履帶式農(nóng)機(jī)底盤在超濕黏土地面的通過(guò)性研究

王海霞,盧立富,李加坤,胡忠義,許永超

1.山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250357;2.山東泰開隔離開關(guān)有限公司,山東 泰安 271000

0 引言

履帶式農(nóng)機(jī)裝備在超濕地面上作業(yè)時(shí)通過(guò)性較差,易導(dǎo)致農(nóng)作物無(wú)法及時(shí)足量收獲,給農(nóng)民收入和國(guó)家糧食儲(chǔ)備帶來(lái)較大損失。農(nóng)機(jī)裝備在超濕地面的通過(guò)性研究涉及土壤力學(xué)特性、裝備結(jié)構(gòu)信息、地形地貌信息及裝備與地面間的耦合關(guān)系,影響因素多且耦合關(guān)系復(fù)雜,是車輛地面力學(xué)及農(nóng)機(jī)裝備領(lǐng)域的研究難點(diǎn)及熱點(diǎn)之一。研究學(xué)者多采用仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證方法研究農(nóng)機(jī)裝備在超濕地面上的通過(guò)性問(wèn)題。呂唯唯等[1]、楊聰彬[2]、朱興高[3]通過(guò)仿真分析和室內(nèi)試驗(yàn)研究加載速率、土壤含水率和通過(guò)次數(shù)等因素對(duì)地面土壤承載特性的影響規(guī)律,構(gòu)建地面土壤的動(dòng)態(tài)承壓模型和剪切經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Yang等[4]提出采用Bekker承壓模型的土壤沉陷與土壤力學(xué)特性參數(shù)、含水率及重復(fù)加載關(guān)系的理論模型;Sitkei等[5]采用量綱分析法歸納土壤的力學(xué)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù),提出具備廣適性的土壤力學(xué)模型;Beregi等[6]基于輪胎與土壤間的復(fù)雜耦合關(guān)系,分析輪胎非線性動(dòng)力學(xué),構(gòu)建輪胎牽引力的理論模型;Cutini等[7]研究輪胎與冰雪地面的復(fù)雜耦合關(guān)系,提出車輛在冰雪路面上行駛時(shí)的牽引力評(píng)估方法;曾得貴[8]采用離散元方法研究履帶車輛在干燥松軟地面上行駛時(shí)履帶與地面間的耦合關(guān)系,分析履帶與地面相互耦合時(shí)地面土壤的滑移剪切破壞過(guò)程;Nicolini等[9]基于履帶與地面的耦合作用關(guān)系構(gòu)建考慮地面力學(xué)特性的履帶車輛-地面多體動(dòng)力學(xué)仿真模型,分析履帶車輛的越障能力;Tang等[10]構(gòu)建履帶-地面非線性模型,提出高可靠性、通用性、模塊化的履帶動(dòng)力學(xué)仿真算法;Mason等[11]提出基于圓錐指數(shù)法的履帶車輛在松軟路面上一次性通過(guò)的評(píng)估方法,構(gòu)建以負(fù)重輪負(fù)載、最小離地間隙、履帶平均最大接地壓力及地面土壤強(qiáng)度為關(guān)鍵參數(shù)的車輛越野通過(guò)性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Sebastian等[12]綜合考慮滑移滑轉(zhuǎn)、地形坡度、土壤力學(xué)特性和履帶的履刺效應(yīng)等因素對(duì)履帶裝備越野通過(guò)性的影響,提出基于履帶與崎嶇地面動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系的車輛路徑規(guī)劃算法;Wong等[13]研究履帶車輛越野機(jī)動(dòng)性的評(píng)估模型,認(rèn)為基于物理參數(shù)評(píng)估的理論模型更適合履帶車輛越野機(jī)動(dòng)性分析;Choi等[14]開發(fā)基于可靠性的隨機(jī)越野機(jī)動(dòng)地圖生成框架,對(duì)地面車輛的機(jī)動(dòng)性和GO/NO-GO決策進(jìn)行不確定性量化和可靠性評(píng)估;黃雪濤等[15]以負(fù)重輪沉陷為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析履帶裝備在黏土地面上的通過(guò)性;申彥等[16]研究火星車通過(guò)性評(píng)價(jià)技術(shù),分析火星車通過(guò)性研究的發(fā)展趨勢(shì);吉旭等[17]研究山地履帶自走式辣椒收獲機(jī)底盤的動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù),并采用實(shí)車驗(yàn)證仿真結(jié)果的合理性;韓振浩等[18]研究山地果園履帶底盤坡地的通過(guò)性,優(yōu)化履帶底盤的結(jié)構(gòu),提高山地果園履帶底盤的通過(guò)性。目前,在土壤承壓剪切滑移破壞機(jī)理、土壤承載模型構(gòu)建、履帶-地面耦合關(guān)系、履帶裝備越障能力等方面的研究較多,但對(duì)履帶式農(nóng)機(jī)底盤在超濕黏土地面上通過(guò)性方面的研究較少。

本文采用理論推導(dǎo)、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,構(gòu)建履帶式農(nóng)機(jī)底盤超濕黏土地面通過(guò)性的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型,以掛鉤牽引力為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析履帶式農(nóng)機(jī)底盤在超濕黏土地面上的通過(guò)性,以期為履帶式農(nóng)機(jī)裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1 超濕黏土土壤力學(xué)特性參數(shù)

描述土壤承載作用的模型主要包括Bekker承壓模型、Reece承壓模型和Korchunov承壓模型等。Bekker承壓模型應(yīng)用最廣,超濕黏土土壤的Bekker承壓模型為:

p=(kc/b+kφ)zn=kzn,

式中:p為作用在超濕黏土土壤單位面積上的壓力,kc為超濕黏土土壤的黏聚模量,b為圓形壓板的半徑,kφ為超濕黏土土壤的摩擦模量,z為載荷作用下超濕黏土土壤的沉陷,n為超濕黏土土壤的變形指數(shù),k為超濕黏土土壤承壓模量。

為獲取超濕黏土地面土壤的力學(xué)特性參數(shù),原位采集超濕黏土地面的土壤,并以土壤的圓錐指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo),確保實(shí)驗(yàn)室重構(gòu)土壤與原位土壤的力學(xué)性能一致。選取半徑分別為70、90 mm的圓形壓板代替車輪,測(cè)試并繪制壓板在超濕黏土地面土壤上的承壓位移曲線,獲取Bekker承壓模型的力學(xué)特性參數(shù)。采用改裝后的高精度電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室內(nèi)壓板試驗(yàn),測(cè)量壓強(qiáng)為75 kPa時(shí)的土壤沉陷和所受載荷,進(jìn)行承載特性試驗(yàn)(壓板試驗(yàn))時(shí)設(shè)加載速度為50 mm/min,在b=90 mm的壓板上施加垂直載荷1.9 kN,在b=70 mm的壓板上施加垂直載荷1.2 kN,計(jì)算可得超濕黏土地面土壤樣本的kc=315 kN/mn+1,kφ=9 500 kN/mn+2。

采用莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論計(jì)算超濕黏土樣本的最大抗剪強(qiáng)度

τmax=c+ptanφ,

(1)

式中:c為超濕黏土土壤的內(nèi)聚力,φ為超濕黏土土壤的內(nèi)摩擦角。

采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀測(cè)試土樣的剪切曲線,施加的垂直載荷分別為25、50、75、100 kPa,加壓靜止2 min。土壤樣本達(dá)到平衡狀態(tài)后,以2.4 mm/min的剪切速度進(jìn)行直剪試驗(yàn),得到超濕黏土土壤樣本的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線,如圖1所示。

圖1 超濕黏土土壤樣本剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線 圖2 不同垂直載荷下土壤的抗剪強(qiáng)度

由圖1可知:在同一垂直載荷作用下,剪應(yīng)力隨剪切位移的增大而增大,當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到某一峰值后,隨剪切位移的增大,剪應(yīng)力基本保持不變;垂直載荷越大,剪應(yīng)力越大。取超濕黏土土壤剪應(yīng)力-位移曲線上的峰值作為抗剪強(qiáng)度,得到不同垂直載荷下超濕黏土土壤的抗剪強(qiáng)度,如圖2所示。由圖2可知:可用直線擬合超濕黏土土壤的抗剪強(qiáng)度與垂直載荷間關(guān)系,即τmax=12.96+ptan 21.63°,由式(1)可得超濕黏土土壤的c=12.96 kPa,φ=21.63°。

2 履帶式農(nóng)機(jī)底盤超濕黏土地面通過(guò)性仿真模型

以某型號(hào)履帶式農(nóng)機(jī)底盤為研究對(duì)象,分析履帶式農(nóng)機(jī)底盤在超濕黏土地面上的通過(guò)性,構(gòu)建履帶式農(nóng)機(jī)底盤超濕地面的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型,主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。整車離地間隙為280 mm,驅(qū)動(dòng)力矩為500 N·m。

表1 履帶式農(nóng)機(jī)底盤主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位:mm

履帶式農(nóng)機(jī)底盤在超濕黏土壤土地面上的通過(guò)性取決于底盤的接地壓力分布、地面承載能力、地面抗剪能力及輪胎與地面間的耦合關(guān)系等,影響因素較多且關(guān)系復(fù)雜,搭建仿真模型時(shí)需綜合考慮這些因素。輪胎與超濕黏土地面間的耦合關(guān)系包括土壤承載模型、土壤力學(xué)特性參數(shù)及土壤與輪胎間摩擦系數(shù)等。選取Bekker承壓模型及Janosi剪切模型作為土壤承載的標(biāo)準(zhǔn)模型,采用超濕黏土土壤力學(xué)特性試驗(yàn)獲取的參數(shù)作為土壤力學(xué)特性參數(shù),在軟件Recurdyn中定義土壤的kc=315 kN/mn+1,kφ=9 500 kN/mmn+2,n=2.1,c=12.96 kPa,φ=21.63°、土壤抗剪變形系數(shù)為74.3,沉陷比為0.05,實(shí)現(xiàn)履帶與地面間耦合參數(shù)的定義。結(jié)合表1及超濕黏土地面特性信息,構(gòu)建履帶式農(nóng)機(jī)底盤超濕黏土地面仿真分析模型,如圖3所示。

圖3 履帶式農(nóng)機(jī)底盤超濕黏土地面通過(guò)性仿真模型

3 履帶式農(nóng)機(jī)底盤超濕黏土地面通過(guò)性仿真分析

履帶式農(nóng)機(jī)底盤在超濕黏土地面通過(guò)性的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括圓錐指數(shù)、平均最大接地壓力、負(fù)重輪沉陷和掛鉤牽引力等。采用圓錐指數(shù)評(píng)價(jià)通過(guò)性快速簡(jiǎn)便但可靠性較低;采用平均最大接地壓力評(píng)價(jià)通過(guò)性,因未考慮土壤的力學(xué)特性及履帶與地面的復(fù)雜耦合關(guān)系,精確度較低;采用負(fù)重輪沉陷評(píng)價(jià)通過(guò)性,考慮履帶裝備的結(jié)構(gòu)參數(shù)及履刺的影響,具有一定的準(zhǔn)確度,但未考慮履帶張緊力及履帶環(huán)對(duì)地面的包絡(luò)效果,仍有一定局限性;采用掛鉤牽引力評(píng)價(jià)通過(guò)性,可借助動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù),綜合考慮履帶裝備的結(jié)構(gòu)參數(shù)、地面地貌、土壤力學(xué)特性參數(shù)及履帶與地面間的耦合關(guān)系,精確度較高。

以掛鉤牽引力為指標(biāo)分析履帶式農(nóng)機(jī)底盤在超濕黏土地面上的通過(guò)性。地面提供的掛鉤牽引力為:

FDP=FH,max-FR,

(2)

式中:FH,max為履帶農(nóng)機(jī)底盤沿前進(jìn)方向的最大牽引力,FR為所有行駛阻力之和。

由超濕黏土壤土的抗剪強(qiáng)度決定履帶式農(nóng)機(jī)地盤在超濕黏土地面上行駛時(shí)產(chǎn)生的FH,max,根據(jù)庫(kù)侖方程,可得[3]:

=39 944-7 066(1-e5.652 8i)/i

(3)

式中:bt為履帶板的寬度,bt=0.400 m;L為履帶的接地長(zhǎng)度,L=4.200 m;h為履帶板高度,h=0.074 m;m為履帶裝備質(zhì)量,m=2 141 kg;k為超濕黏土壤土的剪切模量系數(shù),k=0.743;i為滑轉(zhuǎn)率。

計(jì)算履帶農(nóng)機(jī)底盤FR的公式為半經(jīng)驗(yàn)公式,可表示為:

(4)

經(jīng)計(jì)算得FR=1 554.2 N。將式(3)(4)帶入式(2),可得FDP=38 389.8-7 066(1-e-5.6528i)/i。

FDP隨i的變化曲線見圖4。由圖4可知:在超濕黏土壤土地面上行駛時(shí),履帶式農(nóng)機(jī)底盤出現(xiàn)滑移滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象,FDP隨i的增大而增大。i=0時(shí),FDP=-1.442 kN,底盤無(wú)法通過(guò)該超濕黏土地面;i接近1.0時(shí),FDP最大,FDP=31.348 kN,FDP為正,底盤可通過(guò)該超濕黏土地面。

圖4 FDP隨i的變化曲線

采用動(dòng)力學(xué)仿真分析履帶式農(nóng)機(jī)底盤在超濕黏土地面上的通過(guò)性,建立履帶式農(nóng)機(jī)底盤的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型,由式(2)計(jì)算FDP的變化情況,可得履帶式農(nóng)機(jī)裝備超濕黏土地面上的通過(guò)性。

履帶式農(nóng)機(jī)底盤在超濕黏土地面上沿前進(jìn)方向的最大牽引力

FVH,max=Tiv/r,

(5)

式中:r為主動(dòng)輪半徑,r=122 mm;T為發(fā)動(dòng)機(jī)的額定扭矩,T=500 N·m;iv為履帶式農(nóng)機(jī)底盤最大傳動(dòng)比,iv=6。

經(jīng)計(jì)算得FVH,max=24 590 N。在超濕黏土地面上行駛時(shí),履帶式農(nóng)機(jī)底盤與地面間的最大牽引力由地面提供給底盤的最大牽引力及底盤自身所能提供的最大牽引力二者中較小的決定。

由式(3)(5)可知:履帶式農(nóng)機(jī)底盤可提供的最大牽引力為24.590 kN,履帶與地面間的最大附著力為32.902 kN。

圖5 FR與行駛距離的關(guān)系曲線

4 FDP的仿真分析與實(shí)車驗(yàn)證

4.1 FDP的仿真分析結(jié)果

圖6 底盤的FDP與行駛距離的關(guān)系

4.2 實(shí)車驗(yàn)證

為驗(yàn)證履帶式農(nóng)機(jī)底盤超濕黏土地面通過(guò)性仿真分析結(jié)果的可靠性,采用實(shí)車驗(yàn)證的方法分析履帶式農(nóng)機(jī)底盤FDP的變化規(guī)律。

在履帶式農(nóng)機(jī)底盤安裝絞盤及絞車,絞盤后的托繩保持水平方向,在絞盤和托繩中間放置拉力傳感器,固定絞車不動(dòng),履帶式農(nóng)機(jī)底盤置一檔且加到最大油門,拉力傳感器的讀數(shù)即為底盤的最大驅(qū)動(dòng)力,為22.896 kN。

采用絞車絞盤拖動(dòng)履帶式農(nóng)機(jī)裝備以5 km/h的速度在水平的超濕黏土地面上勻速行駛,在底盤前端的托繩上安裝拉力傳感器,測(cè)量履帶式農(nóng)機(jī)底盤行駛阻力的變化,托繩保持水平方向。履帶式農(nóng)機(jī)底盤FDP的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比曲線如圖6所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究履帶式農(nóng)機(jī)底盤在超濕黏土地面上的通過(guò)性,基于超濕黏土壤土的力學(xué)特性及履帶式農(nóng)機(jī)底盤的結(jié)構(gòu)參數(shù),構(gòu)建履帶式農(nóng)機(jī)底盤超濕黏土地面通過(guò)性的仿真模型,以掛鉤牽引力為評(píng)價(jià)指標(biāo),采用仿真分析和實(shí)車驗(yàn)證相結(jié)合,結(jié)果表明在超濕黏土地面上作業(yè)時(shí),仿真分析的履帶式農(nóng)機(jī)底盤的平均掛鉤牽引力為20.000 kN,實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果為17.923 kN,均遠(yuǎn)大于0,履帶式農(nóng)機(jī)底盤可順利通過(guò)黏濕土地面。研究結(jié)果可為履帶式農(nóng)業(yè)裝備的設(shè)計(jì)研發(fā)和優(yōu)化升級(jí)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。