高加載速率工況下履帶板與可變形地面附著力測量實驗系統

呂唯唯，顧 亮，董明明，李忠新

（北京理工大學 機械與車輛學院 地面機動裝備實驗教學中心，北京 100081）

農業機械、深海探測機構、深空探測月球車、裝甲車輛等在可變形地面上行走的附著特性是車輛機動性的重要教學和科研內容[1-6]。車輛高速行駛工況下如何提高行走機構與可變形地面作用的附著力是改善車輛機動性和影響車輛結構設計的關鍵因素之一。準確地測量履帶車輛與可變形地面的動態附著力，對履帶車輛行駛機動性的基礎性研究工作具有重要意義。現有研究車輛地面附著特性的實驗裝置沒有成熟、通用的產品，定制的產品造價昂貴、操作復雜，不適合本科生實驗教學活動[7-9]。

本文針對教研活動需求和教學對象特點，以車載激振液力動態實驗臺為基礎，自行設計了履帶板與可變形地面附著力測量實驗系統，可應用于實驗教學活動，能準確測量履帶板等觸土部件在車輛行駛動態載荷作用下的附著力，用于車輛地面機動性相關研究。

1 技術背景

經典的地面力學對行動系統與地面之間耦合相互作用關系的描述存在只針對靜態/準靜態的先天缺陷。高機動履帶車輛基本工作在穩態或瞬態高速工況，車輛行動系統對地面表現出明顯的動態加載特征，因此履帶板-地面耦合動態特性研究具有重要的現實意義，可以為研究履帶車輛行動系統結構布置、參數匹配、車輛行駛通過性等提供重要的設計理論依據和技術基礎支持。

履帶板-地面耦合作用關系中附著特性是決定車輛行駛通過性的重要指標，附著特性與高速率加載工況下可變形地面土壤的承壓特性及履帶板與可變形地面作用時的水平方向土壤推力有密切關系，一般采用室內土槽實驗來測量履帶部件與可變形地面作用的土壤推力，最大土壤推力即為履帶板-地面土壤附著力。

在教研活動中存在以下問題：①市場上未有成熟的土槽實驗裝置用于履帶板等觸土部件與可變形地面耦合作用力的測量，現有的土槽實驗裝置主要用于研究巖土層深層力學特性，不適合研究行走機構與可變形地面耦合作用關系；②用于研究農業機械、深空探測機構與地面附著特性的實驗裝置占地面積大、設備昂貴，加載速率低，近似靜態加載，與高機動履帶車輛行駛工況不符，不適合本科生實驗教學，且操作具有一定危險性；③現有的研究行走機構地面附著特性實驗裝置將行走機構尺寸進行比例縮放，完成試驗后再將實驗數據進行縮放還原，數據結論有一定失真，并不滿足教學工作中的實際需求。

2 附著力測量實驗系統

2.1 實驗系統構成

附著力測量實驗系統包含動態垂向加載系統、水平牽引系統和數據采集裝置三部分。其中，動態垂向加載系統包含土槽、激振臺、試驗臺架、剛性車輪和其他連接裝置，可對履帶板施加高頻、高加載速率的動態垂向載荷，作用到與之接觸的可變形地面上，使履帶板與可變形地面發生垂向耦合作用；水平牽引系統包含電機、減速機、渦輪絲杠等設備，用以實現動態垂向載荷作用下，履帶板與可變形地面的附著力測量。

2.2 動態垂向加載系統

高速行駛加載工況具有高頻、重載的特點，30 t的履帶車輛在起伏土路上以30~60 km/h 速度行駛時，接地履帶板受到車體碾壓過程中的動態垂向載荷幅值范圍為16~22 kN，加載頻率為50 Hz，載荷變化呈現半正弦變化，具有瞬時波峰值，一般實驗室靜態土槽加載裝置難以滿足動態加載需求。車輛振動實驗中用到的模擬道路不平度的電液伺服激振臺，推力為50 kN，頻帶寬度為 0~400 Hz，可進行垂直或水平方向振動環境與控制試驗，提供正弦波、三角波等試驗波形，故本文采用該裝置為附著特性實驗提供車輛高速行駛工況下的動態垂向載荷。

動態垂向加載系統如圖1 所示，履帶車輛行駛過程中，車輪滾動壓過履帶板使得可變形地面受到垂直向下的載荷作用，而電液激振臺的工作原理是對工作臺上的車輛施加垂直向上方向的載荷，由于兩者方向不一致，故設計了一個試驗臺架，將車輪固定在臺架上，將土槽和履帶板放置在激振臺上固定，將車輪安裝位置調整到與履帶板接觸且無接觸力的狀態；實驗過程中激振臺通過上下一定頻率的位移變化，使履帶板與車輪接觸產生對可變形地面垂直向下的半正弦載荷作用，與車輛行駛對地面載荷的作用一致。

圖1 動態垂向加載系統

土槽的尺寸設計考慮圍壓對試驗結果的影響，長、寬分別為履帶板長、寬的2~3 倍以上（本文分別為2.55和5.75 倍）。試驗使用的履帶板長和寬分別為400 和170 mm，根據Wong 的估算公式[10-12]，設計土槽尺寸為長1 020 mm、寬978 mm、高1 000 mm。

為了盡可能地模擬實際車輛行駛工況，減小車輪與履帶板的摩擦力對附著力測定的影響，設計加工了可滾動的鋼制車輪。車輪與臺架之間是剛性連接，履帶板被牽引產生運動時，加載力將變得極不穩定，導致垂直加載力會迅速下降，為了保持垂直加載的相對穩定，在車輪與輪輻式傳感器之間加裝了4 個一定剛度的彈簧（如圖2 所示），剛性車輪直徑和彈簧剛度分別為150 mm 和49 N/mm。根據不同車速下履帶板受到的沖擊載荷，采用輪輻式壓力傳感器測量垂向載荷，選用30 t 量程。

2.3 水平牽引系統

圖2 土槽裝置

履帶板與可變形地面耦合作用時的水平土壤推力提供了履帶車輛行駛的驅動力，可變形地面可提供的最大土壤推力即履帶板與地面的附著力。為準確測量高速率垂向載荷作用下可變形地面對履帶板的水平土壤推力，設計了一種履帶板水平牽引機構（如圖3、4所示），該機構由蝸輪絲杠升降機、蝸輪蝸桿減速機、電機及變頻器組成。牽引力由蝸輪絲杠升降機提供，實現水平速度可控牽引且不轉動，同時可利用帶變頻器的電機控制轉速和方向，操作簡單。為了細致觀察履帶板在整個牽引過程中力與位移的關系，利用蝸輪蝸桿減速機進行減速，可以使升降機最低速度降至0.13 mm/s。

2.4 數據采集裝置

數據采集裝置用來獲取履帶板與可變形地面耦合作用過程中地面土壤發生的垂向和水平位移，履帶板受到的垂向載荷及水平方向土壤推力等實驗數據，該裝置包含力傳感器、位移傳感器、數據采集儀、動態應變儀等，總體布局如圖5 所示。

圖3 水平牽引系統

圖4 水平牽引機構實物

圖5 數據采集裝置總體布局

3 實驗測試

使用本實驗系統對西藏高原地面、起伏土路、河灘砂石路等典型路面進行了測試采樣分析，實驗結果符合實際情況，可滿足高機動工況履帶車輛與可變形地面通過性研究的實驗需求。圖6 為起伏土路地面、時速30 km/h 工況下，履帶板牽引力與位移的關系。可以看出，土樣在牽引試驗中的特性表現為塑性，牽引力-位移曲線無“駝峰”，取牽引力數值趨于平穩后5 s 內的平均值為附著力，試驗曲線變化趨勢與塑性土壤剪切力變化趨勢一致，實驗測試結果精確。

圖6 履帶板牽引力-位移曲線

4 結語

本文設計了一種高加載速率工況下履帶板與可變形地面附著力測量實驗系統，利用電液激振臺改制了實驗臺架結構，增加了水平牽引系統和數據采集裝置，解決了現有土槽實驗裝置不能實現高加載速率、重載荷工況的不足，系統操作簡便安全、占地面積小、成本可控。系統可以滿足機械工程專業、車輛工程專業、裝甲車輛工程專業的本科實驗教學需求和地面力學相關方向的基礎性科學研究，同時有助于本科生理解和掌握車輛地面力學對履帶車輛行動系統結構設計、車輛行駛通過性的影響。