). Wymagania te spełniają a nawet przekraczają takie pojazdy jak BWP, MTLB, itp. 917
Niezbędną dla pojazdu nośność gruntu VCI [kpa], określa się dla pojazdów kołowych na drodze analitycznej (początkowo stosowano metody eksperymentalne) na podstawie zależności [1,5]: k G VCI (4) 0,5 1 2nb d h b 1 2d k eksperymentalnie wyznaczony współczynnik uwzględniający rodzaj ogumienia, liczbę osi i mostów napędowych itp. (przyjmuje wartości 1,43 2,25), G siła ciężkości [kn], n liczba osi, d średnica zewnętrzna opony napompowanej [m], b szerokość opony napompowanej [m], δ ugięcie opony pod obciążeniem na twardym podłożu [m], h wysokość profilu opony [m]. Wskaźnik MMP określa poziom uśrednionych nacisków maksymalnych w gruncie pod kołami jezdnymi (decydujących o głębokości kolein) i w warunkach klimatu umiarkowanego, dla pojazdów o niskich oporach skrętu (przegubowy lub zwrotnicowy układ skrętu) nie powinien on przekraczać [2]: 300 kpa pojazdy o akceptowalnym poziomie mobilności terenowej, 200 kpa pojazdy o dobrej mobilności terenowej, 150 kpa pojazdy o bardzo dobrej mobilności terenowej. Dla pojazdów kołowych wskaźnik MMP jest wyznaczany z zależności [5]: MMP k G 0,5 0,85 1,15 2nb d h k eksperymentalnie wyznaczony współczynnik uwzględniający rodzaj ogumienia, liczbę osi i mostów napędowych itp. (przyjmuje wartości 3,65 6,05), G siła ciężkości [kn], n liczna osi, d średnica zewnętrzna opony napompowanej [m], b - szerokość opony napompowanej [m], δ ugięcie opony pod obciążeniem na twardym podłożu [m], h wysokość profilu opony [m]. Obydwie metody są sobie równoważne i mogą być stosowane zamiennie z uwzględnieniem, że akceptowalnej mobilności w metodzie VCI odpowiada graniczna wartość 200 kpa, natomiast w metodzie MMP graniczna wartość wynosi 300 kpa. Zachowując tę proporcję można oszacować pozostałe poziomy mobilności. Należy pamiętać, że wyznaczone wartości są wielkościami szacunkowymi, obarczonymi błędem, który zwykle nie przekracza 5 10 %. 2. ZAŁOŻENIA Celem przeprowadzonej analizy było określenie poziomu mobilności pojazdu o DMC wynoszącej 14 000 kg, wyposażonego w standardowy układ jezdny 4x4 z ogumieniem 14.00 R20 o wymiarach: średnica opony: 1258 mm, szerokość opony: 384 mm. (5) 918
Rozpatrzono 3 poziomy ciśnienia w ogumieniu: standardowe (do 550 kpa) do jazdy szosowej (δ/h = 18 %), obniżone (do 250 kpa) do jazdy terenowej (δ/h = 25 %), obniżone (do 150 kpa) do pokonywania trudnych odcinków (δ/h = 35 %). Jako alternatywne rozwiązania przeanalizowano obniżenie masy pojazdu do 11 000 kg, zwiększenie masy do 15 000 kg oraz 16 000 kg, zastosowanie układu jezdnego 6x6 oraz zastosowanie ogumienia w rozmiarze 16.00 R20 o wymiarach: średnica opony: 1343 mm, szerokość opony: 438 mm. 3. WYNIKI Obliczenia przeprowadzono metodą MMP, stąd jako kryterium akceptowalnej mobilności należy przyjąć wartość MMP = 300 kpa odpowiada to wartości VCI = 200 kpa. Uzyskane poziomy mobilności w zależności od ciśnienia w ogumieniu, dla układu jezdnego 4x4 i opon 14.00 R20 oraz masy od 11 000 do 16 000 kg przedstawiono w tabeli 1. Wynika z niej, że przy masie rzędu 14 000 kg, nawet po obniżeniu ciśnienia w ogumieniu do zaledwie 150 kpa, naciski na podłoże będą na tyle duże, że pojazd może opuszczać sieć dróg tylko w sprzyjających warunkach (podłoże suche, nośne, niespulchnione). Jego mobilność jest praktycznie ograniczona do dróg gruntowych. Akceptowalną mobilność jest w stanie uzyskać pojazd lekki o masie nie przekraczającej 11 000 kg. Tab. 1. Wskaźnik MMP pojazdu dla ogumienia 14.00 R20 i układu jezdnego 4x4 Ciśnienie szosowe (δ/h = 18 %) 414 527 565 603 Ciśnienie terenowe (δ/h = 25 %) 348 443 475 506 Ciśnienie terenowe obniżone (δ/h = 35 %) 293 374 401 428 Uzyskanie akceptowalnej mobilności terenowej (zdolność pokonywania terenów z gruntami spulchnionymi lub podmokłymi) dla masy powyżej 14 000 kg, stosując ogumienie w rozmiarze 14.00 R20 wymaga zastosowania układu jezdnego 6x6 (tab.2). Wówczas po obniżeniu ciśnienia w ogumieniu do około 150 kpa, uśrednione naciski maksymalne nie powinny przekraczać 300 kpa, co pozwala na poruszanie się po podłożach o niższej nośności np. gruntach ornych, łąkach itp. Pojazdy o obniżonej masie do 11 000 kg, mogą wówczas osiągnąć nawet dobrą zdolność pokonywania terenu (wskaźnik MMP na poziomie 200 kpa). Tab. 2. Wskaźnik MMP pojazdu dla ogumienia 14.00 R20 i układu jezdnego 6x6 Ciśnienie szosowe (δ/h = 18 %) 295 375 402 430 Ciśnienie terenowe (δ/h = 25 %) 248 316 339 360 Ciśnienie terenowe obniżone (δ/h = 35 %) 209 266 285 305 Tab. 3. Wskaźnik MMP pojazdu dla ogumienia 16.00 R20 i układu jezdnego 4x4 Ciśnienie szosowe (δ/h = 18 %) 312 437 468 500 Ciśnienie terenowe (δ/h = 25 %) 262 367 393 419 Ciśnienie terenowe obniżone (δ/h = 35 %) 221 310 332 355 919
Tab. 4. Wskaźnik MMP pojazdu dla ogumienia 16.00 R20 i układu jezdnego 6x6 Ciśnienie szosowe (δ/h = 18 %) 222 311 333 356 Ciśnienie terenowe (δ/h = 25 %) 186 261 280 298 Ciśnienie terenowe obniżone (δ/h = 35 %) 158 221 237 253 W przypadku konieczności zastosowania układu jezdnego 4x4 możliwe jest osiągnięcie akceptowalnego poziomu mobilności dla pojazdu o masie 14 000 kg, stosując ogumienie o większym rozmiarze rozwiązaniem jest zastosowanie opon np. o rozmiarze 16.00 R20 tabela 3 (niezbędne jest obniżenie ciśnienia w ogumieniu do około 150 kpa). Zastosowanie tego ogumienia w układzie 6x6 pozwala na osiągnięcie zgodnie z przyjętymi zasadami dobrego poziomu zdolności pokonywania terenu o niskiej nośności (tab. 4) porównywalnego do zdolności lekkich pojazdów gąsienicowych typu BWP czy MTLB. WNIOSKI Zapewnienie akceptowanego poziomu mobilności dla pojazdów o relatywnie prostym układzie jezdnym (4x4) i masie sięgającej 14 000 kg jest zadaniem bardzo trudnym i wymaga stosowania ogumienia wielkogabarytowego wspomaganego przez układ centralnego pompowania. Rozmiary ogumienia (średnica około 1350 mm i szerokość 450 mm) w znaczący sposób wpływają na dopuszczalne rozwiązania konstrukcyjne pojazdu, ograniczając rozmiary przestrzeni ładunkowej oraz podnosząc środek ciężkości i platformę załadunkową. Może to w istotny sposób pogorszyć stateczność poprzeczną i zdolność pokonywania przeszkód terenowych, pochyleń poprzecznych oraz ogranicza dopuszczalną prędkość pokonywania zakrętów. Z tych względów skazane jest stosowanie ogumienia o mniejszych rozmiarach. Wymaga to jednak zastosowania większej liczby kół i bardziej złożonych mechanizmów napędowych, zwiększających masę pojazdu. Dla założonej masy pojazdu 14 000 kg i ogumienia w rozmiarze 14.00 R20 niezbędne jest zastosowanie układu jezdnego 6x6. Streszczenie Referat dotyczy oceny zdolności pokonywania terenu o niskiej nośności przez pojazdy o dopuszczalnej masie całkowitej 14 ton. Metoda polegająca na wyznaczeniu nacisków nominalnych (średnich) nie jest w tym przypadku wiarygodna z uwagi na specyficzne cechy gruntu. Stąd, do oceny zdolności pokonywania takiego terenu wykorzystuje się metody analityczne metodę średnich nacisków maksymalnych MMP i metodę VCI, które uwzględniają wartość nacisków maksymalnych i wymiary geometryczne układu jezdnego. Ocenę zdolności pokonywania terenu o niskiej nośności przeprowadzono w oparciu o pierwszą z ww. metod, zakładając standardowy układ jezdny 4x4 i ogumienie 14.00 R20. Ponadto, przeanalizowano również alternatywne rozwiązania uwzględniające obniżenie i zwiększenie masy pojazdu oraz zastosowanie ogumienia 16.00 R20. W referacie umieszczone zostało zestawienie wyników przeprowadzonych obliczeń i ich podsumowanie. Słowa kluczowe: teren o niskiej nośności, pojazd o DMC 14 t, metoda VCI, metoda MMP Evaluation of ability to overcome low load capacity terrain by vehicles with 14 ton gross vehicle weight Abstract The paper investigates the evaluation of ability to overcome low load capacity terrain by vehicles with 14 ton gross vehicle weight (GVW). Method based on the nominal (mean) value of ground pressure is not reliable in this case because of specific ground features. Hence, to evaluate the ability to overcome such a terrain the analytical methods are used most popular are the MMP and VCI methods, which take under consideration both the value of maximum pressure and geometric dimensions of chassis system. In this paper, the first of aforementioned methods was used to conduct an analysis concerning the mobility level of vehicles with GVW 14 ton with standard 4x4 chassis system and tires 14.00 R20. Moreover, an analysis for alternative solutions 920
with decreased GVW, increased GVW and tires 16.00 R20 were carried out. Obtained results, discussion and conclusion are included. Keywords: low load capacity terrain, vehicle with GVW 14 t, VCI method, MMP method BIBLIOGRAFIA 1. Bartnicki A., Dąbrowska A., Rubiec A.: Mobility problems of remote-controlled ground vehicles, Polish Journal of Environmental Studies, vol. 20, No. 5A 2011, 2. Łopatka M.J.: Analiza metod oceny zdolności pokonywania terenu o niskiej nośności, Biuletyn WAT 10/2004. 3. Łopatka M.J.: Możliwości poruszania się maszyn w trudnym terenie, Forum Budowlane 4/2004 4. Maclaurin B.: Comparing the NRMM (VCI), MMP and VLCI traction models, Journal of Terramechanics 44 (2007), pp. 43-51 5. Wong J.Y.: Theory of ground vehicles, Third Edition, Willey IEEE, New York 2001 921