橡膠履帶底盤的研究進(jìn)展

張 拓，岳高峰，劉 妤

(1.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 重慶 400054； 2.重慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站， 重慶 632160)

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，耕地主要分布在山地、高原和丘陵地區(qū)[1]。這些地區(qū)地形復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境惡劣。普通輪式底盤接地比壓較大，抓地能力差，工作時(shí)打滑現(xiàn)象嚴(yán)重，因此不能穩(wěn)定地工作；而金屬履帶底盤受材料的限制，導(dǎo)致底盤整體質(zhì)量偏大，因此對(duì)地面破壞較為嚴(yán)重[2]?？梢?，目前迫切需要一種適用于丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的動(dòng)力底盤。

橡膠履帶底盤集成了輪式底盤和金屬履帶底盤的優(yōu)點(diǎn)，使其配套機(jī)械接地比壓小、牽引性好、轉(zhuǎn)向靈活；機(jī)動(dòng)性好，可靠性強(qiáng)；越野能力強(qiáng)，作業(yè)效率高；操縱舒適性良好，噪聲低，緩沖性好，不失為丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力底盤的一種優(yōu)選方案。本文總結(jié)了橡膠履帶底盤的典型結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向方式，概述了該類底盤的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展以及虛擬樣機(jī)技術(shù)在履帶底盤研究中的應(yīng)用，并探討了橡膠履帶底盤研發(fā)中存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展方向。

1 橡膠履帶底盤的特點(diǎn)

1.1 橡膠履帶底盤的分類

如圖1所示，橡膠履帶底盤行走系由履帶行走裝置、懸架和車架等3部分組成[3-4]。其中，履帶行走裝置主要由驅(qū)動(dòng)輪、張緊輪、履帶、臺(tái)車架、支重輪、拖帶輪和張緊裝置等組成；懸架裝置由懸架和臺(tái)車架組成，其作用是連接行走裝置和車架部分，保證車輛工作時(shí)的可靠性；車架部分主要用于固定車輛的各部件和配套工作部件，保證車輛工作時(shí)的穩(wěn)定性。

1.驅(qū)動(dòng)輪； 2.履帶； 3.支重輪； 4.臺(tái)車架；5.張緊裝置；6.張緊輪；7.車架；8.懸架；9.拖帶輪

按照臺(tái)車架的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪的布置方式不同，橡膠履帶底盤可以分為整體臺(tái)車架式履帶底盤、平衡臺(tái)車架式履帶底盤、獨(dú)立臺(tái)車架式履帶底盤和三角履帶底盤等4種結(jié)構(gòu)[5-7]。下面分別進(jìn)行介紹。

1) 整體臺(tái)車架式履帶底盤。這種履帶底盤的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，行走裝置的各部件通過(guò)連接件直接固定在臺(tái)車架上。底盤工作時(shí)，各部件位置相對(duì)固定，支重輪的排布比較均勻，所以對(duì)地面的壓力相對(duì)均勻，適用于行駛速度較低的車輛[8]。這種履帶底盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空間充裕，農(nóng)具的布置和安裝比較方便，因此在農(nóng)用機(jī)械中應(yīng)用比較廣泛。

圖2 整體臺(tái)車架式履帶底盤

2) 平衡臺(tái)車架式履帶底盤。這種履帶底盤的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示，每側(cè)有2～3個(gè)平衡臺(tái)車，支重輪之間通過(guò)平衡杠桿和彈性元件連接，并與驅(qū)動(dòng)輪、拖帶輪、導(dǎo)向輪固定在車架上[9-10]。底盤工作時(shí)，平衡臺(tái)車上的支重輪能結(jié)合實(shí)際路況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，從而減小行駛過(guò)程中的振動(dòng)，改善平順性。這種履帶底盤比較適用于行駛速度較高的車輛。

圖3 平衡臺(tái)車架式履帶底盤

3) 獨(dú)立臺(tái)車架式履帶底盤。這種履帶底盤的典型結(jié)構(gòu)如圖4所示，每一個(gè)支重輪通過(guò)彈性構(gòu)件與車架相連[11]。底盤工作時(shí)，每一個(gè)支重輪都可以根據(jù)路況調(diào)整位置，從而減小行駛過(guò)程中的振動(dòng)，改善平順性。但是，這種履帶底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜且制造成本高，因此民用領(lǐng)域應(yīng)用較少，常用于高速軍用履帶車輛。

圖4 獨(dú)立臺(tái)車架式履帶底盤

4) 三角履帶底盤。這種履帶底盤的典型結(jié)構(gòu)如圖5所示，驅(qū)動(dòng)輪、張緊輪和導(dǎo)向輪分別位于三角形履帶的各頂點(diǎn)處[12]。由于驅(qū)動(dòng)裝置位于三角形的頂部，因而提高了底盤的離地高度，確保了履帶底盤的離地間隙，使履帶車輛能滿足多數(shù)農(nóng)作物收獲的離地間隙需求。這種履帶底盤具有良好的通過(guò)性能和優(yōu)良的越障性能，在農(nóng)用履帶車輛中應(yīng)用比較廣泛。

圖5 農(nóng)夫NF-702輕型履帶拖拉機(jī)

1.2 履帶式動(dòng)力底盤轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的分類

與輪式車輛的轉(zhuǎn)向不同的是，履帶式底盤的轉(zhuǎn)向是通過(guò)改變行走裝置兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這也導(dǎo)致履帶式車輛很難按照駕駛員意愿在任意速度下實(shí)現(xiàn)任意半徑的轉(zhuǎn)彎。隨著農(nóng)用履帶車輛功率的增大和車速的提高，其轉(zhuǎn)向性能的要求也越來(lái)越高[13]。

按照驅(qū)動(dòng)方式的不同，履帶式底盤的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)大致可以分為純機(jī)械驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、純液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和液壓機(jī)械聯(lián)合驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等3類。下面分別進(jìn)行介紹。

1) 純機(jī)械驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括離合器和制動(dòng)器、單差速器、雙差速器、單級(jí)行星機(jī)構(gòu)等幾種類別[14]，主要用于重型履帶車輛。其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊、制造比較方便、耐磨，對(duì)保養(yǎng)的要求不高。但是，隨著功率和車速的提高，這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在應(yīng)用上會(huì)受到一定的限制，而且直線度不太好，轉(zhuǎn)向時(shí)操作比較麻煩，無(wú)法完成原地轉(zhuǎn)向。

2) 純液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要分為靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(HST)和雙變量泵與雙定量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，常用于工程機(jī)械的驅(qū)動(dòng)裝置。相對(duì)于機(jī)械驅(qū)動(dòng)而言，液壓驅(qū)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，且元件體積較小，在底盤上配置比較靈活，但是，其成本高、效率低。雙變量泵與雙定量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以2套獨(dú)立的HST裝置分別驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪，并依靠?jī)蓚?cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。這種系統(tǒng)操作性、通過(guò)性和機(jī)動(dòng)性良好，且具有功率密度高、布局方便、過(guò)載保護(hù)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[15]，但是，其生產(chǎn)成本較高，在長(zhǎng)時(shí)間、大負(fù)載的工況下，系統(tǒng)發(fā)熱比較嚴(yán)重，瞬時(shí)油耗較高。

3) 液壓機(jī)械聯(lián)合驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率在多擋變速箱的輸入軸上分流，一路流向液壓泵-液壓馬達(dá)組成的轉(zhuǎn)向調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)液壓控制轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)任意轉(zhuǎn)向半徑的連續(xù)轉(zhuǎn)向，以提高底盤操作的靈活性；另一路流向多擋變速箱，減少轉(zhuǎn)向過(guò)程中造成的制動(dòng)功率損失。這種方式綜合了機(jī)械傳動(dòng)的高效率和液壓傳動(dòng)布置靈活、可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速等特性，常用于農(nóng)用履帶拖拉機(jī)[16]。

1.3 橡膠履帶底盤的優(yōu)勢(shì)

橡膠履帶底盤集成了輪式底盤和金屬履帶底盤的優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：

1) 接地比壓小，通過(guò)性好，能確保機(jī)械在濕地環(huán)境下正常工作，擴(kuò)展了機(jī)械的作業(yè)地域。同時(shí)，對(duì)土壤的壓實(shí)程度較小，減小了對(duì)植物根系的損害程度[15]。

2) 對(duì)地面的損壞程度明顯低于金屬履帶底盤。橡膠履帶底盤在路上行駛時(shí)不會(huì)造成地面損壞，因此在轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中不需要專門的運(yùn)輸工具，簡(jiǎn)化了履帶底盤的運(yùn)輸方式[17]。

3) 橡膠履帶可以吸收部分振動(dòng)，因此履帶底盤工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲相對(duì)較小，可以延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命，減緩駕駛?cè)藛T的疲勞程度[18]。

4) 行駛速度較金屬履帶底盤更高。一般芯鐵式橡膠履帶車輛時(shí)速可達(dá)15～20 km/h，而摩擦式橡膠履帶車輛時(shí)速可達(dá)40～50 km/h[19]。

5) 省略了履帶板、履帶銷等構(gòu)件，這不僅可以降低履帶自重，簡(jiǎn)化履帶更換流程，而且可以減少因履帶內(nèi)部摩擦而造成的功率損失。

6) 相比輪式底盤和金屬履帶底盤，橡膠履帶底盤與地面的接觸面積更大，有利于獲取更大的牽引力。

2 橡膠履帶底盤的研究進(jìn)展

隨著車輛地面力學(xué)和多體動(dòng)力學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)理論的發(fā)展，研究人員對(duì)履帶底盤的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、動(dòng)力特性的認(rèn)知也逐步深刻。同時(shí)，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，依托三維軟件建模、多體動(dòng)力學(xué)和有限元分析等技術(shù)發(fā)展而來(lái)的虛擬樣機(jī)技術(shù)取得了較大進(jìn)展，研究人員嘗試突破傳統(tǒng)的針對(duì)履帶底盤的“試驗(yàn)—試制—試驗(yàn)—改進(jìn)”設(shè)計(jì)模式，將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于履帶底盤的研究。

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外一些研究機(jī)構(gòu)早已將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于履帶底盤的研發(fā)。

美國(guó)陸軍坦克-機(jī)動(dòng)車輛研發(fā)與工程中心(TARDEC)的Joseph等[20]考慮車輛與土壤之間的耦合作用對(duì)履帶底盤進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模和分析，利用庫(kù)侖的橫向地球壓力理論和特爾扎吉的被動(dòng)土壤失效模型計(jì)算了履帶底盤運(yùn)行過(guò)程中軟土受到的力，并評(píng)估了該建模和模擬分析方法在軟土地面上的先進(jìn)性和局限性。

俄羅斯工程科學(xué)研究所的Taratorkin等[21]采用虛擬樣機(jī)與物理樣機(jī)試驗(yàn)相結(jié)合的方式研究了車輛履帶運(yùn)動(dòng)軌跡變化和功率參數(shù)變化，并設(shè)計(jì)了一套改善車輛運(yùn)動(dòng)特性的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化方案，較好地提升了履帶車輛的高速特性。

韓國(guó)海洋工程研究院的Kim等[22-23]提出了一種針對(duì)復(fù)雜多體履帶車輛系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析的子系統(tǒng)綜合分析方法。該方法以一款大型的海底硫化物采集裝置為對(duì)象，將履帶車輛系統(tǒng)分解為多個(gè)子系統(tǒng)和虛擬無(wú)質(zhì)量參照物進(jìn)行獨(dú)立分析，通過(guò)對(duì)虛擬無(wú)質(zhì)量參照物的位置、速度和加速度等的分析求解得到基體方程，再基于基體方程對(duì)各子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解，提高了計(jì)算的效率和精度。

印度理工學(xué)院的Paul等[24]研究了履帶車輛在軟地面上的移動(dòng)性和行駛穩(wěn)定性，建立了一種軟土-履帶相互作用力模型，并提出了一種預(yù)測(cè)履帶區(qū)域剪切位移的方法。該方法結(jié)合履帶車輛的位置和方位信息預(yù)測(cè)履帶區(qū)域的剪切位移分布，通過(guò)與現(xiàn)有方法的比較，驗(yàn)證了方法的可行性。Saayan Banerjee等[25]針對(duì)所設(shè)計(jì)的履帶式步兵戰(zhàn)車，建立了數(shù)學(xué)模型，仿真分析了該模型在不同虛擬環(huán)境下的性能，并結(jié)合分析結(jié)果優(yōu)化了戰(zhàn)車設(shè)計(jì)方案。

印度戰(zhàn)斗車輛研究與發(fā)展機(jī)構(gòu)的Jothi等[26]對(duì)軍用履帶車輛的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了剛?cè)狁詈戏治?，通過(guò)柔性化處理履帶車輛的重要零部件，導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)分析軟件進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治?，并將分析結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了仿真模型的可靠性和穩(wěn)定性。

波蘭西里西亞理工大學(xué)的Tomasz Czapla等[27]利用虛擬仿真技術(shù)對(duì)高速履帶在崎嶇地形工作時(shí)的懸架系統(tǒng)進(jìn)行了分析，建立了高速履帶懸架系統(tǒng)的模型，利用動(dòng)力學(xué)軟件和Matlab / SIMULINK聯(lián)合仿真模擬了不同張緊力對(duì)履帶車輛行駛性能的影響，確定了張緊力在控制系統(tǒng)中的設(shè)置參數(shù)。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Xu等[28]針對(duì)履帶車輛在復(fù)雜地形下運(yùn)動(dòng)軌跡不穩(wěn)定的問(wèn)題，基于虛擬滑移誤差矢量模型提出了一種自適應(yīng)的最小值-最大值模型預(yù)測(cè)控制方法，提高了履帶車輛軌跡預(yù)測(cè)的精度和魯棒性。

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)對(duì)于履帶底盤性能的研究起步較晚，主要采用傳統(tǒng)的“物理樣機(jī)”研發(fā)方式。目前已有部分高校和研究機(jī)構(gòu)嘗試將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于履帶底盤的研究。

裝甲兵工程學(xué)院的郭曉林等[29-30]基于模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種履帶車輛動(dòng)力學(xué)性能研究方案。該方案設(shè)計(jì)了一款利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的履帶模型車，基于數(shù)據(jù)采集結(jié)果對(duì)模型車的性能進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步研究了履帶車輛的行駛性能和行駛阻力，這對(duì)于履帶車輛的動(dòng)力學(xué)研究有一定的指導(dǎo)意義。王紅巖等[31]對(duì)履帶車輛的建模和仿真方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并介紹了一種利用動(dòng)力學(xué)模型替代物理樣機(jī)在極限工況、破壞性、危險(xiǎn)性工況以及特殊要求試驗(yàn)工況下試驗(yàn)的方法，確保了試驗(yàn)車輛及人員的安全，提高了試驗(yàn)效率。芮強(qiáng)等[32]提出了一種基于蒙特卡羅隨機(jī)模擬分析與確定性虛擬樣機(jī)模型相結(jié)合的建模方法，并結(jié)合履帶車輛接地壓力的計(jì)算實(shí)例，詳細(xì)介紹了該建模方法，為在不確定性環(huán)境下履帶車輛的牽引特性和機(jī)動(dòng)性的評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。吳奕等[33]研究了高速履帶車輛行駛的平順性，通過(guò)將路面不平度和車輛行駛速度相結(jié)合對(duì)模型進(jìn)行了仿真分析，同時(shí)，在仿真環(huán)境下通過(guò)采集車體典型部件的振動(dòng)響應(yīng)分析了其振動(dòng)特性，為履帶車輛平順性研究提供了參考。

洛陽(yáng)理工學(xué)院的田全忠等[34]針對(duì)傳統(tǒng)的履帶車輛采用轉(zhuǎn)向離合器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向存在的問(wèn)題，提出了機(jī)械液壓雙功率流速差轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)思，推導(dǎo)了履帶底盤輸出轉(zhuǎn)速、扭矩的解析表達(dá)式，并利用試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論的正確性和可行性。

長(zhǎng)春機(jī)械研究所的劉國(guó)民等[35]對(duì)影響履帶底盤轉(zhuǎn)向的諸多因素如履帶接地長(zhǎng)度、軌距、履帶寬度以及2條履帶行進(jìn)速度等進(jìn)行了綜合考慮，建立了履帶底盤轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)模型，對(duì)眾多試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值分析，并得出了指導(dǎo)性結(jié)論。

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)的呂小榮等[36]針對(duì)我國(guó)西南丘陵山區(qū)地形及套作種植的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種小型多功能底盤液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器的無(wú)級(jí)變速和原地轉(zhuǎn)向，有效解決了套作地頭空間轉(zhuǎn)向問(wèn)題。爬坡試驗(yàn)結(jié)果表明，樣機(jī)能平穩(wěn)通過(guò)小于25°的斜坡，可以滿足西南丘陵山區(qū)行走作業(yè)的基本要求。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)趙建柱等[37]設(shè)計(jì)了一種具有農(nóng)用仿形功能的農(nóng)用動(dòng)力底盤。該底盤在每個(gè)減振裝置上裝有螺旋彈簧液壓減振器，其擺臂能隨地面不平度變化及底盤承重情況下通過(guò)在車架一側(cè)縱向平面擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)其具有變剛度的特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，該底盤滿載時(shí)最大爬坡度約60%，最高作業(yè)速度可達(dá)3 km/h，在非道路工況下行駛具有良好的地面仿形、平順性和通過(guò)性。

中國(guó)北方車輛研究院的李明勇等[38]利用Simscape軟件建立了履帶車輛發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，借助RecurDyn軟件建立了履帶車輛行走機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型和路面模型，并通過(guò)聯(lián)合仿真平臺(tái)建立了發(fā)動(dòng)機(jī)—傳動(dòng)系統(tǒng)—行走機(jī)構(gòu)的聯(lián)合仿真模型，實(shí)現(xiàn)了履帶車輛換擋、轉(zhuǎn)向等操作的模擬仿真，提高了動(dòng)力學(xué)分析的準(zhǔn)確度，為履帶車輛的動(dòng)力學(xué)仿真分析提供了新的思路。

吉林大學(xué)的李陽(yáng)[39]利用RecurDyn/Track HM模塊建立了鉸接履帶車輛的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)該型履帶車輛在硬質(zhì)路面、黏土路面和干沙路面上行駛的爬坡過(guò)程進(jìn)行了仿真。同時(shí)，對(duì)鉸接履帶車輛的爬坡能力進(jìn)行了分析，并通過(guò)修改模型的履刺高度參數(shù)分析了履刺高度與爬坡性能之間的關(guān)系。

江蘇大學(xué)的李耀明等[40]設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)差逆轉(zhuǎn)向、切邊轉(zhuǎn)向和單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向的機(jī)構(gòu)，在對(duì)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向特性理論分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用RecurDyn軟件對(duì)其進(jìn)行了不同工況下的動(dòng)力學(xué)仿真。同時(shí)，將該機(jī)構(gòu)安裝在履帶式聯(lián)合收割機(jī)上進(jìn)行了實(shí)車轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，該機(jī)構(gòu)能顯著提高收割機(jī)的行走轉(zhuǎn)向性能。

中南大學(xué)的陳亞等[41]應(yīng)用RecurDyn軟件對(duì)履帶車的過(guò)溝工況進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，通過(guò)分析履帶車過(guò)溝不同階段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提出應(yīng)用速率比衡量履帶車的過(guò)溝性能，并基于此研究了履帶車的重心位置等因素對(duì)其過(guò)溝性能的影響。結(jié)果表明：采用速率比能較好地衡量履帶車結(jié)構(gòu)對(duì)其過(guò)溝性能的影響，重心位置相對(duì)于幾何中心靠前、靠下均有利于其過(guò)溝性能的提升。

河北工業(yè)大學(xué)的張明路等[42]針對(duì)復(fù)雜地面環(huán)境提出了一種具有被動(dòng)適應(yīng)能力的輪—履復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人，通過(guò)分析機(jī)器人各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立了輪—履復(fù)合模塊的數(shù)學(xué)模型，分析了機(jī)器人的爬坡、翻越臺(tái)階等性能，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇的合理性。

3 問(wèn)題與展望

綜觀分析，目前針對(duì)橡膠履帶底盤的開發(fā)與研制主要集中在工程機(jī)械和軍用機(jī)械，涉及農(nóng)用履帶機(jī)械的甚少。

在研發(fā)模式方面，主要以傳統(tǒng)模式占主導(dǎo)，這種方式通常需要經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、工業(yè)性試驗(yàn)、改進(jìn)定型和批量生產(chǎn)等環(huán)節(jié)[43]，周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理工作繁重。而且，隨著履帶式底盤應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，研制物理樣機(jī)的耗資越來(lái)越巨大，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)方式難以適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)需求[44]。因此，橡膠履帶底盤的研發(fā)需改變傳統(tǒng)的以樣機(jī)為主導(dǎo)的模式，充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬樣機(jī)技術(shù)，借助工程應(yīng)用軟件建立精確有效、可信度高的仿真模型，在虛擬環(huán)境下對(duì)履帶底盤進(jìn)行性能評(píng)估和系統(tǒng)優(yōu)化，以減少物理樣機(jī)的制造與試驗(yàn)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本。

在使用功能方面，橡膠履帶底盤的研發(fā)需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：① 加大動(dòng)力底盤關(guān)鍵部件及配套自動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)力度，提高橡膠履帶底盤的自動(dòng)化和信息化水平，提升作業(yè)性能；② 進(jìn)一步優(yōu)化橡膠履帶底盤的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式等，以提高其牽引力和作業(yè)效率，降低接地比壓，減少對(duì)地面的壓實(shí)程度；③ 提高橡膠履帶底盤在丘陵山區(qū)的適用性，進(jìn)一步拓寬動(dòng)力底盤的使用范圍；④ 基于模塊化設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)橡膠履帶底盤主要功能部件，提高履帶底盤的擴(kuò)展性和移植性。

4 結(jié)束語(yǔ)

1) 橡膠履帶底盤集成了輪式底盤和金屬履帶底盤的優(yōu)點(diǎn)，既能拓寬普通履帶底盤的應(yīng)用范圍，也能有效克服金屬履帶行走系統(tǒng)自身質(zhì)量過(guò)大、對(duì)地面破壞嚴(yán)重等固有缺點(diǎn)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)橡膠履帶底盤的要求也在不斷提高，橡膠履帶底盤正在向模塊化、輕型化、通用化、智能化等方向發(fā)展。

2) 丘陵山區(qū)受坡度大、地塊小、形狀不規(guī)則、機(jī)耕道狹窄等條件的制約，其農(nóng)機(jī)作業(yè)存在操作難度大、動(dòng)力耗費(fèi)大、作業(yè)質(zhì)量差及容易傾翻等諸多問(wèn)題，這限制了丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展。而且，現(xiàn)階段的丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械大多以實(shí)用性為主，專機(jī)專用，涉及農(nóng)用履帶機(jī)械尤其是橡膠履帶底盤的研究甚少。因此，開展丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械橡膠履帶底盤的研究對(duì)于發(fā)展丘陵山地農(nóng)業(yè)機(jī)械化具有重要意義。

[1] 朱桂英.我國(guó)耕地資源可持續(xù)利用研究[D].大慶:黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),2006.

[2] 許學(xué)建.履帶式高地隙茶園管理機(jī)底盤行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2016.

[3] 謝霞,康少華,侍才洪.復(fù)雜地形移動(dòng)底盤技術(shù)研究 [J].工程機(jī)械,2015,46(3):45-52.

[4] 趙文生.履帶式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].湖北農(nóng)機(jī)化,2010(4):1-2.

[5] 袁英.井下應(yīng)急排水車行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究[D].太原:太原理工大學(xué),2012.

[6] 劉虹玉.微型履帶山地拖拉機(jī)性能分析與仿真[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2014.

[7] 孫運(yùn)強(qiáng).橡膠履帶底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)仿真研究[D].大慶:大慶石油學(xué)院,2010.

[8] ZHANG Y N,TAO H.Research on a tracked omnidirectional and crosscountry vehicle [J].Mechanism and Machine Theory,2014,87:18-44.

[9] 杜蒙蒙,姬江濤,杜新武，等.丘陵山區(qū)雙履帶式小型動(dòng)力底盤設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013(9):116-124.

[10] 李季.林間微型履帶運(yùn)輸機(jī)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)與平順性分析[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2016.

[11] 戚殿興.CB1002履帶式拖拉機(jī)行走系的研究與設(shè)計(jì)[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2012.

[12] 呂凱, 穆希輝，杜峰坡，等.重載三角橡膠履帶輪設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題綜述[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào),2016,30(1):29-38.

[13] MERHOF W,HACKBARTH E M.履帶車輛行駛力學(xué)[M].北京:機(jī)械工程出版社,1989:71-77,86-87.

[14] 曹付義,周志立,賈鴻社.履帶車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003(3):89-91.

[15] 郭浩亮,穆希輝,楊小勇,等.四橡膠履帶輪式車輛轉(zhuǎn)向力學(xué)性能分析與試驗(yàn) [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32(21):79-86.

[16] 劉成元.拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的合理匹配[J].湖南農(nóng)機(jī),2014,46(26):44-45.

[17] 熊承楊.SWNZ14型沙灘清潔車底盤設(shè)計(jì)與通過(guò)性研究[D].廈門:廈門理工學(xué)院,2015.

[18] 王克成.橡膠履帶的用途與性能綜述[J].中國(guó)橡膠,2011,27(1):36-38.

[19] 王克成.橡膠履帶的性能與結(jié)構(gòu)力學(xué)[J].世界橡膠工業(yè),2011,27(3):25-33.

[20] JOSEPH B R,PARAMSOTHY J.The shearing edge of tracked vehicleSoil interactions in path clearing applications utilizing Multi-Body Dynamics modeling[J].Journal of Terramechanics,2015,58:39-50.

[21] TARATORKIN V D,TARATORKIN A.Experimental Determination of Kinematic and Power Parameters at the Tracked Vehicle Turning[J].Procedia Engineering,2016,150:1368-1377.

[22] KIM H W,LEE C H,HONG S,et al.Dynamic analysis of a tracked vehicle based on a subsystem synthesis method[C] //Proceed- ings of the ISOPE Ocean Mining Symposium.Daejeon:International Society of Offshore and Polar Engineers,2013:210-214.

[23] LEE C H,KIM H W,HONG S.A study on dynamic behaviors of pilot mining robot according to extremely cohesive soft soil properties[C]//Proceedings of the 10th (2013) ISOPE Ocean Mining and Gas Hydrates Sym- posium.Daejeon:International Society of Off- shore and Polar Engineers,2013,279-285.

[24] PAUL E,SHANKAR K,KANNAN K.Calculation of dynamic shear displacement dis-tribution in soft soil-track interaction mode- lling[C]//18th International Conference of the ISTVS,2014.Daejeon:International Society for Terrain Vehicle Systems,2014.

[25] SAAYAN B,BALAMURUGAN V,KRISHNA-KUMAR R,et al.Ride Comfort Analysis of Math Ride Dynamics Model of Full Tracked Vehicle with Trailing Arm Suspension[J].Procedia Engineering,2016,144:1110-1118.

[26] JOTHI S,BALAMURUGAN V,MALAR M K.Influence of flexible bodies in military tracked vehicle dynamics[J].International Journal of Vehicle Structures and Systems,2016,144:1086-1093.

[27] TOMASZ C,WOJCIECH K,GABRIEL M.Numerical simulation of active track tensioning system for autonomous hybrid vehicle[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2017,89(15):108-118.

[28] XU W,JAVAD T,JAY K.Robust Model Predictive Control for Path Tracking of a Tracked Vehicle with a Steerable Trailer in the Presence of Slip[J].IFAC-PapersOnLine,2016,49(16):469- 474.

[29] 郭曉林,趙炎,劉國(guó)強(qiáng),等.基于模型試驗(yàn)的履帶車動(dòng)力學(xué)研究方案設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2015,53(9):17-20.

[30] 郭曉林,杜傳沛.基于模型試驗(yàn)的履帶車直線行駛阻力研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2016,9(8):47-49.

[31] 王紅巖,芮強(qiáng).履帶車輛虛擬樣機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2015.

[32] 芮強(qiáng),王紅巖,陳曉軍.基于蒙特卡羅方法的履帶車輛地面系統(tǒng)隨機(jī)虛擬樣機(jī)建模及應(yīng)用[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào),2013,27(1):32-36.

[33] 吳奕,郝丙飛.基于ADAMS/ATV的高速履帶車輛建模與仿真[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2017,55(5):46-50.

[34] 田全忠,李文娟,楊德芹,等.橡膠履帶車輛差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2008,35(4):15-17.

[35] 劉國(guó)民,黃海東,張萃.履帶底盤轉(zhuǎn)向解析[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2010,8(3):309-313.

[36] 呂小榮,丁為民,呂小蓮.丘陵山區(qū)小型多功能底盤液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,33(3):128-132.

[37] 趙建柱,王封辰,于斌,等.農(nóng)用仿形履帶式動(dòng)力底盤設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(9):20-24.

[38] 李明勇,靳建波,卜樹峰,等.基于Simscape和RecurDyn的履帶車輛動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2014,27(5):690-71.

[39] 李陽(yáng),成凱,任鵬.基于RecurDyn的鉸接式履帶車輛爬坡性能分析[J].煤礦機(jī)械,2011,32(7):93-95.

[40] 李耀明,陳勁松,梁振偉,等.履帶式聯(lián)合收獲機(jī)差逆轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(7):127-134.

[41] 陳亞,尤偉,章易程,等.生命探測(cè)履帶車過(guò)溝性能的仿真分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016,13(10):2051-2055.

[42] 張明路,李凡,呂曉玲,等.被動(dòng)自適應(yīng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)與運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,45(3):46-50.

[43] 梁健.連續(xù)采煤機(jī)行走部動(dòng)力學(xué)分析及其疲勞可靠性研究[D].太原:太原理工大學(xué),2010.

[44] 王雷.履帶式灘涂運(yùn)輸車行駛性能分析研究 [D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.