沙地刚性轮构型仿生设计及牵引性能数值分析

为了提高车轮牵引性能,改善车辆在松散沙土介质环境的通过能力,该文以善于沙地奔跑的鸵鸟足部关键部位—足趾甲为仿生原型,通过仿生优化轮刺结构,设计出具有高牵引性能的仿生轮刺式沙地刚性轮,并以一种模拟月壤作为试验松散沙土介质材料,采用离散元软件PFC2D?的内置语言FISH和相关命令,建立了适用于非规则结构刚性轮的轮壤相互作用动态模拟系统,并获得试验验证。通过仿生轮刺式刚性轮与模拟月壤相互作用离散元模拟,并与矩形轮刺式刚性轮模拟结果对照,从轮下模拟月壤颗粒细观运动、接触力场、速度场以及车轮挂钩牵引力角度,验证了仿生轮刺式刚性轮具有优越的牵引性能,在车轮滑转率50%的稳定运行状态下,仿生轮刺式刚性轮的牵引性能可提高5.2%左右。该研究为提高刚性轮在松散沙土介质环境中的牵引性能提供了全新设计和研究手段。     

步行轮轮脚与土壤相互作用动力学

对步行轮轮脚与土壤相互作用的动力学进行了理论分析,运用土力学中的被动土压力理论推导了描述步行驱动力、滚动阻力、支承力和行走效率的数学模型;从而为优化步行轮主要参数和预测步行轮的牵引附着性能提供了理论依据。     

仿螃蟹步行机构及其通过性试验

仿生步行机构的研究对于复杂地形的行走机构开发具有十分重要的意义。为了设计出性能优越、结构简单的仿生步行机构,通过分析中华绒螯蟹的行走步态,提出了仿螃蟹步行机构的设计方案。由于螃蟹尾端的两只步足较少参与行走,为简化设计,将步行机构设计成6足式,腿部运动由六连杆机构实现。利用三维建模软件CATIA建立了步行机构整体模型,并在ADAMS中完成了运动学分析,得到步行机构足端运动轨迹,结果表明该步行机构能够完成预期的动作。根据设计加工出样机,在非常规地面上与轮式模型车进行通过性对比试验,结果表明仿螃蟹步行机构在农业生产所涉及的松软地面上具有较高的通过性能,在崎岖硬地面上波动比轮式模型车降低5%~75%。该步行机构还可作为试验平台,通过对其腿部杆件尺寸和足端触地方式的优化,为开展提高步行机构在不同地面通过性提供基础研究设备条件。     

步行轮轮脚与土壤相互作用运动学

在推导步行轮轮脚运动轨迹方程和包络线方程的基础上,分析了步行轮在软地面上行驶时轮脚刺孔的形状和大小、包络线的长度和位置以及驱动面接触线长度的影响因素和计算方法,为动力性能的分析提供了依据和基础。     

步行轮及步行轮拖拉机试验

介绍步行轮的室内动力性能试验和水田现场牵引试验简要情况与试验结果,对理论计算值与实测值作了相应比较。试验结果表明:步行轮在具有一定硬底层的软湿地面上行驶时具有减小阻力、增大驱动力的优点,其单轮行走效率达50～52％,整机牵引效率达40％以上。     

仿驼步行足的研究

生活在沙漠地区的骆驼,不仅对沙漠环境具有很强的适应性,而且具有很好的通过沙地能力。本文通过对驼足结构、运动方式及对沙地作用等的分析,根据仿生原理,提出了仿驼步行的设计原理与方法,研制了仿驼足机构,并对其进行了试验。结果表明,此足性能良好,为开发步行车辆提供了依据。     

毛乌素沙地风沙土粒径和矿物组成对固定态铵含量的影响

固定态铵是土壤氮素的一种重要形态,对植物生长具有十分重要的作用;然而,风沙土中固定态铵的含量及其影响因素目前并不清楚,限制着对沙地土壤肥力来源及其维持机制的认识。该研究测定了毛乌素沙地裸沙地、沙柳（Salix psammophila）和油蒿（Artemisia ordosica）林地风沙土固定态铵的含量,并分析了土壤粒径及矿物组成对其的影响。结果显示：1）研究区土壤固定态铵平均含量为18.63 mg/kg,占土壤氮库的8.77%,不同植被下土壤中固定态铵含量存在明显差别,油蒿林地土壤固定态铵含量（23.03±1.88 mg/kg）显著高于裸沙地（16.63±0.61 mg/kg）和沙柳林地（16.82± 1.25 mg/kg）;2）风沙土粒径组成与固定态铵含量显著相关,粒径越细,固定态铵含量越高,粒径越粗,含量越低;3）风沙土矿物组成与固定态铵含量间无显著关系。研究表明,毛乌素沙地风沙土中固定态铵含量取决于土壤物理构成而非矿物化学组成,植被主要通过影响粒径组成而影响其含量。固定态铵是荒漠土壤肥力的重要组成部分,通过植被建设增加土壤细粒物质,有利于提高固定态铵含量,对土地荒漠化治理和生物生产力的提高具有十分重要的意义。     

仿驯鹿足底形貌胎面单元对轮胎防滑性能影响分析

轮胎胎面单元形貌结构对冬季轮胎防滑性能提升至关重要。为提高轮胎防滑性能,基于驯鹿足部特征,运用工程仿生技术,设计了有棱纹和无棱纹仿生防滑胎面单元。采用冰面附着试验和有限元数值模拟,与同尺寸常规人字形胎面单元比较,对仿生防滑胎面单元的防滑性能进行了分析。在试验低压状态下(压强≤0.02MPa)通过冰面与3种胎面单元的附着试验,结果表明在相同的速度、温度和压力条件下无棱纹仿生胎面单元摩擦系数最高,是人字形胎面单元的1.04～1.26倍。通过有限元数值分析,在低压0.02 MPa作用下,有棱纹仿生胎面单元、无棱纹仿生胎面单元和人字形胎面单元下的冰表面温度相对于初始温度分别升高了0.21、0.66和0.54℃,无棱纹仿生胎面单元温度升高最大,表明在低压条件下,无棱纹仿生胎面单元防滑性能最好。在高压状态(压强=2 MPa),有限元分析发现有棱纹仿生胎面单元、无棱纹仿生胎面单元和人字形胎面单元下的冰表面温度相对于初始温度分别升高了7.76、4.07和3.39℃,有棱纹仿生胎面单元升高温度最大,表明在高压状态下,有棱纹仿生胎面单元防滑性能最好。无棱纹仿生胎面单元和有棱纹仿生胎面单元分别在低压和高压状态下具有优良的防滑特性。该研究可为轮胎胎面单元的冰面防滑设计提供参考。     

轻载荷条件下轻型车辆车轮牵引通过性模型的建立与验证

为研究轻型地面车辆松软地面通过性能,针对轻载荷条件建立车轮牵引通过性预测模型,该文采用轮上载荷为30~90 N的轻载荷条件,以轮上载荷和轮径度为试验因素,车轮沉陷、挂钩牵引力和牵引效率为试验指标,开展滑转条件下轮壤相互作用试验研究。分析了试验因素对车轮牵引通过性的影响规律,发现载荷因素对试验指标的影响最为显著,显著性检验的置信度达90%。沉陷随着轮径的减小以及轮上载荷和滑转率的增加,车轮沉陷均呈现增加趋势,平均相对增加率分别为14.3%、36.9%和77.4%。挂钩牵引力随着载荷、滑转率和轮径的增加平均提高了约263%、295%和29.71%,牵引效率最大值均值为0.23,对应的滑转率为26.86%。基于传统沉陷模型和轮壤接触应力分布线性化公式,结合车轮土槽试验结果,建立了适合滑转条件的沉陷模型,模型计算值与试验值残差低于3.6 mm,平均相对误差小于6.4%,结果表明该模型能准确预测轻载荷条件下车轮沉陷。该研究为轻型车辆研制、轻载荷条件下车轮牵引通过性评估提供了参考。     

地轮前置式中型免耕覆秸垄作玉米播种机转运平台研制

针对中型免耕覆秸垄作玉米播种机运输和作业转场困难的问题，该研究通过理论分析与虚拟仿真技术相结合，提出中型免耕覆秸垄作玉米播种机转运平台装载方案，确定了地轮参数、液压系统和传动系统的布置形式，实现整机作业状态和运输状态的转换，并通过仿真测试液压系统动作顺序，简化液压系统控制流程，保证整机同步升降。仿真分析结果表明，运输时制动状态下的机架强度满足要求，地轮机构具备良好的强度和刚度特性，且存在优化空间。经过轻量化设计后，与优化前相比，辅助型地轮机构质量减少26.72%，兼用型地轮机构质量减少10.96%。样机试验表明，地轮平台可同步抬升整机，并通过拖拉机侧向牵引进入运输状态，作业状态转换用时5 min。该研究将高机动性平台技术应用于中型免耕覆秸垄作玉米播种机上，解决了播种机作业转场困难的问题，也可为宽幅农机装备的转运平台设计提供参考。     

鸵鸟足底非规则曲面形貌数学模型构建

鸵鸟足底曲面形貌是影响鸵鸟足优越越沙性能的关键因素之一,研究鸵鸟足底曲面特征将有助于将其这一优越特性应用到越沙车轮上,以改善目前常规越沙车轮在松软地面上通过性低的难题。该文选取健康成年鸵鸟足,经过三维激光扫描仪扫描得到鸵鸟足的点云数据,并导入Geomagic Studio软件中进行封装、表面处理,最后把鸵鸟足第Ⅲ趾底曲面划分为3个典型区域：前掌缓曲面、中间凹槽面和足跟凸冠面。利用Catia软件中的Digitized Shape Editor模块,对3个典型曲面的密集点云选取合理的过滤方式过滤,保留典型曲面形貌的特征点,并导出3个典型区域特征点云三维数据。运用Matlab软件中的surface fitting自动拟合功能,拟合前掌缓曲面和中间凹槽面的2个曲面,分别得到2个曲面的拟合方程和决定系数R2;基于足跟凸冠面外形类似于一个典型椭球面,利用SAS软件中非线性回归模块以椭球面模型进行曲面拟合。从拟合结果可以看出,3个曲面的决定系数R2分别为0.95、0.96、0.95,实现了鸵鸟足底曲面由生物模型到数学模型的转化。该研究为将鸵鸟足底曲面形貌进行工程仿生学应用奠定了理论基础,并为利用工程仿生学技术研究松软路面行驶车辆提供研究方向和参考依据。     

驼足运动特性试验研究

研究了骆驼在平坦沙地行走时驼足的运动特性。所得结果有利于揭示骆驼沙地高行走性能的优异本领,对于步行车辆步行足运动方式及腿足运动协调的合理设计具有指导意义。     

沙漠用仿驼蹄橡胶轮胎的设计与试验研究

研制沙漠轮胎是开发沙漠车辆的关键技术之一。根据仿生学原理,建立仿驼蹄轮胎原理模型并首次研制了仿驼蹄轮胎橡胶模型。进行仿驼蹄橡胶轮胎的参数设计,并在室内沙槽模拟台对仿驼蹄轮胎橡胶模型进行了试验研究。研究结果表明,仿驼蹄轮胎橡胶模型具有较高的沙地通过性。     

骆驼行走步态的实验与分析

为合理设计沙漠地区步行车辆行走机构及合理确定整车参数,采用高速摄影记录方法,对骆驼行走时的步法、形态及特点进行了一系列试验,经数据处理、绘制曲线、建立数学模型,研究了骆驼腿关节行走运动过程和步态规律。所获成果为步行运输车辆设计提供了理论依据。     

步行轮机构原理

介绍一种用于软地面车辆的新型行走机构——步行轮的基本原理,所阐述的步行轮机构的运动学和动力学特点及理论分析结果,可为其开发应用和合理设计提供最基础的理论依据。     

骆驼越沙机理初步分析

本文分析了驼体和驼足对沙地的适应性,借助微细动作分析仪,进行了骆驼沙地运动动作剖析及驼足与沙相互作用研究,初步揭示了骆驼高越沙功能的机理。