基于地面力学的筛网轮牵引通过性研究

筛网轮具有质量轻、转向阻力小等优点,但其在松软干沙路面上的牵引通过性研究比较少。本文设计了轻型轮壤土槽测试系统,以车轮沉陷量、驱动扭矩、挂钩牵引力和牵引系数为指标,在土壤松散和自然状态下进行筛网轮和圆柱轮牵引通过性对比试验,基于轮辙非接触测量获取筛网轮表观沉陷量。结果表明：试验条件下,筛网轮实际沉陷量范围分别为13.1~26.3mm（松散状态）和8.1~18.7mm（自然状态）,较圆柱轮平均分别增加了26.4%（松散状态）和22.7%（自然状态）;随着滑转率的增加,筛网轮表观沉陷量呈现减小趋势,圆柱轮则呈现先增加后减小趋势。车轮驱动扭矩、挂钩牵引力随着滑转率的增加而增加,牵引系数呈现先增加后减小趋势;筛网轮驱动扭矩最大值分别为3.18N·m（松散状态）和3.76N〖DK〗·m（自然状态）,筛网轮挂钩牵引力最大值分别为8.46N（松散状态）和9.9N（自然状态）,自然状态土壤较松散状态时挂钩牵引力平均提高了16.7%;与筛网轮相比,圆柱轮驱动扭矩较筛网轮平均提高了45.2%,挂钩牵引力则平均提高了30.9%（松散状态）和33.6%（自然状态）;筛网轮牵引系数明显较圆柱轮大,自然状态下筛网轮牵引系数最大值为0.29,较松散状态下提高了17.9%。综合考虑车轮沉陷量、牵引系数的影响,筛网轮在干沙路面上比圆柱轮具有更好的牵引通过性。     

适用于松软地面的可变形轮牵引特性分析

为解决常规地面车辆及传统车轮在水田、沙地等松软地面作业时存在的通过性差、效率低、能耗大甚至无法行驶的问题,设计了适用于松软地面的可变形轮。该车轮由变形机构、变形驱动机构和轮胎块组成,它能在有轮缘和无轮缘2种轮态间转换,实现步行和连续行走。基于Bekker模型的经典地面力学理论,分别建立了可变形轮步行及合拢状态时与3种典型松软土壤作用关系的力学简化模型,使用软件计算并对比分析了可变形轮2种工作轮态的挂钩牵引力、驱动力矩和牵引效率等随滑转率的变化关系及车轮接近角与沉陷量关系。计算结果表明车轮的挂钩牵引力、驱动力矩和牵引效率等均受到车轮滑转率及软土特性参数的制约,其中挂钩牵引力和驱动力矩随车轮滑转率的增大而增大,步行轮的挂钩牵引力和驱动力矩最大为3990N和2395N·m,合拢轮最大为1435N和1390N·m。在车轮半径一定时,牵引效率随滑转率的增大表现为先剧增到最大后缓降至零。步行轮和合拢轮的最大牵引效率分别为0.53和0.19,对应的滑转率范围分别为0.1~0.2及0.2~0.3。可看出松软路面上可变形轮步行轮比合拢轮能产生更大的挂钩牵引力、驱动力矩、牵引效率和更小的沉陷量,更有利于提高车轮的软土牵引通过性。最后对可变形轮进行了样机试制,并安装在基于沉浮结合式工作原理设计的水陆两栖全地形车上进行相关牵引力测试试验。当滑转率大于0.52和0.44时,步行轮和合拢轮分别出现驱动力不足的现象,记录相应的6个数据。试验结果与计算结果相差不超过10%,证明计算结果的正确性及可变形轮在松软地面的适用性。     

基于相似理论的月球车坡面通过性能试验

基于相似理论开展月球车轮壤相互作用系统参数量纲分析,分别以模拟月壤内聚力和密度参数不变为约束条件,推导了轮壤系统参数比例尺。采用轻质量模型样车法当量月面低重力环境影响,设计1/2比例月球模型样车;以速度和坡度为试验因素,开展月球车坡面通过性试验;分析了试验因素对各车轮滑转率和沉陷量的影响规律;讨论了不同坡度条件下驱动扭矩、挂钩牵引力和牵引系数随滑转率的变化规律。结果表明,坡度对通过性的影响明显较速度的大;随着滑转率的增加,驱动扭矩和挂钩牵引力呈现增加趋势,最大值分别为3.6 N·m和10.5 N;牵引系数呈现先增加后减小趋势,在滑转率为21.6%时达到最大值0.18。为保障月球车安全可靠的通过性能,其巡视坡度在20°以内合理。     

自适应低振动步行轮仿生设计与性能分析

为提高具有高通过性的步行轮平顺性,基于鸵鸟足运动姿态与跖趾关节储能减振机理,运用工程仿生学原理与技术,设计了一种仿生自适应低振动步行轮。有限元数值模拟结果表明,轮上载荷30 N,角速度10(°)/s情况下,相比于传统步行轮,仿生步行轮轮心波动范围在软路面和硬路面分别降低了85.71%和93.33%。采用轻载荷月壤/车轮土槽测试系统验证了仿生步行轮的减振性能。当滑转率小于40%时,仿生步行轮的挂钩牵引力均大于传统步行轮;当滑转率大于40%,且仅在角速度为20(°)/s时,仿生步行轮的挂钩牵引力才小于传统步行轮,表明仿生步行轮在松软地面具有较好的牵引通过性。同时,相比于传统步行轮,当角速度为30(°)/s时,仿生步行轮在软路面和硬路面的加速度分别减少了6.3%和15.8%,振幅分别减小了14.6%和9.6%。在保证松软地面优越牵引通过性能前提下,仿生步行轮比传统步行轮的轮心波动更小,振动明显降低,有效解决了步行轮多边形效应引起的振动问题。     

月球车轮与月壤相互作用动力学模拟

在分析月球车轮与月壤相互作用的基础上.应用离散元软件PFC2D对月球车轮在月壤上的牵引通过性能进行了模拟研究.通过双轴试验调整离散元力学模型的细观参数.得到月壤离散元接触力学模型:其内摩擦角为42°,凝聚力为1.554 kPa,泊松比为0.41,弹性模量为77.5 MPa;通过颗粒与月球车轮接触的平均刚度.确定了车轮前进时的水平速度与沉降速度增量;在相同试验条件下,模拟试验与土槽试验的对比结果表明,两者趋势一致;有轮刺轮与光滑轮的牵引通过性能对比结果表明,在没有牵引阻力情况下.有轮刺轮滑转率为零.光滑轮滑转率为1.8%;当滑转率为10%时,光滑轮挂钩牵引力为7.71 N,有轮刺轮挂钩牵引力为121.6 N.     

月壤力学性质对月球车牵引性能影响的模拟

采用离散元软件PFC2D,对月球车驱动轮在不同力学性质月壤上的牵引通过特性进行了数值模拟.研究采用线性接触刚度模型,通过双轴试验反复调整颗粒细观参数建立月壤离散元模型,其物理力学性质与真实月壤相似.在相同试验条件下,模拟试验与土槽试验结果趋势一致;模拟试验结果表明,挂钩牵引力随颗粒间摩擦因数增加而增加,当摩擦因数在1左右时增加趋于平缓;挂钩牵引力随孔隙率增加而线性减少;挂钩牵引力随粒径分布(rmax/rmin)增加先增加,当粒径分布大于5后减小,挂钩牵引力随重力加速度增加而增加,在1/6地球重力条件下,滑转率20%时,驱动轮的挂钩牵引力约为地球重力时的77.3%.     

与沉陷相关联的星球车挂钩牵引力模型研究

通过轮壤作用关系的线性化推导,建立简洁的挂钩牵引力模型用于星球车在轨沉陷预估。以玉兔号月球车为例,利用其车轮土槽试验进行了模型修正和验证,从而建立了用于星球车在轨沉陷预估的模型,验算得到修正后的挂钩牵引力模型的拟合值与土槽实测值的误差小于9%。提出的模型可以为星球车在沉陷前进行预警评估,也可为发生沉陷后的地面模拟脱困试验提供沉陷状态数据。该研究方法还可用于轮式机械在沙漠、滩涂等松软地面执行各种操作的快速沉陷预估。     

轮面曲率半径对沙地刚性轮沉陷性能影响研究

轮面曲率半径对沙地刚性轮的沉陷性能影响至关重要。通过轮面承压试验、轮壤台架动态试验和离散元数值模拟分别对6种不同轮面曲率半径的平面、凹面和凸面沙地刚性轮在3种不同颗粒形状及粒径大小沙土上的沉陷性能进行分析。在轮面承压试验中,相比其他轮面曲率半径的车轮,平面轮在细径石英砂和粉尘状火山灰上的抗沉陷性能均最好。与其他沙土介质相比,粗径石英砂上所有轮面车轮的沉陷量最小。轮面承压模拟结果表明,平面轮下沙土颗粒的力场分布均匀,轮下颗粒溢出量小,有效说明平面轮沉陷量最小的原理。在细径石英砂轮壤台架动态试验中,凹面R80车轮在行驶初期(位移小于50 cm)沉陷量最小,行驶到稳定状态后(位移大于70 cm),凹面R60车轮的动态沉陷量最小;在粉尘状火山灰轮壤台架动态试验中,凹面R60车轮在整个运动范围内的沉陷量最小。因此,在细径石英砂和粉尘状火山灰上行驶过程中,轮面曲率半径较大的凹面轮的抗沉陷性能较好。此外,由车轮行驶在细径石英砂离散元模拟可知,凹面轮的受力区域集中在轮面两侧,轮面内凹结构可有效防止沙土侧向流动并减小对沙土的扰动。本文研究不仅为承压和行驶条件下不同曲率半径轮面的车轮在沙土介质上的沉陷性能判断提供参考依据,而且为沙漠或者深空探测车辆轮/胎的轮面结构设计提供重要理论依据。     

遥控喷杆喷雾机设计与试验

针对大田蔬菜种植病虫害防治需求,利用高地隙四轮转向液压底盘,设计一种遥控喷杆喷雾机。采用PID控制算法设计液压驱动系统和变量施药系统。液压驱动系统通过对比实时采集的实际车速和轮速计算各轮滑转率,以理想滑转率为控制目标进行实时动力分配;变量施药系统根据实时采集的实际车速和预设的目标单位面积施药量换算目标流量,以目标流量为控制目标进行实时喷雾流量调节。在韭菜田进行不同车速下的性能考核试验,结果表明：滑转率最大的车轮为左前轮,滑转率均值为6.14%,能稳定在理想滑转率范围内;滑转率最小的左后轮是轮上载荷最大的车轮,滑转率均值为0.76%,显著小于其他车轮;喷雾作业雾滴沉积率均值为93.4%,变异系数为21.6%,变量施药系统随速调节功能良好,但作业质量随着车速增加而略有下降。该喷雾机可为大田蔬菜种植智能化植保机械的研制提供参考。     

车辆转向时牵引力控制系统前轮滑转率算法

车辆转向时.用后轮轮速作为参考车速计算驱动轮滑转率会造成计算偏差,造成牵引力控制系统的误干涉.为此利用前轮参考轮速计算转弯时的前驱动轮滑转率.并提出了利用横摆角速度信号的直接开方法以及利用前轮转角信号的前轮转角补偿法进行滑转率计算.试验表明2种算法都有效,前者运算时间为0.8 ms,后者运算时间为0.3 ms,因而选用后者.利用该算法修正后牵引力控制系统没有出现误干涉.     

仿生步行足沙地力学特性研究

基于螃蟹对滩涂、沙地、湿地等有很强的运动适应性,参照中华绒螯蟹步行足指节的结构,设计了4种仿生步行足:圆锥、圆锥沟纹、棱锥和圆柱沟纹步行足,并与圆柱足对照。通过土槽试验,考察在多种试验条件下,不同步行足对入土力、支承力、推进力和出土力的影响,并采用正交试验分析影响推进力的主要因素。与圆柱足的对比试验结果表明:仿生足有良好的沙地力学特性,锥形仿生足入土力减小64.71%~95.43%;圆柱沟纹仿生足使支承力增加9.48%~24.31%,推进力提高3.84%;仿生足出土力降低13.26%~89.83%,有效减少能耗。研究成果为松软路面步行机构触土部件的设计与优化提供了基础依据。     

沙地车轮牵引通过性分析

装用普通充气弹性轮胎的轮式车辆在沙地上行驶时,由于车轮滑转下陷,使车辆难以通过。开发新的车辆行走机构对提高沙漠车辆通过性至关重要。本文采用试验分析方法,研究了车轮在沙地上的牵引通过性,探索了约束沙土流动和改变车轮与沙地作用方式对牵引通过性的影响,指出了提高车轮在沙地上牵引通过性的有效途径,为开发轮式沙漠车辆提供了依据。     

驱动轮下不平软路面的激励

驱动轮下不平软路面的激励取决于驱动轮与不平软路面间的相互作用。车轮与土的相互作用表现为刚性轮时，地表起伏对车轮的激励表现为对轮下前、后破坏区分别作用的综合结果，驱动力大，则激励表现得小些；弹性轮时，激励表现为轮下前、中、后承载区作用的综合结果，中区的影响较显著，因此弹性轮比刚性轮所受激励稍大     

具有平衡摇臂悬架的丘陵山区动力平台转向系统

为适应丘陵山区地形和不同农作物的农艺特点,提出一种具有平衡摇臂悬架和H型传动的可变地隙和轮距的动力平台,该平台采用无转向梯形的四轮全液压转向,转向方式为同侧两车轮采用对称角度的偏转转向,以减小转弯半径并实现同辙转向。采用遗传算法优化左、右转向油缸的位移关系,以实现阿克曼转向。为避免运动干涉,参照同轴距普通拖拉机的最小转弯半径确定车轮极限转角。当变地隙后车轮绕主销偏转,平台的轴距发生改变和变轮距后轮距发生改变后,可根据几何关系重新确定车轮在水平面内有效转角与转向油缸位移的关系,讨论了变地隙和变轮距满足阿克曼转向的条件。实验结果表明,设计的转向系结构和转向策略是合理的和可行的。     

东北垄作区耦合仿生镇压轮设计与试验

针对东北垄作地区春播时风大、雨少、温度高等造成的土壤水分蒸发快、缺苗严重等现象,借鉴现有镇压方式对种子周围土壤的压实研究,以蜗牛和扇贝触土外凸曲面为仿生对象,设计了耦合仿生镇压轮。耦合仿生镇压轮可以从两侧挤压土壤,使湿润的土壤压缩,保持土壤含水率和土壤温度,促进种子生长。采用耦合仿生方法,提取了蜗牛触土横面外凸曲线与扇贝纵向横面外凸曲线,在AutoCAD中对曲面逆向重构,获得轮子表面的凸包体,并遵循横向受力均匀和径向等间隔的原则,将凸包体排列在镇压轮表面,设计了耦合仿生镇压轮。离散元仿真试验结果表明:耦合仿生镇压轮作业时无明显壅土现象,耕作阻力较传统刚性镇压轮降低了8.7%。田间试验结果表明:相比于传统刚性镇压轮,耦合仿生镇压轮作业后平均土壤硬度增加17.7%,土壤含水率增加15.15%,土壤温度升高15.4%,出苗率提高2.9%,出苗时间平均缩短1.68天,耦合仿生镇压轮结构合理,作业性能优良。     

轮胎-沙土相互作用的预测模型及试验研究

分析了车轮下土壤的切向位移,建立了考虑载荷作用方式对沙土压力－沉陷关系产生影响的弹性轮胎与沙土相互作用的预测模型。研制了一套车辆牵引性能电测试验装置,并在新疆沙漠地区进行了车辆牵引性能试验。结果表明,所建模型的预测值与实测值有较好的一致性。     

八轮四摆臂无人机动平台越障性能分析与试验

针对南方山区丘陵地带地形复杂、传统农田运输车辆通过性不足的问题,提出并设计了一种具有仿生液压驱动摆臂机构的八轮无人机动平台,其车体姿态可通过四摆臂协同动作进行调节,以适应不同形式地面障碍。越障性能是制约平台通过性的根本因素,建立了无人平台姿态规划模型和关键越障过程动力学模型,得到无人平台在典型垂直障碍的越障性能。为验证理论分析,在ADAMS建立了二次开发仿真平台,并进行了样机动力性试验。研究表明,八轮四摆臂无人机动平台可攀爬高度为轮胎直径1. 13倍的垂直障碍,具有良好的复杂地面环境通过能力,可满足丘陵地带农用运输车辆在复杂农田地形的行走需求。     

履带式推土机动力学控制系统的研究

根据履带车辆的行驶理论，采用数学算法和计算机技术，论述了一种用于履带式推土机最大牵引力驱动控制的新技术。使用该项技术，可使履带式推土机在恶劣的作业环境中产生最大的驱动力，达到最佳的作业生产率。     

软路面有效不平度的理论研究

对刚性轮的轮轴垂直加速度进行二次积分求得软路面的原始不平度,根据轮胎与软路面相互作用时,轮胎和路面的变形特性给出了静载状态下软路面有效不平度的理论预测方法。结某工况下的软路面有效不平度进行了预测,预测结果表明,软路面有效不平度小于原始不平度。