適應濕地作業的履帶式運輸車設計與研究

孫術發 高靖萱 王敬凱 李禹璇

摘 要：為使履帶式運輸車更適應濕地作業，分析濕地土壤的物理特性和力學特性以及車輛的行駛阻力、浮力和轉向性能，根據實際需求對LF352履帶式運輸車底盤進行改進;利用Creo和RecurDyn軟件建立車輛虛擬樣機，設置濕地地面參數，對履帶式運輸車多體動力學進行仿真分析，并將樣機投入濕地進行實地測試。仿真結果表明，當履帶預張緊力為22 kN時，車輛具有較優的張緊性和動力性;車輛直線行駛時，低速擋的穩定性最好，且行駛時的沉陷量遠小于車輛最小離地間隙;車輛滿載狀態下，利用一擋或二擋轉向最穩定;樣機實地測試發現，運輸車能夠在濕地中安全勻速和變速運動。對比分析試驗結果得出，仿真誤差在可接受范圍內，適應濕地作業的履帶式運輸車設計具有一定可行性，可為履帶式運輸車輛制造提供理論依據和技術支持。

關鍵詞：履帶車;濕地地形;行走機構;動力學仿真;RecurDyn

中圖分類號：S776;S219.2;TH213.7? 文獻標識碼：A? 文章編號：1006-8023（2022）03-0077-10

Design and Research of Tracked Transport Vehicle Adapted

to Wetland Operation

SUN Shufa， GAO Jingxuan， WANG Jingkai， LI Yuxuan

（College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to make the tracked transport vehicle more suitable for wetland operation， the physical and mechanical properties of wetland soil and the driving resistance， buoyancy and steering performance of the vehicle were analyzed. According to the actual demand， the chassis of LF352 the actual demand was improved. The virtual prototype of the vehicle was built using Creo and RecurDyn software， and the wetland ground parameters were set. The multi-body dynamics simulation analysis of the tracked wetland transport vehicle was carried out， and the prototype was put into the wetland for field test. The simulation results showed that the vehicle had better tension and dynamic performance when the preload of the track was 22 kN. When the vehicle ran straight， the stability of the low speed gear was the best， and the subsidence was far less than the minimum clearance of the vehicle. The vehicle turned under full load， using one or two gear steering the most stable. The field test of the prototype test showed that the transport vehicle can safely carry out uniform and variable speed movement in the wetland. By comparing and analyzing the test results， it was concluded that the error was within the acceptable range， which indicated that the design of tracked transport vehicles suitable for wetland operation was feasible， and provided theoretical basis and technical support for the subsequent manufacturing of tracked transport vehicles.

Keywords：Tracked vehicle; wetland terrain; travel agencies; dynamic simulation; RecurDyn

0 引言

我國濕地類型多、面積大、分布廣，承擔著維護地域生態平衡、保障生態安全的重任[1]。以大興安嶺林區為例，濕地面積約占土地總面積的17%，個別地區甚至高達25%[2]。濕地常年被水覆蓋，路面松軟且沉陷量大，普通車輛在濕地上行駛時難免出現下陷或打滑等情況，影響正常工作。我國現有濕地專用工作車輛主要為ZCF系列車型，以浮箱作為底盤主要結構使其具有良好的濕地沼澤通過性，但該系列車型體積偏大，不適合在原始林區這種樹木間距較小的環境中穿行作業。因此，設計改造一款具有一定涉水能力的履帶式車輛底盤十分重要。17589BAA-E2B5-40FB-90F3-838AB5FB2438

履帶式車輛具有接地面積大、接地比壓小、附著性能好、爬坡能力強、轉彎半徑小和跨溝越埂能力強等特點，能夠輕松通過軟地面和沼澤地。在車輛地面力學產生前，北歐、美國、俄羅斯等國家就采用履帶式底盤車輛。我國對履帶車輛的研究起步較晚，早期的履帶式車輛主要有J-50、CJ-30、802J、CD12和營林-35型履帶式集材拖拉機。近年來，東北林業大學研制出一種由SWDY-60挖掘機改造而成的履帶式小型聯合采伐機[3]，同時與哈爾濱松江拖拉機有限公司聯合研制出LF1352JP新型履帶式森林消防車，車輛底盤加寬加長，增加了穩定性[4] 。東方地球物理勘探公司設計開發出一系列浮箱鏈軌沼澤車，具有車速高、接地比壓小和機動靈活等特點，適應于淤泥地、蘆葦地和鹽沼等地表行駛[5-6];但該系列車型因體積偏大不適用于原始林區的林間通行，且在陸地上行走時發動機功率利用率較低，其橡膠履帶鏈條損耗也較大。

鑒于此，本研究在分析濕地土壤物理特性和力學特性以及車輛行駛阻力、浮力和轉向性能的基礎上，根據實際需求對LF352履帶式運輸車底盤進行改進，提出適應濕地作業的履帶式運輸車底盤設計，以期為履帶式運輸車輛制造提供理論依據和技術支持。

1 履帶式運輸車工作環境分析與動力計算

1.1 濕地土壤特性分析

1.1.1 土壤的物理特性

以大興安嶺草本沼澤濕地土壤為樣本，采用篩分法對樣本進行顆粒分析，土壤不均勻系數小于4，顆粒均勻，屬于均勻集配的土壤。采用烘干法測得土壤密度為16.7 kN/m3。將土壤置于105～110 ℃環境中烘干至質量不再發生變化，采用公式（1）計算土壤含水量

w=m-msms×100%。? （1）

式中：w為土壤含水量;m為濕土壤質量;ms+為干土壤質量。

1.1.2 土壤的承壓特性

車輛的機動性能與土壤的承載能力（決定車輛的行駛阻力）及土壤的附著能力有關，從土力學的觀點解釋，履帶式車輛行駛于松軟路面的行駛阻力主要是由該松軟地面土壤的垂直承載能力決定的[7]。土壤承載能力不足，車輛行駛于松軟路面時會產生一定的沉陷量。根據Bekker的土壤沉陷理論，壓力-沉陷公式為

p=kzn。（2）

式中：p為法向單位面積的平均壓力;k為土壤變形模量;n為土壤變形指數;z為沉陷量。

1.1.3 土壤的剪切特性

土壤提供給車輛的最大牽引力是由土壤的最大剪切強度決定的[8]，故選用基于半經驗理論的Janosi剪切應力-剪切變形關系式探究濕地土壤的最大剪切強度（τ）

τ=（c+ptgφ）（1-e-jj0）。（3）

式中：j為剪切位移;j0為土壤剪切變形模量;c為土壤內聚力;φ為土壤內摩擦角。

通過試驗和計算以及各項資料的分析和統計[9]，得到濕地土壤參數見表1。

1.2 履帶式運輸車行駛阻力計算

1.2.1 履帶接地壓力

履帶式運輸車通過松軟地面的能力主要取決于其給予地面的接地壓力，車輛的沉陷量和行駛阻力與其接地壓力密切相關[9]。采用名義接地壓力（Nominal Ground Pressure，NGP，公式中用NGP表示），即機械整機質量除以履帶的接地面積的商，公式為

NGP=W2bL。（4）

式中：W為車輛重力;b為履帶寬度;L為履帶接地長度。

1.2.2 履帶壓實阻力

車輛前進過程中，履帶板對土壤有一定壓實作用，該過程會消耗一部分動力產生車轍，壓實阻力可表示為

Fc=2（kc+bkφ）1nW2Ln+1n×1n+1。（5）

式中：b為履帶寬度;L為履帶接地長度;kc為土壤內聚力變形模量;kφ為土壤內摩擦角變形模量。

1.2.3 履帶車首阻力

在濕地路面行駛時，除了摩擦力，還需考慮車首阻力（Fs），計算公式為

Fs=2bz0NGP（tanφ+tanδ）。（6）

式中：b為履帶寬度;z0為車體沉陷量;NGP為履帶接地壓力;φ為土壤內摩擦角;δ為車輛接近角。

履帶式車輛底盤與土壤相互作用的受力示意如圖1所示。

1.3 ?履帶式運輸車浮力分析

為使運輸車在沼澤濕地安全作業，其接地比壓要小且還需有一定浮力，以減少車輛沉陷量。基于阿基米德原理，運輸車在濕地行駛時受到的浮力就是車輛排開水的重力浮力，計算公式為

Fr=ρgV。（7）

式中：Fr為浮力;ρ為水的質量密度;g為重力加速度;V為排水體積。

1.4 履帶式運輸車轉向受力分析

履帶式運輸車是利用兩側履帶上的驅動力形成的驅動力矩克服轉向阻力矩完成轉向過程的[10]。履帶車轉向時，驅動側履帶產生的驅動力和制動側履帶產生的阻力在車輛橫縱2個方向被分解為轉向力矩和轉向阻力矩，轉向力矩由起初的最大值逐漸變小，轉向阻力矩由零逐漸變大，直至與轉向力矩平衡;車輛加速度也由零逐漸增加，一段時間后又減小至零，此時運輸車完成轉向過程。

履帶式運輸車作業時的轉向受力如圖2所示，內外側履帶受到的驅動力分別為P1和P2，受到的滾動阻力分別為P3和P4。運輸車在水平地面轉向時受力平衡方程為

P1+P2=P3+P4。（8）

履帶式運輸車兩側履帶的驅動力差稱為轉向力矩Mk，轉向時需要用Mk克服轉向阻力矩Mr。穩定轉向時，Mk=Mr。假設運輸車轉向時的驅動力與正常行駛時的驅動力P相等，履帶的滾動阻力等于

正常行駛時的一半，則

P1=P2-Mra;（9）

P2=P2-Mra。（10）17589BAA-E2B5-40FB-90F3-838AB5FB2438

履帶式運輸車轉向屬于制動轉向，即一側履帶的驅動力為0，另一側履帶產生全部驅動力以完成轉向過程，即Mr=pl2、P1=0、P2=P，得

P2=P4+Mra=Wf2+WLf4a。（11）

式中：f為濕地滾動阻力系數;L為履帶接地長度;α為履帶軌距。

2 履帶式運輸車底盤結構設計與建模

2.1 履帶底盤的組成機構和運行原理

底盤是履帶式運輸車的重要部件，對整車起支撐作用。履帶行走裝置由張緊裝置和行走機構組成，包括履帶板、驅動輪、支重輪和張緊輪等。驅動輪帶動履帶轉動，實現機械行走的目的;2個托輪托起履帶板，減緩機械行走時履帶的振動;底盤前側的張緊輪使履帶時時保持緊張狀態，避免履帶過于松弛。機械行走時，傳動系統將發動機的動力傳給驅動輪，使驅動輪獲得驅動扭矩，在驅動扭矩作用下，輪齒與履帶板節銷之間的嚙合傳動帶動驅動輪轉動。驅動輪上的履帶將地面產生的驅動力傳給驅動輪輪軸，由驅動輪輪軸將驅動力傳回給機體[11-12]。當驅動力大于滾動阻力時，支重輪有不間斷帶動履帶向前傳動的力，使運輸車向前行駛。驅動輪在驅動扭矩作用下不斷將履帶一節一節卷送到前方，導向輪將履帶鋪在前方地面上，這樣才能使支重輪不斷在履帶鋪設的軌道上滾動。履帶式運輸車的底盤結構和運行原理如圖3所示。

2.2 履帶式運輸車底盤結構建模

2.2.1 底盤浮箱在Creo環境中的建模

底盤浮箱是履帶式運輸車能否在濕地上平穩行駛的關鍵，浮箱應依據底盤最小離地間隙，在保證接地比壓、儲備浮力和通過性等綜合因素的前提下，合理設計外形尺寸和結構[13]。在Creo環境中建模時，借鑒船式結構，浮箱前端設計較大的接近角，可一定程度減小行駛阻力。浮箱內部設計為2 500 mm×1 000 mm×300 mm的三隔艙結構，如圖4所示，可保證當一個密封艙因損壞無法提供浮力時，不影響其他密封艙為車體提供浮力，以使運輸車能夠正常工作。當底部浮箱完全被覆蓋時，所能達到的體積為0.9 m3，為車體提供9 000 N浮力，因此可在不同情況下為運輸車提供車重的24%～19%的浮力，保障車輛在濕地安全作業。

2.2.2 履帶機構在RecurDyn環境中的建模

將Creo環境中建立的履帶式濕地運輸車模型的上裝部分導入RecurDyn環境中，在低速履帶模塊中建立履帶行走機構，在Ground模塊中設置濕地環境下的路面基本參數，建立地面模型，其底盤結構如圖5所示。

2.3 履帶式運輸車整體結構與參數

LF352履帶式運輸車底盤改進主要針對履帶板的寬度、形狀以及浮箱部分。增加履帶板寬度可減小車輛接地比壓，將履帶板形狀改為濕地用三角形履帶板能夠進一步提高土壤承載能力，使運輸車在濕地上的通過性增強[14-15]。結合環境分析與動力計算，改進后的履帶式濕地運輸車具體參數見表2。

3 適應濕地作業的履帶式運輸車多體動力學仿真分析

運用RecurDyn多體動力學分析軟件對改進后的履帶式濕地運輸車底盤動力學性能進行仿真，模擬其實際工作狀況。因濕地土壤含水量大，土壤表面少有溝壑和斜坡，故主要對濕地運輸車直行和轉向工況進行仿真。通過對主動輪設置不同轉速模擬加速、勻速和減速過程并給履帶施加不同預張緊力，以得到運輸車的合適預張緊力;對滿載履帶式濕地運輸車4個擋位的直行狀態分別進行動態仿真，輸出車輛的速度、質心位移和橫擺角速度等曲線，從各項數據中分析改進后的履帶式濕地運輸車直線行駛性能;在濕地土壤環境下對左右履帶設置不同速度模擬運輸車轉向工況，以得到車輛能夠轉向的安全速度。

3.1 機體模型測試

3.1.1 機體質量分布平衡與沉陷量分析

為保證履帶式濕地運輸車模型以及所施加約束的有效性和仿真結果的正確性，在進行后續仿真前應進行機體質量分布平衡測試，并根據結果分析運輸車在濕地環境下的沉陷量，進一步驗證車輛設計是否合理。履帶式運輸車動力學仿真的平衡階段為：在不施加任何驅動的情況下，車輛依靠重力作用接觸路面并達到平衡。對車輛平衡階段進行仿真，車體質心垂向位置變化如圖6所示。

由仿真結果可知，0 s時車輛在重力作用下自由落向地面，在2 s內車輛質心位置波動較大，2 s后變化較微弱，最后穩定在270 mm處。建立運輸車模型時，車體的質心坐標為（421，381，-32），由此可得車輛穩定下來的沉陷量為11.1 cm，遠小于運輸車的最小離地間隙，且車輛在一定時間內達到穩定狀態，可以證明機體模型以及履帶所施加的約束等準確無誤。

3.1.2 合適預張緊力確定

選取3種預張緊力進行模擬，A曲線代表預張緊力為14.7 kN（車重的30%），B曲線代表預張緊力為22 kN（車重的45%），C曲線代表預張緊力為29.4 kN （車重的60%），得到車輛運行時的橫擺角速度變化（圖7）、側向加速度變化（圖8）和角加速度變化（圖9）。

車輛行駛時的橫擺角速度和側向加速度變化均能反映車輛的平穩程度。由圖7可知，A曲線起伏最小，表明預張緊力為14.7 kN時運輸車行駛較穩定，預張緊力為22 kN和29.4 kN時車體波動較明顯，穩定性較差。由圖8可知，A曲線整體較平穩，但在8～9 s時出現一次極值且數值高于B曲線和C曲線;雖然B曲線出現峰值次數較多但數值小于其余2條曲線，說明預張緊力為22 kN時，運輸車左右搖擺程度最低，行駛最平穩，發生事故可能性最小。

車輛角加速度反映車輛行駛時的加速度變化情況。由圖9可知，A曲線的角加速度變化不明顯，B曲線出現峰值次數多于C曲線且二者的極值相差較小，說明當給履帶施加14.7 kN的預張緊力時，車輛不能很好加速也沒有很強的動力性。當履帶的預張緊力為22 kN和29.4 kN時，車輛角加速度較大，速度變化較快，其中施加22 kN的預張緊力運輸車動力性最優。17589BAA-E2B5-40FB-90F3-838AB5FB2438

由仿真結果可見，當給運輸車履帶施加22 kN的預張緊力（車重的45%）時，車輛整體平穩性和動力性均優于其他2個選擇，因此后續直行和轉向試驗均選擇22 kN的預張緊力。

3.2 履帶式濕地運輸車直行狀態下仿真分析

在RecurDyn的低速履帶模塊中，通過對左右兩側履帶的驅動輪設置轉動數值或函數可使車輛按照設計路線行駛，驅動輪的角速度（ω）與速度之間的關系式為

ω=vRp=v×1 000÷3 600Rp×1÷1 000。 ?（12）

式中：v為實際運動速度;Rp驅動輪分度圓半徑。

由此求得履帶式濕地運輸車4個檔位在STEP函數中對應的實際角速度見表3，仿真結果如圖10—圖12所示。

由圖10可知，運輸車按照設定速度在15 s內做勻加速、勻速和勻減速運動。由圖11可知，運輸車以不同速度行駛會造成不同程度的車體波動和下沉。當車輛以Ⅳ擋行駛時波動幅度最大，其次為Ⅲ擋，以Ⅰ擋和Ⅱ擋直行時平穩度最好。車輛行駛的地面阻力大于土壤抗剪切力最大值會對土壤產生永久破壞，造成車輛質心下移。當運輸車以Ⅳ檔行駛時質心穩定在243 mm處，此時沉陷量為13.8 cm，小于運輸車最小離地間隙。因此，運輸車以4個擋位行駛時，不會出現沉陷量過大使車輛陷入淤泥中無法移動的狀況。

由圖12可知，車輛以不同擋位行駛時均出現不同程度擺動，Ⅳ檔的變化尤其明顯，最開始就出現高于其他3個檔位的極值，其次為Ⅲ檔，這說明起步階段直接用Ⅳ擋行駛時，車輛穩定性最差，容易發生事故，會對司機的安全造成威脅。因此，應在行駛過程中逐步提高車速，力求穩定和安全。

3.3 履帶式濕地運輸車轉向狀態下仿真分析

轉向性能也是履帶式運輸車能否在濕地上安全作業的關鍵要素。在仿真起始階段，令運輸車直線行駛一段時間，完成車輛加速和勻速行駛過程后再進行轉彎，采用STEP函數，通過對左右兩側履帶的驅動輪施加不同轉速以實現差速轉向，車輛轉向過程如圖13所示，兩側履帶的驅動輪角速度變化如圖14和圖15所示。

從運輸車轉彎路線和兩側履帶驅動輪角速度變化可以看出，車輛按照設定速度先直線行駛完成加速運動，后向右轉彎完成轉向運動，運輸車橫擺角速度變化如圖16所示。

由圖16可知，車輛轉向過程中橫擺角速度變化不大，相對來說較穩定;但由于濕地含水量大，土壤松軟[16]，轉向運動較其他路面條件來說還是比較容易失穩[17]。輸出運輸車左右兩側履帶主動輪轉矩變化如圖17所示。

由圖17可知，運輸車從第3秒開始進行轉向運動起，一側履帶力矩變大、一側履帶力矩變小形成驅動力矩差，推動車輛差速轉向。當給履帶式運輸車驅動輪施加8.0 rad/s的速度進行轉向時，運輸車轉彎過程中會發生側翻現象，如圖18所示。

車輛在轉彎時，其向心力為

R=mω2r。（13）

式中：m為質量;ω為角速度;r為轉彎半徑。

內外兩側履帶的質量和角速度相同，但外側履帶的轉彎半徑大于內側履帶，外側履帶的向心力也大于內側履帶。若轉向速度過大，轉彎時就會發生側翻，所以不能在Ⅲ擋或Ⅳ擋進行轉向，為確保安全應在Ⅰ檔或Ⅱ檔進行轉向。

3.4 適應濕地作業的履帶式運輸車實地測試

將本研究設計與改進的數據交由哈爾濱松江拖拉機廠生產樣機，并在大興安嶺濕地進行實地測試，樣機生產制造如圖19所示。選取草本沼澤濕地測試運輸車直行和轉向性能，并選擇水位較深的濕地測試運輸車底盤浮箱的密封防水性能。

運輸車在草本沼澤濕地中以不同擋位進行勻速、勻加速、勻減速和轉向運動，經多次試驗，車輛勻速和變速行駛狀況良好，未發生下陷導致車輛無法前進的現象。為防止運輸車發生翻車事故，選擇Ⅰ擋和Ⅱ擋作為轉向檔位，車輛以Ⅰ檔轉向較平穩，以Ⅱ檔轉向會發生輕微打滑現象。為了安全起見，當車輛搭載較重的物資時，最好使用Ⅰ擋轉向。在仿真時，軟件不能準確仿真出車輛行駛時土壤產生的變形和滑移，故會產生一定誤差。

圖20為運輸車涉水試驗，試驗地水深約40 cm。車輛進入河道后，水面可以覆蓋底盤浮箱，水深符合試驗要求。經多次試驗，車輛行駛正常且底盤浮箱工作良好，未發生破損導致進水的現象。

4 結論

（1）基于土壤物理特性和力學特性分析選擇合理的土壤-車輛力學模型，并根據實際需求和計算結果，為濕地運輸車轉向運動建立力學分析模型并進行理論計算，從土壤條件和車輛結構兩方面證明運輸車能夠在濕地中安全轉向。

（2）根據設計要求和計算結果對LF352履帶式運輸車的各項參數進行修改，完成底盤結構、動力系統的改進，并通過Creo和RecurDyn建立履帶式濕地運輸車虛擬樣機模型，運用Ground模塊建立濕地軟路面環境。

（3）運用RecurDyn多體動力學分析軟件，對適應濕地作業的履帶式運輸車輛底盤進行仿真分析，通過設置3種預張緊力以及加速、減速、勻速3種行駛狀態，得到22 kN（車重的45%）的預張緊力能夠使運輸車平穩行駛。車輛以4個擋位直線行駛時，低速擋行駛穩定性最好。車輛在滿載狀態下轉彎時，整體表現較穩定，但由于外側履帶的向心力大于內側履帶，車輛角速度大于8.0 rad/s時轉向可能會發生側翻，為確保安全，應保證在Ⅰ檔或Ⅱ檔進行轉向。

（4）將樣機投入大興安嶺濕地進行實地測試發現，履帶式運輸車仿真分析與實際試驗結果存在一定誤差，其原因主要是理論計算和仿真分析時無法模擬出林區土壤實際情況，誤差在可接受范圍內，適應濕地作業的履帶式運輸車設計具有一定可行性，可為履帶式運輸車輛制造提供理論依據和技術支持。

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