履帶車輛附著性能研究綜述

王志波 李軍 宋海軍

摘要： 履帶車輛的動力源于內燃機，但當內燃機能夠提供足夠大的動力時，地面給履帶的附著力不夠時，也會導致履帶車輛打滑，嚴重時甚至會陷車，因此研究履帶車輛附著特性，對提高履帶車輛的附著性能和牽引性能具有重要的指導作用。在大量查閱資料和項目研究的基礎上，從研究內容、發展概況和研究方法三個方面綜述了履帶車輛附著性能研究的現狀，同時針對該領域研究目前存在的一些問題，提出了一些探討方法及見解。

Abstract： Tracked vehicle internal combustion engine from power， but when the internal combustion engine is able to provide enough power， when the ground to track adhesion is not enough， can also lead to tracked vehicle skid， serious when even in a car， so studying the characteristics of tracked vehicle adhesion， to improve the adhesion performance of tracked vehicle and the traction performance has an important guiding role. Based on a large number of data and project research， this paper summarizes the research status of tracked vehicle adhesion performance from three aspects of research content， development and research methods， and puts forward some research methods and opinions in view of the existing problems in this field.

關鍵詞： 履帶車輛;附著性能;車輛地面力學

Key words： tracked vehicle;adhesion performance;vehicle ground mechanics

中圖分類號：TU623.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0043-02

0? 引言

履帶車輛多用于農業工程領域，行駛環境復雜，多行駛于沒有經過修整的地面環境中。在內燃機提供的動力足夠的前提下，只要松軟土壤提供給履帶的附著力不夠，就會導致打滑甚至陷車，嚴重影響了工作效率，由此看出研究履帶附著性能的重要意義。筆者在大量閱讀文獻和在項目研究的基礎之上，系統地綜述了該領域的研究內容、發展概況和研究方法，并提出了這一領域下一步研究亟需解決的一些關鍵性問題。

1? 研究內容

附著性能研究的核心問題是，對于給定的工作環境，建立履帶車輛附著力與設計之間的一個定量關系。這些年來人們已經開發或提出了多種方法，從經驗方法到理論方法，來預測履帶車輛通過未修整路面時候的附著性能，通過改善附著性能以提高履帶車輛的通過性能。履帶車輛附著性能的主要研究內容有：

①土的物理機械性質。

②履帶與地面的相互作用。

分析履帶與地面的作用原理，建立履帶板-地面相互作用的力學模型。

③系統仿真試驗。

根據土壤的機械性質，對土壤進行有限云建模，通過有限元仿真試驗驗證履帶板-土壤附著模型。

④土槽試驗。

在土槽試驗臺內進行不同土壤條件下不同規格履帶板的履帶板牽引試驗，測試得到各種土壤條件下的最大附著力數據，附著力測試數據與前文建立的數學模型進行比較，最終得出最優的履帶板結構參數。

2? 發展概況

霍爾特于1904年首次研制成功由蒸汽機驅動的履帶拖拉機[1]。E.W.E.Micklehwaite于1944年提出了用來計算履帶最大推進力的公式，即經典力學中的太沙基公式和庫倫公式[2]。黃祖永于1978年出版了《地面車輛原理》，該書介紹了土壤在車輪作用下的應力與破壞的實驗觀測和有限元法在車輛地面力學中的應用[3]。以色列學者D.Rubinstein與R.Hitron[4]于2004年用動力學仿真軟件LMS-DADS對M113裝甲運輸車進行了研究，通過對履帶進行理論分析，建立了單塊履帶和地面的數學模型。2008年，韓國W.Y.Park等[5]用數學模型對履帶車輛的參數與土壤特性之間的關系，從土壤的沉陷、重復載荷和剪切力三方面進行了分析。楊紅旗[6]等人研究了履帶工程機械的附著力矩和附著系數，提出了附著系數的計算公式，總結了附著力的影響因素。1995年，楊士敏[7]通過對4種典型的履帶接地壓力規律進行研究，總結了履帶車輛接地壓力規律對附著力大小的影響。1997年，蔣國良[8]對橡膠履帶的附著性能進行了研究，得出了附著力和下陷量隨土壤含水量的變化規律。2004年，劉振生[9]應用土力學基本理論分析了履刺在沙漠土壤條件下的作用，研究了履帶在干砂區的附著力。2006年，甘智海[10]應用能量方法分析了附著系數與滑動率的關系，并設計了實驗方法來現場測試附著系數。2010年，吳鴻云[11]建立了集礦機履帶在稀軟底質上的附著力數學模型。2011年，裝甲兵工程學院的李軍[12]等人對大履刺履帶載荷—沉陷關系進行了研究。2012年，李軍[13]等人對履帶板履刺與土壤的相互作用建立了三維模型。2015年，楊聰彬[14]研究了高速履帶與軟路面的附著特性，建立了履帶板土壤推力模型。

3? 研究方法

履帶車輛附著性能研究的主要任務是用理論分析、土槽試驗和系統仿真的方法來預測履帶車輛在未修整路面上的附著性能。研究對象是履帶和地面的相互作用，由于土壤具有散體性、多相性和自然變異性的特點，其力學性狀比較復雜，所以在研究履帶車輛附著性能時，學者們采用了不同的研究方法，不過大體上可以概括為以下5種：

3.1 純經驗方法

履帶車輛與地面之間的相互作用是復雜的，并且難以精確的建模。純經驗法是通過測量土的物理機械性質，然后再使履帶車輛在土壤上試驗，最后通過兩組結果，分析出土的機械特性和履帶車輛附著力間的關系。該方法的經典代表是WES法。通過圓錐貫入阻力儀測量土壤強度特性，然后建立圓錐指數與車輛機動性間的經驗關系式。但是 “圓錐指數”并不能完全代表土的機械特性，我們很難把它和土的機械特性聯系起來，并且圓錐指數法僅僅適用某些特定的條件，在很多情況下得到的結果與實際不符。

3.2 半經驗法

半經驗法是對履帶車輛在土壤上的作用進行受力分析，并測量土壤的力學參數，推導出包含車輛參數和土體力學參數的簡化方程式。半經驗法的經典代表是貝克所建立的土壤應力-應變公式。貝克的半經驗法為履帶車輛性能的預測提供了一定理論依據，從而得到了廣泛應用。但是該方法缺乏嚴格的理論基礎，土的力學參數的量綱不確定，不能從本質上解釋車輛和土壤之間的相互作用關系等。

3.3 基本理論研究方法

基礎理論法是借助土力學理論、彈塑性知識和土的本構關系等理論對履帶與土壤的相互作用進行受力分析，結合有限元法和邊界元法進行研究。它包括朗金理論、太沙基理論和普蘭特理論等。

3.4 模型試驗方法

模型試驗法就是把影響履帶車輛在土壤上附著力的所有因素按照一定比列縮小，并且把縮小后的模型放到實驗室進行觀察和實驗研究，再把得出的結果進行放大，進而分析發生在原型中的物理現象。典型的模型試驗代表就是土槽試驗。

3.5 仿真—試驗方法

仿真—試驗方法是以地面力學理論為基礎，基于相關仿真軟件建立履帶—土壤相互作用的仿真模型，對履帶與土壤的相互作用進行單元受力分析。履帶—地面相互作用的仿真方法目前主要使用有限元和離散元方法。有限元方法的基本概念是理想的連續體作為有限數量的元素的組合;而離散元方法的基本概念是將土壤表示為多個離散元素的集合。使用有限元法獲得的預測結果和實驗數據之間一般有良好的定性一致性;離散元方法雖然已被應用于履帶—地面相互作用力學的研究中，但它仍處于其發展的早期階段。

4? 問題探討與研究期望

履帶車輛附著性能研究是影響履帶車輛牽引性能行駛性能的重要因素之一。隨著經濟和社會的發展，農業、伐木、建筑、采礦、勘探的需要，對履帶車輛在復雜路面的通過性能的要求會越來越高，這就需要深入開展履帶—土壤作用機理的研究，揭示履帶和土壤的相互作用特性，推動履帶車輛附著性能研究的不斷發展。但是，現有履帶車輛附著性能的理論研究成果中尚存在一些待解決的問題。

①相關理論創新。履帶與土壤的相互作用是一個非常復雜的過程，傳統理論把土壤看成彈塑性體，各種建模與仿真始終是一種近似。相關學者可以把土力學的最新理論成果應用于履帶與土壤相互作用的研究中，以便更準確的描述土粒之間的相互作用關系，進一步準確的研究履帶車輛的附著性能。

②土壤力學參數的測量方法有待進一步簡化。分析履帶車輛附著性能，必須知道車輛作用土壤的力學參數，很多的土壤參數是基于室內測量，如內摩擦角、黏聚力、土壤變形模量和土壤變形指數等。目前這些力學參數的測量主要是基于室內的三軸試驗和剪切試驗等。目前的測量方法有兩個方面的缺點，一是土壤參數試驗過程比較復雜;二是室內試驗的土壤是擾動的土壤，其力學參數與室外土壤相比，已然發生了很大的改變。所以下一步的研究方向應開發現場的土壤測試儀器進行現場試驗，比如便捷的原位圓錐試驗、壓板試驗與原位直剪試驗等，然后結合有限元分析或其他理論分析方法得出土壤的力學參數。

③履帶與土壤的作用模型有待進一步研究。履帶車輛高速行駛時，履帶與土壤的作用只是一瞬間。而大多數前人在研究履帶與土壤的相互作用時，是在履帶板速度與履帶車輛工作中的實際速度相差很大，這時土壤在速度低和速度高的情況下的抗剪強度是有差異的。對于履帶式車輛在高速行駛工況下履帶與土壤的連貫作用，應該進行深入的研究。

參考文獻：

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