高加載速率工況下履帶板與可變形地面附著力測量實驗系統(tǒng)

呂唯唯，顧 亮，董明明，李忠新

（北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院 地面機動裝備實驗教學(xué)中心，北京 100081）

農(nóng)業(yè)機械、深海探測機構(gòu)、深空探測月球車、裝甲車輛等在可變形地面上行走的附著特性是車輛機動性的重要教學(xué)和科研內(nèi)容[1-6]。車輛高速行駛工況下如何提高行走機構(gòu)與可變形地面作用的附著力是改善車輛機動性和影響車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素之一。準(zhǔn)確地測量履帶車輛與可變形地面的動態(tài)附著力，對履帶車輛行駛機動性的基礎(chǔ)性研究工作具有重要意義。現(xiàn)有研究車輛地面附著特性的實驗裝置沒有成熟、通用的產(chǎn)品，定制的產(chǎn)品造價昂貴、操作復(fù)雜，不適合本科生實驗教學(xué)活動[7-9]。

本文針對教研活動需求和教學(xué)對象特點，以車載激振液力動態(tài)實驗臺為基礎(chǔ)，自行設(shè)計了履帶板與可變形地面附著力測量實驗系統(tǒng)，可應(yīng)用于實驗教學(xué)活動，能準(zhǔn)確測量履帶板等觸土部件在車輛行駛動態(tài)載荷作用下的附著力，用于車輛地面機動性相關(guān)研究。

1 技術(shù)背景

經(jīng)典的地面力學(xué)對行動系統(tǒng)與地面之間耦合相互作用關(guān)系的描述存在只針對靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)的先天缺陷。高機動履帶車輛基本工作在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)高速工況，車輛行動系統(tǒng)對地面表現(xiàn)出明顯的動態(tài)加載特征，因此履帶板-地面耦合動態(tài)特性研究具有重要的現(xiàn)實意義，可以為研究履帶車輛行動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置、參數(shù)匹配、車輛行駛通過性等提供重要的設(shè)計理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)支持。

履帶板-地面耦合作用關(guān)系中附著特性是決定車輛行駛通過性的重要指標(biāo)，附著特性與高速率加載工況下可變形地面土壤的承壓特性及履帶板與可變形地面作用時的水平方向土壤推力有密切關(guān)系，一般采用室內(nèi)土槽實驗來測量履帶部件與可變形地面作用的土壤推力，最大土壤推力即為履帶板-地面土壤附著力。

在教研活動中存在以下問題：①市場上未有成熟的土槽實驗裝置用于履帶板等觸土部件與可變形地面耦合作用力的測量，現(xiàn)有的土槽實驗裝置主要用于研究巖土層深層力學(xué)特性，不適合研究行走機構(gòu)與可變形地面耦合作用關(guān)系；②用于研究農(nóng)業(yè)機械、深空探測機構(gòu)與地面附著特性的實驗裝置占地面積大、設(shè)備昂貴，加載速率低，近似靜態(tài)加載，與高機動履帶車輛行駛工況不符，不適合本科生實驗教學(xué)，且操作具有一定危險性；③現(xiàn)有的研究行走機構(gòu)地面附著特性實驗裝置將行走機構(gòu)尺寸進行比例縮放，完成試驗后再將實驗數(shù)據(jù)進行縮放還原，數(shù)據(jù)結(jié)論有一定失真，并不滿足教學(xué)工作中的實際需求。

2 附著力測量實驗系統(tǒng)

2.1 實驗系統(tǒng)構(gòu)成

附著力測量實驗系統(tǒng)包含動態(tài)垂向加載系統(tǒng)、水平牽引系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集裝置三部分。其中，動態(tài)垂向加載系統(tǒng)包含土槽、激振臺、試驗臺架、剛性車輪和其他連接裝置，可對履帶板施加高頻、高加載速率的動態(tài)垂向載荷，作用到與之接觸的可變形地面上，使履帶板與可變形地面發(fā)生垂向耦合作用；水平牽引系統(tǒng)包含電機、減速機、渦輪絲杠等設(shè)備，用以實現(xiàn)動態(tài)垂向載荷作用下，履帶板與可變形地面的附著力測量。

2.2 動態(tài)垂向加載系統(tǒng)

高速行駛加載工況具有高頻、重載的特點，30 t的履帶車輛在起伏土路上以30~60 km/h 速度行駛時，接地履帶板受到車體碾壓過程中的動態(tài)垂向載荷幅值范圍為16~22 kN，加載頻率為50 Hz，載荷變化呈現(xiàn)半正弦變化，具有瞬時波峰值，一般實驗室靜態(tài)土槽加載裝置難以滿足動態(tài)加載需求。車輛振動實驗中用到的模擬道路不平度的電液伺服激振臺，推力為50 kN，頻帶寬度為 0~400 Hz，可進行垂直或水平方向振動環(huán)境與控制試驗，提供正弦波、三角波等試驗波形，故本文采用該裝置為附著特性實驗提供車輛高速行駛工況下的動態(tài)垂向載荷。

動態(tài)垂向加載系統(tǒng)如圖1 所示，履帶車輛行駛過程中，車輪滾動壓過履帶板使得可變形地面受到垂直向下的載荷作用，而電液激振臺的工作原理是對工作臺上的車輛施加垂直向上方向的載荷，由于兩者方向不一致，故設(shè)計了一個試驗臺架，將車輪固定在臺架上，將土槽和履帶板放置在激振臺上固定，將車輪安裝位置調(diào)整到與履帶板接觸且無接觸力的狀態(tài)；實驗過程中激振臺通過上下一定頻率的位移變化，使履帶板與車輪接觸產(chǎn)生對可變形地面垂直向下的半正弦載荷作用，與車輛行駛對地面載荷的作用一致。

圖1 動態(tài)垂向加載系統(tǒng)

土槽的尺寸設(shè)計考慮圍壓對試驗結(jié)果的影響，長、寬分別為履帶板長、寬的2~3 倍以上（本文分別為2.55和5.75 倍）。試驗使用的履帶板長和寬分別為400 和170 mm，根據(jù)Wong 的估算公式[10-12]，設(shè)計土槽尺寸為長1 020 mm、寬978 mm、高1 000 mm。

為了盡可能地模擬實際車輛行駛工況，減小車輪與履帶板的摩擦力對附著力測定的影響，設(shè)計加工了可滾動的鋼制車輪。車輪與臺架之間是剛性連接，履帶板被牽引產(chǎn)生運動時，加載力將變得極不穩(wěn)定，導(dǎo)致垂直加載力會迅速下降，為了保持垂直加載的相對穩(wěn)定，在車輪與輪輻式傳感器之間加裝了4 個一定剛度的彈簧（如圖2 所示），剛性車輪直徑和彈簧剛度分別為150 mm 和49 N/mm。根據(jù)不同車速下履帶板受到的沖擊載荷，采用輪輻式壓力傳感器測量垂向載荷，選用30 t 量程。

2.3 水平牽引系統(tǒng)

圖2 土槽裝置

履帶板與可變形地面耦合作用時的水平土壤推力提供了履帶車輛行駛的驅(qū)動力，可變形地面可提供的最大土壤推力即履帶板與地面的附著力。為準(zhǔn)確測量高速率垂向載荷作用下可變形地面對履帶板的水平土壤推力，設(shè)計了一種履帶板水平牽引機構(gòu)（如圖3、4所示），該機構(gòu)由蝸輪絲杠升降機、蝸輪蝸桿減速機、電機及變頻器組成。牽引力由蝸輪絲杠升降機提供，實現(xiàn)水平速度可控牽引且不轉(zhuǎn)動，同時可利用帶變頻器的電機控制轉(zhuǎn)速和方向，操作簡單。為了細致觀察履帶板在整個牽引過程中力與位移的關(guān)系，利用蝸輪蝸桿減速機進行減速，可以使升降機最低速度降至0.13 mm/s。

2.4 數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集裝置用來獲取履帶板與可變形地面耦合作用過程中地面土壤發(fā)生的垂向和水平位移，履帶板受到的垂向載荷及水平方向土壤推力等實驗數(shù)據(jù)，該裝置包含力傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、動態(tài)應(yīng)變儀等，總體布局如圖5 所示。

圖3 水平牽引系統(tǒng)

圖4 水平牽引機構(gòu)實物

圖5 數(shù)據(jù)采集裝置總體布局

3 實驗測試

使用本實驗系統(tǒng)對西藏高原地面、起伏土路、河灘砂石路等典型路面進行了測試采樣分析，實驗結(jié)果符合實際情況，可滿足高機動工況履帶車輛與可變形地面通過性研究的實驗需求。圖6 為起伏土路地面、時速30 km/h 工況下，履帶板牽引力與位移的關(guān)系?？梢钥闯?，土樣在牽引試驗中的特性表現(xiàn)為塑性，牽引力-位移曲線無“駝峰”，取牽引力數(shù)值趨于平穩(wěn)后5 s 內(nèi)的平均值為附著力，試驗曲線變化趨勢與塑性土壤剪切力變化趨勢一致，實驗測試結(jié)果精確。

圖6 履帶板牽引力-位移曲線

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種高加載速率工況下履帶板與可變形地面附著力測量實驗系統(tǒng)，利用電液激振臺改制了實驗臺架結(jié)構(gòu)，增加了水平牽引系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集裝置，解決了現(xiàn)有土槽實驗裝置不能實現(xiàn)高加載速率、重載荷工況的不足，系統(tǒng)操作簡便安全、占地面積小、成本可控。系統(tǒng)可以滿足機械工程專業(yè)、車輛工程專業(yè)、裝甲車輛工程專業(yè)的本科實驗教學(xué)需求和地面力學(xué)相關(guān)方向的基礎(chǔ)性科學(xué)研究，同時有助于本科生理解和掌握車輛地面力學(xué)對履帶車輛行動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、車輛行駛通過性的影響。