基于滑移條件下的履帶車輛剪切位移特性試驗研究

王志波，李 軍，宋海軍，張 宇

(陸軍裝甲兵學院 車輛工程系， 北京 100072)

履帶車輛因其良好的機動性能，被廣泛的應用到軍事領域。軍用履帶車輛主要用于復雜地形作戰，良好的制動性能對車輛的機動性能和安全性能起決定性作用。地面提供給履帶車輛的制動力主要由接地履帶板對地面的剪切作用產生，分析履帶車輛接地履帶的剪切位移規律，對研究履帶車輛的制動力和機動性能都有一定的指導意義[1-2]。現有技術中，提升履帶車輛制動性能的手段主要是優化履帶車輛的制動方式、控制系統及制動器結構[3-9]，而忽略了對制動過程中制動力的來源進行研究。盡管可以通過各種技術在最短的時間內制動履帶，使履帶在地面上實現完全滑移剪切，但地面提供給履帶的制動力不足，也會使車輛的制動距離拉長，導致制動性能降低，影響履帶車輛的機動性能。

本文自主設計了一種基于滑移條件下研究履帶剪切位移規律的測試采集系統，能準確測量接地履帶履帶板的微觀剪切位移，反映履帶車輛真實滑移剪切情況，可用于履帶車輛制動力和附著力的計算研究，實現履帶車輛運動軌跡的精確控制[10-11]。通過該測試采集系統進行了實車滑移剪切位移數據采集，對某型履帶車輛剪切位移規律進行了總結和分析，該剪切位移規律對指導履帶車輛制動力的計算有一定的指導價值。

1 履帶滑移剪切位移測試采集系統

本測試采集系統為試驗室自主設計，能夠方便準確地對履帶車輛接地履帶的位移進行實時測試采集。測試采集系統包括硬件部分和軟件部分。硬件部分包括激光傳感器、反光板、傳感器固定支架和反光板固定架，軟件部分通過 Modbus RTU協議編程實現對數據的采集。激光傳感器的頻率為20 Hz，精度可達±1.5 mm+D*0.5‰，具有快速率和高精度等特點。

試驗中為避免傳感器之間相互干擾，激光傳感器通過間隔25 cm左右分層布置，如圖1所示。激光傳感器及其支架在履帶車輛一側前后兩端布置，激光傳感器和反光板通過分層布置、一一對應，如圖2所示(1表示激光傳感器支架，2表示反光板支架)。這樣布置的優點是能夠放置更多的反光板和激光傳感器，采集更多塊履帶板的剪切位移值。該測試采集系統既保證了盡可能采集多塊履帶板滑移剪切位移數據，又保證了采集數據的準確可靠性，對準確測量接地履帶履帶板的微觀剪切位移和計算履帶車輛制動力、附著力的大小意義重大。

圖1 激光傳感器及其支架示意圖

圖2 履帶上反光板布置及激光傳感器布置示意圖

2 實車試驗

試驗用被測履帶車輛使用的履帶板體為接地掛膠履帶。全車共兩條履帶，每條履帶由89節履帶板組成，其中約30塊履帶板接地。履帶為雙銷掛膠結構，由履帶板總成(含掛膠履帶銷)、誘導齒、內六角螺栓、限位塊、端聯器、螺栓等組成，如圖3所示。

圖3 掛膠履帶板總成示意圖

試驗用牽引車輛為某液壓牽引履帶車，該車配有絞盤搶救裝置，包括主絞盤和副絞盤。牽引力通過液壓裝置進行牽引，能夠較平穩的控制牽引速度。

試驗場地路面條件為良好的水泥路面。試驗前，先在被測履帶車輛履帶板上分層間隔布置激光反光板，履帶車輛一側履帶前后布置傳感器支架及激光傳感器。履帶車輛試驗過程中，通過操縱裝置使被測履帶車制動帶與制動鼓結合，用牽引車牽引被測履帶車輛的前部掛鉤，使被測履帶車輛接地履帶在地面上滑移，直至履帶接地段最后端的一塊履帶發生滑移位移，采集系統連續采集位移傳感器的輸出，進而完成履帶車輛履帶滑移位移特性的測定。此滑移過程能夠反映履帶車輛行駛制動過程中接地履帶相對于地面的滑移剪切全過程。通過對數據的采集、分析處理即可得到履帶車輛實際制動過程中履帶板在地面上的剪切位移規律。

3 試驗數據分析

經過實車試驗，在時間51 s內，每秒每個激光傳感器采集4次，共采集205次，得到51 s時間內12塊履帶板的位移變化數據值，如圖4所示。履帶車輛接地履帶上反光板的布置順序從前到后依次為反光板1、反光板2、反光板3、反光板4、反光板5、反光板6、反光板12、反光板11、反光板10、反光板9、反光板8、反光板7。在采集點145左右可以看出(圖4中所示的虛線)，履帶板滑動是從前往后逐塊移動，并不是同時移動，由此可分析得：試驗用履帶車輛的履帶受履帶銷間隙、負重輪及懸掛裝置的影響，并非是剛性的，導致每塊履帶板對地面的剪切滑移不是同時進行的。

圖4 履帶板的位移變化曲線

履帶板的剪切位移可以用牽引過程中履帶板的實時位移減去履帶板相對地面滑移前的初始位移來表示。實車試驗過程中，標記的12塊履帶板相對與地面的剪切位移如圖5所示。圖6表示為第一塊履帶板開始滑動剪切直至最后一塊履帶板滑動的全過程，圖7表示為牽引過程結束，牽引繩放松直至車輛穩定的全過程。在圖5中可以看出，51s的試驗數據中，其實牽引過程只有24s左右，其余時間為準備牽引和牽引結束階段。通過對圖中數據分析可得：

圖5 履帶板的剪切位移變化曲線

1) 圖6中可以看到，采樣點98點處，1號履帶板先開始滑移，其次為2號履帶板。采樣點130處，1號履帶板剪切位移量達54 mm，2號履帶板達20 mm，3～12號履帶板剪切位移值很小。分析原因為：在反光板固定架安裝時，1、2號固定架安裝在被測履帶車輛前部，牽引試驗時，火炮身管伸向車輛后方，由于車輛重心及懸架特性，車輛身體整體后傾，導致1、2號兩塊履帶板沒有接地，牽引時，在牽引力和懸掛裝置的作用下，該被測履帶車輛前端出現些許下沉，帶動1、2號履帶板向前下方轉動與地面緊貼，履帶板帶動反光板向激光傳感器方向轉動，導致出現較大的剪切位移量。圖8所示履帶前部沒有壓實地面，進一步驗證了本研究的判斷。

圖6 履帶板的剪切位移曲線

圖7 履帶板的剪切位移曲線

圖8 履帶前部沒有壓實地面示意圖

2) 在100至148采樣點之間，可以看到，履帶板的滑動是從前到后依次滑動的，如圖6所示，首先是1號履帶板開始滑動，然后依次為2號、3號，…，11號、12號履帶板滑動。分析原因為：該被測履帶車輛履帶銷使用了掛膠技術，如圖9所示，橡膠圈被黏結在履帶銷上，并且被一起壓入履帶銷耳內， 在牽引力的作用下履帶銷上的橡膠圈從前到后依次被壓縮，所以導致履帶板從前到后依次滑動。在148至160采樣點之間，由于履帶銷上的橡膠圈均被壓縮，接地履帶的縱向彈性被消除，此時履帶可以看成是剛性的，12塊履帶板的滑移剪切是一致的。

圖9 履帶銷上的橡膠圈

3) 圖7中，在采樣點154左右，牽引過程結束，3～12號履帶板停止剪切滑動，隨著牽引車牽引繩的放松，牽引力逐漸降低，在采樣點185到197采樣點之間，受車輛重心、身管及懸架特性的影響，車輛整體回彈平衡，導致1、2號履帶板微微抬起，履帶板帶動反光板向后轉動，導致采集到1號、2號履帶板的剪切位移量降低。

4 結論

本文利用車輛—地面力學理論、激光測距原理和Modbus RTU協議等理論，自主設計了一套研究履帶車輛接地履帶滑移剪切位移規律的測試采集系統。該測試采集系統為履帶車輛制動滑移過程中履帶板相對地面剪切位移量的測試提供了技術支撐。

通過對某型履帶車輛制動時接地履帶滑動剪切位移的實車測試，經數據采集與分析后，發現制動時履帶板的剪切位移并非全程都是一致的，每塊履帶板剪切位移量的大小受到履帶系統結構、履帶的縱向彈性、懸架特性、車輛重心位置等因素的影響。對于雙銷履帶結構而言，制動初期履帶剪切位移受履帶銷上橡膠圈的影響，履帶板剪切量不是相等的，只有當所有履帶銷橡膠圈被壓實，這時履帶才可以看成剛性履帶，此時每塊接地履帶板的剪切位移值是相同的。