基于滑移條件下的履帶車輛剪切位移特性試驗(yàn)研究

王志波，李 軍，宋海軍，張 宇

(陸軍裝甲兵學(xué)院 車輛工程系， 北京 100072)

履帶車輛因其良好的機(jī)動(dòng)性能，被廣泛的應(yīng)用到軍事領(lǐng)域。軍用履帶車輛主要用于復(fù)雜地形作戰(zhàn)，良好的制動(dòng)性能對(duì)車輛的機(jī)動(dòng)性能和安全性能起決定性作用。地面提供給履帶車輛的制動(dòng)力主要由接地履帶板對(duì)地面的剪切作用產(chǎn)生，分析履帶車輛接地履帶的剪切位移規(guī)律，對(duì)研究履帶車輛的制動(dòng)力和機(jī)動(dòng)性能都有一定的指導(dǎo)意義[1-2]。現(xiàn)有技術(shù)中，提升履帶車輛制動(dòng)性能的手段主要是優(yōu)化履帶車輛的制動(dòng)方式、控制系統(tǒng)及制動(dòng)器結(jié)構(gòu)[3-9]，而忽略了對(duì)制動(dòng)過程中制動(dòng)力的來源進(jìn)行研究。盡管可以通過各種技術(shù)在最短的時(shí)間內(nèi)制動(dòng)履帶，使履帶在地面上實(shí)現(xiàn)完全滑移剪切，但地面提供給履帶的制動(dòng)力不足，也會(huì)使車輛的制動(dòng)距離拉長(zhǎng)，導(dǎo)致制動(dòng)性能降低，影響履帶車輛的機(jī)動(dòng)性能。

本文自主設(shè)計(jì)了一種基于滑移條件下研究履帶剪切位移規(guī)律的測(cè)試采集系統(tǒng)，能準(zhǔn)確測(cè)量接地履帶履帶板的微觀剪切位移，反映履帶車輛真實(shí)滑移剪切情況，可用于履帶車輛制動(dòng)力和附著力的計(jì)算研究，實(shí)現(xiàn)履帶車輛運(yùn)動(dòng)軌跡的精確控制[10-11]。通過該測(cè)試采集系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)車滑移剪切位移數(shù)據(jù)采集，對(duì)某型履帶車輛剪切位移規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)和分析，該剪切位移規(guī)律對(duì)指導(dǎo)履帶車輛制動(dòng)力的計(jì)算有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

1 履帶滑移剪切位移測(cè)試采集系統(tǒng)

本測(cè)試采集系統(tǒng)為試驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)，能夠方便準(zhǔn)確地對(duì)履帶車輛接地履帶的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試采集。測(cè)試采集系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分包括激光傳感器、反光板、傳感器固定支架和反光板固定架，軟件部分通過 Modbus RTU協(xié)議編程實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。激光傳感器的頻率為20 Hz，精度可達(dá)±1.5 mm+D*0.5‰，具有快速率和高精度等特點(diǎn)。

試驗(yàn)中為避免傳感器之間相互干擾，激光傳感器通過間隔25 cm左右分層布置，如圖1所示。激光傳感器及其支架在履帶車輛一側(cè)前后兩端布置，激光傳感器和反光板通過分層布置、一一對(duì)應(yīng)，如圖2所示(1表示激光傳感器支架，2表示反光板支架)。這樣布置的優(yōu)點(diǎn)是能夠放置更多的反光板和激光傳感器，采集更多塊履帶板的剪切位移值。該測(cè)試采集系統(tǒng)既保證了盡可能采集多塊履帶板滑移剪切位移數(shù)據(jù)，又保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性，對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量接地履帶履帶板的微觀剪切位移和計(jì)算履帶車輛制動(dòng)力、附著力的大小意義重大。

圖1 激光傳感器及其支架示意圖

圖2 履帶上反光板布置及激光傳感器布置示意圖

2 實(shí)車試驗(yàn)

試驗(yàn)用被測(cè)履帶車輛使用的履帶板體為接地掛膠履帶。全車共兩條履帶，每條履帶由89節(jié)履帶板組成，其中約30塊履帶板接地。履帶為雙銷掛膠結(jié)構(gòu)，由履帶板總成(含掛膠履帶銷)、誘導(dǎo)齒、內(nèi)六角螺栓、限位塊、端聯(lián)器、螺栓等組成，如圖3所示。

圖3 掛膠履帶板總成示意圖

試驗(yàn)用牽引車輛為某液壓牽引履帶車，該車配有絞盤搶救裝置，包括主絞盤和副絞盤。牽引力通過液壓裝置進(jìn)行牽引，能夠較平穩(wěn)的控制牽引速度。

試驗(yàn)場(chǎng)地路面條件為良好的水泥路面。試驗(yàn)前，先在被測(cè)履帶車輛履帶板上分層間隔布置激光反光板，履帶車輛一側(cè)履帶前后布置傳感器支架及激光傳感器。履帶車輛試驗(yàn)過程中，通過操縱裝置使被測(cè)履帶車制動(dòng)帶與制動(dòng)鼓結(jié)合，用牽引車牽引被測(cè)履帶車輛的前部掛鉤，使被測(cè)履帶車輛接地履帶在地面上滑移，直至履帶接地段最后端的一塊履帶發(fā)生滑移位移，采集系統(tǒng)連續(xù)采集位移傳感器的輸出，進(jìn)而完成履帶車輛履帶滑移位移特性的測(cè)定。此滑移過程能夠反映履帶車輛行駛制動(dòng)過程中接地履帶相對(duì)于地面的滑移剪切全過程。通過對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析處理即可得到履帶車輛實(shí)際制動(dòng)過程中履帶板在地面上的剪切位移規(guī)律。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過實(shí)車試驗(yàn)，在時(shí)間51 s內(nèi)，每秒每個(gè)激光傳感器采集4次，共采集205次，得到51 s時(shí)間內(nèi)12塊履帶板的位移變化數(shù)據(jù)值，如圖4所示。履帶車輛接地履帶上反光板的布置順序從前到后依次為反光板1、反光板2、反光板3、反光板4、反光板5、反光板6、反光板12、反光板11、反光板10、反光板9、反光板8、反光板7。在采集點(diǎn)145左右可以看出(圖4中所示的虛線)，履帶板滑動(dòng)是從前往后逐塊移動(dòng)，并不是同時(shí)移動(dòng)，由此可分析得：試驗(yàn)用履帶車輛的履帶受履帶銷間隙、負(fù)重輪及懸掛裝置的影響，并非是剛性的，導(dǎo)致每塊履帶板對(duì)地面的剪切滑移不是同時(shí)進(jìn)行的。

圖4 履帶板的位移變化曲線

履帶板的剪切位移可以用牽引過程中履帶板的實(shí)時(shí)位移減去履帶板相對(duì)地面滑移前的初始位移來表示。實(shí)車試驗(yàn)過程中，標(biāo)記的12塊履帶板相對(duì)與地面的剪切位移如圖5所示。圖6表示為第一塊履帶板開始滑動(dòng)剪切直至最后一塊履帶板滑動(dòng)的全過程，圖7表示為牽引過程結(jié)束，牽引繩放松直至車輛穩(wěn)定的全過程。在圖5中可以看出，51s的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，其實(shí)牽引過程只有24s左右，其余時(shí)間為準(zhǔn)備牽引和牽引結(jié)束階段。通過對(duì)圖中數(shù)據(jù)分析可得：

圖5 履帶板的剪切位移變化曲線

1) 圖6中可以看到，采樣點(diǎn)98點(diǎn)處，1號(hào)履帶板先開始滑移，其次為2號(hào)履帶板。采樣點(diǎn)130處，1號(hào)履帶板剪切位移量達(dá)54 mm，2號(hào)履帶板達(dá)20 mm，3～12號(hào)履帶板剪切位移值很小。分析原因?yàn)椋涸诜垂獍骞潭馨惭b時(shí)，1、2號(hào)固定架安裝在被測(cè)履帶車輛前部，牽引試驗(yàn)時(shí)，火炮身管伸向車輛后方，由于車輛重心及懸架特性，車輛身體整體后傾，導(dǎo)致1、2號(hào)兩塊履帶板沒有接地，牽引時(shí)，在牽引力和懸掛裝置的作用下，該被測(cè)履帶車輛前端出現(xiàn)些許下沉，帶動(dòng)1、2號(hào)履帶板向前下方轉(zhuǎn)動(dòng)與地面緊貼，履帶板帶動(dòng)反光板向激光傳感器方向轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的剪切位移量。圖8所示履帶前部沒有壓實(shí)地面，進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究的判斷。

圖6 履帶板的剪切位移曲線

圖7 履帶板的剪切位移曲線

圖8 履帶前部沒有壓實(shí)地面示意圖

2) 在100至148采樣點(diǎn)之間，可以看到，履帶板的滑動(dòng)是從前到后依次滑動(dòng)的，如圖6所示，首先是1號(hào)履帶板開始滑動(dòng)，然后依次為2號(hào)、3號(hào)，…，11號(hào)、12號(hào)履帶板滑動(dòng)。分析原因?yàn)椋涸摫粶y(cè)履帶車輛履帶銷使用了掛膠技術(shù)，如圖9所示，橡膠圈被黏結(jié)在履帶銷上，并且被一起壓入履帶銷耳內(nèi)， 在牽引力的作用下履帶銷上的橡膠圈從前到后依次被壓縮，所以導(dǎo)致履帶板從前到后依次滑動(dòng)。在148至160采樣點(diǎn)之間，由于履帶銷上的橡膠圈均被壓縮，接地履帶的縱向彈性被消除，此時(shí)履帶可以看成是剛性的，12塊履帶板的滑移剪切是一致的。

圖9 履帶銷上的橡膠圈

3) 圖7中，在采樣點(diǎn)154左右，牽引過程結(jié)束，3～12號(hào)履帶板停止剪切滑動(dòng)，隨著牽引車牽引繩的放松，牽引力逐漸降低，在采樣點(diǎn)185到197采樣點(diǎn)之間，受車輛重心、身管及懸架特性的影響，車輛整體回彈平衡，導(dǎo)致1、2號(hào)履帶板微微抬起，履帶板帶動(dòng)反光板向后轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致采集到1號(hào)、2號(hào)履帶板的剪切位移量降低。

4 結(jié)論

本文利用車輛—地面力學(xué)理論、激光測(cè)距原理和Modbus RTU協(xié)議等理論，自主設(shè)計(jì)了一套研究履帶車輛接地履帶滑移剪切位移規(guī)律的測(cè)試采集系統(tǒng)。該測(cè)試采集系統(tǒng)為履帶車輛制動(dòng)滑移過程中履帶板相對(duì)地面剪切位移量的測(cè)試提供了技術(shù)支撐。

通過對(duì)某型履帶車輛制動(dòng)時(shí)接地履帶滑動(dòng)剪切位移的實(shí)車測(cè)試，經(jīng)數(shù)據(jù)采集與分析后，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)時(shí)履帶板的剪切位移并非全程都是一致的，每塊履帶板剪切位移量的大小受到履帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、履帶的縱向彈性、懸架特性、車輛重心位置等因素的影響。對(duì)于雙銷履帶結(jié)構(gòu)而言，制動(dòng)初期履帶剪切位移受履帶銷上橡膠圈的影響，履帶板剪切量不是相等的，只有當(dāng)所有履帶銷橡膠圈被壓實(shí)，這時(shí)履帶才可以看成剛性履帶，此時(shí)每塊接地履帶板的剪切位移值是相同的。