软粘土地面的车辆通用性评价原理与方法

软粘土地面的车辆通过性评价原理与方法 农业机械化及其自动化 杨海燕 指导老师 丁启朔 摘要 主要介绍了软粘土地面的车辆通过性评价指标和方法 及其研究意义 国内外研究 的现状 关键词 车辆 通过性 原理 方法 The soft clay ground vehicles pass the appraisal principle and the method Mechanization of agriculture and automation YangHaiyan Instructs teacher DingQishuo Abstract Mainly introduced t Mechanization of agriculture and automation he soft clay ground vehicles pass the appraisal target and the method and research significance domestic and foreign research present situation Key word Vehicles Through nature Principle Method 0 引言 我国水田面积大 在耕地中占有很大比例 另外 我国尚有大量的 沿海及湖泊 河道 滩涂和沼泽地有待于开发利用 而开发利用这些资源就 必须要有在此环境下性能优良的车辆及其它与土壤作用的机具 这些机具的 研制 开发都离不开对 软粘性的土壤力学性质的深入研究 到目前为止 已进行了大量的旨在提高车辆软粘土地面通过性的研究 可 分为两个方面 一是为改进车轮性能而进行的关于车轮参数如几何尺寸 形状 气压 结构等对通过性的影响方面的研究 二是非轮式特种行走机构如履带 步 行机构等的研究设计 车辆的用途不同 对通过性的要求也不一样 行驶在城市铺设路面的车辆 对通过性要求并不突出 但对农用车或军用车辆 就要求有良好的通过性 因 为这类车辆所行驶的路面条件复杂且较恶劣 如农业车辆在南方软粘土环境中 行走时 地面对车辆的应力传递过程相当复杂 此时 车轮会下陷 致使行驶 阻力增大 车辆通过性变差 1 这在很大程度上是由于南方水田中的软粘土 土壤含水率高 附着性能差 道路阻力大 具有流变机理 只有特制轮胎才能符合在这种条件下的通过性要 求 2 土壤剪切强度是支配车辆在软粘土壤上通过性最重要的特性 甚至是决定 性的因素 因此 所有有关提高通过性的研究都是出于有效利用车辆行走机构 下土壤强度而考虑的 即 尽量增加接地面积 以使在车辆在软粘土地面上作 业时其单位接地压力不超过其下土壤的承载能力 基于这一思想 便发展了履 带车辆 履带的设计思想实际上已经成为软粘土地面上车辆行走机构设计的基 本出发点 已经发展了多种行走机构 如特殊履带 橡胶履带 充气履带等 轮胎 宽断面胎 低压胎 拱型胎等 金属弹性轮机构等 随着农业机械化发展的加快 解决水田作业机械问题已成为极为迫切的问 题 但传统的方法在探讨耕作部件和车辆的行走装置与土壤的相互作用规律时 均将土壤作为弹性 塑性或弹塑性材料 而这些方法不适用于含水率较高的水 田土壤 3 1 国内外研究动态 过去人们认为 只要加大轮胎或履带的接地面积以减轻对地面的单位压 力 并加大发动机功率以提高驱动力 车辆就能有良好的通过松软地面的能 力 根据这一概念曾设计出三轴十轮的军用越野货车 在第二次世界大战中 使用结果表明 在同样的轴荷下 双轮胎的行驶阻力加大 效果不佳 这就 引起人们开始系统地研究轮胎 履带等在各种地面上的驱动力 阻力 下陷 和滑转及滑移等的变化规律和相互关系 以解决越野车辆设计问题 到目前为止 为适应不同松软地面行驶的需要 国内外学者的研究概括起 来主要有两大类 基于轮式车辆行走机构的研究和基于非轮式车辆行走机构的 研究 4 前者主要研究车轮性能参数 如几何尺寸形状 气压及结构等 对车 辆通过性的影响 后者主要研究不同车辆行走机构 如履带 步行机构等 对 车辆通过性的影响 5 在关于轮胎性能参数对轮式车辆在松软地面通过性影响研究方面 M G Bekker 等学者做了大量的研究工作 6 8 出了很多有益的结论 他们所得到 的一般性结论是降低轮胎气压 增加轮胎直径有利于通过松软地面 但是从车 辆行走机构和沙土相互作用看 降低轮胎气压并没有改进作用方式 只能在一 定程度上降低滚动阻力 并不能使通过性得到很大的提高 9 提高轮式车辆通过性的另一个研究方向 就是发展特殊型式的轮胎 这些 靠自身很宽的断面来降低接地压力 减少下限和阻力 使轮式车辆的通过性有 了很大的提高 10 非轮式车辆行走机构的研究主要有履带式的 步行机构 螺旋 式锥式车以及仿生研究等 11 综上所述 国内外学者在汽车地面相互作用的研究方法归纳起来可分为纯 经验方法 典型代表是美国陆军工程部队水道实验站的圆锥指数法 简称 WES 法 12 模型试验和因次分析方法 半经验方法 目前为止 这个方法仍然得到 许多研究者的认同 基本理论研究方法 数值模拟方法 20 世纪 60 年代以来 随着计算机技术的发展 许多用理论方法和试验方法难以解决的问题 可以借 助于数值模拟法来解决 一些数值模拟方法 如有限差分法 有限元法 边界 元法等相继产生和发展 特别是有限元法 但是 从当前应用有限元法的各个 领域看 其应用还只停留在简单地应用有限元软件进行位移和应力计算水平 还没有达到专业化发展水平 13 2 车辆软粘土地面上通过性的评价指标 从广义上说 车辆的通过性 包括几何通过性和牵引通过性 在软粘土地 面上 决定车辆通过能力的主要是牵引通过性 即 车辆在一定的载荷下 以足 够高的平均车速通过无路地带的能力 所以 研究车辆的软粘土地面通过性 就是牵引通过性 目前 许多文献 14 15 讨论了行走机构在软粘土地面上的通过性时 建议用挂钩牵引力 或简称牵引力 DP 作为评价指标 其定义为 当土壤作用于 整台车辆行走机构上的驱动力 H 大于整机行驶阻力 Pf 时 车辆可以行驶 两 者之差称为挂钩牵引力 DP DP 二 H 一 Pf 1 1 当 DP 0 时 表明行走机构获得的土壤推力除了克服土壤阻力外 还有一部 分 净推力 可以用来加速 爬坡以及牵引车辆的从动部分 DP 越大 行走 机构的储备牵引能力就越强 车辆在软粘土地面上通过性就越好 工程上常用单位车重的挂钩牵引力即牵引性系数 无量纲 作为车辆通过 能力的评价指标 DP W H Pf W 1 2 DP 或 值越大 通过能力越强 其值为零时刚好能通过 为负时则不能通 过 本文采用牵引系数 作为行走机构的沙漠通过性的评价指标 另外 在评价松软地面上的通过性时 还应考虑行走机构的牵引效率 无量 纲 Nd Pd P 式中 Pd DP v 一行走机构的牵引功率 即牵引力 DP 的功率 v 车辆的实际行驶速度 P 行走机构的输入功率 对于车轮 P M w M 为输入扭矩 w 为角速度 牵引效率 Nd反映行走机构将输入的总功率转化为输出的有用功率的比率 Nd越大 能量的利用率就越高 行走机构的经济性就越好 综上所述 本文对车辆行走机构在软粘土地面上的通过性 首先满足式 1 1 然后用牵引性系数 作为主要评价指标 以牵引效率 Nd作为辅助性评价指 标 一个软粘土地面上通过性很好的行走机构 应该具有尽可能高的牵引性系 数 同时也有较好的牵引效率 3 软粘土地面的车辆通过性研究方法 研究地面 辆系统力学的最终目的是要建立车辆特性与地面性质之间的相互 关系 长期以来 各国学者从不同角度 采用不同方法相继对此进行了非常广 泛的研究 主要有以下几种方法 15 3 1 以试验为主的研究方法 纯经验法和模型试验法 纯经验法的典型代表是美国陆军工程部队水道试验站的圆锥指数法 简称 WES 法 该方法很难找到定量关系 总是要做大量的试验 且所得结果 又很 难应用于试验范围之外的情况 所以不能用来精确预测新设计车型的通过性能 因而该方法具有较大的局限性 模型试验法采用相似理论和因次分析法将一切与车辆行驶有关的物理现象 按同样的比例缩小成模型 在实验室中进行试验 再将试验结果按比例放大 从而可预测原型的性能 模型试验法要求模型系统的所有参数相对于原型系统都要有各自相对应的 比例 不仅在几何方面 而且在力学方面也要达到相似 这对于车辆行走机构 与地面相互作用问题来说很难达到 3 2 以适当的试验为基础的研究方法 半验法 半经验法是对车辆行走机构与地面相互作用问题进行力学分析 以适当的 试验为基础 建立车辆行走机构与地面相互作用问题的近似简化公式 其典型 代表是 M G Bekker 方法 目前该方法应用较广泛 但也存在一些问题 如缺乏 严重的理论基础 与某些试验结果不能完全一致 不能从根本上揭示出车辆与 地面的内在联系等 3 3 以数值仿真为主的研究方法 数值模拟法 20 世纪 60 年代以来 随着计算机技术和计算技术的发展 许多用理论方 法和试验方法难以解决的问题 可以借助数值模拟来解决 特别是有限元法 最初是作为结构分析的方法逐步得到应用和发展 16 20 20 世纪 70 年代以来 作为研究车辆行走机构与地面相互作用的一种新方 法 有限元法在地面一车辆系统力学中得到了应用 国外从 1969 年起在车辆一 松软地面领域开始应用有限元法 拍鲁瑞尔 J V Perumpral 21 黄祖永 J Y Wong 22 卡拉费斯 L L Karafiath 23 等人先后用有限法研究了车轮与 地面的相互作用及土壤压实等问题 国内从 1978 年开始 吉林工业大学 中国 农业大学 兵器部 201 所等单位在该领域展开了研究 并已取得了一些成果 陈秉聪院士在农业机械通过性方面 24 张继德教授在工程机械通过性方面都做 出了杰出的贡献 15 25 26 邱丽娟 余群等人对限乘法在汽车地面力学中的应用做 了进一步的研究 27 张克健教授也利用有限元法对轮式和履带车辆的通过性方 面进行了深入的研究 28 31 原吉林工业大学的陆怀民博士 32 33 李杰博士 34 在 用有限元法预测车辆通过性方面都作了大量的研究工作 经验法 模型试验法和半经验法虽然都有它的局限性 特别是半经验法在 汽车地面力学领域目前应用还比较广 而有限元法在地面 车辆系统力学中的应 用 目前尚不能达到作为标准研究方法的水平 然而 从长远地观点来看 由 于有限元法具有较严格的理论基础 且通用性强 随着研究内容的逐步深入 研究范围的逐渐扩大及实用价值的进一步提高 有限元法在地面 车辆系统力学 中的应用前景十分广阔的 4 结语 通过观察发现 在软粘土中 车辆行驶时 驱动轮极易发生打滑 这不仅 导致通过能力的下降 也将导致车辆稳定性的下降 此时 车辆行驶阻力的增 大 极易让驾驶员踩出比在硬路面行驶时更大的油门开度 从而引起驱动车轮 的过度滑转 继而发生打滑现象 车轮越陷越深 受到的阻力也越来越大 甚 至发生停车的事件 丧失通过性 严重影响农业生产效率 发生这种情况时 发动机输出的功率大部分消耗在车轮的滑转上 不仅浪费燃油 加速轮胎磨损 更严重的是大大降低车辆的通过性和机动性 35 由土壤 车辆系统力学理论可知 研制和开发通过性能良好的车辆的实 质是提高车辆在野外环境中的通过性 核心问题是车轮与土壤相互作用问题 通过提高车辆通过性以及提高测量燃油经济性的效用 针对车辆在软粘土 条件下的实际状态进行研究 具有实际意义 并且对今后的车辆地面力学研究 提供参考依据 并对车辆设计提出相关建议 车辆软粘土地面上的通过性研究是一项复杂的属于边缘学科的研究课题 不仅需要大量的基础性理论研究 又需要大量的试验研究 参考文献 1 庄继德 计算汽车地面力学 M 1 版 北京 机械工业出版社 2002 年 1 月 1 2 2 10 102 110 2 Schmid I C Interaction of vehicle and 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Publieations Cluasthal Gemrnay 1978 24 陈秉聪 土壤一车辆系统力学 北京 中国农业机械出版社 1981 3 7 25 38 25 庄继德 汽车地面力学 北京 机械工业出版社 1980 100 103 112 147 26 庄继德 汽车轮胎学 北京