履帶式農機底盤在超濕黏土地面的通過性研究

王海霞,盧立富,李加坤,胡忠義,許永超

1.山東交通學院汽車工程學院,山東 濟南 250357;2.山東泰開隔離開關有限公司,山東 泰安 271000

0 引言

履帶式農機裝備在超濕地面上作業時通過性較差,易導致農作物無法及時足量收獲,給農民收入和國家糧食儲備帶來較大損失。農機裝備在超濕地面的通過性研究涉及土壤力學特性、裝備結構信息、地形地貌信息及裝備與地面間的耦合關系,影響因素多且耦合關系復雜,是車輛地面力學及農機裝備領域的研究難點及熱點之一。研究學者多采用仿真分析和試驗驗證方法研究農機裝備在超濕地面上的通過性問題。呂唯唯等[1]、楊聰彬[2]、朱興高[3]通過仿真分析和室內試驗研究加載速率、土壤含水率和通過次數等因素對地面土壤承載特性的影響規律,構建地面土壤的動態承壓模型和剪切經驗模型;Yang等[4]提出采用Bekker承壓模型的土壤沉陷與土壤力學特性參數、含水率及重復加載關系的理論模型;Sitkei等[5]采用量綱分析法歸納土壤的力學特性試驗數據,提出具備廣適性的土壤力學模型;Beregi等[6]基于輪胎與土壤間的復雜耦合關系,分析輪胎非線性動力學,構建輪胎牽引力的理論模型;Cutini等[7]研究輪胎與冰雪地面的復雜耦合關系,提出車輛在冰雪路面上行駛時的牽引力評估方法;曾得貴[8]采用離散元方法研究履帶車輛在干燥松軟地面上行駛時履帶與地面間的耦合關系,分析履帶與地面相互耦合時地面土壤的滑移剪切破壞過程;Nicolini等[9]基于履帶與地面的耦合作用關系構建考慮地面力學特性的履帶車輛-地面多體動力學仿真模型,分析履帶車輛的越障能力;Tang等[10]構建履帶-地面非線性模型,提出高可靠性、通用性、模塊化的履帶動力學仿真算法;Mason等[11]提出基于圓錐指數法的履帶車輛在松軟路面上一次性通過的評估方法,構建以負重輪負載、最小離地間隙、履帶平均最大接地壓力及地面土壤強度為關鍵參數的車輛越野通過性經驗模型;Sebastian等[12]綜合考慮滑移滑轉、地形坡度、土壤力學特性和履帶的履刺效應等因素對履帶裝備越野通過性的影響,提出基于履帶與崎嶇地面動態耦合關系的車輛路徑規劃算法;Wong等[13]研究履帶車輛越野機動性的評估模型,認為基于物理參數評估的理論模型更適合履帶車輛越野機動性分析;Choi等[14]開發基于可靠性的隨機越野機動地圖生成框架,對地面車輛的機動性和GO/NO-GO決策進行不確定性量化和可靠性評估;黃雪濤等[15]以負重輪沉陷為評價指標,分析履帶裝備在黏土地面上的通過性;申彥等[16]研究火星車通過性評價技術,分析火星車通過性研究的發展趨勢;吉旭等[17]研究山地履帶自走式辣椒收獲機底盤的動力學仿真技術,并采用實車驗證仿真結果的合理性;韓振浩等[18]研究山地果園履帶底盤坡地的通過性,優化履帶底盤的結構,提高山地果園履帶底盤的通過性。目前,在土壤承壓剪切滑移破壞機理、土壤承載模型構建、履帶-地面耦合關系、履帶裝備越障能力等方面的研究較多,但對履帶式農機底盤在超濕黏土地面上通過性方面的研究較少。

本文采用理論推導、仿真分析和試驗驗證相結合的方法,構建履帶式農機底盤超濕黏土地面通過性的多體動力學仿真模型,以掛鉤牽引力為評價指標,分析履帶式農機底盤在超濕黏土地面上的通過性,以期為履帶式農機裝備的結構設計提供理論基礎和數據支撐。

1 超濕黏土土壤力學特性參數

描述土壤承載作用的模型主要包括Bekker承壓模型、Reece承壓模型和Korchunov承壓模型等。Bekker承壓模型應用最廣,超濕黏土土壤的Bekker承壓模型為:

p=(kc/b+kφ)zn=kzn,

式中:p為作用在超濕黏土土壤單位面積上的壓力,kc為超濕黏土土壤的黏聚模量,b為圓形壓板的半徑,kφ為超濕黏土土壤的摩擦模量,z為載荷作用下超濕黏土土壤的沉陷,n為超濕黏土土壤的變形指數,k為超濕黏土土壤承壓模量。

為獲取超濕黏土地面土壤的力學特性參數,原位采集超濕黏土地面的土壤,并以土壤的圓錐指數為評價指標,確保實驗室重構土壤與原位土壤的力學性能一致。選取半徑分別為70、90 mm的圓形壓板代替車輪,測試并繪制壓板在超濕黏土地面土壤上的承壓位移曲線,獲取Bekker承壓模型的力學特性參數。采用改裝后的高精度電子萬能試驗機進行室內壓板試驗,測量壓強為75 kPa時的土壤沉陷和所受載荷,進行承載特性試驗(壓板試驗)時設加載速度為50 mm/min,在b=90 mm的壓板上施加垂直載荷1.9 kN,在b=70 mm的壓板上施加垂直載荷1.2 kN,計算可得超濕黏土地面土壤樣本的kc=315 kN/mn+1,kφ=9 500 kN/mn+2。

采用莫爾-庫倫強度理論計算超濕黏土樣本的最大抗剪強度

τmax=c+ptanφ,

(1)

式中:c為超濕黏土土壤的內聚力,φ為超濕黏土土壤的內摩擦角。

采用ZJ型應變控制式直剪儀測試土樣的剪切曲線,施加的垂直載荷分別為25、50、75、100 kPa,加壓靜止2 min。土壤樣本達到平衡狀態后,以2.4 mm/min的剪切速度進行直剪試驗,得到超濕黏土土壤樣本的剪應力-剪切位移關系曲線,如圖1所示。

圖1 超濕黏土土壤樣本剪應力-剪切位移關系曲線 圖2 不同垂直載荷下土壤的抗剪強度

由圖1可知:在同一垂直載荷作用下,剪應力隨剪切位移的增大而增大,當剪應力達到某一峰值后,隨剪切位移的增大,剪應力基本保持不變;垂直載荷越大,剪應力越大。取超濕黏土土壤剪應力-位移曲線上的峰值作為抗剪強度,得到不同垂直載荷下超濕黏土土壤的抗剪強度,如圖2所示。由圖2可知:可用直線擬合超濕黏土土壤的抗剪強度與垂直載荷間關系,即τmax=12.96+ptan 21.63°,由式(1)可得超濕黏土土壤的c=12.96 kPa,φ=21.63°。

2 履帶式農機底盤超濕黏土地面通過性仿真模型

以某型號履帶式農機底盤為研究對象,分析履帶式農機底盤在超濕黏土地面上的通過性,構建履帶式農機底盤超濕地面的多體動力學仿真模型,主要結構參數如表1所示。整車離地間隙為280 mm,驅動力矩為500 N·m。

表1 履帶式農機底盤主要結構參數 單位:mm

履帶式農機底盤在超濕黏土壤土地面上的通過性取決于底盤的接地壓力分布、地面承載能力、地面抗剪能力及輪胎與地面間的耦合關系等,影響因素較多且關系復雜,搭建仿真模型時需綜合考慮這些因素。輪胎與超濕黏土地面間的耦合關系包括土壤承載模型、土壤力學特性參數及土壤與輪胎間摩擦系數等。選取Bekker承壓模型及Janosi剪切模型作為土壤承載的標準模型,采用超濕黏土土壤力學特性試驗獲取的參數作為土壤力學特性參數,在軟件Recurdyn中定義土壤的kc=315 kN/mn+1,kφ=9 500 kN/mmn+2,n=2.1,c=12.96 kPa,φ=21.63°、土壤抗剪變形系數為74.3,沉陷比為0.05,實現履帶與地面間耦合參數的定義。結合表1及超濕黏土地面特性信息,構建履帶式農機底盤超濕黏土地面仿真分析模型,如圖3所示。

圖3 履帶式農機底盤超濕黏土地面通過性仿真模型

3 履帶式農機底盤超濕黏土地面通過性仿真分析

履帶式農機底盤在超濕黏土地面通過性的主要評價指標包括圓錐指數、平均最大接地壓力、負重輪沉陷和掛鉤牽引力等。采用圓錐指數評價通過性快速簡便但可靠性較低;采用平均最大接地壓力評價通過性,因未考慮土壤的力學特性及履帶與地面的復雜耦合關系,精確度較低;采用負重輪沉陷評價通過性,考慮履帶裝備的結構參數及履刺的影響,具有一定的準確度,但未考慮履帶張緊力及履帶環對地面的包絡效果,仍有一定局限性;采用掛鉤牽引力評價通過性,可借助動力學仿真技術,綜合考慮履帶裝備的結構參數、地面地貌、土壤力學特性參數及履帶與地面間的耦合關系,精確度較高。

以掛鉤牽引力為指標分析履帶式農機底盤在超濕黏土地面上的通過性。地面提供的掛鉤牽引力為:

FDP=FH,max-FR,

(2)

式中:FH,max為履帶農機底盤沿前進方向的最大牽引力,FR為所有行駛阻力之和。

由超濕黏土壤土的抗剪強度決定履帶式農機地盤在超濕黏土地面上行駛時產生的FH,max,根據庫侖方程,可得[3]:

=39 944-7 066(1-e5.652 8i)/i

(3)

式中:bt為履帶板的寬度,bt=0.400 m;L為履帶的接地長度,L=4.200 m;h為履帶板高度,h=0.074 m;m為履帶裝備質量,m=2 141 kg;k為超濕黏土壤土的剪切模量系數,k=0.743;i為滑轉率。

計算履帶農機底盤FR的公式為半經驗公式,可表示為:

(4)

經計算得FR=1 554.2 N。將式(3)(4)帶入式(2),可得FDP=38 389.8-7 066(1-e-5.6528i)/i。

FDP隨i的變化曲線見圖4。由圖4可知:在超濕黏土壤土地面上行駛時,履帶式農機底盤出現滑移滑轉現象,FDP隨i的增大而增大。i=0時,FDP=-1.442 kN,底盤無法通過該超濕黏土地面;i接近1.0時,FDP最大,FDP=31.348 kN,FDP為正,底盤可通過該超濕黏土地面。

圖4 FDP隨i的變化曲線

采用動力學仿真分析履帶式農機底盤在超濕黏土地面上的通過性,建立履帶式農機底盤的多體動力學仿真模型,由式(2)計算FDP的變化情況,可得履帶式農機裝備超濕黏土地面上的通過性。

履帶式農機底盤在超濕黏土地面上沿前進方向的最大牽引力

FVH,max=Tiv/r,

(5)

式中:r為主動輪半徑,r=122 mm;T為發動機的額定扭矩,T=500 N·m;iv為履帶式農機底盤最大傳動比,iv=6。

經計算得FVH,max=24 590 N。在超濕黏土地面上行駛時,履帶式農機底盤與地面間的最大牽引力由地面提供給底盤的最大牽引力及底盤自身所能提供的最大牽引力二者中較小的決定。

由式(3)(5)可知:履帶式農機底盤可提供的最大牽引力為24.590 kN,履帶與地面間的最大附著力為32.902 kN。

圖5 FR與行駛距離的關系曲線

4 FDP的仿真分析與實車驗證

4.1 FDP的仿真分析結果

圖6 底盤的FDP與行駛距離的關系

4.2 實車驗證

為驗證履帶式農機底盤超濕黏土地面通過性仿真分析結果的可靠性,采用實車驗證的方法分析履帶式農機底盤FDP的變化規律。

在履帶式農機底盤安裝絞盤及絞車,絞盤后的托繩保持水平方向,在絞盤和托繩中間放置拉力傳感器,固定絞車不動,履帶式農機底盤置一檔且加到最大油門,拉力傳感器的讀數即為底盤的最大驅動力,為22.896 kN。

采用絞車絞盤拖動履帶式農機裝備以5 km/h的速度在水平的超濕黏土地面上勻速行駛,在底盤前端的托繩上安裝拉力傳感器,測量履帶式農機底盤行駛阻力的變化,托繩保持水平方向。履帶式農機底盤FDP的試驗結果與仿真結果的對比曲線如圖6所示。

5 結束語

研究履帶式農機底盤在超濕黏土地面上的通過性,基于超濕黏土壤土的力學特性及履帶式農機底盤的結構參數,構建履帶式農機底盤超濕黏土地面通過性的仿真模型,以掛鉤牽引力為評價指標,采用仿真分析和實車驗證相結合,結果表明在超濕黏土地面上作業時,仿真分析的履帶式農機底盤的平均掛鉤牽引力為20.000 kN,實車驗證結果為17.923 kN,均遠大于0,履帶式農機底盤可順利通過黏濕土地面。研究結果可為履帶式農業裝備的設計研發和優化升級提供理論基礎和技術支撐。