山地果園運輸車越障性分析

張小珍,沈嶸楓,王健嶺

山地果園運輸車越障性分析

張小珍1,沈嶸楓2,王健嶺1

1. 廈門大學嘉庚學院,福建 漳州 363105 2. 福建農林大學交通與土木工程學院, 福建 福州 350002

針對丘陵山地農、林產業生產運輸困難的情況，本文設計一種無人駕駛的星形輪結構的山地果園運輸車。有利于提升運輸車越障性能。借助Solid Works軟件建立丘陵山地果園運輸車三維模型，根據星形輪結構特點，建立運輸車兩種越障受力模型：滾動越障和翻轉越障模型，分析運動機理及越障能力；應用ADAMS軟件對運輸車進行運動學仿真分析，基于不同行駛速度、阻尼及越障方式的情況下，研究運輸車質心速度、加速度的變化情況，有利于改善運輸車行駛平順性，實現丘陵山地行駛運輸，同時為丘陵山地作業平臺設計研究提供一定理論基礎。

果園運輸車; 越障性; 仿真分析

丘陵山區地帶由于地形起伏較大，很難形成完善的運輸網絡，影響生產作業，嚴重制約著丘陵山區農、林產業的競爭力[1,2]。因此，急需實現山地機械化運輸作業。目前，山地運輸作業裝備主要以普通輪式及履帶式拖拉機為主，適合丘陵山地運輸作業車輛并不多[3]。普通輪式車輛路面適應能力較差，而履帶式車輛與輪式車輛相比具有良好爬坡、越障能力，通過性強，但對周圍植被破壞程度較大，尤其在車輛轉彎時會產生較大橫向摩擦力，破壞周圍植被及土壤結構，不利于丘陵山地運輸作業[4]。針對山地行駛作業車輛方面研究，北京航空航天大學團隊提出一種具有平衡搖臂懸架四輪底盤，通過改變輪距，調節底盤重心位置，提高不平整路面行駛穩定性[5-7]。中國農業大學王亞等設計一種高地面仿形性動力底盤，通過前、后兩組擺架結構分別橫向、縱向鉸接在車架上，實現底盤良好路面仿形性[8]。另外，劉平義等人又對仿形動力底盤擺架結構進行改進，實現擺臂夾角可調設計，不僅實現崎嶇路面多自由度仿形行走，且通過擺架擺臂夾角調節實現車體調平控制，解決丘陵山地動力底盤行走、作業兩大難題[9-11]。Hakan Lideskog等設計開發了一種輪腿式山地運輸平臺，在車架兩側鉸接輪腿結構，其上方安裝液壓缸，通過液壓缸伸長和縮短，實現輪腿起升和下降[12]。Inho Kim為了提升移動平臺機動性，設計一種可變擺架長度及車輪尺寸輪腿機構，并建立該輪腿機構越障仿真模型，表明該移動平臺具有更好行駛機動性[13]。我國南方丘陵山地地形條件復雜，常出現陡坡、陡凸障礙，因此，運輸平臺不僅需要具有良好的路面適應性，更需要具有較強的越障能力，以保證行駛過程中遇到陡凸障礙，甚至垂直障礙能夠順利穿越。基于此，本文設計一種丘陵山地果園運輸車，該運輸車前輪為星形輪設計，有利于提升運輸車越障性能，應用Solid works軟件建立運輸車三維模型，并通過ADAMS運動仿真分析其越障性能。

1 丘陵山地果園運輸車建模

丘陵山區地形陡峭，障礙物多，給執行運輸作業的車輛完成作業任務帶來不便。設計一種適用于丘陵山地行駛作業的運輸車，該運輸車前輪采用星形輪結構設計，有利于提升運輸車越障性能，甚至具有臺階攀爬能力，提高對不平整地形的適應性。應用Solid works軟件建立運輸車三維模型，如圖1所示。在山地果園運輸車越過障礙物的過程中，車輪與地面之間存在接觸，如表1所示。通過分析不同的運行速度，阻尼系數和障礙物超越模式，研究了運輸山地果園運輸車的振動。

圖 1 丘陵山地果園運輸車結構三維圖

表 1 接觸力參數設定

2 垂直障礙越障性分析

丘陵山區運輸車工作在凹凸不平的路面上，運行環境惡劣，其越障能力影響著整車穩定性和平順性[13,14]。為了驗證山地果園運輸車能在最極端工作環境運行，對運輸車穿越垂直障礙模型進行分析[15]。運輸車前輪為星形輪結構，越障過程中各車輪可能以輪式滾動進行越障，也可能以翻轉形式越過障礙物。基于越障方式的不同，各車輪受力情況也有所不同，分別進行受力分析。

2.1 滾動模式越障

滾動模式越障受力分析，如圖2所示。此時前輪1剛好脫離地面臨界受力狀態，直接受到臺階面的作用，其中，1、2、3為車輪1、車輪2及車輪3的驅動力；1、2、3為車輪1、車輪2及車輪3的支持力；1、2、3為車輪1、車輪2及車輪3的摩擦力；為運輸車自身重力；為垂直障礙高度；為車輪半徑。

圖 2 前輪滾動模式跨上垂直臺階時受力圖

受力平衡關系方程：

1cos1sin1cos2233=0;1sin+1cos-1sin+2+3-=0 (1)

驅動力求解方程：

1=1;2=2;3=3(2)

式中：為路面的附著系數。

摩擦力求解方程：

1=1;2=2;3=3(3)

式中：為路面的摩擦系數。

由（1）~（3)式可知：

由式（4）可知，地面的支持力與路面情況和越障角度積極相關，越障角度在一定范圍變化時，車輪2、車輪3的支持力相應發生變化，但車輪2和車輪3的支持力之和不會大于運輸車自身重力，即2+3≤，又因路面的摩擦系數和附著系數是可以確定，從而可以得到越障角度。

由受力圖可知：

=-cos=0.758(5)

根據式（5）可知，已知越障角度和車輪半徑，即可確定出山地果園運輸車滾動模式的越障高度。由式（5）可知，當前輪做滾動模式越障時，越障高度跟地面的附著系數、摩擦系數、越障角度、車輪半徑有關，越障角度越大，越障高度越大。為了增大越障高度，可以適當的增大輪子的半徑或者增大摩擦系數或附著系數。

2.2 翻轉模式越障

當前輪進行翻轉模式越障時，受力分析如圖3所示。車輪1不滾動，整個的星形架會繞著車輪1中心進行翻轉，從而越過障礙物。此時車輪2剛好離開地面，作用力為0處于臨界狀態，其中，F、F、F為輪1、車輪2及車輪3的驅動力；N、N、N為輪1、車輪2及車輪3的支持力；f、f、f為輪1、車輪2及車輪3的摩擦力；為星形架臂長；為星形架兩輪心距離；為星形架轉矩。

圖 3 前輪翻轉模式跨上垂直臺階時受力圖

受力平衡方程：

-N+F-f+F-f=0;F+N+N-=0 (6)

由圖3可知，翻轉模式越障時，星形架在滾動，最高越障高度為：

前輪由星形架構成，能翻轉過障礙物，即碰到比車輪還要高障礙物時，星形架繞中心旋轉，能很輕松跨上大于車輪高度臺階。為了進一步地驗證理論計算得到越障高度和研究運輸車的越障性能，借助ADAMS軟件對丘陵山地果園運輸車進行運動仿真分析。主要分析運輸車滾動模式和翻動模式越過障礙物的研究，不同速度和不同阻尼時對運輸車翻轉越障模式的研究，在ADAMS軟件中建立越障模型如圖4所示。模擬了運輸車越過大于車輪高度的障礙的行走圖。

3 越障仿真分析

3.1 不同速度運行研究

借助于ADAMS軟件對運輸車以不同驅動輪速度進行運行時，研究山地果園運輸車質心沿著路面變化情況，如圖5所示。由圖可知，分別以30 mm/s和40 mm/s的驅動輪速度運行得到曲線，其中，實線表示驅動輪速度為30 mm/s時的運行曲線，而虛線是驅動輪速度為40 mm/s的運行曲線。根據這兩條曲線可以知道，運行相同距離時，速度越大，行走時間越短；驅動輪速度越大，運輸車質心處的運行速度越大。曲線中出現速度為負的，主要是因為山地果園運輸車爬臺階時前輪的星形架旋轉會使速度方向發生變化，同時垂直臺階的高度越大容易出現前輪打滑，所以速度為負時是運輸車爬臺階過程產生的，可知，運輸車以40 mm/s行駛時在28 s~30 s期間成功爬越大臺階，以30 mm/s行駛時在34 s~36 s期間成功爬越大臺階。其中以30 mm/s行駛運輸車在53 s時出現速度較大值，可能原因是山地果園運輸車下坡時，慣性作用加大了運行速度。總體上看，運輸車以不同速度運行時，均能順利穿越兩種不同高度障礙。

圖 5 不同速度對山地果園運輸車質心速度影響

圖 6 不同速度對山地果園運輸車質心加速度影響

當運輸車以不同速度運行時，會直接影響運輸車運行的穩定性和平順性，通過對比不同速度，研究質心處的加速度變化情況，如圖6所示。由圖可知，兩種速度下均順利的越過障礙物，但是速度越大對運輸車質心處加速度影響越大，即運輸車振動越大，特別是上、下臺階時整機的振動較大。如果速度持續加大，穿越障礙物時容易發生整機傾覆現象。因此，運輸車在滿足一定運行效率情況下，應盡可能以較小的速度運行，以便保證行駛運輸的安全性。

3.2 不同阻尼系數運行研究

根據不同阻尼對山地果園運輸車影響研究，借助ADAMS軟件仿真分析，得到如圖7、8不同阻尼下山地果園運輸車質心處的速度和加速度的影響。從圖中可知，較小阻尼對運輸車行駛速度和加速度整體影響較小，跨上和跨下臺階時受到越障影響波動較大。所以山地果園運輸車質心處的速度和加速度響應跟設置的阻尼積極相關，不同的阻尼值，相同路面上運行得到的速度和加速度的曲線不相同，所以我們可以改變阻尼系數來改善山地果園運輸車的運行振動環境，提高運行的平順性。

圖 7 不同阻尼下山地果園運輸車質心速度影響

圖 8 不同阻尼下山地果園運輸車質心加速度影響

3.3 不同越障方式研究

根據滾動和翻轉模式越障分析，借助ADAMS軟件得到不同越障方式下運輸車質心速度和加速度變化曲線，如圖9、10所示。由圖可知，相同的運行路段，翻轉模式越障速度快于滾動模式，同時翻轉模式越障能力高于滾動模式，但由圖10可知，滾動越障運輸車具有良好的平順性，翻動越障由于前輪星形架的旋轉加大了運輸車的振動，“滾動越障”和“翻轉越障”主要取決于障礙物高度與車輪尺寸。障礙物高度小于車輪半徑，滾動越障；障礙物高度大于車輪半徑星形結構會發生翻轉，出現“翻轉越障”。

圖 9 不同越障方式下山地果園運輸車質心速度影響

圖 10 不同越障方式下山地果園運輸車質心加速度影響

4 結 論

丘陵山區地形條件復雜，要求運輸車輛具有良好的越障性能。本文設計了一種具有星形結構的丘陵山地果園運輸車，該運輸車能夠穿越丘陵山地中常出現的陡凸障礙甚至是垂直障礙。通過SolidWorks軟件建立丘陵山地果園運輸車三維模型，對模型的兩種越障方式（滾動越障、翻轉越障）進行理論分析，借助ADAMS進行運動學仿真，分析運輸車的越障性能，通過對比不同的參數，即速度、阻尼和越障方式，改善運輸車的越障性能。為山區運輸機械理論研究奠定一定理論基礎。

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Obstacle Crossing Analysis of Transport Vehicles in Mountain Orchard

ZHANG Xiao-zhen1, SHEN Rong-feng2, WANG Jian-ling1

1.363105,2.350002,

In view of the difficulties in the production and transportation of hilly agriculture and forest industry, we design a driverless mountain orchard transport vehicle. The truck adopts wheel structure and the front wheel is designed as star wheel, which is beneficial to improve the obstacle performance of transport vehicle. With the help of SolidWorks software, a three-dimensional model of mountain and mountain orchard truck was established. According to the structure characteristics of star wheel, two kinds of force models of transporter are established: rolling obstacle and flip obstacle model, the movement mechanism and the ability of surmounting obstacle are analyzed. Based on the different driving speed, damping and obstacle surmounting mode, the variation of the velocity and acceleration of the centroid of the transport vehicle is studied, which is helpful to improve the ride comfort of transport vehicle and realize the transportation in hilly and mountainous areas. It also provides a theoretical basis for the design and research of hilly operation platform.

Orchard transport vehicle; obstacle crossing; simulation analysis

TU986.3+2

A

1000-2324(2020)03-0482-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.018

2018-09-09

2018-11-21

福建省科技廳項目(FA17566A);福建省中青年教師教育科研項目(JZ160113);國家級大學生創新創業項目(201813469011);福建省中青年教師教育科研項目(JT180801);廈門大學嘉庚學院校級科研孵化項目(2017L08)

張小珍(1991-),女,碩士,助教,主要研究方向機械設計. E-mail:1027470976@qq.com