海底采礦車(chē)斜坡越障通過(guò)性分析與仿真研究*

□ 劉金輝□ 谷 煒□ 孟兆磊□ 姜 勇

1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 北京100083

2.北京科技大學(xué)東凌經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 北京100083

3.北京礦冶研究總院機(jī)械研究所 北京100160

深海礦產(chǎn)資源豐富，但深海復(fù)雜多變的地形環(huán)境是一個(gè)不確定的、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，研制通過(guò)性好、越障和繞障性能強(qiáng)、安全性和可靠性高的海底采礦車(chē)是各國(guó)發(fā)展深海技術(shù)的核心關(guān)鍵［1-5］。筆者對(duì)所設(shè)計(jì)的海底采礦車(chē)斜坡越障通過(guò)性進(jìn)行了詳細(xì)分析，為我國(guó)海底采礦車(chē)及其它領(lǐng)域探測(cè)車(chē)的研制提供理論參考和技術(shù)支持，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值［6-8］。

1 基本結(jié)構(gòu)

海底采礦車(chē)如圖1所示，車(chē)的復(fù)合輪組機(jī)構(gòu)如圖2所示，三個(gè)車(chē)輪W1、W2、W3在油缸1和油缸2的伸縮輔助作用下可實(shí)現(xiàn)一定程度的空間結(jié)構(gòu)變化，從而使整個(gè)機(jī)構(gòu)兼有主、被動(dòng)混合越障模式［9-10］。主動(dòng)模式下可以越過(guò)高于輪胎半徑的垂直障礙，跨過(guò)大于輪胎直徑的壕溝；被動(dòng)模式下可以爬30°坡，自適應(yīng)普通海底地質(zhì)環(huán)境行駛等。

2 斜坡越障力學(xué)建模分析

2.1 斜坡越障通過(guò)性力學(xué)建模分析

當(dāng)海底采礦車(chē)自適應(yīng)爬斜坡時(shí)，其力學(xué)模型如圖3所示。

▲圖1 海底采礦車(chē)

假設(shè)海底采礦車(chē)復(fù)合輪組的重力簡(jiǎn)化到各個(gè)車(chē)輪時(shí)為Gwi，則各車(chē)輪滿足以下關(guān)系：

式中：Fti為各輪在驅(qū)動(dòng)力矩Ti作用下與地面間的附著牽引力；Ni為各輪與地面間的法向支反力；β為移動(dòng)系統(tǒng)爬行的坡面傾斜角；Fri為各輪的滾動(dòng)阻力；μs為車(chē)輪與路面間的均一附著系數(shù)；Ga、Gb為前、后車(chē)體重力。

▲圖2 復(fù)合輪組機(jī)構(gòu)圖

設(shè)fep為車(chē)輪滾動(dòng)均一當(dāng)量阻尼系數(shù)，則式（1）為：

取 μs=0.8、fep=0.2時(shí)，可求得 β≤30.96°。

2.2 斜坡越障傾覆失效力學(xué)建模分析

臨界側(cè)傾角是指海底采礦車(chē)側(cè)傾而不傾覆的極限傾角，它是評(píng)定其單側(cè)車(chē)輪同時(shí)越過(guò)障礙物最大高度的能力及其在傾斜路面的橫向行駛能力的重要指標(biāo)。

當(dāng)海底采礦車(chē)自適應(yīng)爬斜坡時(shí)，其傾覆失效模型如圖4所示。

海底采礦車(chē)在傾斜角度為β的坡面上橫向勻速行駛時(shí)，當(dāng)β角達(dá)到一定的數(shù)值，海底采礦車(chē)將處于以下方車(chē)輪外側(cè)為軸線的傾覆臨界狀態(tài)。此時(shí)，上方車(chē)輪支反力為零，雖然下方支撐車(chē)輪受到路面的支反力和摩擦力，但這些力都通過(guò)傾覆軸線，所以臨界側(cè)傾角βm的計(jì)算式為：

式中：G為海底采礦車(chē)總質(zhì)量；W為海底采礦車(chē)寬度；hc為海底采礦車(chē)質(zhì)心高度。

海底采礦車(chē)實(shí)際側(cè)傾角滿足β≤βm時(shí)，才不致傾覆。由式（6）可以看出，海底采礦車(chē)的質(zhì)心高度越低，其臨界側(cè)傾角越大，但對(duì)質(zhì)心高度要求過(guò)低，會(huì)對(duì)有效載荷的布置帶來(lái)困難，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

▲圖3 海底采礦車(chē)斜坡越障力學(xué)模型

▲圖4 海底采礦車(chē)傾覆失效模型

海底采礦車(chē)在側(cè)傾角度為β的坡面上橫向行駛時(shí)，還有可能發(fā)生側(cè)滑，臨界側(cè)滑角βm′的計(jì)算式為：

式中：fc為車(chē)輪與地面間的側(cè)向附著系數(shù)。

滿足β≤βm′時(shí)，海底采礦車(chē)才不會(huì)側(cè)滑?？紤]到海底采礦車(chē)的安全性，寧愿?jìng)?cè)滑也不傾覆，則應(yīng)βm＞βm′，得到：

3 斜坡越障仿真研究

3.1 30°斜坡越障仿真

海底采礦車(chē)的車(chē)輪直徑為439 mm，每套輪組的輪距為550 mm，對(duì)其30°斜坡越障進(jìn)行仿真分析，海底采礦車(chē)30°越障仿真過(guò)程如圖5所示。

3.2 30°斜坡越障仿真結(jié)果分析

圖6為海底采礦車(chē)左前復(fù)合輪組車(chē)輪運(yùn)動(dòng)曲線，圖6（a）～圖6（c）分別為海底采礦車(chē)左前復(fù)合輪組前輪、中輪、后輪各自質(zhì)心的豎直位移、速度、加速度曲線。從曲線中可以看出，在30°斜坡越障過(guò)程中，前輪、中輪、后輪質(zhì)心的位移、速度、加速度曲線變化趨勢(shì)基本一致，下面對(duì)仿真曲線進(jìn)行分析：

▲圖5 海底采礦車(chē)30°斜坡越障仿真圖

▲圖6 海底采礦車(chē)左前復(fù)合輪組車(chē)輪運(yùn)動(dòng)曲線

（1）在0～5 s過(guò)程中，前輪組的前輪行駛至斜坡前開(kāi)始爬坡，豎直位移保持不變，前輪速度從0增大后保持勻速不變；

（2）在5～20 s過(guò)程中，前輪組的前、中、后輪爬上斜坡，豎直位移隨斜坡逐漸增大，前、中、后輪分別受到斜坡阻力作用，導(dǎo)致前輪速度有三處微小波動(dòng)，基本保持勻速爬坡；

（3）在20～40 s過(guò)程中，前輪組在斜坡上行駛至后輪組的前輪開(kāi)始爬坡，豎直位移隨斜坡繼續(xù)增大，前輪速度保持勻速爬坡；

（4）在40～55 s過(guò)程中，后輪組的前、中、后輪爬上斜坡，豎直位移隨斜坡繼續(xù)增大，后輪組的前、中、后輪分別受到斜坡阻力作用，導(dǎo)致前輪速度有三處微小波動(dòng)，但基本保持勻速爬坡；

（5）在55～105 s過(guò)程中，整個(gè)行走機(jī)構(gòu)在斜坡上行駛至前輪組的前輪上坡前，豎直位移隨斜坡繼續(xù)增大，前輪速度保持勻速爬坡；

（6）在105～120 s過(guò)程中，前輪組的前、中、后輪爬上斜坡，豎直位移上坡后保持不變，前輪組的前、中、后輪分別受到上斜坡阻力作用，導(dǎo)致前輪速度有三處微小波動(dòng)，基本保持勻速爬坡；

（7）在120～135 s過(guò)程中，前輪組爬上斜坡平臺(tái)至后輪組的前輪抵達(dá)斜坡平臺(tái)前，豎直位移在斜坡平臺(tái)上保持不變，前輪速度保持勻速爬坡；

（8）在135～160 s過(guò)程中，后輪組的前、中、后輪爬上斜坡平臺(tái)，豎直位移在斜坡平臺(tái)上保持不變，后輪組的前、中、后輪分別受到上斜坡平臺(tái)阻力作用，導(dǎo)致前輪速度有三處微小波動(dòng)，基本保持勻速爬坡，至此仿真結(jié)束。

圖7為海底采礦車(chē)主車(chē)體運(yùn)動(dòng)曲線，圖7（a）和圖7（b）分別為海底采礦車(chē)車(chē)體中心的豎直位移、速度、加速度、角加速度曲線。從曲線中可以看出，車(chē)體中心的位移、速度加速度曲線反映出越障過(guò)程變化的趨勢(shì)與前輪質(zhì)心位移、速度、加速度的變化趨勢(shì)基本一致?？傮w上變化比較平穩(wěn)，僅在各車(chē)輪上下斜坡瞬間有微小的波動(dòng)，驗(yàn)證了海底采礦車(chē)良好的穩(wěn)定性和越障通過(guò)性。

圖8為海底采礦車(chē)左前復(fù)合輪組車(chē)輪及鉸點(diǎn)J受力分析曲線，圖8（a）至圖8（c）分別為海底采礦車(chē)左前復(fù)合輪組左前、中、后輪水平方向、垂直方向受力曲線及鉸點(diǎn)J的受力曲線。從曲線中可以看出，在30°斜坡越障過(guò)程中，各輪受力大小基本相同，都出現(xiàn)在各車(chē)輪上下斜坡的過(guò)程，仿真結(jié)果表明海底采礦車(chē)具有良好爬坡能力和行駛穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者以復(fù)合式海底采礦車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)30°斜坡越障通過(guò)性進(jìn)行分析和仿真，獲得了海底采礦車(chē)的動(dòng)力學(xué)特性曲線，為海底采礦車(chē)的研制及測(cè)試驗(yàn)證提供參考。

▲圖7 海底采礦車(chē)主車(chē)體運(yùn)動(dòng)曲線

▲圖8 左前復(fù)合輪組車(chē)輪及鉸點(diǎn)J受力分析曲線