山地果園運(yùn)輸車越障性分析

張小珍,沈嶸楓,王健嶺

山地果園運(yùn)輸車越障性分析

張小珍1,沈嶸楓2,王健嶺1

1. 廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院,福建 漳州 363105 2. 福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院, 福建 福州 350002

針對(duì)丘陵山地農(nóng)、林產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)運(yùn)輸困難的情況，本文設(shè)計(jì)一種無人駕駛的星形輪結(jié)構(gòu)的山地果園運(yùn)輸車。有利于提升運(yùn)輸車越障性能。借助Solid Works軟件建立丘陵山地果園運(yùn)輸車三維模型，根據(jù)星形輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立運(yùn)輸車兩種越障受力模型：滾動(dòng)越障和翻轉(zhuǎn)越障模型，分析運(yùn)動(dòng)機(jī)理及越障能力；應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)運(yùn)輸車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，基于不同行駛速度、阻尼及越障方式的情況下，研究運(yùn)輸車質(zhì)心速度、加速度的變化情況，有利于改善運(yùn)輸車行駛平順性，實(shí)現(xiàn)丘陵山地行駛運(yùn)輸，同時(shí)為丘陵山地作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究提供一定理論基礎(chǔ)。

果園運(yùn)輸車; 越障性; 仿真分析

丘陵山區(qū)地帶由于地形起伏較大，很難形成完善的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，影響生產(chǎn)作業(yè)，嚴(yán)重制約著丘陵山區(qū)農(nóng)、林產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[1,2]。因此，急需實(shí)現(xiàn)山地機(jī)械化運(yùn)輸作業(yè)。目前，山地運(yùn)輸作業(yè)裝備主要以普通輪式及履帶式拖拉機(jī)為主，適合丘陵山地運(yùn)輸作業(yè)車輛并不多[3]。普通輪式車輛路面適應(yīng)能力較差，而履帶式車輛與輪式車輛相比具有良好爬坡、越障能力，通過性強(qiáng)，但對(duì)周圍植被破壞程度較大，尤其在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大橫向摩擦力，破壞周圍植被及土壤結(jié)構(gòu)，不利于丘陵山地運(yùn)輸作業(yè)[4]。針對(duì)山地行駛作業(yè)車輛方面研究，北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出一種具有平衡搖臂懸架四輪底盤，通過改變輪距，調(diào)節(jié)底盤重心位置，提高不平整路面行駛穩(wěn)定性[5-7]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)王亞等設(shè)計(jì)一種高地面仿形性動(dòng)力底盤，通過前、后兩組擺架結(jié)構(gòu)分別橫向、縱向鉸接在車架上，實(shí)現(xiàn)底盤良好路面仿形性[8]。另外，劉平義等人又對(duì)仿形動(dòng)力底盤擺架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)擺臂夾角可調(diào)設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)崎嶇路面多自由度仿形行走，且通過擺架擺臂夾角調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)車體調(diào)平控制，解決丘陵山地動(dòng)力底盤行走、作業(yè)兩大難題[9-11]。Hakan Lideskog等設(shè)計(jì)開發(fā)了一種輪腿式山地運(yùn)輸平臺(tái)，在車架兩側(cè)鉸接輪腿結(jié)構(gòu)，其上方安裝液壓缸，通過液壓缸伸長(zhǎng)和縮短，實(shí)現(xiàn)輪腿起升和下降[12]。Inho Kim為了提升移動(dòng)平臺(tái)機(jī)動(dòng)性，設(shè)計(jì)一種可變擺架長(zhǎng)度及車輪尺寸輪腿機(jī)構(gòu)，并建立該輪腿機(jī)構(gòu)越障仿真模型，表明該移動(dòng)平臺(tái)具有更好行駛機(jī)動(dòng)性[13]。我國(guó)南方丘陵山地地形條件復(fù)雜，常出現(xiàn)陡坡、陡凸障礙，因此，運(yùn)輸平臺(tái)不僅需要具有良好的路面適應(yīng)性，更需要具有較強(qiáng)的越障能力，以保證行駛過程中遇到陡凸障礙，甚至垂直障礙能夠順利穿越。基于此，本文設(shè)計(jì)一種丘陵山地果園運(yùn)輸車，該運(yùn)輸車前輪為星形輪設(shè)計(jì)，有利于提升運(yùn)輸車越障性能，應(yīng)用Solid works軟件建立運(yùn)輸車三維模型，并通過ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真分析其越障性能。

1 丘陵山地果園運(yùn)輸車建模

丘陵山區(qū)地形陡峭，障礙物多，給執(zhí)行運(yùn)輸作業(yè)的車輛完成作業(yè)任務(wù)帶來不便。設(shè)計(jì)一種適用于丘陵山地行駛作業(yè)的運(yùn)輸車，該運(yùn)輸車前輪采用星形輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于提升運(yùn)輸車越障性能，甚至具有臺(tái)階攀爬能力，提高對(duì)不平整地形的適應(yīng)性。應(yīng)用Solid works軟件建立運(yùn)輸車三維模型，如圖1所示。在山地果園運(yùn)輸車越過障礙物的過程中，車輪與地面之間存在接觸，如表1所示。通過分析不同的運(yùn)行速度，阻尼系數(shù)和障礙物超越模式，研究了運(yùn)輸山地果園運(yùn)輸車的振動(dòng)。

圖 1 丘陵山地果園運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)三維圖

表 1 接觸力參數(shù)設(shè)定

2 垂直障礙越障性分析

丘陵山區(qū)運(yùn)輸車工作在凹凸不平的路面上，運(yùn)行環(huán)境惡劣，其越障能力影響著整車穩(wěn)定性和平順性[13,14]。為了驗(yàn)證山地果園運(yùn)輸車能在最極端工作環(huán)境運(yùn)行，對(duì)運(yùn)輸車穿越垂直障礙模型進(jìn)行分析[15]。運(yùn)輸車前輪為星形輪結(jié)構(gòu)，越障過程中各車輪可能以輪式滾動(dòng)進(jìn)行越障，也可能以翻轉(zhuǎn)形式越過障礙物。基于越障方式的不同，各車輪受力情況也有所不同，分別進(jìn)行受力分析。

2.1 滾動(dòng)模式越障

滾動(dòng)模式越障受力分析，如圖2所示。此時(shí)前輪1剛好脫離地面臨界受力狀態(tài)，直接受到臺(tái)階面的作用，其中，1、2、3為車輪1、車輪2及車輪3的驅(qū)動(dòng)力；1、2、3為車輪1、車輪2及車輪3的支持力；1、2、3為車輪1、車輪2及車輪3的摩擦力；為運(yùn)輸車自身重力；為垂直障礙高度；為車輪半徑。

圖 2 前輪滾動(dòng)模式跨上垂直臺(tái)階時(shí)受力圖

受力平衡關(guān)系方程：

1cos1sin1cos2233=0;1sin+1cos-1sin+2+3-=0 (1)

驅(qū)動(dòng)力求解方程：

1=1;2=2;3=3(2)

式中：為路面的附著系數(shù)。

摩擦力求解方程：

1=1;2=2;3=3(3)

式中：為路面的摩擦系數(shù)。

由（1）~（3)式可知：

由式（4）可知，地面的支持力與路面情況和越障角度積極相關(guān)，越障角度在一定范圍變化時(shí)，車輪2、車輪3的支持力相應(yīng)發(fā)生變化，但車輪2和車輪3的支持力之和不會(huì)大于運(yùn)輸車自身重力，即2+3≤，又因路面的摩擦系數(shù)和附著系數(shù)是可以確定，從而可以得到越障角度。

由受力圖可知：

=-cos=0.758(5)

根據(jù)式（5）可知，已知越障角度和車輪半徑，即可確定出山地果園運(yùn)輸車滾動(dòng)模式的越障高度。由式（5）可知，當(dāng)前輪做滾動(dòng)模式越障時(shí)，越障高度跟地面的附著系數(shù)、摩擦系數(shù)、越障角度、車輪半徑有關(guān)，越障角度越大，越障高度越大。為了增大越障高度，可以適當(dāng)?shù)脑龃筝喿拥陌霃交蛘咴龃竽Σ料禂?shù)或附著系數(shù)。

2.2 翻轉(zhuǎn)模式越障

當(dāng)前輪進(jìn)行翻轉(zhuǎn)模式越障時(shí)，受力分析如圖3所示。車輪1不滾動(dòng)，整個(gè)的星形架會(huì)繞著車輪1中心進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，從而越過障礙物。此時(shí)車輪2剛好離開地面，作用力為0處于臨界狀態(tài)，其中，F、F、F為輪1、車輪2及車輪3的驅(qū)動(dòng)力；N、N、N為輪1、車輪2及車輪3的支持力；f、f、f為輪1、車輪2及車輪3的摩擦力；為星形架臂長(zhǎng)；為星形架兩輪心距離；為星形架轉(zhuǎn)矩。

圖 3 前輪翻轉(zhuǎn)模式跨上垂直臺(tái)階時(shí)受力圖

受力平衡方程：

-N+F-f+F-f=0;F+N+N-=0 (6)

由圖3可知，翻轉(zhuǎn)模式越障時(shí)，星形架在滾動(dòng)，最高越障高度為：

前輪由星形架構(gòu)成，能翻轉(zhuǎn)過障礙物，即碰到比車輪還要高障礙物時(shí)，星形架繞中心旋轉(zhuǎn)，能很輕松跨上大于車輪高度臺(tái)階。為了進(jìn)一步地驗(yàn)證理論計(jì)算得到越障高度和研究運(yùn)輸車的越障性能，借助ADAMS軟件對(duì)丘陵山地果園運(yùn)輸車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。主要分析運(yùn)輸車滾動(dòng)模式和翻動(dòng)模式越過障礙物的研究，不同速度和不同阻尼時(shí)對(duì)運(yùn)輸車翻轉(zhuǎn)越障模式的研究，在ADAMS軟件中建立越障模型如圖4所示。模擬了運(yùn)輸車越過大于車輪高度的障礙的行走圖。

3 越障仿真分析

3.1 不同速度運(yùn)行研究

借助于ADAMS軟件對(duì)運(yùn)輸車以不同驅(qū)動(dòng)輪速度進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，研究山地果園運(yùn)輸車質(zhì)心沿著路面變化情況，如圖5所示。由圖可知，分別以30 mm/s和40 mm/s的驅(qū)動(dòng)輪速度運(yùn)行得到曲線，其中，實(shí)線表示驅(qū)動(dòng)輪速度為30 mm/s時(shí)的運(yùn)行曲線，而虛線是驅(qū)動(dòng)輪速度為40 mm/s的運(yùn)行曲線。根據(jù)這兩條曲線可以知道，運(yùn)行相同距離時(shí)，速度越大，行走時(shí)間越短；驅(qū)動(dòng)輪速度越大，運(yùn)輸車質(zhì)心處的運(yùn)行速度越大。曲線中出現(xiàn)速度為負(fù)的，主要是因?yàn)樯降毓麍@運(yùn)輸車爬臺(tái)階時(shí)前輪的星形架旋轉(zhuǎn)會(huì)使速度方向發(fā)生變化，同時(shí)垂直臺(tái)階的高度越大容易出現(xiàn)前輪打滑，所以速度為負(fù)時(shí)是運(yùn)輸車爬臺(tái)階過程產(chǎn)生的，可知，運(yùn)輸車以40 mm/s行駛時(shí)在28 s~30 s期間成功爬越大臺(tái)階，以30 mm/s行駛時(shí)在34 s~36 s期間成功爬越大臺(tái)階。其中以30 mm/s行駛運(yùn)輸車在53 s時(shí)出現(xiàn)速度較大值，可能原因是山地果園運(yùn)輸車下坡時(shí)，慣性作用加大了運(yùn)行速度。總體上看，運(yùn)輸車以不同速度運(yùn)行時(shí)，均能順利穿越兩種不同高度障礙。

圖 5 不同速度對(duì)山地果園運(yùn)輸車質(zhì)心速度影響

圖 6 不同速度對(duì)山地果園運(yùn)輸車質(zhì)心加速度影響

當(dāng)運(yùn)輸車以不同速度運(yùn)行時(shí)，會(huì)直接影響運(yùn)輸車運(yùn)行的穩(wěn)定性和平順性，通過對(duì)比不同速度，研究質(zhì)心處的加速度變化情況，如圖6所示。由圖可知，兩種速度下均順利的越過障礙物，但是速度越大對(duì)運(yùn)輸車質(zhì)心處加速度影響越大，即運(yùn)輸車振動(dòng)越大，特別是上、下臺(tái)階時(shí)整機(jī)的振動(dòng)較大。如果速度持續(xù)加大，穿越障礙物時(shí)容易發(fā)生整機(jī)傾覆現(xiàn)象。因此，運(yùn)輸車在滿足一定運(yùn)行效率情況下，應(yīng)盡可能以較小的速度運(yùn)行，以便保證行駛運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

3.2 不同阻尼系數(shù)運(yùn)行研究

根據(jù)不同阻尼對(duì)山地果園運(yùn)輸車影響研究，借助ADAMS軟件仿真分析，得到如圖7、8不同阻尼下山地果園運(yùn)輸車質(zhì)心處的速度和加速度的影響。從圖中可知，較小阻尼對(duì)運(yùn)輸車行駛速度和加速度整體影響較小，跨上和跨下臺(tái)階時(shí)受到越障影響波動(dòng)較大。所以山地果園運(yùn)輸車質(zhì)心處的速度和加速度響應(yīng)跟設(shè)置的阻尼積極相關(guān)，不同的阻尼值，相同路面上運(yùn)行得到的速度和加速度的曲線不相同，所以我們可以改變阻尼系數(shù)來改善山地果園運(yùn)輸車的運(yùn)行振動(dòng)環(huán)境，提高運(yùn)行的平順性。

圖 7 不同阻尼下山地果園運(yùn)輸車質(zhì)心速度影響

圖 8 不同阻尼下山地果園運(yùn)輸車質(zhì)心加速度影響

3.3 不同越障方式研究

根據(jù)滾動(dòng)和翻轉(zhuǎn)模式越障分析，借助ADAMS軟件得到不同越障方式下運(yùn)輸車質(zhì)心速度和加速度變化曲線，如圖9、10所示。由圖可知，相同的運(yùn)行路段，翻轉(zhuǎn)模式越障速度快于滾動(dòng)模式，同時(shí)翻轉(zhuǎn)模式越障能力高于滾動(dòng)模式，但由圖10可知，滾動(dòng)越障運(yùn)輸車具有良好的平順性，翻動(dòng)越障由于前輪星形架的旋轉(zhuǎn)加大了運(yùn)輸車的振動(dòng)，“滾動(dòng)越障”和“翻轉(zhuǎn)越障”主要取決于障礙物高度與車輪尺寸。障礙物高度小于車輪半徑，滾動(dòng)越障；障礙物高度大于車輪半徑星形結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，出現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)越障”。

圖 9 不同越障方式下山地果園運(yùn)輸車質(zhì)心速度影響

圖 10 不同越障方式下山地果園運(yùn)輸車質(zhì)心加速度影響

4 結(jié) 論

丘陵山區(qū)地形條件復(fù)雜，要求運(yùn)輸車輛具有良好的越障性能。本文設(shè)計(jì)了一種具有星形結(jié)構(gòu)的丘陵山地果園運(yùn)輸車，該運(yùn)輸車能夠穿越丘陵山地中常出現(xiàn)的陡凸障礙甚至是垂直障礙。通過SolidWorks軟件建立丘陵山地果園運(yùn)輸車三維模型，對(duì)模型的兩種越障方式（滾動(dòng)越障、翻轉(zhuǎn)越障）進(jìn)行理論分析，借助ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，分析運(yùn)輸車的越障性能，通過對(duì)比不同的參數(shù)，即速度、阻尼和越障方式，改善運(yùn)輸車的越障性能。為山區(qū)運(yùn)輸機(jī)械理論研究奠定一定理論基礎(chǔ)。

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Obstacle Crossing Analysis of Transport Vehicles in Mountain Orchard

ZHANG Xiao-zhen1, SHEN Rong-feng2, WANG Jian-ling1

1.363105,2.350002,

In view of the difficulties in the production and transportation of hilly agriculture and forest industry, we design a driverless mountain orchard transport vehicle. The truck adopts wheel structure and the front wheel is designed as star wheel, which is beneficial to improve the obstacle performance of transport vehicle. With the help of SolidWorks software, a three-dimensional model of mountain and mountain orchard truck was established. According to the structure characteristics of star wheel, two kinds of force models of transporter are established: rolling obstacle and flip obstacle model, the movement mechanism and the ability of surmounting obstacle are analyzed. Based on the different driving speed, damping and obstacle surmounting mode, the variation of the velocity and acceleration of the centroid of the transport vehicle is studied, which is helpful to improve the ride comfort of transport vehicle and realize the transportation in hilly and mountainous areas. It also provides a theoretical basis for the design and research of hilly operation platform.

Orchard transport vehicle; obstacle crossing; simulation analysis

TU986.3+2

A

1000-2324(2020)03-0482-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.018

2018-09-09

2018-11-21

福建省科技廳項(xiàng)目(FA17566A);福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JZ160113);國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(201813469011);福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JT180801);廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院校級(jí)科研孵化項(xiàng)目(2017L08)

張小珍(1991-),女,碩士,助教,主要研究方向機(jī)械設(shè)計(jì). E-mail:1027470976@qq.com