履帶式森林滅火炮轉(zhuǎn)向性能分析與驗證

劉九慶 姚凱

摘 要：建立履帶底盤式森林滅火炮的轉(zhuǎn)向分析模型時，因忽略質(zhì)心偏移和離心力所產(chǎn)生的問題，會導(dǎo)致不能更真實地體現(xiàn)森林滅火炮轉(zhuǎn)向運動的狀態(tài)。為此本文基于履帶轉(zhuǎn)向原理和轉(zhuǎn)向動力學(xué)，對森林滅火炮的履帶底盤做動力學(xué)分析和靜力學(xué)分析，建立更為準(zhǔn)確的森林滅火炮轉(zhuǎn)向性能數(shù)學(xué)模型，在建立模型時考慮了轉(zhuǎn)向阻力矩、土壤下陷阻力和履帶接地面壓力分布情況等參數(shù)。選取實際車輛為例，用所建立模型計算各項參數(shù)，并與試驗結(jié)果作對比。結(jié)果表明：履帶車體因離心力產(chǎn)生的質(zhì)心偏移量越大，履帶轉(zhuǎn)彎半徑也越大。森林滅火炮轉(zhuǎn)向性能受離心力影響較大，履帶對地面的壓力并不是均布在履帶接地表面上。試驗表明模型分析的結(jié)果與實際情況的誤差在可接受范圍內(nèi)，證明了模型的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：履帶底盤;轉(zhuǎn)向過程;離心力;阻力矩;轉(zhuǎn)向理論

中圖分類號：S776;TH113.2 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2021）03-0095-08

Abstract：When establishing the steering analysis model of crawler bottomplate forest fire extinguishing cannon， the ignoring of the problems caused by the offset of the center of mass and the centrifugal force will lead to the failure to more truly reflect the state of the steering moment of the forest fire extinguishing cannon. For this reason， based on the principle of track steering and steering dynamics， this paper makes dynamic analysis and statics analysis of the crawler chassis of forest fire extinguishing cannon， and establishes a more accurate mathematical model of forest fire extinguishing cannon to performance when the model takes into account the steering resistance moment， soil subsidence resistance， track parameters such as ground pressure distribution. Taking a real vehicle as an example， the parameters are calculated by the model and compared with the test results. The results show that the larger the centroid offset caused by centrifugal force is， the larger the turning radius of the track is. The steering performance of forest fire extinguishing cannon is greatly affected by the centrifugal force， the pressure from the track to the ground is not uniformly distributed on the ground surface of the track. The experiment also shows that the error between the results of model analysis and the actual situation is within the acceptable range， which proves the accuracy of the model.

Keywords：Crawler chassis; steering process; centrifugal force; drag torque; steering theory

0 引言

履帶式行走機(jī)構(gòu)能適應(yīng)復(fù)雜的路況，有著良好的行駛能力、較高的機(jī)動性，正因如此，履帶式底盤是特種車輛行駛系統(tǒng)的首選，如森林滅火炮的行走系統(tǒng)。提升特種車輛的工作效率方法之一便是改進(jìn)履帶底盤的轉(zhuǎn)向性能[1]，轉(zhuǎn)向能力的好壞直接決定了履帶行駛能力的高低[2]。目前為止，眾多學(xué)者們在這一方面也取得了一定的研究成果，國外學(xué)者有加拿大WONG[3]、日本KITANO等[4]。其中，Al—Milli等[5]研究時，并未考慮離心力會帶來質(zhì)心偏移的結(jié)果。Solis等[6]假設(shè)履帶車輛的整體重力是均布在接地履帶面上的，未考慮離心力會導(dǎo)致履帶接地壓力并非均勻分布情況。我國學(xué)者從20世紀(jì)末期開始也進(jìn)行了此方向的研究，取得了階段性的成果[7]。但是在建立履帶轉(zhuǎn)向模型時，均未考慮離心力、質(zhì)心偏移和履帶下陷阻力對履帶轉(zhuǎn)向性能帶來的影響[8]。

筆者立足于履帶轉(zhuǎn)向基本理論，考慮了履帶接地部分載荷分布不均勻、質(zhì)心偏移對履帶接地面所受壓力的影響，建立了數(shù)學(xué)模型，可以計算出履帶轉(zhuǎn)向過程中的各種參數(shù)，以期為履帶底盤轉(zhuǎn)向理論提供科學(xué)理論。

1 履帶底盤低速和高速轉(zhuǎn)向分析

1.1 履帶底盤的轉(zhuǎn)向描述

為方便分析與描述履帶底盤的轉(zhuǎn)向過程，對履帶底盤標(biāo)記整體坐標(biāo)系，如圖1所示。理想狀態(tài)下，履帶底盤轉(zhuǎn)向中心為O，履帶幾何中心也就是履帶的速度瞬心。高速轉(zhuǎn)向時，離心力不可忽略。對于單側(cè)履帶分析，離心力會改變履帶前后載荷分布狀態(tài);對整個履帶底盤分析，離心力影響兩側(cè)履帶的承重載荷分布，也會使履帶底盤的瞬時質(zhì)心移動到與幾何中心x軸距離為Sx、與幾何中心y軸距離為Sy的O′處。結(jié)合圖1可以看出，履帶底盤轉(zhuǎn)向動作可以分為大半徑轉(zhuǎn)動和小半徑轉(zhuǎn)動[9-10]。其基本原理可簡述為：履帶底盤轉(zhuǎn)彎半徑較大時，兩側(cè)履帶做速度方向相反的運動;若兩側(cè)履帶的速度方向相同，但速度數(shù)值不同時，履帶底盤實現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)動[11]。

為便于研究，忽略影響履帶轉(zhuǎn)向特性的次要性因素，做出如下假設(shè)。

（1）不考慮履帶銷軸間的間隙帶來的履帶長度變化，將履帶視為固定長度的柔性鏈條[12]。

（2）無論履帶底盤是做轉(zhuǎn)向運動還是直線運動，其行駛阻力系數(shù)不變。

2.2 轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向速度對驅(qū)動力、制動力及驅(qū)動力矩的影響

由上述得到的運動方程，可以計算出兩側(cè)履帶所需的制動力和驅(qū)動力，如圖7所示。由圖7分析可知，驅(qū)動力和制動力與轉(zhuǎn)向半徑的相關(guān)性大致相同，隨著轉(zhuǎn)向半徑的增加，制動力與驅(qū)動力的絕對值都減小，與實際情況一致。

圖8為履帶在不同轉(zhuǎn)向速度、不同轉(zhuǎn)向半徑情況下的驅(qū)動力矩。由圖8可知，轉(zhuǎn)向半徑增大會導(dǎo)致履帶驅(qū)動力矩變小，且驅(qū)動力矩受轉(zhuǎn)向半徑影響較大。利用此特點，也可以對驅(qū)動力矩的公式進(jìn)行簡化。

3 試驗驗證

本次試驗?zāi)康氖球炞C所建數(shù)學(xué)模型是否符合實際情況。試驗履帶行駛的地面選用與森林土壤大致相同的地面，行駛阻力系數(shù)f取值范圍為0.047～0.055，履帶車的轉(zhuǎn)向半徑為2 m。

對每個參數(shù)實測20次，用3倍標(biāo)準(zhǔn)差法將可疑數(shù)值舍去，最終保留15組實測數(shù)值，取15組實測值的平均值為最終記錄值。

試驗過程中要保證車輛在水平面上做勻速轉(zhuǎn)向運動，發(fā)動機(jī)要盡可能保證穩(wěn)定狀態(tài)。試驗過程中所用部分設(shè)備如圖9所示。用光電式轉(zhuǎn)速傳感器測量履帶兩側(cè)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速;用二次差分GPS軌跡測量系統(tǒng)獲取履帶車輛的運動信息;用存儲式裝置測轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，將測量裝置安裝在輸出軸上。用NI數(shù)據(jù)系統(tǒng)完成對其他信號的儲存，用電子羅盤測車輛轉(zhuǎn)角。將計算值與實際值相比較見表2。

由表2可以看出，在考慮離心力與重心偏移時，計算誤差較大的參數(shù)為：內(nèi)側(cè)履帶驅(qū)動力矩與外側(cè)履帶速度，這2項參數(shù)的誤差都小于9%;外側(cè)履帶驅(qū)動力矩和驅(qū)動力，這2項參數(shù)的誤差都小于10%。

計算結(jié)果與試驗所測實際值較為一致，誤差最大不超過10%，說明所建立模型對于履帶轉(zhuǎn)向運動的計算是較為準(zhǔn)確可靠的。

4 結(jié)論

本文基于履帶轉(zhuǎn)向理論，建立了履帶轉(zhuǎn)向運動數(shù)學(xué)模型，將模型計算所得數(shù)值與試驗結(jié)果做比較，驗證了模型的可信性，為后續(xù)履帶轉(zhuǎn)向理論研究做出參考。

（1）數(shù)學(xué)模型分析可得：履帶接地部分的壓力受離心力影響較大，其分布方式并不是傳統(tǒng)分析認(rèn)為的壓力均布，同時，質(zhì)心偏移量越大，轉(zhuǎn)向半徑越大。

（2）分析履帶的驅(qū)動力、制動力、驅(qū)動力矩，得到了轉(zhuǎn)向半徑越大，上述3個參數(shù)越小的結(jié)論。

（3）在所測參數(shù)范圍內(nèi)，數(shù)學(xué)模型的計算誤差與試驗結(jié)果的誤差，最大的是外側(cè)履帶驅(qū)動力矩和驅(qū)動力2項，誤差小于10%。

在后續(xù)工作中，選取更為科學(xué)的方法推導(dǎo)更為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，爭取在不增大其他參數(shù)誤差的情況下，減小外側(cè)履帶驅(qū)動力矩和驅(qū)動力這2個參數(shù)的計算誤差。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]李勝琴，趙銀寶，馮新園.基于外部流場的汽車底部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 森林工程， 2019， 35（ 3） ： 100-106.

LI S Q， ZHAO Y B， FENG X Y. Optimization design of vehicle bottom structure based on the vehicle external flow field performance[J]. Forest Engineering， 2019， 35（3）：100-106.

[2]閆修鵬，聶建軍，馬宗正，等.新型弓腰式移動底盤的設(shè)計及通過性分析[J/OL]. 吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版） ： 1-10[2021-04-08]. ?https：//doi.org/10.13229/j.cnki.jdxbgxb20200822.

YAN X P， NIE J J， MA Z Z， et al. Design and trafficability analysis of new bow waist mobile chassis[J/OL]. Journal of Jilin University （Engineering And Technology Edition）：1-10[2021-04-08]. https：//doi.org/10.13229/j.cnki.jdxbgxb20200822.

[3]WONG J Y. Theory of ground vehicles[M]. 3rd ed. New York： John Wiley & Sons Inc.，2001.

[4]KITANO M， KUMA M. An analysis of horizontal plane motion of tracked vehicles[J]. Journal of Terramechanics， 1977， 14（4）： 211-225.

[5]AL-MILLI S， SENEVIRATNE L D， ALTHOEFER K. Track-terrain modelling and traversability prediction for tracked vehicles on soft terrain[J]. Journal of Terramechanics， 2010， 47（3）： 151-160.

[6]SOLIS J M， LONGORIA R G. Modeling track-terrain interaction for transient robotic vehicle maneuvers[J]. Journal of Terramechanics， 2008， 45（3）：65-78.

[7]沈靈斌. 可組合履帶式機(jī)器人越障性能研究[D]. 青島：山東科技大學(xué)，2020.

SHEN L B. Combinable tracked robot obstacle overcoming performance research[D]. Shandong University of Science and Technology， 2020.

[8]祁宇明，謝兵，鄧三鵬，等. 可變形履帶式自動巡檢消防機(jī)器人設(shè)計與性能分析[J]. 裝備制造技術(shù)， 2019，48（10） ： 62-66.

QI M Y， XIE B， DENG S P， et al. Design and performance analysis of deformable crawler type automatic inspection fire fighting robot [J]. Equipment Manufacturing Technology， 2019， 48（10）：62-66.

[9]楊乾. 小型履帶式消防機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及仿真研究[D]. 西安：西京學(xué)院，2020.

YANG Q. Structure optimization design and simulation of small crawler fire-fighting robot[D]. Xian： Xijing University， 2020.

[10]韓亞輝，王琢，劉佳鑫，等.森林防火機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2020，48（3）：4-9.

HAN Y H， WANG Z， LIU J X， et al. Research status and development trend of forest fire protection robots[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2020， 48（3）：4-9.

[11]朱慶華，閔永軍，張涌，等. A型純電動客車EHPS助力電機(jī)轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化[J]. 森林工程， 2019， 35（1） ： 53-58.

ZHU Q H， MIN Y J， ZHANG Y， et al. Optimization of EHPS power motor speed control for the pure electric bus of model A[J]. Forest Engineering， 2019， 35（1）：53-58.

[12]徐鵬，張韻. 運輸履帶式消防機(jī)器人裝備車[J]. 專用汽車， 2020，39（7） ： 79-83.

XU P， ZHANG Y. Crawler mounted fire fighting robot vehicle[J]. Special Purpose Vehicle， 2020， 39（7）：79-83.

[13]張宇，劉西俠，李軍，等. 松軟地面下履帶車輛斜坡轉(zhuǎn)向特性[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2021， 21（ 3） ： 1011-1016.

ZHANG Y， LIU X X， LI J， et al. Ramp steering characteristics of tracked vehicles on soft terrain[J]. Science Technology and Engineering， 2021， 21（3） ： 1011-1016.

[14]袁藝，蓋江濤，劉春生，等.履帶式電驅(qū)動推土機(jī)直駛穩(wěn)定性研究[J]. 太原理工大學(xué)學(xué)報， 2020， 51（3） ： 462-470.

YUAN Y， GE J T， LIU C S， et al. Research on straight-line running stability of tracked electric bulldozer[J]. Journal Of Taiyuan University Of Technology， 2020， 51（3）：462-470.

[15]強(qiáng)佳俊. 履帶車輛動力裝置能量流分布規(guī)律及影響因素研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)， 2020.

QIANG J J. Research on energy flow distribution law and influencing factors of tracked vehicle power plant[D]. Hangzhou： Zhejiang University， 2020.

[16]王國忠. 履帶牽引機(jī)設(shè)計牽引力的校核[J]. 電線電纜， 2020，68（1） ： 45-46.

WANG G Z. Verification of designed haul-off force of a caterpillar[J]. Electric Wire And Cable， 2020， 68（1）：45-46.

[17]WU H， XIONG H， DU W T， et al. Analysis of factors affecting steering performance of wheeled skid‐steered vehicles[J]. The Journal of Engineering， 2020， 14：1015-1019.

[18]李勝琴，陳汝春，王乾浩，等. 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度測量試驗裝置研究[J]. 森林工程， 2017， 33（ 4） ： 94-97.

LI S Q， CHEN R C， WANG Q H， et al. Research on the comprehensive stiffness measurement testing device of automobile steering system[J]. Forest Engineering， 2017， 33（ 4）：94 - 97.

[19]張政，馮廣斌，孫華剛，等.時變載荷下履帶車輛傳動箱振動響應(yīng)仿真[J]. 火力與指揮控制， 2019， 44（11）： 93-97.

ZHANG Z， FENG G B， SUN H G， et al. Study on vibration response of tracked vehicle transmission box under time-varying load[J]. Fire Control And Command Control， 2019， 44（11）：93-97.