山地果園履帶底盤(pán)坡地通過(guò)性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

韓振浩 朱立成 苑嚴(yán)偉 趙 博 方憲法 張?zhí)熨x

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

為了有效提升丘陵山地果園生產(chǎn)的整體機(jī)械化水平，開(kāi)展適用于該環(huán)境的動(dòng)力底盤(pán)研究具有重要意義。履帶底盤(pán)作為當(dāng)前山地果園動(dòng)力底盤(pán)的一種優(yōu)選方案，相對(duì)于輪式動(dòng)力底盤(pán)，具有接地比壓小、通過(guò)性強(qiáng)等特點(diǎn)，但由于山地果園地形多為坡地，在實(shí)際作業(yè)時(shí)仍然面臨著打滑、下陷、障礙阻擋等問(wèn)題[1-2]。因此為了進(jìn)一步提高山地果園動(dòng)力底盤(pán)的環(huán)境針對(duì)性與地形適應(yīng)性，開(kāi)展履帶底盤(pán)的坡地行走機(jī)理研究，探討關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)通過(guò)性能的影響規(guī)律十分必要。

針對(duì)履帶底盤(pán)在不同路面環(huán)境下的行走機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了較多研究[3-7]。面向山地果園作業(yè)環(huán)境，關(guān)于坡地行駛性能的研究相對(duì)較少，部分學(xué)者雖然開(kāi)展了一些工作，但多停留在對(duì)現(xiàn)有底盤(pán)進(jìn)行理論分析和仿真模擬的階段，并未根據(jù)研究結(jié)果對(duì)現(xiàn)有履帶底盤(pán)提出針對(duì)性的優(yōu)化方案，以提升其實(shí)際坡地行駛性能。

基于此，本文根據(jù)山地果園實(shí)際作業(yè)地形特點(diǎn)，擬對(duì)履帶底盤(pán)的坡地通過(guò)性能開(kāi)展理論分析，探究影響坡地通過(guò)性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真分析關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)坡地通過(guò)性能的影響規(guī)律，并基于仿真結(jié)果優(yōu)化樣機(jī)。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后樣機(jī)的坡地通過(guò)性能，驗(yàn)證理論分析、仿真模擬的合理性和優(yōu)化方案的可行性，為改善山地果園履帶底盤(pán)的斜坡地形適應(yīng)性提供參考。

1 坡地通過(guò)性能理論分析

山地果園為斜坡地形，存在排水溝、階梯、田埂等障礙，果園履帶底盤(pán)在實(shí)際作業(yè)時(shí)面臨打滑、下陷以及障礙阻擋等問(wèn)題，本文分別針對(duì)履帶底盤(pán)斜坡平地、斜坡障礙2種情況開(kāi)展理論分析，探討影響坡地通過(guò)性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

以課題組研制的果園通用底盤(pán)為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。底盤(pán)由機(jī)體和行走系組成，其中行走系主要包括履帶、驅(qū)動(dòng)輪、托輪、支重輪、導(dǎo)向輪以及平衡式張緊懸掛。動(dòng)力類型為電動(dòng)，行走時(shí)直流電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿減速器為兩側(cè)履帶懸掛提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。

1.1 斜坡平地通過(guò)性

參考Bekker理論，本文通過(guò)最大牽引力判斷履帶底盤(pán)的斜坡平地通過(guò)性，力學(xué)分析如圖2所示，其中點(diǎn)M為底盤(pán)形心，點(diǎn)O為底盤(pán)質(zhì)心，局部坐標(biāo)系原點(diǎn)為點(diǎn)M。假設(shè)履帶底盤(pán)勻速直線行駛，結(jié)合俯視圖與力平衡原理可得，履帶附著力、行駛阻力和整機(jī)重力縱向分力的關(guān)系為

F1+F2=R1+R2+Gy

(1)

式中F1——左側(cè)履帶附著力，N

F2——右側(cè)履帶附著力，N

R1——左側(cè)履帶行駛阻力，N

R2——右側(cè)履帶行駛阻力，N

Gy——重力在底盤(pán)局部坐標(biāo)系縱向分力，N

分別對(duì)F1、F2、R1、R2、Gy進(jìn)行求解，根據(jù)力平衡和力矩平衡原理，結(jié)合主視圖可得兩側(cè)履帶的支撐力N1和N2為

(2)

式中B——底盤(pán)寬度，m

H——形心離地高度，m

cx、cz——重心相對(duì)形心在底盤(pán)局部坐標(biāo)系下橫向和豎向的偏移距離，m

Gz——重力在底盤(pán)局部坐標(biāo)系豎向分力，N

Gx——重力在底盤(pán)局部坐標(biāo)系橫向分力，N

根據(jù)履帶底盤(pán)當(dāng)前姿態(tài)[8-9]，可得重力在底盤(pán)局部坐標(biāo)系下3個(gè)方向的分力Gx、Gy、Gz為

(3)

式中m——整車質(zhì)量，kg

α——地形坡度，(°)

g——重力加速度，m/s2

θ——底盤(pán)沿上坡方向偏航角，(°)

結(jié)合側(cè)視圖，履帶接地中心處的力矩平衡方程為

M1+M2=cyGz+(H-cz)Gy

(4)

式中M1——N1向左側(cè)履帶接地中心作用的力矩，N·m

M2——N2向右側(cè)履帶接地中心作用的力矩，N·m

cy——重心相對(duì)形心在底盤(pán)局部坐標(biāo)系下y方向偏移距離，m

結(jié)合俯視圖以及履帶底盤(pán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可得

(5)

在斜坡行駛時(shí)，假設(shè)全履帶長(zhǎng)度受力且為線性分布[8-10]，結(jié)合側(cè)視圖可得

(6)

式中Nf1——左側(cè)履帶前端接地壓力，N

Nf2——右側(cè)履帶前端接地壓力，N

Nb1——左側(cè)履帶后端接地壓力，N

Nb2——右側(cè)履帶后端接地壓力，N

L——履帶接地長(zhǎng)度，m

假設(shè)附著力僅考慮土壤作用，底盤(pán)電機(jī)輸出功率恒定，根據(jù)JANOSI公式[10-11]，在履帶接觸壓力計(jì)算的基礎(chǔ)上可以分別得到左右側(cè)履帶的附著力F1、F2為

(7)

式中C——土壤內(nèi)聚力，kPa

φ——土壤內(nèi)摩擦角，(°)

K——土壤剪切變形系數(shù)

δ——履帶相對(duì)地面滑轉(zhuǎn)率

b——履帶寬度，m

行駛阻力包含風(fēng)阻力、沉陷阻力以及推土阻力，由于履帶底盤(pán)行駛速度較慢，忽略風(fēng)阻力對(duì)底盤(pán)的影響，履帶底盤(pán)沿直線行駛，假設(shè)未發(fā)生偏航情況，忽略履帶側(cè)面土壤對(duì)履帶產(chǎn)生的推土阻力。因此只對(duì)行駛阻力中的沉陷阻力進(jìn)行探討，結(jié)合壓力-下陷公式[11]可以推導(dǎo)左右兩側(cè)履帶的沉陷阻力R1、R2分別為

(8)

式中kc——土壤變形內(nèi)聚模量，kN/mn+1

kφ——土壤變形摩擦模量，kN/mn+2

n——土壤沉陷指數(shù)

根據(jù)履帶底盤(pán)直線行駛的受力分析結(jié)果，在土壤環(huán)境確定，坡度、偏航角不變的條件下，從式(1)中可知，如果履帶附著力能夠大于行駛阻力和整機(jī)重力縱向分力之和，則履帶底盤(pán)斜坡平地通過(guò)性良好。從公式(7)、(8)可知，履帶-地面接觸壓力影響著履帶附著力和行駛阻力。從公式(5)、(6)中可知，重心相對(duì)形心的位置坐標(biāo)cx、cy、cz，履帶接地長(zhǎng)度L、履帶寬度b和底盤(pán)寬度B對(duì)履帶-地面接觸壓力有直接影響。因此根據(jù)理論分析結(jié)果，需要進(jìn)一步探討重心位置、接地長(zhǎng)度、底盤(pán)寬度、履帶寬度對(duì)履帶底盤(pán)斜坡平地通過(guò)性的影響規(guī)律。

1.2 斜坡越障通過(guò)性

果園中存在排水溝、階梯、田埂等障礙，履帶底盤(pán)需要具備一定的越障能力來(lái)適應(yīng)山地果園環(huán)境，本文分別針對(duì)履帶底盤(pán)翻越臺(tái)階和跨越壕溝2種情況開(kāi)展理論分析，探討影響底盤(pán)斜坡越障通過(guò)性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.2.1斜坡臺(tái)階

山地果園履帶底盤(pán)翻越臺(tái)階能力的主要判定標(biāo)準(zhǔn)為可翻越臺(tái)階的最大高度。

履帶底盤(pán)翻越臺(tái)階主要分為3個(gè)階段：第1階段，底盤(pán)緩慢前進(jìn)，直到兩側(cè)履帶的導(dǎo)向輪位置與臺(tái)階前沿接觸，在履帶附著力的驅(qū)動(dòng)下車體繞履帶接地后沿旋轉(zhuǎn)，車體重心逐漸爬升；第2階段，底盤(pán)兩側(cè)履帶的底面位置與臺(tái)階前沿接觸，在附著力的驅(qū)動(dòng)下底盤(pán)繞履帶接地后沿旋轉(zhuǎn)，車體重心在上升的同時(shí)沿車體縱向前移；第3階段，如果車體重心跨過(guò)臺(tái)階前沿，在重力的作用下車體繞臺(tái)階前沿旋轉(zhuǎn)，直到履帶前部與地面接觸，越障完成。

履帶底盤(pán)能否成功翻越臺(tái)階的關(guān)鍵在于車體重心在第2階段能否越過(guò)臺(tái)階前沿，如果車體重心隨著底盤(pán)旋轉(zhuǎn)始終在臺(tái)階前沿后方，則底盤(pán)無(wú)法越障，因此需要對(duì)越障的第2階段進(jìn)行探討[12-16]。以垂直于臺(tái)階切面方向?yàn)榉治鼋嵌龋?階段示意圖如圖3所示。

根據(jù)履帶底盤(pán)的幾何參數(shù)，以底盤(pán)重心垂直投影落在穩(wěn)定區(qū)域?yàn)榕R界條件，可以得到履帶底盤(pán)在不同仰角β下的極限越障高度Hβ為

(9)

式中RB——底盤(pán)后驅(qū)輪半徑，m

α′——當(dāng)前坡面角，(°)

履帶底盤(pán)的最大上臺(tái)階高度為Hβ的最大值。從公式(9)中可以看出，在坡面角度不變的情況下，履帶底盤(pán)的坡面極限越障高度Hβ隨底盤(pán)仰角β逐漸變化，同時(shí)也可以看出，履帶接地長(zhǎng)度L與重心位置cy、cz對(duì)不同仰角下的極限越障高度有直接影響，履帶接地長(zhǎng)度越長(zhǎng)，重心位置越靠前靠下，極限越障高度越高。

1.2.2斜坡壕溝

山地果園履帶底盤(pán)跨越壕溝能力的主要判定標(biāo)準(zhǔn)為通過(guò)壕溝的最大寬度。

履帶底盤(pán)跨越壕溝主要分為3個(gè)階段：第1階段，底盤(pán)緩慢前進(jìn)，車體前部懸空，此時(shí)如果車體重心超過(guò)壕溝前沿，車體會(huì)在重力的作用下繞壕溝前沿旋轉(zhuǎn)，車頭栽入壕溝，進(jìn)而跨壕失敗；第2階段，底盤(pán)緩慢前進(jìn)，直到履帶前部與壕溝后沿接觸，此時(shí)履帶后部仍與壕溝前沿接觸，車體中部懸空于壕溝正上方；第3階段，底盤(pán)緩慢前進(jìn)，履帶后部與壕溝前沿脫離接觸，車體后部懸空，此時(shí)如果車體重心未超過(guò)壕溝后沿，車體會(huì)在重力作用下繞壕溝后沿旋轉(zhuǎn)，車尾栽入壕溝，進(jìn)而跨壕失敗[13-15]，因此需要對(duì)第1和第3階段進(jìn)一步開(kāi)展探討。分別針對(duì)上坡壕溝和下坡壕溝這兩種情況進(jìn)行分析，可得底盤(pán)跨越壕溝示意圖如圖4所示。

圖4 跨越壕溝示意圖Fig.4 Diagrams of crossing trenches

以底盤(pán)重心垂直投影落在穩(wěn)定區(qū)域?yàn)榕R界條件，履帶底盤(pán)在圖示4種情況下能夠跨越壕溝的最大寬度Le1、Le2、Le3、Le4為

(10)

基于兩種極限情況下的分析結(jié)果，根據(jù)公式(10)可得履帶底盤(pán)可跨越最大壕溝寬度Le為

Le=min(Le1,Le2,Le3,Le4)

(11)

從公式(10)和公式(11)中可以看出，在斜坡角度固定的情況下，履帶底盤(pán)的極限跨壕寬度受履帶接地長(zhǎng)度L與重心位置cy、cz影響，接地長(zhǎng)度越大，重心在斜坡上的投影越接近于履帶接地中心，跨壕寬度越大。

2 坡地行駛性能仿真

在理論分析的基礎(chǔ)上，基于多體動(dòng)力學(xué)分析軟件RecurDyn進(jìn)行坡地通過(guò)性能仿真分析，進(jìn)一步探討關(guān)鍵參數(shù)對(duì)坡地通過(guò)性能的影響規(guī)律，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2.1 模型搭建

圖5 RecurDyn虛擬樣機(jī)Fig.5 RecurDyn virtual prototype1.張緊輪 2.驅(qū)動(dòng)輪 3.支重輪 4.懸掛 5.履帶 6.導(dǎo)向輪 7.機(jī)體

基于Track_LM低速履帶模塊搭建履帶底盤(pán)虛擬樣機(jī)，如圖5所示。該模型由1個(gè)車體和2個(gè)履帶行走機(jī)構(gòu)組成，其中履帶行走機(jī)構(gòu)位于車體兩側(cè)，通過(guò)固定副與車體固連。為了提高仿真運(yùn)算效率，簡(jiǎn)化車體懸掛為一個(gè)整體，每側(cè)履帶行走機(jī)構(gòu)包含1個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、8個(gè)支重輪、2個(gè)導(dǎo)向輪、1個(gè)張緊輪以及1條履帶[16-18]，均通過(guò)旋轉(zhuǎn)副與懸掛相連。

參考現(xiàn)有履帶底盤(pán)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，虛擬樣機(jī)參數(shù)配置如表1所示。

表1 虛擬樣機(jī)主要參數(shù)設(shè)置Tab.1 Main parameters of virtual prototype

2.2 仿真結(jié)果與分析

分別開(kāi)展履帶底盤(pán)斜坡平地通過(guò)性和斜坡越障通過(guò)性仿真分析，探討底盤(pán)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)坡地通過(guò)性能的影響規(guī)律。

2.2.1斜坡平地通過(guò)性

為了量化對(duì)比履帶底盤(pán)的直線行駛性能，本文通過(guò)對(duì)直線行駛的底盤(pán)施加一個(gè)方向與行駛方向相反、大小逐漸增大的反力，當(dāng)反力增大至足以阻止履帶底盤(pán)正常行進(jìn)時(shí)，此時(shí)該力為履帶底盤(pán)的最大牽引力。

從上述理論分析可知，底盤(pán)的重心偏移距離cx、cy、cz，以及接地長(zhǎng)度L、底盤(pán)寬度B和履帶寬度b對(duì)履帶底盤(pán)的直線行駛性能均有影響。因此針對(duì)以上參數(shù)設(shè)定典型工況進(jìn)行模擬仿真，其中行駛速度設(shè)置為0.2 m/s，行駛偏航角設(shè)置為45°，坡面角設(shè)置為10°，開(kāi)展單因素測(cè)試，可得不同參數(shù)下的最大牽引力如圖6所示。

圖6 最大牽引力仿真結(jié)果Fig.6 Maximum tractive force simulation results

從仿真結(jié)果中可以看出，隨著橫縱向重心偏移距離的增加，牽引力呈先增大后減小的趨勢(shì)，從公式(5)、(6)可知，隨著車體橫縱向重心位置沿上坡方向移動(dòng)，土壤對(duì)單側(cè)履帶支撐力由開(kāi)始的前端支撐力小、后端支撐力大變?yōu)榍昂蠖酥瘟咏恢拢寥缹?duì)兩側(cè)履帶的支撐力由開(kāi)始的下坡側(cè)履帶支撐力大上坡側(cè)履帶支撐力小變?yōu)閮蓚?cè)履帶接近一致，此時(shí)底盤(pán)牽引力最大，當(dāng)車體重心沿上坡方向過(guò)于靠前，單側(cè)履帶前端支撐力就會(huì)大于后端支撐力，上坡側(cè)履帶支撐力就會(huì)大于下坡側(cè)履帶支撐力，底盤(pán)牽引力就會(huì)減小；隨著豎向重心偏移距離的增加、底盤(pán)寬度的減小，牽引力呈逐漸減小的趨勢(shì)，從公式(2)、(5)中可知，底盤(pán)豎向重心位置越高、底盤(pán)寬度越小，履帶底盤(pán)兩側(cè)履帶支撐力相差越大，同時(shí)單側(cè)履帶接地比壓分布相差也會(huì)變大，牽引力越小；隨著履帶寬度和接地長(zhǎng)度的逐漸增加，牽引力呈逐漸增加的趨勢(shì)，從公式(7)、(8)可知，牽引力與履帶寬度和接地長(zhǎng)度均為正相關(guān)，因此履帶越寬越長(zhǎng)，牽引力越大。

2.2.2越障仿真

履帶底盤(pán)在山地果園越障主要分為兩類：臺(tái)階與壕溝，分別針對(duì)這兩類情況進(jìn)行仿真分析。

(1)斜坡臺(tái)階

由上述理論分析可知，履帶接地長(zhǎng)度L與重心位置cy、cz對(duì)越障高度有直接影響，因此針對(duì)以上參數(shù)設(shè)定典型工況進(jìn)行模擬仿真，其中坡面角設(shè)置為10°，左右側(cè)履帶的旋轉(zhuǎn)角速度均設(shè)置為3.93 rad/s，為了測(cè)定底盤(pán)極限越障高度，偏航角設(shè)置為0°，開(kāi)展單因素測(cè)試，得到極限越障高度如圖7所示。

圖7 翻越臺(tái)階仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of climbing steps

從仿真結(jié)果中可知，履帶接地長(zhǎng)度越大，重心位置越靠前靠下，極限越障高度越大，仿真分析結(jié)果與上述理論分析結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性。

(2)斜坡壕溝

從上述理論分析可知，履帶底盤(pán)的極限跨壕寬度受履帶接地長(zhǎng)度L與重心位置cy、cz影響，因此針對(duì)以上參數(shù)設(shè)定典型工況進(jìn)行模擬仿真，其中坡面角度設(shè)置為10°，左右側(cè)履帶的旋轉(zhuǎn)角速度均設(shè)置為3.93 rad/s，為了測(cè)定底盤(pán)極限越障高度，偏航角設(shè)置為0°，開(kāi)展單因素測(cè)試，得到極限跨壕寬度如圖8所示。

圖8 跨越壕溝仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of crossing trench

根據(jù)仿真結(jié)果可知，履帶接地長(zhǎng)度越大，重心在斜坡上的投影越接近于履帶接地中心，跨壕寬度越大。仿真分析結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

從理論分析與仿真結(jié)果中可知，重心位置、履帶接地長(zhǎng)度、底盤(pán)寬度、履帶寬度均為影響履帶底盤(pán)坡地通過(guò)性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。增加底盤(pán)寬度能夠有效降低兩側(cè)履帶壓力差，但同時(shí)會(huì)影響底盤(pán)的行間通過(guò)性，增加履帶接地長(zhǎng)度會(huì)顯著增加履帶最大附著力，但影響底盤(pán)的轉(zhuǎn)向靈活性。通過(guò)理論分析與模擬仿真可知，底盤(pán)的重心位置對(duì)其斜坡平地通過(guò)性和斜坡越障通過(guò)性具有顯著影響，因此為了進(jìn)一步提升現(xiàn)有樣機(jī)的坡地通過(guò)性能，本文在盡量增加履帶寬度的同時(shí)，對(duì)底盤(pán)重心位置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 工作原理

拖拉機(jī)在車頭前安裝配重塊能夠有效防止車體翹頭和打滑，基于該原理，本文提出一種底盤(pán)重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)在履帶底盤(pán)增加橫縱向可移動(dòng)配重，實(shí)現(xiàn)履帶底盤(pán)在不同行駛狀態(tài)下的重心調(diào)節(jié)，進(jìn)而提升山地果園履帶底盤(pán)的坡地通過(guò)性能。

當(dāng)履帶底盤(pán)在斜面直線行駛時(shí)，如圖9a所示，配重塊相對(duì)車體沿上坡方向移動(dòng)，調(diào)整橫向重心位置保證兩側(cè)履帶接地比壓基本一致，調(diào)整縱向重心位置避免單側(cè)履帶局部附著力過(guò)小，提高履帶底盤(pán)斜坡平地通過(guò)性能；當(dāng)履帶底盤(pán)翻越臺(tái)階時(shí)，如圖9b所示，爬上臺(tái)階時(shí)，配重塊往車體前部移動(dòng)，重心前移防止車體翹頭，提高履帶底盤(pán)極限越障高度，爬下臺(tái)階時(shí)，配重塊往車體后部移動(dòng)，重心后移避免車頭栽下臺(tái)階，提高履帶底盤(pán)越障穩(wěn)定性；當(dāng)履帶底盤(pán)需要跨越壕溝時(shí)，如圖9c所示，配重塊往車體后部移動(dòng)，重心后移防止車頭栽入壕溝，當(dāng)履帶前沿搭至壕溝后沿，配重塊往車體前部移動(dòng)，直到重心調(diào)整至壕溝后沿，重心前移防止車尾栽入壕溝，提高履帶底盤(pán)極限跨壕寬度。

圖9 重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖Fig.9 Working principle of gravity center adjustment system

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理，在現(xiàn)有果園通用底盤(pán)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，三維模型如圖10所示。

圖10 底盤(pán)重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)三維模型Fig.10 Gravity adjustment system1.縱向調(diào)整電機(jī) 2.配重鉛塊 3.縱向滑軌 4.橫向滑軌 5.底盤(pán)箱體 6.橫向調(diào)整電機(jī) 7.履帶行走機(jī)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的底盤(pán)重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)由縱向滑軌、橫向滑軌、配重塊以及控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，其中配重塊安裝于縱向滑軌的滑臺(tái)，可沿縱向滑軌在車體內(nèi)縱向移動(dòng)，動(dòng)力由縱向調(diào)整電機(jī)提供；縱向滑軌安裝于兩條橫向滑軌之上，配重塊與縱向滑軌可沿橫向滑軌在車體內(nèi)橫向移動(dòng)，動(dòng)力由橫向調(diào)整電機(jī)提供；控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含遙控器、主控板以及驅(qū)動(dòng)器，橫縱向調(diào)整電機(jī)由遙控器控制旋轉(zhuǎn)；橫向滑軌在車體內(nèi)部側(cè)壁固定，為保證機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，滑軌與車體連接處設(shè)有加強(qiáng)筋支撐。系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)手動(dòng)發(fā)送的遙控器信號(hào)，配重塊在橫縱向調(diào)整電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，在車體內(nèi)部橫縱向自由移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)履帶底盤(pán)的重心位置調(diào)節(jié)。

已知底盤(pán)為198 kg，在保證重心調(diào)整效果的同時(shí)考慮底盤(pán)極限承載與能量損耗，現(xiàn)確定配重塊為80 kg。為了盡量減少箱體內(nèi)部空間占用，配重塊為不銹鋼外殼加鉛內(nèi)芯的材質(zhì)，內(nèi)部密度較大。橫縱向滑軌通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠保證配重塊的調(diào)整精度。整套重心調(diào)整系統(tǒng)除了橫向調(diào)整電機(jī)外其余均安裝于履帶底盤(pán)箱體內(nèi)部，占用空間小，不改變機(jī)體整體外形尺寸，相比增加擺臂、更改懸掛形式等改造方案整體結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，改造成本相對(duì)較低，在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性好，更適用于山地果園此類環(huán)境已知的結(jié)構(gòu)化路況。

3.3 樣機(jī)制造

圖11 樣機(jī)Fig.11 Prototype

根據(jù)圖紙進(jìn)行裝置加工，樣機(jī)實(shí)物圖如圖11所示，配重塊縱向移動(dòng)行程為900 mm，橫向移動(dòng)行程為350 mm，橫縱向移動(dòng)速度為0～500 mm/min。經(jīng)初步調(diào)試，配重塊移動(dòng)順滑，能夠滿足履帶底盤(pán)行走過(guò)程中的實(shí)時(shí)重心調(diào)整要求。

4 坡地通過(guò)性能試驗(yàn)

參考GB/T 15833—2007、GB/T 12541—1990等標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展履帶底盤(pán)坡地通過(guò)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中的室內(nèi)土槽試驗(yàn)系統(tǒng)。

4.1 斜坡平地通過(guò)性

4.1.1試驗(yàn)方案

為了量化對(duì)比履帶底盤(pán)的斜坡平地通過(guò)性，本文通過(guò)拉力傳感器測(cè)定履帶底盤(pán)的最大牽引力，牽引力越大斜坡平地通過(guò)性越好。試驗(yàn)開(kāi)始前，通過(guò)人工將土壤坡面角設(shè)置為10°，拉力傳感器一端與履帶底盤(pán)末端懸掛點(diǎn)連接，另一端與地面固定點(diǎn)連接，配重塊位于初始位置。設(shè)定典型工況進(jìn)行樣機(jī)斜坡平地通過(guò)性測(cè)試，行駛偏航角設(shè)置為45°，履帶底盤(pán)以最低速度行駛，直到履帶發(fā)生明顯打滑，記錄拉力傳感器最大拉力，拉力傳感器量程為5 000 N，最大誤差為0.05%，最大牽引力測(cè)試如圖12所示。

圖12 最大牽引力測(cè)試Fig.12 Maximum tractive force test

4.1.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)配重塊縱向移動(dòng)和橫向移動(dòng)的最大行程,分別選取不同縱向位置和橫向位置開(kāi)展履帶底盤(pán)最大牽引力單因素測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 最大牽引力測(cè)試結(jié)果Tab.2 Results of maximum tractive force test N

根據(jù)表2可知，當(dāng)配重塊位于初始位置下，優(yōu)化后樣機(jī)的最大牽引力均值為1 689 N，相比優(yōu)化前樣機(jī)增加了20.73%，其主要原因在于，增加重心調(diào)整機(jī)構(gòu)后，履帶底盤(pán)總重增加，履帶接地比壓增大，進(jìn)而附著力增大。通過(guò)進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前行駛偏航角度下，隨著配重塊沿坡上移動(dòng)，最大牽引力為逐漸增大趨勢(shì)，變化趨勢(shì)與仿真分析結(jié)果基本一致，其中當(dāng)配重塊縱向位置為225 mm時(shí)，最大牽引力均值為1 926 N，相比調(diào)控前增加了14.03%，當(dāng)配重塊橫向位置為87.5 mm時(shí)，最大牽引力均值為1 883 N，相比調(diào)控前增加了11.49%。本文提出的重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠有效提升履帶底盤(pán)的坡地斜坡平地通過(guò)性，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，不同直線行駛條件下配重塊的最優(yōu)位置需要進(jìn)一步開(kāi)展研究。

4.2 斜坡越障通過(guò)性

4.2.1試驗(yàn)方案

通過(guò)測(cè)試履帶底盤(pán)翻越臺(tái)階的極限高度和跨越壕溝的極限寬度來(lái)開(kāi)展斜坡越障通過(guò)性試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始前，通過(guò)人工將土壤坡面角度設(shè)置為10°，將金屬平臺(tái)沿履帶底盤(pán)行駛方向埋入斜坡土壤模擬臺(tái)階，平臺(tái)高度為120～360 mm可調(diào)，通過(guò)人工沿履帶底盤(pán)行駛方向設(shè)置壕溝，起始壕溝寬度為500 mm。

圖13 極限越障性能試驗(yàn)Fig.13 Extreme obstacle crossing performance tests

越障性能試驗(yàn)過(guò)程如圖13所示。為測(cè)定優(yōu)化后履帶底盤(pán)的極限越障性能，履帶底盤(pán)行駛偏航角設(shè)置為0°。翻越臺(tái)階時(shí)，底盤(pán)行駛速度為最低速，試驗(yàn)過(guò)程中臺(tái)階高度以10 mm為差依次遞增，在保證人員設(shè)備安全的同時(shí)增加至不能越過(guò)為止；跨越壕溝時(shí)，行駛速度為最低速，當(dāng)?shù)妆P(pán)前部懸空時(shí)，配重塊調(diào)整至車尾，當(dāng)履帶接觸壕溝后沿時(shí)，配重塊調(diào)整至車頭，試驗(yàn)過(guò)程中跨越壕溝寬度以10 mm為差依次遞增，直到底盤(pán)栽入壕溝為止。

4.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

履帶底盤(pán)越障性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 越障性能測(cè)試結(jié)果 Tab.3 Results of obstacle-crossing performance test mm

根據(jù)表3可知，隨著配重塊前移，優(yōu)化后樣機(jī)的最大越障高度呈逐漸增大的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)與仿真分析結(jié)果基本一致，當(dāng)配重塊縱向位置為450 mm時(shí)，最大越障高度為230 mm，相比優(yōu)化前增加了27.78%。優(yōu)化后樣機(jī)的最大跨壕寬度為640 mm，相比優(yōu)化前增加了28%。本文提出的重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠有效提升履帶底盤(pán)的坡地跨壕能力。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在坡度為10°的試驗(yàn)路面下，優(yōu)化后樣機(jī)在偏航45°時(shí)的最大牽引力均值為1 926 N，相比調(diào)控前增加了14.03%。優(yōu)化后樣機(jī)最大翻越臺(tái)階高度為230 mm，相比優(yōu)化前增加了27.78%。優(yōu)化后樣機(jī)最大跨越壕溝寬度為640 mm，相比優(yōu)化前增加了28%。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后樣機(jī)的坡地通過(guò)性能可知，本文提出的重心調(diào)整機(jī)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析、仿真模擬的合理性以及優(yōu)化方案的可行性。

5 結(jié)論

(1)為探討影響山地果園底盤(pán)坡地通過(guò)性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別針對(duì)斜坡平地通過(guò)性和斜坡越障通過(guò)性開(kāi)展理論分析。經(jīng)理論分析可知，影響斜坡平地通過(guò)性的結(jié)構(gòu)參數(shù)為重心位置、接地長(zhǎng)度、底盤(pán)寬度以及履帶寬度。影響斜坡越障通過(guò)性的結(jié)構(gòu)參數(shù)為重心位置和接地長(zhǎng)度。

(2)在理論分析的基礎(chǔ)上，基于多體動(dòng)力學(xué)分析軟件RecurDyn搭建履帶底盤(pán)虛擬樣機(jī)，分別針對(duì)斜坡平地通過(guò)性和斜坡越障通過(guò)性開(kāi)展仿真分析，探討關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)坡地通過(guò)性能的影響規(guī)律，為履帶底盤(pán)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

(3)在現(xiàn)有果園通用底盤(pán)的基礎(chǔ)上提出了一種底盤(pán)重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)，優(yōu)化樣機(jī)并開(kāi)展室內(nèi)土槽試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在坡度為10°的試驗(yàn)路面下，優(yōu)化后樣機(jī)在偏航45°時(shí)的最大牽引力均值為1 926 N，相比調(diào)控前增加了14.03%。優(yōu)化后樣機(jī)最大翻越臺(tái)階高度為230 mm，相比優(yōu)化前增加了27.78%。優(yōu)化后樣機(jī)最大跨越壕溝寬度為640 mm，相比優(yōu)化前增加了28%。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后樣機(jī)的坡地通過(guò)性能可知，本文提出的重心調(diào)整機(jī)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析、仿真模擬的合理性和優(yōu)化方案的可行性，可為山地果園履帶底盤(pán)的斜坡地形適應(yīng)性優(yōu)化研究提供參考。