生命探測(cè)履帶車(chē)過(guò)溝性能的仿真分析

陳亞,尤偉,章易程,劉曉靜,陳佳萍,譚斌

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

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生命探測(cè)履帶車(chē)過(guò)溝性能的仿真分析

陳亞,尤偉,章易程,劉曉靜,陳佳萍,譚斌

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

通過(guò)運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件 RecurDyn對(duì)履帶車(chē)的過(guò)溝工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析履帶車(chē)過(guò)溝不同階段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提出速率比來(lái)衡量履帶車(chē)的過(guò)溝性能，并以此研究履帶車(chē)的重心位置等因素對(duì)其過(guò)溝性能的影響，為過(guò)溝性能高的履帶車(chē)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。研究結(jié)果表明：采用速率比能較好地衡量履帶車(chē)結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)溝性能的影響；重心位置相對(duì)于幾何中心靠前、靠下均有利于過(guò)溝性能的提升。

履帶車(chē)；過(guò)溝；性能；仿真

當(dāng)鐵路災(zāi)難事故發(fā)生后，由于線(xiàn)路中斷無(wú)法快速調(diào)配救援物資，故搜救生命并盡快恢復(fù)通車(chē)的要求使得時(shí)間成為救援工作的關(guān)鍵要素[1]。如果能研發(fā)一種能裝載生命探測(cè)儀的小車(chē)進(jìn)行生命探測(cè)，就可以提高搜救效率，減少救援時(shí)間。由于履帶車(chē)具有良好的地面適應(yīng)能力與機(jī)動(dòng)性能，往往成為復(fù)雜災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)搜救的機(jī)器人。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了有關(guān)履帶車(chē)的研究分析。Huh等[2]通過(guò)設(shè)計(jì)控制試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了履帶張緊力的研究模型，分析了不同工況下履帶張緊力狀態(tài)。A1-Milli 等[3]分析了履帶車(chē)整體重力及橫向阻力對(duì)轉(zhuǎn)向特性的影響規(guī)律，并得到了轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算模型。王國(guó)強(qiáng)等[4]通過(guò)總結(jié)不同特性、不同速度運(yùn)行的履帶車(chē)模型，建立了RTVPM高速履帶車(chē)模型和NTVPM低速履帶車(chē)模型。宋晗等[5]運(yùn)用多剛體虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真試驗(yàn)，研究分析了不同地面特性下的履帶張緊力。張季琴等[6]通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究了履帶拖拉機(jī)的牽引附著性能。裝載生命探測(cè)儀的履帶車(chē)與工程或軍事上的履帶車(chē)相比，往往需要具有小巧、低速以及靈活越障性能等要求，以確保全面、仔細(xì)而準(zhǔn)確地進(jìn)行生命探測(cè)。國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)有研究大多基于工程履帶車(chē)或軍事履帶車(chē)的動(dòng)力學(xué)研究等，雖然對(duì)履帶車(chē)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)有普遍的指導(dǎo)作用，但迄今為止并沒(méi)有關(guān)于履帶車(chē)靈活越障性能的研究報(bào)道。

為了確保履帶車(chē)翻轉(zhuǎn)后能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的需要，本文采用一種上下、左右、前后均對(duì)稱(chēng)的履帶車(chē)結(jié)構(gòu)，生命探測(cè)儀則安裝在車(chē)體中央部位。過(guò)溝是履帶車(chē)最常見(jiàn)的越障形式。本文以此結(jié)構(gòu)進(jìn)行履帶車(chē)過(guò)溝性能的分析，提出過(guò)溝性能指標(biāo)，并討論初始速度及履帶車(chē)重心等因素對(duì)其影響規(guī)律。

1　履帶車(chē)行駛的數(shù)學(xué)模型

1.1直線(xiàn)行駛運(yùn)動(dòng)分析

當(dāng)履帶車(chē)作直線(xiàn)行駛時(shí)，車(chē)體作直線(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)，而履帶環(huán)作卷繞運(yùn)動(dòng)。履帶車(chē)各點(diǎn)的速度如圖1所示，設(shè)車(chē)體與履帶環(huán)裝置共同的前進(jìn)速度為vq，履帶環(huán)在環(huán)繞著車(chē)身作往復(fù)的卷繞運(yùn)動(dòng)，其卷繞速度為vx，取履帶上任一點(diǎn)的瞬時(shí)絕對(duì)速度為vj，設(shè)前進(jìn)速度vq與絕對(duì)速度之間vj的夾角為θ，則有：

(1)

圖1　履帶的速度分析Fig.1 Analysis of track speed

如圖1所示，履帶環(huán)的卷繞運(yùn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針。若為水平地面，對(duì)于接地履帶區(qū)間，有θ=π，則其中的點(diǎn)的絕對(duì)速度為

vj=vq-vx

(2)

若vq

若vq>vx，vj>0，此時(shí)接地履帶區(qū)間滑動(dòng)的方向與履帶車(chē)運(yùn)動(dòng)的方向相同，這時(shí)產(chǎn)生滑移。

接地履帶區(qū)間上某點(diǎn)的滑轉(zhuǎn)速度與履帶環(huán)的卷繞速度的比值稱(chēng)為滑轉(zhuǎn)系數(shù)，接地履帶區(qū)間的滑轉(zhuǎn)程度可以用滑轉(zhuǎn)系數(shù)σ來(lái)表示[7]

(3)

令履帶車(chē)的行駛速度v=vq，則有：

v=(1-σ)vx

(4)

由式(4)可知幾種行駛情況如下：

1)當(dāng)σ=0時(shí)，即v=vx，為履帶車(chē)的理論行駛速度；

2)當(dāng)0<σ<1時(shí)，即v

3)當(dāng)σ=1時(shí)，即v=0，履帶原地空轉(zhuǎn)，履帶車(chē)行駛速度完全損失，稱(chēng)為完全滑轉(zhuǎn)；

4)當(dāng)σ<0時(shí)，即v>vx，履帶車(chē)行駛速度大于履帶的卷繞速度，履帶相對(duì)于地面產(chǎn)生滑移；

5)當(dāng)履帶被制死時(shí)，即vx=0，履帶車(chē)依賴(lài)本身的動(dòng)能向前滑移，表現(xiàn)為完全滑移。

1.2履帶車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)力

履帶車(chē)行駛過(guò)程中，土壤給履帶的驅(qū)動(dòng)力與土壤相關(guān)特性參數(shù)密切相關(guān)。在利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件 RecurDyn進(jìn)行分析之前也需要確定履帶車(chē)的行駛阻力。

應(yīng)用壓力-沉陷關(guān)系式，履帶式車(chē)輛的沉陷量z0為[8]

(5)

式中：W為整車(chē)質(zhì)量；ks為內(nèi)聚的土壤變形模量；kc為內(nèi)摩擦的土壤變形模量；b為履帶板的寬度；n為土壤的變形指數(shù)。

履帶車(chē)壓過(guò)土壤后，將形成了長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬b和深z0的車(chē)轍，其行駛驅(qū)動(dòng)力FRC為[7]

(6)

式中:kφ為摩擦變形模量，由土壤剛性成分所決定。

2　過(guò)溝過(guò)程分析

采用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件 RecurDyn[9-10]，建立如圖2所示的低速履帶車(chē)簡(jiǎn)化模型Track(LM)。車(chē)輪半徑R=365 mm，兩輪軸線(xiàn)的初始距離為輪半徑的6倍，即6R。采用深溝地面Ground模型。溝坑的初始寬度為w=3R。履帶車(chē)以后輪為驅(qū)動(dòng)輪、前輪為從動(dòng)輪沿著X正方向運(yùn)動(dòng)，重力方向?yàn)閅負(fù)方向，寬度方向?yàn)閆方向。

圖2　履帶車(chē)過(guò)溝模型Fig.2 Model of pit-crossing of tracked vehicle

通過(guò)仿真分析，履帶車(chē)過(guò)溝可以劃分為以下5個(gè)階段，如圖3所示。

(a)過(guò)溝準(zhǔn)備階段;(b)前輪懸空階段;(c)兩輪支撐階段;(d)后輪懸空階段;(e)恢復(fù)平穩(wěn)行駛階段圖3　履帶車(chē)過(guò)溝階段Fig.3 Stages of pit-crossing of tracked vehicle

a)過(guò)溝準(zhǔn)備階段：在水平路面，履帶車(chē)由靜止開(kāi)始加速至恒定速度，前輪到達(dá)溝坑左邊緣的過(guò)程。

b)前輪懸空階段：履帶車(chē)前輪離開(kāi)溝坑左邊緣進(jìn)入溝坑內(nèi)的過(guò)程。

c)兩輪支撐階段：履帶車(chē)前后兩輪支撐在溝坑左右兩邊緣的過(guò)程。

d)后輪懸空階段：履帶車(chē)后輪脫離溝坑左邊緣到達(dá)右邊緣的過(guò)程。

e)恢復(fù)平穩(wěn)行駛階段：履帶車(chē)脫離溝坑右邊緣直至平穩(wěn)前進(jìn)的過(guò)程。

如圖4表示履帶車(chē)過(guò)溝時(shí)俯仰角的變化。在5 s以前，履帶車(chē)處于過(guò)溝準(zhǔn)備階段，由于啟動(dòng)時(shí)或前輪接觸溝坑左邊緣時(shí)車(chē)與地面的相互作用，履帶車(chē)會(huì)有微小振動(dòng)，俯仰角也就有微小波動(dòng)，但均接近0。在5～6.7 s之間，履帶車(chē)處于前輪懸空階段，此時(shí)履帶車(chē)體重心離溝坑左邊緣越遠(yuǎn)，履帶車(chē)頭部下傾越嚴(yán)重，若溝坑太寬，則履帶車(chē)會(huì)墜落。6.7～8.5 s之間，履帶車(chē)處于兩輪支撐階段；從前輪碰到溝坑的右邊緣開(kāi)始，履帶車(chē)下傾角度逐漸變??；當(dāng)前輪軸線(xiàn)位于溝坑右邊緣的正上方時(shí)，履帶車(chē)的俯仰角變?yōu)?。8.5～10.2 s之間，履帶車(chē)處于后輪懸空階段，隨著履帶車(chē)重心逐漸脫離溝坑的左邊緣，履帶車(chē)后仰角度逐漸變大；當(dāng)10.2 s時(shí)重心正好位于溝坑右邊緣的正上方，后仰角達(dá)到最大值。10.2～15 s之間為履帶車(chē)處于恢復(fù)平穩(wěn)行駛的階段，由于履帶車(chē)的慣性，即使在后輪脫離溝坑的右邊緣后，還會(huì)以一定的后仰角度向前行駛，但因重心作用，履帶車(chē)的后仰角逐漸變小，當(dāng)達(dá)到15 s以后，履帶車(chē)行駛穩(wěn)定，至此，過(guò)溝過(guò)程完成。

圖4　履帶車(chē)俯仰角變化曲線(xiàn)Fig.4 Curves of tracked vehicle pitch angle

3　過(guò)溝性能分析

3.1過(guò)溝性能指標(biāo)

(7)

(8)

式中:w為溝坑的寬度；t為過(guò)溝時(shí)間。

為了確定過(guò)溝起訖時(shí)間的方便，不妨忽略過(guò)溝后恢復(fù)平穩(wěn)的時(shí)間，以前輪軸線(xiàn)正好在溝坑左邊緣正上方的時(shí)刻為起始時(shí)刻，以后輪軸線(xiàn)處于溝坑右邊緣正上方的時(shí)刻為過(guò)溝的結(jié)束時(shí)刻。

過(guò)溝性能指標(biāo)越大，則說(shuō)明在過(guò)溝的過(guò)程中，平均速度與初始速度的比值越大，也就說(shuō)明了過(guò)溝性能越好，反之則過(guò)溝性能越差。當(dāng)履帶車(chē)不能跨過(guò)溝坑時(shí)，可以定義過(guò)溝時(shí)間t無(wú)窮大，則：rp=0 。

設(shè)履帶車(chē)的重心與幾何中心重合，其坐標(biāo)為(0，0，0)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪的初始速度為90°/s時(shí)，圖5表示前、后輪軸線(xiàn)的X坐標(biāo)隨時(shí)間變化規(guī)律，履帶車(chē)啟動(dòng)后的短暫時(shí)間內(nèi)，其軸線(xiàn)的X坐標(biāo)會(huì)保持不變，這是由于地面的松軟性使得履帶車(chē)與地面接觸形成完全滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。過(guò)溝的起訖時(shí)間可以根據(jù)軸線(xiàn)的X坐標(biāo)來(lái)判定。

圖5　前、后輪軸線(xiàn)X坐標(biāo)Fig.5 X coordinate of front and rear wheel axis

3.2影響因素分析

選取初始速度與履帶車(chē)體重心位置作為影響因素進(jìn)行分析。

設(shè)重心坐標(biāo)為(0，0，0)，后輪的半徑R=365 mm，并以w=3R作為溝寬。

3.2.1初始速度

表1表明，履帶車(chē)初速度越大，過(guò)溝準(zhǔn)備時(shí)間越短，過(guò)溝開(kāi)始時(shí)間越早，過(guò)溝結(jié)束時(shí)間也越早，即履帶車(chē)初始速度越大，過(guò)溝時(shí)間越短，反之則越長(zhǎng)，但過(guò)溝性能指標(biāo)幾乎保持不變，即通過(guò)溝坑的能力幾乎不變。這說(shuō)明該過(guò)溝性能指標(biāo)可以較好地過(guò)濾初始速度的影響，以反映幾何結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)溝性能的影響。

表1初始速度對(duì)過(guò)溝性能指標(biāo)的影響

Table 1 The impact of initial speed on pit-crossing performance

初始速度/(°/s)過(guò)溝開(kāi)始時(shí)刻/s過(guò)溝結(jié)束時(shí)刻/s過(guò)溝所用時(shí)間/s過(guò)溝性能指標(biāo)3010.7328.8618.130.360606.8715.959.080.359905.5711.636.060.3591204.939.434.460.3591504.558.193.640.359

3.2.2重心的X坐標(biāo)

表2表明，當(dāng)初始速度為30 °/s時(shí)，重心Y坐標(biāo)為0時(shí)，X坐標(biāo)對(duì)過(guò)溝性能指標(biāo)的影響規(guī)律。其中，符號(hào)“-”代表重心向與運(yùn)動(dòng)方向相反的方向偏移, “+”表示重心向與運(yùn)動(dòng)方向相同的方向偏移。

表2　X坐標(biāo)對(duì)過(guò)溝性能指標(biāo)的影響Table 2 Impact of X coordinate on pit-crossing performance

表2表明：重心靠后將因?yàn)檫^(guò)溝準(zhǔn)備時(shí)間增加而導(dǎo)致推遲過(guò)溝開(kāi)始時(shí)間，這是由于重心適當(dāng)前移可以使履帶與地面有較好的接觸而增加驅(qū)動(dòng)力。若采用圖6來(lái)表示過(guò)溝性能指標(biāo)可以明顯看到：當(dāng)重心位置相對(duì)中心位置后移不利于過(guò)溝，如果重心位置相對(duì)中心位置適當(dāng)前移有利于提高過(guò)溝性能，這是由于以下兩因素綜合作用的效果：重心后移會(huì)增加準(zhǔn)備階段的時(shí)間、增加恢復(fù)平穩(wěn)階段的時(shí)間，而過(guò)多前移則會(huì)因?yàn)榍拜喴蚋笾亓囟聝A更多，從而增加前輪懸空階段的時(shí)間。

圖6　過(guò)溝性能指標(biāo)變化曲線(xiàn)Fig.6 Curves of pit-crossing performance

3.2.3重心的Y坐標(biāo)

由于履帶車(chē)的重心在Y方向的高度不能超過(guò)履帶的上下高度界限，否則會(huì)影響履帶車(chē)順利越障，因此設(shè)置其上下浮動(dòng)量為0.25R。表3表示初始速度固定為30°/s，X坐標(biāo)為0時(shí)，Y坐標(biāo)對(duì)過(guò)溝性能指標(biāo)的影響。其中，符號(hào)“-”表示重心自中心下移；“+”表示重心自中心上移。

表3　Y坐標(biāo)對(duì)過(guò)溝性能指標(biāo)的影響Table 2 Impact of Y coordinate on pit-crossing performance

由表3可知，高度方向的Y坐標(biāo)對(duì)過(guò)溝的開(kāi)始時(shí)刻沒(méi)有影響，這是因?yàn)樵谥本€(xiàn)行駛過(guò)程中，履帶車(chē)所受到的地面提供的驅(qū)動(dòng)力并未受到影響。此外，表3還表明：重心下移則會(huì)使得過(guò)溝結(jié)束得早，這是由于重心下移有利于前輪懸空時(shí)減小傾覆力臂而減小車(chē)下傾程度，同時(shí)由于重心低而具有較快恢復(fù)平穩(wěn)的緣故。所以，重心降低有利于提高過(guò)溝性能指標(biāo)。

4　結(jié)論

1)采用平均速度比初始速度作為過(guò)溝性能指標(biāo)，較好地反映了履帶車(chē)結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)溝性能的影響；

2)履帶車(chē)重心位置相對(duì)于其幾何中心稍靠前、靠下的位置有利于其完成過(guò)溝。

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Simulation and analysis of pit-crossing performance of life detection tracked vehicle

CHEN Ya, YOU Wei, ZHANG Yicheng, LIU Xiaojing, CHEN Jiaping, TAN Bin

(School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

By means of multi-body dynamics analysis software RecurDyn, some simulation analyses of pit-crossing of tracked vehicle were performed. The different movement stage of pit-crossing of tracked vehicles were then analyzed .The velocity ratio was proposed to evaluate the pit-crossing performance of tracked vehicle. Also, the gravity position which affects pit-crossing performance of tracked vehicle were studied to obtain some theoretical knowledge for design of tracked vehicle. The results show that the velocity ratio has a good effect to evaluate the influence of structure of tracked vehicle on pit-crossing performance, and the gravity position of tracked vehicle should be lower and further than geometric center in order to improve pit-crossing performance.

tracked vehicle; pit-crossing; performance; simulation

2015-12-17

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(02A0027)

章易程(1965-)，男，湖南長(zhǎng)沙人，副教授，博士，從事車(chē)輛動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)、多相流體力學(xué)與CFD技術(shù)、非標(biāo)機(jī)械設(shè)計(jì)等研究；E-mail:yczhang@csu.edu.cn

U216.4

A

1672-7029(2016)10-2051-05