便攜履帶式救援平臺的行駛動力學(xué)研究

劉存山， 何錦旺， 葉朗熙， 黃偉松

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東東莞523808）

0 引言

我國是世界上地震傷亡人數(shù)最多的國家之一，國內(nèi)很多人都懷有恐震心理，甚至談?wù)鹕儭Ｔ陬愃频卣鸬茸匀粸?zāi)害發(fā)生后，最重要的是搜救工作，搜救越及時，獲救的希望就越大。據(jù)有關(guān)資料顯示，災(zāi)害發(fā)生后20 min內(nèi)獲救的存活率達(dá)98%以上，而發(fā)生1 h后獲救的存活率下降到63%[1-2]，由此可知，災(zāi)后搜救設(shè)備在災(zāi)后救援中的作用有多重要。在災(zāi)害發(fā)生后，救援人員要想盡快發(fā)現(xiàn)被困人員，必須借助先進(jìn)的儀器設(shè)備。市面上的搜救設(shè)備多數(shù)為被動型設(shè)備。在自然災(zāi)害發(fā)生后的復(fù)雜環(huán)境中，這些設(shè)備具有一定的局限性，為此本項(xiàng)目研發(fā)了此便攜履帶式救援平臺。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

履帶式救援平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由手機(jī)控制端和履帶式救援平臺端兩部分組成，救援平臺端同樣具有4G無線通信功能。履帶式救援平臺端主要由動力傳動機(jī)構(gòu)、傳感器、執(zhí)行器和控制通信系統(tǒng)5部分組成。動力傳動機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)救援平臺的電源、動力傳動與行走功能。控制系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測、視頻顯示、救援機(jī)構(gòu)、通信傳輸?shù)冉M成。環(huán)境感知是救援平臺根據(jù)當(dāng)前地理的氣候和環(huán)境參數(shù)所獲，主要測量的參數(shù)有氣體成分（一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氧氣、甲烷）、溫度和濕度等[3]。

救援機(jī)構(gòu)是本項(xiàng)目設(shè)計用于清障，做出一些能盡快解救被困者的動作（如切斷電源、打開水閥或破鎖、破門等命令）等功能的機(jī)構(gòu)。通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)救援平臺與手機(jī)監(jiān)控端的實(shí)時可靠通信，將環(huán)境信息傳回到手機(jī)監(jiān)控端。同時，也可將手機(jī)監(jiān)控端上的控制指令發(fā)送到救援平臺。視頻顯示系統(tǒng)是手機(jī)APP和救援平臺的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的主界面[4-5]。

履帶底盤平臺是移動救援平臺所有部件的載體和安裝平臺，由履帶、輪系、軸承以及傳動部件組成。電源使用能效較高的三元鋰離子動力電池，動力傳統(tǒng)系統(tǒng)采用電磁離合器控制驅(qū)動鏈輪電動機(jī)的形式，由控制系統(tǒng)控制救援平臺的進(jìn)退和速度，相關(guān)參數(shù)的匹配由計算所得。

手機(jī)APP端的界面由3個窗口組成，主窗口用來顯示救援平臺行動軌跡的視頻；上面窗口顯示救援平臺所處環(huán)境的傳感器參數(shù)；下面窗口具有手動操作按鈕用來控制救援平臺執(zhí)行相關(guān)動作。

2 救援平臺行駛動力學(xué)分析

履帶式救援平臺首要解決的問題是平臺的驅(qū)動和行駛控制功能，能達(dá)到在平直路面上以最大速度行駛,能在最大為60%坡度上行駛，同時滿足上述路況要求下的各種工況的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩要求[6-9]。本項(xiàng)目研究一種通過對2個電磁離合器分別控制，由履帶驅(qū)動鏈輪、無刷直流電動機(jī)和履帶機(jī)構(gòu)組成模塊化的履帶單元。救援平臺的行駛動力學(xué)分析如下。

2.1 內(nèi)部行駛阻力

履帶式救援平臺的行駛阻力由2部分組成：一部分是行駛機(jī)構(gòu)各摩擦副相互摩擦產(chǎn)生的內(nèi)部行駛阻力；另一部分是救援平臺行駛時在前方堆土形成的外部阻力。

履帶式救援平臺的內(nèi)部行駛阻力換算成驅(qū)動輪上的摩擦總阻力矩M，又分為M1和M2兩組。第一組摩擦阻力矩M1由履帶驅(qū)動段中的附加張緊力所引起，它與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩MK成正比。第二組摩擦阻力矩M2由履帶中的預(yù)加張緊力和車輛質(zhì)量引起，等效外部阻力為M2/rK，記為Ff2。

圖1 履帶式救援平臺系統(tǒng)架構(gòu)

履帶式救援平臺的外部阻力，運(yùn)用功能轉(zhuǎn)換的方法計算，當(dāng)履帶式救援平臺前進(jìn)L距離時，履帶消耗的功為W，如圖2所示[10]。

式中：b為履帶寬度；p為履帶支承段單位面積上承受的壓力，是z的函數(shù)；z0為軌轍深度。

因此，履帶式救援平臺行駛時的外部阻力Ff1可表示為

采用貝克壓力沉陷公式，將參數(shù)代入上式并積分得:

因?yàn)槎淹羻挝幻娣e上所承受的壓力（即履帶接地比壓）為p=Gs/（2bL0），L0為履帶接地長度，所以有[11-12]：

式中：Kc為考慮到履帶板上凸起的影響系數(shù)；Kc=1.25～1.30；Gs為支重輪上作用的重力。

圖2 履帶式救援平臺推壓土地

2.2 滾動阻力計算

當(dāng)履帶式救援平臺空載低速行駛時履帶驅(qū)動段內(nèi)的附加張緊力極小。因此Ff實(shí)際上相當(dāng)于空載低速行駛時的滾動阻力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，滾動阻力Ff近似與機(jī)重成正比。因此Ff常常用滾動阻力系數(shù)與機(jī)重的乘積來表示[13]：

式中：f為滾動阻力系數(shù)；Gs為機(jī)械使用質(zhì)量。

滾動阻力Ff是車輛前進(jìn)必須克服的等效外部阻力，只有等效牽引力大于滾動阻力時，車輛才能向前行駛。因此，F(xiàn)K≥Ff是車輛運(yùn)動的必要條件。而FK中扣除Ff后剩余部分代表車輛水平等速行駛時，履帶式救援平臺（牽引元件）所輸出的總推力，通常稱為有效牽引力FKP。這樣，履帶式救援平臺作水平等速運(yùn)動時有效牽引力可由下式表示：

履帶驅(qū)動區(qū)段在驅(qū)動輪驅(qū)動力矩Mt的作用下產(chǎn)生張力F。由于摩擦損耗，驅(qū)動輪通過履帶驅(qū)動段作用于履帶支承區(qū)段的拉力為F′=Fημk，ημk為履帶的驅(qū)動效率[14]。因此，履帶式救援平臺與地面相互作用產(chǎn)生的驅(qū)動力為

履帶的驅(qū)動效率一般為0.93～0.96，可用下式進(jìn)行計算：

2.3 牽引力計算

履帶式救援平臺的運(yùn)動是由履帶與地面的相互作用產(chǎn)生的，其驅(qū)動力Fi與地面附著性質(zhì)相關(guān)，最大值受地面附著力影響。履帶式救援平臺的牽引力用Fkp表示，是驅(qū)動力克服滾動阻力后的推力。將車輛作為一個整體來考察，作用在履帶式救援平臺上的各種阻力應(yīng)與牽引力相平衡，亦即

式中：ΣF為各種阻力的總和；FK為切線牽引力。

其實(shí)質(zhì)是驅(qū)動輪在驅(qū)動轉(zhuǎn)矩作用下帶動履帶轉(zhuǎn)動，地面阻止其運(yùn)動產(chǎn)生了土體對履帶的反作用力。行駛在堅(jiān)實(shí)路面上時，牽引力主要由履帶和路面的摩擦產(chǎn)生。行駛在松軟地面上時，牽引力主要是履帶作用下土體剪切變形所產(chǎn)生的土的推力。

式中：A為履帶接地面積，A=2bL。

3 動力傳動機(jī)構(gòu)的功率匹配

直流電動機(jī)是驅(qū)動履帶式救援平臺兩側(cè)主動輪的動力部件，它的直線和轉(zhuǎn)向行駛?cè)恳蕾囯妱訖C(jī)及其控制器，所以合理匹配系統(tǒng)參數(shù)非常重要。

電動機(jī)的額定功率Pe，額定轉(zhuǎn)矩Te、最大轉(zhuǎn)矩Temax都必須大于救援平臺所需的功率P，轉(zhuǎn)矩T，最大轉(zhuǎn)矩

式中，vmax為救援平臺最大行駛速度，

式中：r為主動輪半徑，m，取0.06 m；i為傳動比，取1；nmax為救援平臺的最大行駛速度對應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；ηch為電動機(jī)效率。

電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Tt、最大轉(zhuǎn)矩Tmax分別由下式計算：

式中：Pt為電動機(jī)額定功率，kW；nt為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

4 結(jié)論

本文針對在災(zāi)后復(fù)雜的救援環(huán)境中，多數(shù)被動型搜救設(shè)備的局限性，研究了一種便攜履帶式救援平臺。通過對該平臺行駛動力學(xué)的分析計算以及動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配優(yōu)化，使其能滿足救援任務(wù)的需求；該設(shè)備不但靈巧便攜，而且行動敏捷，還擁有一定的智能，能做相對復(fù)雜的營救動作。本項(xiàng)目的研究可為今后的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)和積累經(jīng)驗(yàn)，同時也為人們在機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計方面提供一定的思路。