履帶車(chē)輛附著性能研究綜述

王志波 李軍 宋海軍

摘要： 履帶車(chē)輛的動(dòng)力源于內(nèi)燃機(jī)，但當(dāng)內(nèi)燃機(jī)能夠提供足夠大的動(dòng)力時(shí)，地面給履帶的附著力不夠時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致履帶車(chē)輛打滑，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蒈?chē)，因此研究履帶車(chē)輛附著特性，對(duì)提高履帶車(chē)輛的附著性能和牽引性能具有重要的指導(dǎo)作用。在大量查閱資料和項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)上，從研究?jī)?nèi)容、發(fā)展概況和研究方法三個(gè)方面綜述了履帶車(chē)輛附著性能研究的現(xiàn)狀，同時(shí)針對(duì)該領(lǐng)域研究目前存在的一些問(wèn)題，提出了一些探討方法及見(jiàn)解。

Abstract： Tracked vehicle internal combustion engine from power， but when the internal combustion engine is able to provide enough power， when the ground to track adhesion is not enough， can also lead to tracked vehicle skid， serious when even in a car， so studying the characteristics of tracked vehicle adhesion， to improve the adhesion performance of tracked vehicle and the traction performance has an important guiding role. Based on a large number of data and project research， this paper summarizes the research status of tracked vehicle adhesion performance from three aspects of research content， development and research methods， and puts forward some research methods and opinions in view of the existing problems in this field.

關(guān)鍵詞： 履帶車(chē)輛;附著性能;車(chē)輛地面力學(xué)

Key words： tracked vehicle;adhesion performance;vehicle ground mechanics

中圖分類(lèi)號(hào)：TU623.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）23-0043-02

0? 引言

履帶車(chē)輛多用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，行駛環(huán)境復(fù)雜，多行駛于沒(méi)有經(jīng)過(guò)修整的地面環(huán)境中。在內(nèi)燃機(jī)提供的動(dòng)力足夠的前提下，只要松軟土壤提供給履帶的附著力不夠，就會(huì)導(dǎo)致打滑甚至陷車(chē)，嚴(yán)重影響了工作效率，由此看出研究履帶附著性能的重要意義。筆者在大量閱讀文獻(xiàn)和在項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)地綜述了該領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容、發(fā)展概況和研究方法，并提出了這一領(lǐng)域下一步研究亟需解決的一些關(guān)鍵性問(wèn)題。

1? 研究?jī)?nèi)容

附著性能研究的核心問(wèn)題是，對(duì)于給定的工作環(huán)境，建立履帶車(chē)輛附著力與設(shè)計(jì)之間的一個(gè)定量關(guān)系。這些年來(lái)人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)或提出了多種方法，從經(jīng)驗(yàn)方法到理論方法，來(lái)預(yù)測(cè)履帶車(chē)輛通過(guò)未修整路面時(shí)候的附著性能，通過(guò)改善附著性能以提高履帶車(chē)輛的通過(guò)性能。履帶車(chē)輛附著性能的主要研究?jī)?nèi)容有：

①土的物理機(jī)械性質(zhì)。

②履帶與地面的相互作用。

分析履帶與地面的作用原理，建立履帶板-地面相互作用的力學(xué)模型。

③系統(tǒng)仿真試驗(yàn)。

根據(jù)土壤的機(jī)械性質(zhì)，對(duì)土壤進(jìn)行有限云建模，通過(guò)有限元仿真試驗(yàn)驗(yàn)證履帶板-土壤附著模型。

④土槽試驗(yàn)。

在土槽試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)進(jìn)行不同土壤條件下不同規(guī)格履帶板的履帶板牽引試驗(yàn)，測(cè)試得到各種土壤條件下的最大附著力數(shù)據(jù)，附著力測(cè)試數(shù)據(jù)與前文建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較，最終得出最優(yōu)的履帶板結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2? 發(fā)展概況

霍爾特于1904年首次研制成功由蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的履帶拖拉機(jī)[1]。E.W.E.Micklehwaite于1944年提出了用來(lái)計(jì)算履帶最大推進(jìn)力的公式，即經(jīng)典力學(xué)中的太沙基公式和庫(kù)倫公式[2]。黃祖永于1978年出版了《地面車(chē)輛原理》，該書(shū)介紹了土壤在車(chē)輪作用下的應(yīng)力與破壞的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和有限元法在車(chē)輛地面力學(xué)中的應(yīng)用[3]。以色列學(xué)者D.Rubinstein與R.Hitron[4]于2004年用動(dòng)力學(xué)仿真軟件LMS-DADS對(duì)M113裝甲運(yùn)輸車(chē)進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)履帶進(jìn)行理論分析，建立了單塊履帶和地面的數(shù)學(xué)模型。2008年，韓國(guó)W.Y.Park等[5]用數(shù)學(xué)模型對(duì)履帶車(chē)輛的參數(shù)與土壤特性之間的關(guān)系，從土壤的沉陷、重復(fù)載荷和剪切力三方面進(jìn)行了分析。楊紅旗[6]等人研究了履帶工程機(jī)械的附著力矩和附著系數(shù)，提出了附著系數(shù)的計(jì)算公式，總結(jié)了附著力的影響因素。1995年，楊士敏[7]通過(guò)對(duì)4種典型的履帶接地壓力規(guī)律進(jìn)行研究，總結(jié)了履帶車(chē)輛接地壓力規(guī)律對(duì)附著力大小的影響。1997年，蔣國(guó)良[8]對(duì)橡膠履帶的附著性能進(jìn)行了研究，得出了附著力和下陷量隨土壤含水量的變化規(guī)律。2004年，劉振生[9]應(yīng)用土力學(xué)基本理論分析了履刺在沙漠土壤條件下的作用，研究了履帶在干砂區(qū)的附著力。2006年，甘智海[10]應(yīng)用能量方法分析了附著系數(shù)與滑動(dòng)率的關(guān)系，并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方法來(lái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試附著系數(shù)。2010年，吳鴻云[11]建立了集礦機(jī)履帶在稀軟底質(zhì)上的附著力數(shù)學(xué)模型。2011年，裝甲兵工程學(xué)院的李軍[12]等人對(duì)大履刺履帶載荷—沉陷關(guān)系進(jìn)行了研究。2012年，李軍[13]等人對(duì)履帶板履刺與土壤的相互作用建立了三維模型。2015年，楊聰彬[14]研究了高速履帶與軟路面的附著特性，建立了履帶板土壤推力模型。

3? 研究方法

履帶車(chē)輛附著性能研究的主要任務(wù)是用理論分析、土槽試驗(yàn)和系統(tǒng)仿真的方法來(lái)預(yù)測(cè)履帶車(chē)輛在未修整路面上的附著性能。研究對(duì)象是履帶和地面的相互作用，由于土壤具有散體性、多相性和自然變異性的特點(diǎn)，其力學(xué)性狀比較復(fù)雜，所以在研究履帶車(chē)輛附著性能時(shí)，學(xué)者們采用了不同的研究方法，不過(guò)大體上可以概括為以下5種：

3.1 純經(jīng)驗(yàn)方法

履帶車(chē)輛與地面之間的相互作用是復(fù)雜的，并且難以精確的建模。純經(jīng)驗(yàn)法是通過(guò)測(cè)量土的物理機(jī)械性質(zhì)，然后再使履帶車(chē)輛在土壤上試驗(yàn)，最后通過(guò)兩組結(jié)果，分析出土的機(jī)械特性和履帶車(chē)輛附著力間的關(guān)系。該方法的經(jīng)典代表是WES法。通過(guò)圓錐貫入阻力儀測(cè)量土壤強(qiáng)度特性，然后建立圓錐指數(shù)與車(chē)輛機(jī)動(dòng)性間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。但是 “圓錐指數(shù)”并不能完全代表土的機(jī)械特性，我們很難把它和土的機(jī)械特性聯(lián)系起來(lái)，并且圓錐指數(shù)法僅僅適用某些特定的條件，在很多情況下得到的結(jié)果與實(shí)際不符。

3.2 半經(jīng)驗(yàn)法

半經(jīng)驗(yàn)法是對(duì)履帶車(chē)輛在土壤上的作用進(jìn)行受力分析，并測(cè)量土壤的力學(xué)參數(shù)，推導(dǎo)出包含車(chē)輛參數(shù)和土體力學(xué)參數(shù)的簡(jiǎn)化方程式。半經(jīng)驗(yàn)法的經(jīng)典代表是貝克所建立的土壤應(yīng)力-應(yīng)變公式。貝克的半經(jīng)驗(yàn)法為履帶車(chē)輛性能的預(yù)測(cè)提供了一定理論依據(jù)，從而得到了廣泛應(yīng)用。但是該方法缺乏嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，土的力學(xué)參數(shù)的量綱不確定，不能從本質(zhì)上解釋車(chē)輛和土壤之間的相互作用關(guān)系等。

3.3 基本理論研究方法

基礎(chǔ)理論法是借助土力學(xué)理論、彈塑性知識(shí)和土的本構(gòu)關(guān)系等理論對(duì)履帶與土壤的相互作用進(jìn)行受力分析，結(jié)合有限元法和邊界元法進(jìn)行研究。它包括朗金理論、太沙基理論和普蘭特理論等。

3.4 模型試驗(yàn)方法

模型試驗(yàn)法就是把影響履帶車(chē)輛在土壤上附著力的所有因素按照一定比列縮小，并且把縮小后的模型放到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行觀察和實(shí)驗(yàn)研究，再把得出的結(jié)果進(jìn)行放大，進(jìn)而分析發(fā)生在原型中的物理現(xiàn)象。典型的模型試驗(yàn)代表就是土槽試驗(yàn)。

3.5 仿真—試驗(yàn)方法

仿真—試驗(yàn)方法是以地面力學(xué)理論為基礎(chǔ)，基于相關(guān)仿真軟件建立履帶—土壤相互作用的仿真模型，對(duì)履帶與土壤的相互作用進(jìn)行單元受力分析。履帶—地面相互作用的仿真方法目前主要使用有限元和離散元方法。有限元方法的基本概念是理想的連續(xù)體作為有限數(shù)量的元素的組合;而離散元方法的基本概念是將土壤表示為多個(gè)離散元素的集合。使用有限元法獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間一般有良好的定性一致性;離散元方法雖然已被應(yīng)用于履帶—地面相互作用力學(xué)的研究中，但它仍處于其發(fā)展的早期階段。

4? 問(wèn)題探討與研究期望

履帶車(chē)輛附著性能研究是影響履帶車(chē)輛牽引性能行駛性能的重要因素之一。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)、伐木、建筑、采礦、勘探的需要，對(duì)履帶車(chē)輛在復(fù)雜路面的通過(guò)性能的要求會(huì)越來(lái)越高，這就需要深入開(kāi)展履帶—土壤作用機(jī)理的研究，揭示履帶和土壤的相互作用特性，推動(dòng)履帶車(chē)輛附著性能研究的不斷發(fā)展。但是，現(xiàn)有履帶車(chē)輛附著性能的理論研究成果中尚存在一些待解決的問(wèn)題。

①相關(guān)理論創(chuàng)新。履帶與土壤的相互作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，傳統(tǒng)理論把土壤看成彈塑性體，各種建模與仿真始終是一種近似。相關(guān)學(xué)者可以把土力學(xué)的最新理論成果應(yīng)用于履帶與土壤相互作用的研究中，以便更準(zhǔn)確的描述土粒之間的相互作用關(guān)系，進(jìn)一步準(zhǔn)確的研究履帶車(chē)輛的附著性能。

②土壤力學(xué)參數(shù)的測(cè)量方法有待進(jìn)一步簡(jiǎn)化。分析履帶車(chē)輛附著性能，必須知道車(chē)輛作用土壤的力學(xué)參數(shù)，很多的土壤參數(shù)是基于室內(nèi)測(cè)量，如內(nèi)摩擦角、黏聚力、土壤變形模量和土壤變形指數(shù)等。目前這些力學(xué)參數(shù)的測(cè)量主要是基于室內(nèi)的三軸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)等。目前的測(cè)量方法有兩個(gè)方面的缺點(diǎn)，一是土壤參數(shù)試驗(yàn)過(guò)程比較復(fù)雜;二是室內(nèi)試驗(yàn)的土壤是擾動(dòng)的土壤，其力學(xué)參數(shù)與室外土壤相比，已然發(fā)生了很大的改變。所以下一步的研究方向應(yīng)開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的土壤測(cè)試儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，比如便捷的原位圓錐試驗(yàn)、壓板試驗(yàn)與原位直剪試驗(yàn)等，然后結(jié)合有限元分析或其他理論分析方法得出土壤的力學(xué)參數(shù)。

③履帶與土壤的作用模型有待進(jìn)一步研究。履帶車(chē)輛高速行駛時(shí)，履帶與土壤的作用只是一瞬間。而大多數(shù)前人在研究履帶與土壤的相互作用時(shí)，是在履帶板速度與履帶車(chē)輛工作中的實(shí)際速度相差很大，這時(shí)土壤在速度低和速度高的情況下的抗剪強(qiáng)度是有差異的。對(duì)于履帶式車(chē)輛在高速行駛工況下履帶與土壤的連貫作用，應(yīng)該進(jìn)行深入的研究。

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