關(guān)鍵詞：丘陵山地；履帶式動力底盤；結(jié)構(gòu)設(shè)計；RecurDyn；仿真分析

0 引言

我國的果園種植面積與規(guī)模均處于世界前列，是世界上主要的水果生產(chǎn)國之一，果品經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的重要支柱產(chǎn)業(yè)[1]。然而，我國整體農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平較低，特別是丘陵山地果園機(jī)械化處于發(fā)展初期階段[2-3]。動力底盤對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效益、推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等具有重要的意義，尤其是在丘陵山地果園中[4]。相比于輪式動力底盤和仿形動力底盤，履帶式動力底盤對作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，轉(zhuǎn)向靈活，具有較好的機(jī)動性，也可以提供更大的接觸面積，減少對地面的沖擊，減少打滑和傾覆的可能性[5]。

國外對履帶式農(nóng)機(jī)研究較早且取得了較多成果。近年來隨著國家政策的大力支持，履帶式農(nóng)機(jī)也成為了我國研究的重點方向。MOCERAF等[6]利用動力學(xué)軟件建立了農(nóng)用履帶車輛的多體動力學(xué)模型，并深入研究了其轉(zhuǎn)彎等運動特性。王鋒等[7]針對南方丘陵果園現(xiàn)有機(jī)械通過性差、穩(wěn)定性不好等問題，研制了一種三角型履帶式動力底盤，可以跨越500mm寬度的壕溝和528mm高度的障礙物。賈鑫等[8]利用動力學(xué)RecurDyn仿真模型研究發(fā)現(xiàn)軟坡路面環(huán)境和履帶車輛轉(zhuǎn)向性能的關(guān)系，為履帶車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計及其軟坡路面轉(zhuǎn)向特性分析提供了參考。

現(xiàn)有的履帶式動力底盤以大中型為主，由于丘陵山地果園種植環(huán)境較為惡劣、空間郁閉，嚴(yán)重降低了丘陵山地果園大中型履帶式動力底盤的作業(yè)質(zhì)量[9]。為解決此問題，本研究設(shè)計了一種適用于丘陵山地果園的小型履帶式動力底盤，其爬坡通過性和越障性能良好，進(jìn)一步提升了我國丘陵山區(qū)果園機(jī)械化作業(yè)的管理水平。

1 設(shè)計與分析

1.1 設(shè)計要求

丘陵山區(qū)地形復(fù)雜且環(huán)境郁閉，路面環(huán)境崎嶇不平，很大程度上降低了大中型農(nóng)機(jī)的適用性，因此本研究基于丘陵山地果園作業(yè)環(huán)境，設(shè)計了一種小型履帶式動力底盤。其具體設(shè)計要求有以下4項。

（1）具備較好的爬坡越障能力，在丘陵山地果園作業(yè)時具有較好的穩(wěn)定性，行駛速度0～4km/h，爬坡角度能夠達(dá)到30°。

（2）外形尺寸較小，能夠適應(yīng)北方丘陵果園種植特點，在丘陵果園郁閉的行間作業(yè)時，能夠通過1.2m行距的狹小果園空間。

（3）有一定的裝載能力，能夠作為果園采摘田間運輸車使用，整機(jī)空載質(zhì)量≤200kg，滿載質(zhì)量≤300kg。

（4）能夠掛載其他附屬農(nóng)機(jī)具，如掛載割草機(jī)、旋耕機(jī)、噴藥機(jī)等，降低小型履帶式動力底盤的閑置率，實現(xiàn)一機(jī)多用的功能。

1.2 關(guān)鍵工作參數(shù)設(shè)計

1.2.1 行駛速度

小型履帶式動力底盤旨在解決在狹隘郁閉的果園采摘后的人工運輸勞動強(qiáng)度大的問題，根據(jù)丘陵山地果園機(jī)械作業(yè)要求，為了適應(yīng)環(huán)境的變化，最大作業(yè)速度設(shè)定1.2m/s、初始速度0.2m/s。

1.2.2 履帶選型及參數(shù)

目前，常用的履帶式動力底盤類型包括半履帶式和全履帶式。半履帶式動力底盤的設(shè)計和制造相對容易且易于維護(hù)；全履帶式動力底盤接地比壓較小、具有出色的通過性能及適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)場地的優(yōu)勢。在結(jié)構(gòu)上，履帶式動力底盤通常采用普通型、倒梯形型和三角型等不同設(shè)計，三角型履帶式動力底盤具有更好的穩(wěn)定性和良好的越障性能，適應(yīng)性強(qiáng)[10]。在履帶的材料選擇方面，履帶可分為鏈條式金屬履帶和橡膠履帶，橡膠履帶主要應(yīng)用在小型農(nóng)用機(jī)械。根據(jù)本研究的設(shè)計需求，最終選擇全履帶式三角型結(jié)構(gòu)的橡膠履帶。根據(jù)設(shè)計公式，可以計算履帶的節(jié)距、接地長度參數(shù)。

在履帶的節(jié)距計算中，系數(shù)取值15，滿載整機(jī)質(zhì)量取理論最大質(zhì)量250kg，經(jīng)過計算可得履帶節(jié)距60mm，接地長度700mm。

1.2.3 支撐輪間隙

支撐輪的作用是分散質(zhì)量、增加穩(wěn)定性、提高機(jī)動性和幫助負(fù)載均勻分布。支撐輪的間隙大小對于履帶的受力和行駛穩(wěn)定性具有影響，支撐輪的間隙值應(yīng)該盡量避免與履帶節(jié)距的整數(shù)倍相符[11]。根據(jù)經(jīng)驗公式得

1.2.4 履帶接近角和離去角

接近角和離去角是主要影響小型履帶式動力底盤通過能力的參數(shù)，其角度大小能夠影響其越障性能，因此接近角和離去角不宜過大或者過小，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計的小型履帶式動力底盤的接近角χ=45°、離去角Φ=30°，如圖1所示。

綜合考慮丘陵山地果園環(huán)境因素與小型履帶式動力底盤行走的穩(wěn)定性，確定小型履帶式動力底盤的設(shè)計目標(biāo)與參數(shù)。首先，選用Q235合金鋼作為小型履帶式動力底盤主體材料，保證其強(qiáng)度和剛度能夠滿足作業(yè)需求；其次，設(shè)計的小型履帶式動力底盤越障能力強(qiáng)，機(jī)動靈活，可以搭載多種作業(yè)屬具。小型履帶式動力底盤的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

1.3 動力系統(tǒng)設(shè)計與選型

電機(jī)在履帶行走動力系統(tǒng)中起關(guān)鍵的作用，其性能直接影響車輛的行駛能力和適應(yīng)性[12]。電機(jī)是履帶行走系統(tǒng)的主要動力源，可以提供精確的速度和方向控制，通過調(diào)整電機(jī)的輸出，作業(yè)人員可以精確控制履帶行走系統(tǒng)的運動，使其適應(yīng)不同的地形和作業(yè)需求。本研究選用兩個電機(jī)作為小型履帶式動力底盤的動力來源，通過控制電機(jī)來實現(xiàn)小型履帶式動力底盤的驅(qū)動功能。

小型履帶式動力底盤在丘陵山區(qū)的作業(yè)環(huán)境中，直行、轉(zhuǎn)向和爬坡是常見的工作狀態(tài)，其中在爬坡作業(yè)時所需的功率最大，因此，選定電機(jī)的功率應(yīng)基于小型履帶式動力底盤在爬坡行駛中所需的最大功率。在爬坡作業(yè)時，小型履帶式動力底盤所需的功率按式（4）計算。

根據(jù)設(shè)計需求和公式計算，選擇兩臺功率均為1kW的電機(jī)提供動力。由于直流無刷電機(jī)控制簡單、可調(diào)速范圍較廣、啟動時力矩較大、穩(wěn)定性好且抗干擾能力強(qiáng)，考慮到小型履帶式動力底盤在丘陵山地的工作性能和制造成本，本研究選用功率1kW的兩個直流無刷電機(jī)。

2 仿真模型建立與參數(shù)設(shè)置

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

在軟件中對小型履帶式動力底盤建模時，在確定各部件的運動關(guān)系與實際作業(yè)工況一致的前提下，需要對建立的模型進(jìn)行簡化以便更快且更準(zhǔn)確地進(jìn)行仿真分析，具體約束關(guān)系如表2所示。為了提升模型的仿真解算速度和計算效率，將其余部件與車體整合成為一個整體的剛體系統(tǒng)模型。通過分析小型履帶式動力底盤各組件間的約束及運動關(guān)系，構(gòu)建其模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2.2 動力學(xué)仿真模型構(gòu)建

利用Solidworks軟件創(chuàng)建小型履帶式動力底盤的三維部件模型，并在RecurDyn軟件中加載這些車體部分的模型。在RecurDyn/Track（LM）環(huán)境下，通過參數(shù)化方法對履帶、驅(qū)動輪、張緊輪及其他輪系組件進(jìn)行建模和裝配，初步建立了小型履帶式動力底盤的動力學(xué)仿真模型，如圖3所示[13]。分析其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)定各部件間的約束及運動關(guān)系，合理設(shè)置質(zhì)量特性參數(shù)。根據(jù)需要進(jìn)一步調(diào)整履帶內(nèi)部襯套力的剛度和阻尼系數(shù)、各部件的摩擦因數(shù)，并施加預(yù)張緊力，完成履帶式動力底盤的多體動力學(xué)模型建立。

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

在設(shè)計小型履帶式動力底盤時，主要考慮了兩種作業(yè)環(huán)境：硬質(zhì)水泥路面和松軟的耕地路面。因此，在RecurDyn中需要設(shè)置兩種不同的路面環(huán)境來模擬底盤的作業(yè)性能，設(shè)置的仿真路面特征參數(shù)如表3所示。在硬質(zhì)路面上行駛時，路面不會發(fā)生形變，因此可以使用接觸碰撞摩擦模型來模擬作業(yè)情況。相反，在松軟路面上行駛時，路面會發(fā)生形變，因此需要使用貝克的壓力?沉陷關(guān)系模型進(jìn)行仿真模擬[14]。

在RecurDyn軟件中，為小型履帶式動力底盤添加驅(qū)動速度實質(zhì)上是為驅(qū)動輪添加了角速度。因此，在給小型履帶式動力底盤動力底盤添加速度時，需要使用STEP函數(shù)進(jìn)行設(shè)值[15]。行駛速度范圍0.2～1.2m/s，在動力學(xué)仿真軟件中速度取0.4、0.8和1.2m/s，按照RecurDyn軟件的要求將速度轉(zhuǎn)換成STEP函數(shù)的形式。STEP函數(shù)是一個三次多項式逼近階躍函數(shù)，其常用表達(dá)形式為STEP（x，x0，h0，x1，h1），因此設(shè)置的速度在函數(shù)中表達(dá)為STEP（Time，0，0，3，1.44）、STEP（Time，0，0，3，2.88）、STEP（Time，0，0，3，4.32）。STEP函數(shù)的物理意義用數(shù)學(xué)公式表示為式中 x——時間自變量。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 直線行駛側(cè)向偏移量

小型履帶式動力底盤分別在硬質(zhì)、松軟兩種路面環(huán)境下以0.8m/s的速度直線行駛，將小型履帶式動力底盤在仿真環(huán)境中行駛的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，行駛偏移軌跡曲線如圖4所示。

分析行駛軌跡線可得，當(dāng)小型履帶式動力底盤在硬質(zhì)和松軟兩種路面環(huán)境下直線行駛50m時，車體的側(cè)向偏移量分別為1.692和0.364m，跑偏率分別為3.38%和0.72%。根據(jù)GB/T15370.4—2012《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)通用技術(shù)條件第4部分：履帶拖拉機(jī)》的指標(biāo)要求，拖拉機(jī)的跑偏率≤6%。因此，小型履帶式動力底盤在直線行駛時的側(cè)向穩(wěn)定性符合要求。

3.2 縱向坡地行駛性能仿真分析

為了驗證小型履帶式動力底盤的爬坡能力，在正常耕地路面環(huán)境下設(shè)置10°、20°、26°和36°的爬坡角度，分別以0.4、0.8和1.2m/s的速度行駛進(jìn)行仿真，在Recurdyn中仿真界面如圖5所示。

將小型履帶式動力底盤行駛的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，可以得到其在爬坡行駛過程中俯仰角的變化，如圖6所示。仿真結(jié)果分析表明，小型履帶式動力底盤在坡度10°的路面環(huán)境行駛時，俯仰角大小基本沒有變化，能夠平穩(wěn)通過；在坡度20°的路面情況下，能夠平穩(wěn)通過，俯仰角保持穩(wěn)定，爬坡性能良好；在坡度26°的路面上以0.8和1.2m/s的速度行駛時，俯仰角會發(fā)生突變；在36°的斜坡上行駛時，俯仰角的變化更為顯著，這導(dǎo)致小型履帶式動力底盤的穩(wěn)定性相對較差，甚至?xí)a(chǎn)生傾翻滑移的現(xiàn)象。

小型履帶式動力底盤以0.8m/s速度行駛時，歐拉角（俯仰角、方向角、側(cè)傾角）的變化曲線如圖7所示。小型履帶式動力底盤在10°、20°和26°的斜坡上行駛時，俯仰角和側(cè)傾角變化較小，爬坡作業(yè)時可以穩(wěn)定行駛；在坡度10°斜坡行駛時，方向角呈先增大后減小的變化趨勢，隨后恢復(fù)穩(wěn)定；在坡度36°的坡度路面行駛時，方向角會產(chǎn)生突變，側(cè)傾角同時也逐漸增大，這表明雖然小型履帶式動力底盤可以通過36°的斜坡，但是不能平穩(wěn)地通過，因此可以得到設(shè)計的小型履帶式動力底盤的最大爬坡角度36°。

3.3 越障通過性仿真分析

驗證越障通過性對于丘陵山地小型履帶式動力底盤來說非常重要，主要因為這關(guān)系到其能否有效、安全地在復(fù)雜地形中通過。在丘陵山地果園作業(yè)過程中，攀越垂直障礙物是常見的作業(yè)環(huán)境。良好的越障通過性意味著小型履帶式動力底盤有良好的通過性和對地面環(huán)境的適應(yīng)性，使得其能夠在復(fù)雜的地形環(huán)境中維持穩(wěn)定和可控性。在RecurDyn中建立果園硬質(zhì)路面環(huán)境，設(shè)置不同高度的垂直障礙物，仿真模擬履帶式動力底盤攀越障礙物的過程，其仿真界面如圖8所示，仿真結(jié)果如表4所示。

仿真結(jié)果分析表明，小型履帶式動力底盤在硬質(zhì)路面行駛時可以平穩(wěn)地通過140mm高度的垂直障礙物；當(dāng)垂直障礙物高度160mm時，可以晃動通過；當(dāng)垂直障礙物高度180mm時，無法通過。這說明小型履帶式動力底盤在硬質(zhì)路面行駛時的極限越障高度為160～180mm。為了準(zhǔn)確得到小型履帶式動力底盤的越障能力，不斷降低障礙物的高度，最終可以得到其可以晃動通過170mm高度的垂直障礙物，最大仰角58.6°，越障通過時間4.76s。同理可以得到小型履帶式動力底盤在松軟路面行駛時的極限越障高度185mm。

3.4 跨越壕溝通過性仿真分析

在RecurDyn中建立果園硬質(zhì)路面環(huán)境，設(shè)置不同寬度壕溝，仿真模擬小型履帶式動力底盤跨越壕溝的過程，其仿真界面如圖9所示，仿真結(jié)果如表5所示。

仿真結(jié)果分析表明，硬質(zhì)路面上，小型履帶式動力底盤可以穩(wěn)定通過250mm寬度的壕溝；當(dāng)壕溝寬度增至300mm時，可晃動通過；而350mm寬度的壕溝則無法通過。這表明，在硬質(zhì)路面行駛時，小型履帶式動力底盤跨越壕溝的極限范圍為250～350mm。為了準(zhǔn)確評估其越障能力，將壕溝寬度不斷縮小，最終確定在310mm寬度的壕溝內(nèi)，小型履帶式動力底盤可以晃動通過，最大仰角36.98°、最大俯角12.6°、越障通過時間3.68s。

同理，可以在RecurDyn中進(jìn)行仿真分析小型履帶式動力底盤在松軟路面上跨越壕溝的過程。最終結(jié)果表明，小型履帶式動力底盤能夠跨越的極限寬度296mm、最大俯角15.6°、最大仰角41.57°。通過與在硬質(zhì)路面上跨越壕溝的能力進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在松軟路面上的跨越能力略遜于硬質(zhì)路面。這可能是由于松軟路面會增加摩擦阻力，使得小型履帶式動力底盤在跨越壕溝時更容易陷入或滑動，而硬質(zhì)路面則能提供更好的支撐和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本研究對小型履帶式動力底盤的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，確定了各部件的參數(shù)和行走系統(tǒng)的選型?；赗ecurDyn軟件建立了小型履帶式動力底盤與作業(yè)路面的多體動力學(xué)仿真模型，對小型履帶式動力底盤在直線行駛和爬坡過程進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，硬質(zhì)和松軟路面下小型履帶式動力底盤的直線行駛跑偏率分別為3.38%和0.72%，都可以在30°的坡度路面穩(wěn)定通過，爬坡穩(wěn)定性較好。

為了得到小型履帶式動力底盤的越障能力，對其分別在硬質(zhì)和松軟兩種路面環(huán)境下的越障過程（翻越垂直障礙物和跨越壕溝）進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，兩種路況下小型履帶式動力底盤的極限翻越垂直障礙物的高度分別為170和185mm，可跨越壕溝的極限寬度分別為310和296mm，通過仿真分析結(jié)果可知，小型履帶式動力底盤的越障能力能夠符合丘陵山地果園作業(yè)要求，本研究可以為深入研究小型履帶式動力底盤的行駛特性提供參考。