履帶式沙障埋設車坡面通過性仿真與分析

摘要：

我國沙漠化嚴重，急需埋設沙障進行防風固沙，沙漠地形較為復雜，沙障埋設機械的底盤性能決定能否完成沙障埋設任務，是沙漠化治理進程中需要解決的基礎問題。以沙漠坡面作為主要應用場景，設計一種新型履帶式沙障埋設車，對沙障埋設車在斜坡上縱向和橫向行駛的通過性進行理論分析。根據實際需求，使用Recurdyn仿真軟件對設計的履帶式沙障埋設車在不同坡面的行駛過程進行仿真分析，以坡面角度作為指標，對車輛通過性進行分析評價。結果表明，履帶式沙障埋設車在25°斜坡縱向上坡和下坡均可以順利通過，經過履帶調速后可以在15°斜坡和新月形沙丘上橫向行駛。該履帶式沙障埋設車具有較好的通過性，可應對沙漠復雜環境下的沙障埋設工作。

關鍵詞：履帶式；沙障埋設車；通過性；穩定性；坡面；Recurdyn多體動力學

中圖分類號： S220.32

文獻標識碼： A

文章編號：2095-5553 （2025） 03-0168-07

收稿日期：2023年7月10日" 修回日期： 2023年10月26日*

基金項目： 國家自然科學基金（52265039）

第一作者： 王澤暉，男，1999年生，新疆哈密人，碩士研究生；研究方向為沙障埋設機械裝備。E-mail： 1328260704@qq.com

通訊作者： 鄭威強，男，1979年生，新疆庫爾勒人，博士，副教授；研究方向為現代制造裝備技術、智能農業機械。E-mail： xjzwq@xju.edu.cn

Simulation and analysis of slope passability of tracked sand barrier burying vehicle

Wang Zehui， Zhang Liping， Zheng Weiqiang， Wei Yuehong， Jiang Ze

（College of Mechanical Engineering， Xinjiang University， Urumqi， 830017， China）

Abstract：

China’s serious desertification leads to the urgent need to bury sand barriers to prevent wind and sand consolidation. Under more complex desert terrain， the chassis performance of sand barrier buried machinery which determines the completion of the sand barrier burying task， is the basic problem that needs to be solved in the process of desertification control. Taking the desert slope as the main application scenario， a new type of tracked sand barrier burying vehicle was designed， and the theoretical analysis of the passability of the sand barrier burying vehicle driving longitudinally and laterally on the slope was carried out. According to the actual demand， the designed crawler sand barrier burying vehicle was simulated and analyzed for the driving process on different slopes by using Recurdyn simulation software， and the slope angle was used as an indicator to analyze and evaluate the vehicle passability. The results showed that the tracked sand barrier burying vehicle could pass smoothly on 25° slope longitudinal uphill and downhill， and could drive laterally on 15° slope and crescent-shaped sand dune after the track speed adjustment. It has proved that the tracked sand barrier burying vehicle with good passability can cope with the sand barrier burying work in the complex environment of desert.

Keywords：

tracked; sand barrier burial vehicle; passability; stability; slope； Recurdyn multibody dynamics

0 引言

土地荒漠化是我國長期面臨的環境問題，尤其是我國西北地區，長期受到風沙天氣危害，水土流失嚴重，生態環境建設和可持續發展受到破壞。機械沙障可以有效地阻礙風沙流，提高地表粗糙度，降低近地面風速，減少地表沙粒與風的接觸和氣流的攜沙量［1］，被廣泛地用于我國沙漠化治理中。機械沙障材料通常就地取材，常見的材料有秸稈、麥草、蘆葦稈、樹枝等［2］。

傳統的機械沙障埋設方式為人工埋設，通過鐵鍬挖溝，將機械沙障填入溝中再進行埋設，但由于野外工作環境差，人工埋設效率低、質量差、成本高，無法解決我國沙漠化面積大、流動沙域多、環境惡劣的問題。因此，亟須設計研發一種具有良好通過性、能在惡劣環境下完成沙障埋設作業并且自動化程度更高的沙障鋪設車。

2002年，在國家高新技術研究發展“863”計劃中，確定了工程治沙機械的研發計劃項目—防風固沙草沙障鋪設機器人研究，標志著我國工程治沙機械的研究工作已進入了一個新的發展階段［3］。在已有的研究基礎上孫術發等［4］利用ADAMS軟件對防風固沙草沙障鋪設機器人橫向割斷機構進行動力學仿真，繪制出關鍵部位的速度、位移等參數曲線。唐偉國等［5］設計了多桿橫向插刀機構，對Stephenson-Ⅲ型六桿機構進行運動學分析。隋婷婷等［6］提出一種多桿步進式并聯橫向插草機構，求解運動學模型得到插刀機構標記點插草過程中連續變化的曲線，利用fsolve函數進行插刀標記點的軌跡規劃。防風固沙草沙障鋪設機器人采用輪式底盤，裝備質量大，面對復雜多變松軟的沙漠地形，沒有良好的通過性，使其推廣應用受到阻礙［7］。徐先英等［8］設計的手扶式獨輪麥草沙障鋪設裝置，先將散裝的干麥草鋪設在沙土表面，再使沙障鋪設裝備從麥草上壓過，將麥草壓入到沙土中，隨后完成覆土，最終完成沙障鋪設工作。這種麥草沙障鋪設裝置具有操作簡單、價格低廉的特點，但該埋設裝備需人力推動，使用場景受限、工作效率較低、自動化程度不高，使其無法大面積推廣使用。

為提高沙障埋設機械在沙漠環境的通過性，使其以平穩的狀態在沙漠坡面上行駛，本文設計一種履帶式沙障埋設車，并對其在沙地坡面的通過性進行仿真與試驗分析。

1 整體結構

1.1 設計要求

沙障埋設車需要在沙漠環境下行走并完成沙障埋設作業，通常沙障埋設在平緩沙面、迎風坡沙面以及新月形沙丘迎風坡沙面，需要車輛在斜坡和新月形沙丘路面有良好通過性。

輪式底盤有速度優勢，但輪胎接地面積小，地面附著力遠小于履帶底盤，在沙漠環境沒有良好通過性［9］。綜合比較，履帶車輛具有坡面通過性能好的顯著優點，故沙障埋設車采用履帶式底盤結構。

1.2 總體結構

沙障埋設車由履帶動力底盤、沙障運送系統、沙障埋設系統，遠程控制系統等部分組成，整車簡圖如圖1所示。履帶動力底盤主要由驅動輪、支撐輪、履帶、張緊裝置、導向輪、電機、電池和車架等部分組成，是沙障埋設車的行走機構，能確保沙障埋設車在復雜地形下有良好的通過性；沙障運輸系統的功能是轉動草簾卷，將其從料箱運送至地面，并使其平鋪在沙土表面；沙障埋設系統的功能是通過液壓桿調整壓草刀高度，壓草刀從草簾中間壓過，將其壓入沙土中，再由后方覆土板完成覆土，最終形成沙障；遠程控制系統的功能是接受和發出信號，控制電機的啟閉，實現沙障埋設車的遠程控制作業。沙障埋設車主要技術參數如表1所示。

2 履帶底盤坡面通過性理論分析

2.1 斜坡縱向通過性分析

履帶式沙障埋設車在沙漠坡面上行駛時，通過性能是由其坡面牽引性能和坡面傾翻穩定性能決定的。沙障埋設車無法通過坡面時，其主要原因是車輪牽引能力不足或者車體失穩發生傾翻。一般選取車輛所能通過最大坡面的坡度角作為其通過性能評價指標。斜坡縱向行駛時用縱向極限傾翻角表示，斜坡橫向行駛時用橫向極限傾翻角表示［10］。

當沙障埋設車在大坡度縱向坡面行駛，由于重力作用，車輛會傾翻。沙障埋設車在上、下坡時的縱向極限傾翻角為α1和α2。

參考GB 25849—2010《移動式升降工作平臺設計計算、安全要求和測試方法》對沙障埋設車斜坡縱向行駛過程進行理論分析，先對車輛結構進行簡化，由于整機在作業時行駛速度較低，故忽略不計爬坡時受到的空氣阻力和空氣升力，同時不考慮履帶彈性變形量。如圖2所示，A和B為左右兩支撐輪與地面的接觸點，O為質心。考慮最不利的穩定條件工況，風載荷F在上坡時水平向左。沙障埋設車勻速上坡時，整車受力平衡。A點為沙障埋設車傾翻點。此時車輛最大傾覆力矩和穩定力矩為

M傾=N1c+Fhcosα1+Ghsinα1

（1）

M穩=aGcosα1

（2）

式中： F1——沙障埋設車驅動力，N；

G——沙障埋設車重力，N；

α1——上坡角度，（°）；

a——質心到左端支撐輪之間的距離，m；

h——質心到斜坡坡面間的距離，m；

N1——

坡面對沙障埋設車垂直反作用力，N；

c——垂直反力到驅動輪之間距離，m；

F——風載荷，N。

防傾覆安全系數K=M穩/M≥1才能確保車輛穩定，即M穩≥M傾且處于臨界值時，c=0，即Gacosα1-Fhcosα1+Ghsinα1=0，可得出沙障埋設車不發生翻車的上坡縱向極限傾翻角

α1=arctanah-FG

（3）

同理，如圖3所示，分析沙障埋設車下坡行駛，考慮最不利的穩定條件工況，風載荷F在下坡時水平向右，B點為沙障埋設車傾翻點，此時車輛最大傾覆力矩和穩定力矩為

M傾=N2C+Ghsinα2+Fhcosα2

（4）

M穩=Gbcosα2

（5）

式中： F2——沙障埋設車驅動力，N；

α2——下坡角度，（°）；

b——

質心到右端支撐輪之間的距離，m；

N2——

坡面對沙障埋設車垂直反作用力，N。

同理，當c=0，即Gbcosα2-Fhcosα2+Ghsinα2=0時，沙障埋設車不會發生翻車，最大下坡縱向極限傾翻角

α2=arctanbh-FG

（6）

根據以上受力分析可知，質心位置和風載荷會影響沙障埋設車上坡和下坡的通過性，當沙障埋設車上坡時，a越大，質心越靠近右端支撐輪，α1越大，上坡通過性越好。當沙障埋設車下坡時，b越大，質心越靠近左端支撐輪，α2越大，下坡通過性越好。當質心高度和風載荷越低時，上坡和下坡通過性都會提高［11］。

2.2 斜坡橫向通過性分析

履帶車輛在橫向坡道行駛，當坡道傾斜角大于傾翻角臨界值時，車輛會發生傾翻或橫向滑移，沙障埋設車在斜坡上行駛的最大坡度角稱為橫向極限傾翻角θmax。

對沙障埋設車斜坡橫向行駛過程進行理論分析，假設條件與車輛縱向行駛相同。如圖4所示。C和D為左右履帶與斜坡坡面的接觸點，F3和F4為斜面給車的橫向反作用力，考慮最不利的穩定條件工況，風載荷F水平向左。沙障埋設車在斜坡上橫向勻速直線行駛，整車受力平衡。D點為沙障埋設車傾翻點。此時車輛最大傾覆力矩和穩定力矩為

M傾=N3B′+Ghsinθ+Fhcosθ

（7）

M穩=G（0.5B′-e）cosθ

（8）

式中： N3——斜面給車的垂直反作用力，N；

B′——軌距，即左右履帶間距離，m；

θ——斜坡角度，（°）；

e——質心偏移距離，m。

防傾覆安全系數K=M穩/M≥1才能確保車輛穩定，即M穩≥M傾且處于臨界值時N3=0，即G（0.5B′-e）cosθ-Ghsinθ-Fhcosθ=0，可得出橫向行駛的最大橫向傾翻角

θmax=arctan0.5B′-eh-FG

（9）

根據以上受力分析可知，質心位置和風載荷會影響沙障埋設車斜坡橫向行駛的通過性，履帶軌距越大、質心偏移越小、質心高度越低，風載荷越小，則斜坡橫向行駛通過性越好［12］。

3 履帶底盤通過性仿真分析

在沙障埋設車通過性理論分析的基礎上，通過Recurdyn軟件進行通過性仿真分析。RecurDyn是基于遞歸算法開發出的新一代多體系統動力學仿真軟件。先在Recurdyn中建立整機仿真模型如圖5所示，然后根據沙漠地區土壤參數完成地面模型建立，干沙地面參數如表2所示。

3.1 斜坡縱向通過性分析

建立3種不同的坡度（15°、20°、25°）的斜坡地形，對履帶式沙障埋設車斜坡縱向通過性進行仿真，分析質心速度、高度，俯仰角的變化曲線。行駛過程如圖6所示。沿著行駛方向為x軸正方向，豎直向上方向為y軸正方向，右側垂直于行駛方向為z軸正方向。

由圖7可知，在3種坡度下質心x方向速度有相同變化趨勢。以15°斜坡行駛仿真結果為例，0～2s為沙障埋設車加速時間段，2s后速度升至4km/h（約1111mm/s）；4～6s為車輛爬上斜坡時間段，車速明顯降低；6～9s為車輛在斜坡上勻速爬坡時間段；9s時車輛由于慣性沖出斜坡，車輛勢能轉化為動能，車速有明顯提升，隨后由于車體下落慣性，車速減低，然后逐漸恢復車速［13］。根據三條線可明顯得知，4～11s內25°斜坡車速變化最大，15°斜坡車速變化最小。

由圖8可知，在3種坡度下有相同的質心y方向高度變化趨勢。以15°斜坡行駛仿真結果為例，0～4s為平地行駛階段，y方向質心高度為0；4～9s線條斜率基本保持不變，此階段為勻速爬坡階段；9～10s由于慣性沙障埋設車沖出斜坡，y方向位移產生變化，10～14s是平地行駛階段，車速逐漸恢復平穩［14］。

由圖9可知，在3種坡度下有相同的俯仰角度變化趨勢。以15°斜坡行駛仿真結果為例，0～2s加速段，俯仰角略有變化；2～4s為車輛水平勻速直線運動階段，俯仰角基本不變；4s時沙障埋設車開始駛上斜坡，俯仰角逐漸增大；6s時底盤全部駛入斜坡，導致俯仰角突然增大；6～9s是勻速爬坡階段，俯仰角度基本不變，略高于斜坡角度；10s時沙障埋設車由于慣性沖出斜坡，隨后落入平面，俯仰角明顯降低，隨后平地面俯仰角恢復為0°。

根據不同坡度的上坡仿真結果，綜合分析可知，在x、y、z三個方向車輛都有很好的穩定性，車輛可以平穩地通過3種角度的坡面。其中25°斜坡車速下降最明顯、質心高度升高最大、俯仰角度最大。坡面角度越大，坡底處和坡頂處速度、位移、俯仰角變化越明顯。

同理，分析不同坡度下坡時沙障埋設車的通過性如圖10～圖12所示，3種坡度下車輛有相同的運動趨勢，且沙障埋設車均能平穩通過。坡度越大車速變化越大，下坡階段由于慣性作用俯仰角略大于斜坡角度［15］。坡面角度越大坡底頂和坡底處速度、位移、俯仰角變化越明顯。

3.2 斜坡橫向通過性分析

在斜坡橫向行駛時，由于坡面作用反力，使得沙障埋設車重心偏移，小坡度會使車輛滑落至坡底，大坡度可能會使車輛側翻。履帶底盤可以通過調整兩邊履帶差速旋轉，使其在斜坡橫向行駛時盡量保持直線行駛。建立15°坡度的斜坡地形，對履帶式沙障埋設車斜坡橫向通過性進行仿真，分析質心速度、高度、位移的變化曲線。行駛過程如圖13所示。

如圖14所示，調整履帶速度前和調速后，質心在x方向上速度有很大差異。調速前兩履帶速度0～2s內由0提升至1111mm/s，隨后車輛在橫坡上慢慢滑落，在10s后車輛滑出橫坡，在仿真環境中做自由翻轉落體運動，使得速度急增急降。調整履帶轉速后，履帶一側速度為1111mm/s，另一側速度為1227mm/s，由仿真結果可看出，調速后x方向速度基本保持不變，x方向車輛行駛平穩。

由圖15所示，0s時位移下降是由于沙障埋設車仿真初始時離坡面有一定距離，且車輛落在坡面會陷入沙面一小部分。調速前車輛從橫坡滑落，10s時滑出橫坡，y方向位移下降明顯隨后在仿真環境中做自由翻轉落體運動。調速后車輛在y方向位移基本保持不變，y方向車輛行駛平穩［16］。

由圖16可知，調速前沙障埋設車質心z方向位移迅速增大，此時車輛正在從橫坡上滑落，10s時滑出橫坡。調速后車輛在z方向位移基本保持不變，車輛在z方向行駛平穩。

根據沙障埋設車在15°橫坡上的行駛仿真結果，綜合分析可知，調速前車輛由于重心偏移會從橫坡上滑落，無法在橫坡上行駛［17］。調速后車輛在三維方向上形式運動都有良好的平穩性，可以在15°橫坡上行駛工作。

3.3 新月形沙丘通過性分析

考慮到沙障埋設車主要在沙漠中工作，根據沙漠環境特有的新月形沙丘，在軟件中建立仿真地面模型，分析車輛在沙丘地形下的通過性。

新月形沙丘是風積地貌的一種，是平面如新月的沙丘。其縱剖面的兩坡不對稱，迎風坡凸面平緩，坡度在5°～20°；背風坡凹而陡，一般為28°～34°。如圖17所示，建立地面仿真模型，沙丘長度為20m，迎風坡角度為15°，背風坡角度為30°。同斜坡橫向行駛一樣，需要對履帶調速，調整履帶轉速后，履帶一側速度為1111mm/s，另一側速度為1227mm/s。

由圖18可知，0s時車輛速度為0，且處于斜坡，車輛會向-x方向移動，速度負增加。隨后速度逐漸增加，達到預設速度后，基本保持勻速行駛，11s時車輛行駛至小坡路段，速度小幅增大。

由圖19可知，0s時沙障埋設車仿真初始時離坡面有一定距離，且車輛落在坡面會陷入沙面一小部分，位移下降。0～6s在弧形上坡路面行駛，位移逐漸增加。6～12s在弧形下坡路面行駛，位移逐漸減小。整體的位移曲線為弧形，基本與路面弧線相吻合。

由圖20可知，行駛過程中質心z方向位移最大值為335mm，相比于整個x方向行駛距離，z方向行駛偏移較少，基本認為車輛是做直線行駛，滿足埋設沙障的工作要求。

由圖21可知，0s時，車輛處于弧形路面上坡路段，俯仰角度增大，隨著路面弧度的減小，俯仰角度逐漸減小。6s時到達弧頂路面，俯仰角約為0，6～12s車輛處于弧形下坡路面，路面弧度增大，俯仰角度增大。

根據沙障埋設車在新月形沙丘路面行駛的仿真結果，綜合分析可知，對履帶調速后，車輛可以平穩通過新月形沙丘路面，加速完成后車速基本保持勻速，基本保持直線行駛，滿足沙障埋設作業要求。

4 樣機試驗

4.1 試驗設備

對履帶式沙障埋設車在沙漠坡面的通過性能進行試驗，驗證其結構設計和技術參數的合理性，分析車輛在通過性方面存在的問題和不足。2023年8月于新疆哈密市風沙地區進行通過性試驗，所用的試驗儀器設備主要包括樣機、傾角儀、GPS速度表、皮尺、照相機、秒表等。參照GB/T 3871中相關規定，對車輛在坡面性能進行試驗，如圖22所示。觀察樣機坡面的行駛情況，記錄數據。

4.2 試驗結果與分析

在斜坡縱向行駛試驗中，樣機可以順利通過15°、20°、25°的斜坡。上坡試驗樣機行駛速度隨著坡度增加逐漸降低。3種坡面上坡行駛平均俯仰角分別為16°、22.4°、28.5°，與仿真結果相對誤差分別為5.2%、6.25%、6.6%。在下坡試驗中樣機在15°和20°坡面速度增加不明顯，在25°坡面速度增加較明顯。3種坡面下坡行駛平均俯仰角分別為-16.5°、-22.9°、-29.5°，與仿真結果相對誤差分別為5.1%、5.5%、7%。在15°斜坡橫向行駛過程中，速度平穩且俯仰角無明顯變化，z方向行駛偏移量為54mm，與仿真結果相對誤差為9.2%。在新月形沙丘坡面行駛時，速度變化不明顯。俯仰角和z方向位移變化先增后減，符合坡面曲率變化，z方向行駛最大位移為286mm，與仿真結果相對誤差為14.6%。

試驗測試表明，所設計制造的樣機有較好的坡面通過性能，滿足沙障埋設機械在沙漠環境行走作業的基本要求，誤差產生的原因：由于仿真結果是在理想環境下得出的，而實際的沙漠環境變化復雜且有風載作用。

5 結論

針對現有沙障埋設車輛通過性差的問題，設計一種新的履帶式沙障埋設車。根據沙障的鋪設環境和鋪設要求，對車輛在坡面通過性進行理論分析。在Recurdyn多體動力學軟件中完成沙障埋設車整車建模，在虛擬環境下對車輛在干沙路面下坡面和新月形沙丘行駛過程進行仿真分析。

1） 斜坡縱向行駛時，以斜坡角度作為主要指標，對車輛上坡和下坡過程進行仿真。仿真與試驗結果表明，x、y、z方向上，車輛都能保持穩定行駛。車輛上坡下坡均可以通過25°坡面，具有較好的穩定性和通過性。

2） 斜坡橫向行駛時，坡度為15°，對沙障埋設車左右履帶進行調速。仿真與試驗結果表明，車輛調速前無法在斜坡上橫向行駛。調速后，x、y、z方向上，車輛都能保持穩定行駛，車輛z方向行駛偏移很小，可以滿足沙障埋設的行駛要求。

3） 新月形沙丘行駛時，沙丘長度為20m，迎風坡角度為15°，背風坡角度為30°。仿真與試驗結果表明，沙丘坡面變化會引起質心x方向速度變化和y方向高度變化，車輛z方向行駛偏移很小，可以滿足沙障埋設的行駛要求。

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