便攜履帶式救援平臺的行駛動力學研究

劉存山， 何錦旺， 葉朗熙， 黃偉松

（東莞職業技術學院,廣東東莞523808）

0 引言

我國是世界上地震傷亡人數最多的國家之一，國內很多人都懷有恐震心理，甚至談震色變。在類似地震等自然災害發生后，最重要的是搜救工作，搜救越及時，獲救的希望就越大。據有關資料顯示，災害發生后20 min內獲救的存活率達98%以上，而發生1 h后獲救的存活率下降到63%[1-2]，由此可知，災后搜救設備在災后救援中的作用有多重要。在災害發生后，救援人員要想盡快發現被困人員，必須借助先進的儀器設備。市面上的搜救設備多數為被動型設備。在自然災害發生后的復雜環境中，這些設備具有一定的局限性，為此本項目研發了此便攜履帶式救援平臺。

1 系統架構設計

履帶式救援平臺系統架構如圖1所示，由手機控制端和履帶式救援平臺端兩部分組成，救援平臺端同樣具有4G無線通信功能。履帶式救援平臺端主要由動力傳動機構、傳感器、執行器和控制通信系統5部分組成。動力傳動機構負責救援平臺的電源、動力傳動與行走功能。控制系統由環境監測、視頻顯示、救援機構、通信傳輸等組成。環境感知是救援平臺根據當前地理的氣候和環境參數所獲，主要測量的參數有氣體成分（一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氧氣、甲烷）、溫度和濕度等[3]。

救援機構是本項目設計用于清障，做出一些能盡快解救被困者的動作（如切斷電源、打開水閥或破鎖、破門等命令）等功能的機構。通信系統實現救援平臺與手機監控端的實時可靠通信，將環境信息傳回到手機監控端。同時，也可將手機監控端上的控制指令發送到救援平臺。視頻顯示系統是手機APP和救援平臺的實現人機交互的主界面[4-5]。

履帶底盤平臺是移動救援平臺所有部件的載體和安裝平臺，由履帶、輪系、軸承以及傳動部件組成。電源使用能效較高的三元鋰離子動力電池，動力傳統系統采用電磁離合器控制驅動鏈輪電動機的形式，由控制系統控制救援平臺的進退和速度，相關參數的匹配由計算所得。

手機APP端的界面由3個窗口組成，主窗口用來顯示救援平臺行動軌跡的視頻；上面窗口顯示救援平臺所處環境的傳感器參數；下面窗口具有手動操作按鈕用來控制救援平臺執行相關動作。

2 救援平臺行駛動力學分析

履帶式救援平臺首要解決的問題是平臺的驅動和行駛控制功能，能達到在平直路面上以最大速度行駛,能在最大為60%坡度上行駛，同時滿足上述路況要求下的各種工況的轉速與轉矩要求[6-9]。本項目研究一種通過對2個電磁離合器分別控制，由履帶驅動鏈輪、無刷直流電動機和履帶機構組成模塊化的履帶單元。救援平臺的行駛動力學分析如下。

2.1 內部行駛阻力

履帶式救援平臺的行駛阻力由2部分組成：一部分是行駛機構各摩擦副相互摩擦產生的內部行駛阻力；另一部分是救援平臺行駛時在前方堆土形成的外部阻力。

履帶式救援平臺的內部行駛阻力換算成驅動輪上的摩擦總阻力矩M，又分為M1和M2兩組。第一組摩擦阻力矩M1由履帶驅動段中的附加張緊力所引起，它與驅動轉矩MK成正比。第二組摩擦阻力矩M2由履帶中的預加張緊力和車輛質量引起，等效外部阻力為M2/rK，記為Ff2。

圖1 履帶式救援平臺系統架構

履帶式救援平臺的外部阻力，運用功能轉換的方法計算，當履帶式救援平臺前進L距離時，履帶消耗的功為W，如圖2所示[10]。

式中：b為履帶寬度；p為履帶支承段單位面積上承受的壓力，是z的函數；z0為軌轍深度。

因此，履帶式救援平臺行駛時的外部阻力Ff1可表示為

采用貝克壓力沉陷公式，將參數代入上式并積分得:

因為堆土單位面積上所承受的壓力（即履帶接地比壓）為p=Gs/（2bL0），L0為履帶接地長度，所以有[11-12]：

式中：Kc為考慮到履帶板上凸起的影響系數；Kc=1.25～1.30；Gs為支重輪上作用的重力。

圖2 履帶式救援平臺推壓土地

2.2 滾動阻力計算

當履帶式救援平臺空載低速行駛時履帶驅動段內的附加張緊力極小。因此Ff實際上相當于空載低速行駛時的滾動阻力。根據經驗公式，滾動阻力Ff近似與機重成正比。因此Ff常常用滾動阻力系數與機重的乘積來表示[13]：

式中：f為滾動阻力系數；Gs為機械使用質量。

滾動阻力Ff是車輛前進必須克服的等效外部阻力，只有等效牽引力大于滾動阻力時，車輛才能向前行駛。因此，FK≥Ff是車輛運動的必要條件。而FK中扣除Ff后剩余部分代表車輛水平等速行駛時，履帶式救援平臺（牽引元件）所輸出的總推力，通常稱為有效牽引力FKP。這樣，履帶式救援平臺作水平等速運動時有效牽引力可由下式表示：

履帶驅動區段在驅動輪驅動力矩Mt的作用下產生張力F。由于摩擦損耗，驅動輪通過履帶驅動段作用于履帶支承區段的拉力為F′=Fημk，ημk為履帶的驅動效率[14]。因此，履帶式救援平臺與地面相互作用產生的驅動力為

履帶的驅動效率一般為0.93～0.96，可用下式進行計算：

2.3 牽引力計算

履帶式救援平臺的運動是由履帶與地面的相互作用產生的，其驅動力Fi與地面附著性質相關，最大值受地面附著力影響。履帶式救援平臺的牽引力用Fkp表示，是驅動力克服滾動阻力后的推力。將車輛作為一個整體來考察，作用在履帶式救援平臺上的各種阻力應與牽引力相平衡，亦即

式中：ΣF為各種阻力的總和；FK為切線牽引力。

其實質是驅動輪在驅動轉矩作用下帶動履帶轉動，地面阻止其運動產生了土體對履帶的反作用力。行駛在堅實路面上時，牽引力主要由履帶和路面的摩擦產生。行駛在松軟地面上時，牽引力主要是履帶作用下土體剪切變形所產生的土的推力。

式中：A為履帶接地面積，A=2bL。

3 動力傳動機構的功率匹配

直流電動機是驅動履帶式救援平臺兩側主動輪的動力部件，它的直線和轉向行駛全部要依賴電動機及其控制器，所以合理匹配系統參數非常重要。

電動機的額定功率Pe，額定轉矩Te、最大轉矩Temax都必須大于救援平臺所需的功率P，轉矩T，最大轉矩

式中，vmax為救援平臺最大行駛速度，

式中：r為主動輪半徑，m，取0.06 m；i為傳動比，取1；nmax為救援平臺的最大行駛速度對應的電動機轉速，r/min；ηch為電動機效率。

電動機額定轉矩Tt、最大轉矩Tmax分別由下式計算：

式中：Pt為電動機額定功率，kW；nt為電動機額定轉速，r/min。

4 結論

本文針對在災后復雜的救援環境中，多數被動型搜救設備的局限性，研究了一種便攜履帶式救援平臺。通過對該平臺行駛動力學的分析計算以及動力系統參數的匹配優化，使其能滿足救援任務的需求；該設備不但靈巧便攜，而且行動敏捷，還擁有一定的智能，能做相對復雜的營救動作。本項目的研究可為今后的進一步研究打下基礎和積累經驗，同時也為人們在機電創新設計方面提供一定的思路。