Научный задел. Транспорт – важнейшая составная часть производственной инфраструктуры горного производства, в частности при карьерной добыче торфяного сырья на слабых грунтах. Его устойчивое и эффективное функционирование является необходимым условием устойчивого развития горной промышленности страны. Потребительские качества выпускаемых транспортных средств, их номенклатура и технический уровень не в полной мере соответствуют требованиям, предъявляемым к освоению территорий со слабыми грунтами, значительная доля которых расположена в зонах северного умеренного пояса и арктической зоне территории России.

Текущее состояние. Современные транспортные агрегаты не в полной мере осуществляют главную транспортную задачу при эксплуатации на слабых грунтах – при минимальных затратах энергии максимально производительно транспортировать грузы.

Идея работы. Выбор типа и необходимых размеров опорных поверхностей ходового устройства машины производится с учётом деформационных и прочностных свойств верхнего слоя торфяной залежи, характеризующих её поведение при воздействии внешних нагрузок.

Методы исследования. Исходя из анализа условий проходимости горнотранспортного агрегата по слабым грунтам, осуществляется выбор рационального типоразмера шин методом статистического анализа с учетом предельных значений прочности слабого грунта с использованием матрицы принятия решений. Экспериментальными исследованиями уточняется возможность осуществления многократного проезда модели выбранного колесного хода по модели слабого грунта с учетом параметров проходимости выбранного рационального комплекта шин.

Детали исследования. Для определения многократной проходимости колесного транспортного оборудования по торфяной залежи необходимо руководствоваться сравнением расчетного значения ММР с допустимыми значениями удельных давлений, а также выявлением взаимосвязи ММР с VCI₅₀, представленным по материалам анализа проходимости машин по слабым грунтам.

Исходя из осуществленного анализа, следует, что основным показателем, влияющим на величину погружения пневматического колеса в деформируемое опорное основание, является величина давления в пятне контакта шины с торфяной залежью. Снизить величину давления колеса на грунт возможно путем увеличения площади пятна контакта за счет уменьшения давления воздуха в шинах колес до 100 кПа, а также путем сдваивания колес на осях. Выбор рациональных образцов шин по ряду показателей, включая геометрические размеры и массу, влияет на процесс функционирования транспортного оборудования, его опорную проходимость и повышение энергоэффективности транспортного процесса. Задача выбора рациональных размеров шин для комплектования транспортного полуприцепа представляет определенную сложность и является актуальной, учитывая стоимость инновационных решений по выбору оборудования.

Широкая флотационная шина создает увеличенную площадь контакта и меньшее проникновение в грунт, что увеличивает проходимость горнотранспортного агрегата. Метод сдваивания колес на осях также улучшают проходимость горнотранспортного агрегата по слабому грунту. Увеличение диаметра шины, способствует снижению тягового усилия на перекатывание полуприцепа. В работе представлен наиболее применяемый диапазон типоразмеров флотационных низкопрофильных радиальных шин.

Среднее максимальное давление выбранного ряда типоразмеров шин (1) MMP определяется в основном шириной В (мм), диаметром шин D (мм) и полным весом груженого полуприцепа G_M (кН). С помощью дробного факторного эксперимента получена математическая модель изменения среднего максимального давления MMP от параметров полуприцепа в натуральном виде, все члены которой значимы, а сама модель проверена на адекватность по критерию Фишера (F=16,34<F_табл=235).

$$MMP=82,5-0,05B-0,04D+0,43G_{M}$$

Исходя из проведенного анализа предельных значений прочности торфяных грунтов, можно наглядно изобразить диапазон возможности многократного проезда горнотранспортных агрегатов по торфяным залежам с разной степенью осушенности. На рисунке 1 приведена классификация условий проходимости транспортных средств по торфяному основанию с оценкой диапазонов вероятности движения по осушенной и предварительно осушенной торфяным залежам.

Для оценки количества проходов и глубины осадки ГТА со сдвоенными колесами в торфяной грунт проведено физическое моделирование процесса проезда колесного транспорта по слабому грунту. Модель грунта – 2 натуральных монолита естественной влажности w=89 % и w=84%, извлеченных из торфяной залежи без нарушения деятельного верхнего слоя (акротелм), размерами 670х370х300 мм (торфяное месторождение Озерное Всеволожского района Ленинградской области, кадастровый номер 665).

В зависимости от количества двойных проходов колес, отмечено увеличение их осадки (рисунки 2, 3). Модель материала отражает деформационную анизотропию в условиях линейного растяжения-сжатия (эффект Баушингера). Свойствами упругого вязкого материала, отражающими его сопротивление малоцикловой нагрузке, являются циклическая нестабильность (изменение ширины петли упругого гистерезиса в процессе нагружения) и одностороннее накопление во времени пластических деформаций. Постепенный спад во времени напряжений (релаксация) характерен для этой грунтовой системы; при этом происходит диссипация энергии на вязком элементе, запасенной на упругом элементе, что описывает поведение системы в таком режиме механически необратимым.

При приложении давления общая осадка грунта может быть разделена на восстанавливаемую (упругую) h_e и остаточную (пластическую) h_p. При этом, как правило, h_e >> h_p (рисунки 2, 3). При влажности монолита w=89 % упругая составляющая h_e в 4 раза больше, чем пластическая h_p, а при w=84% h_e в 8 раз больше, чем h_p.

На рисунке 4 показано изменение площади контакта сдвоенных колес и удельного сопротивления грунта на поверхности следа колес. Удельное сопротивление уплотняемого грунта по следу колес определялось методом пенетрации согласно ГОСТ 34276-2017.

Величина удельного сопротивления грунта по следу колеи при многократном двойном последовательном нагружении монолита колесами достигает 200 кПа для залежи влажностью 89 % и 140 кПа для залежи влажностью 84 %. При достижении уже 7 нагружений на поверхность торфяного монолита влажностью 84 и 89 % установлено, что величина осадки стабилизируется, а площадь пятна контакта с неосушенной залежью и удельное сопротивление грунта на поверхности следа колес увеличиваются в 1,9 и 2,7 раза соответственно, что определяет возможность осуществления многократной проходимости ГТА при использовании двухосного полуприцепа со сдвоенными радиальными флотационными шинами типоразмера 600/50R22.5.

Заключение. Обоснован рациональный комплект радиальных флотационных шин 600/50R22.5 для полуприцепа. В результате физического моделирования процесса многократной проходимости модели сдвоенных колес двухосного полуприцепа на натуральном монолите торфяной залежи верхового типа выявлены закономерности изменения осадки колес при стабилизации её величины после 7-го прохода и эффекта релаксации напряжений за счет упругой составляющей на 75-85 % в зависимости от степени осушенности верхнего несущего слоя залежи. Кроме того, наблюдается рост площади пятна контакта колеса с увеличением осадки и уплотнение поверхности колеи с увеличением числа проходов колес, что положительно влияет на проходимость транспортного средства. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании горнотранспортных агрегатов для многократной транспортировки грузов по слабым грунтам.