小型農(nóng)用履帶車輛通過性仿真與分析

郭凱文，李軍政，孫超然，孫松林，唐衛(wèi)國

小型農(nóng)用履帶車輛通過性仿真與分析

郭凱文1,2，李軍政1，孫超然1，孫松林1，唐衛(wèi)國1

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，湖南 長沙 410128； 2.湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，湖南 湘潭 411207）

為提升小型農(nóng)用履帶車輛在南方丘陵山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的適應(yīng)能力，對某型小型農(nóng)用履帶車輛在定型農(nóng)業(yè)路況下的通過性進行仿真與分析。利用Creo三維軟件建立小型農(nóng)用履帶車輛的三維模型并導入多體動力學分析軟件RecurDyn，對農(nóng)用履帶車輛在兩種路面（硬質(zhì)、軟質(zhì)）的平地直線行駛、3種溝寬（400mm、700mm、900mm）的越溝通過性、3種障礙物高（150mm、260mm、380mm）的越障通過性、3種斜坡（10°、20°、30°）的爬坡通過性進行仿真，分別得到農(nóng)用履帶車輛運動學規(guī)律，為進一步優(yōu)化農(nóng)用履帶車輛結(jié)構(gòu)提供參考依據(jù)。

履帶車輛；通過性；仿真與分析；越障性能

履帶式底盤具有接地比壓小、轉(zhuǎn)向靈活、路面適應(yīng)性和機動性好等優(yōu)異性能，更適用于丘陵山區(qū)農(nóng)用機械[1]。近些年國家對農(nóng)機逐漸重視與支持，履帶式農(nóng)機在理論和產(chǎn)品研發(fā)上都得到了飛速發(fā)展[2-3]，采用縮短研發(fā)周期并降低成本的虛擬樣機仿真研究成為重要方式。Francesco等利用動力學軟件建立了農(nóng)用履帶車輛的多體動力學模型并研究了其運動特性[4]。李軍政等人對農(nóng)機履帶進行建模仿真與試驗研究獲得了履帶板結(jié)構(gòu)參數(shù)與土壤相互作用規(guī)律[5-6]。王保衛(wèi)等對農(nóng)用履帶收割機在典型路況下的動力學進行仿真分析并驗證了模型及方法的真實性[7]。王慧、劉潔等人對小型履帶拖拉機越障性能進行了爬坡、越溝、越臺階等典型工況的性能分析，并借助Matlab對履帶拖拉機結(jié)構(gòu)參數(shù)與越障性能的內(nèi)在聯(lián)系進行了分析[8]。陳安成等運用多體動力學軟件RecurDyn仿真分析了履帶車輛在水平路面的行駛工況及平順性和可靠性[9]。吳哲等設(shè)計了一種簡易履帶底盤并仿真分析了其通過性[10]。王川偉等提出了一種自適應(yīng)調(diào)平農(nóng)用底盤并對其進行仿真分析驗證其有效性[11]?？梢娞摂M仿真技術(shù)在履帶農(nóng)機設(shè)計中應(yīng)用廣泛。筆者借助虛擬仿真技術(shù)研究小型農(nóng)用履帶車輛的通過性，為提升其對南方丘陵地區(qū)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性提供參考依據(jù)。

1　仿真模型建立與參數(shù)設(shè)置

1.1　幾何模型建立

以當前南方較通用的一款小型農(nóng)用履帶車輛1GL-2000F履帶自走式旋耕機為研究對象，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　1GL-2000F履帶自走式旋耕機主要技術(shù)參數(shù)

首先使用三維軟件Creo對其車體結(jié)構(gòu)進行簡化建模，并以Parasolid(x_t)格式保存導出。在RecurDyn中的低速履帶模塊Track-LM中建立履帶底盤的驅(qū)動輪、張緊輪、承重輪、支撐輪、履帶板等組件，再將各組件添加約束、摩擦系數(shù)、地面環(huán)境以及邊界條件，最后再對車體與建立的履帶底盤進行裝配，車體整體裝配如圖1所示。

圖1　小型農(nóng)用履帶車輛底盤三維模型

1.2　履帶動力學模型建立

在RecurDyn中將履帶底盤裝配好后的三維模型導入RecurDyn軟件中與履帶底盤進行二次裝配，最終得到完整的動力學模型。其中履帶各組件添加約束的方法如表2所示。

表2　履帶底盤約束設(shè)置表

在驅(qū)動輪的鉸接處添加運動函數(shù)STEP函數(shù)（式1），這是一個3次多項式逼近階躍函數(shù)，能夠較為真實地反映驅(qū)動輪逐漸加速的過程。

函數(shù)STEP(,0,0,1,1)

當≤0時：STEP=0

當0≤≤1時：

式中：為STEP函數(shù)的自變量；0,1分別為自變量的初始值和結(jié)束值；0,1分別為STEP函數(shù)的初始值和結(jié)束值。

1.3　路面模型建立

在進行路面仿真運算時，路面由許多尺寸非常小的矩形方塊單元塊構(gòu)成，RecurDyn中內(nèi)置用于仿真的接觸力公式（式2），從而能夠計算出地面與履帶間的水平摩擦力和履帶給予地面的正壓力。

=－(－0)（2）

式中：為接觸碰撞前地面位置參數(shù)；0為接觸碰撞后地面位置參數(shù)；0為沉陷深度，mm；為變形指數(shù)；為接觸剛度系數(shù)；為地面阻尼系數(shù)。參數(shù)取決于履帶所用材料類型、履帶的尺寸等，地面與履帶間的摩擦力由庫侖摩擦定律計算得出。

本次履帶車輛底盤仿真模擬路面選用農(nóng)業(yè)中典型的沙土硬質(zhì)地面和黏土軟質(zhì)地面進行參數(shù)設(shè)置。根據(jù)查閱資料設(shè)置路面模型參數(shù)[12]如表3所示。

表3　路面模型參數(shù)

2　仿真結(jié)果與分析

2.1　平地通過性

分別在沙土與黏土兩種路面進行仿真，首先對履帶車輛設(shè)置速度，使履帶車輛從0.1～1s加速，1s后達到5km/h的速度并保持勻速行駛，從RecurDyn中提取驅(qū)動輪力矩、質(zhì)心速度、承重輪受力、質(zhì)心的俯仰角數(shù)據(jù)，整理擬合后得到曲線圖如圖2所示，圖中綠色表示履帶車輛在沙土土壤行駛數(shù)據(jù)，藍色表示履帶車在黏土土壤行駛數(shù)據(jù)。

圖2　平地通過性仿真

由圖2(a)可知，兩種路面到達穩(wěn)速時間基本一致，說明履帶車輛在兩種路面具有很好的通過性。由圖2(b)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果可知，在黏性土壤路面勻速行駛過程中的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩較大，因此在水田作業(yè)時應(yīng)加驅(qū)動力，以免發(fā)生沉陷。由圖2(c)承重輪壓力仿真結(jié)果可知，履帶車輛在硬質(zhì)土壤路面行駛的承重輪壓力明顯高于在黏性土壤路面行駛，因此要減少在硬質(zhì)路面長時間行駛，防止硬質(zhì)路面對履帶的磨損。由圖2(d)質(zhì)心俯仰角的仿真結(jié)果可知，履帶車輛在軟質(zhì)地面加速過程中沒有發(fā)生滑移，在減速階段履帶車輛受到軟地土壤的阻力作用俯仰角波動比較小，在硬質(zhì)路面上履帶車輛俯仰角的波動沒有很大改變。

2.2　越溝通過性

在RecurDyn軟件中沙土與黏土路面中分別設(shè)置深為300 mm、寬為400 mm、700 mm、900 mm的三種溝對本履帶車輛進行仿真，如圖3所示。提取質(zhì)心速度、承重輪受力、質(zhì)心的俯仰角以及改變質(zhì)心后的俯仰角等數(shù)據(jù)擬合得到曲線圖如圖4所示。

圖3　越溝行駛仿真

圖4　越溝行駛仿真結(jié)果

履帶車輛在越溝時，由圖4(a)質(zhì)心速度仿真結(jié)果可知，履帶車輛在0～2s啟動后保持勻速進行行駛；履帶車輛2.5～5s經(jīng)過第一溝寬400 mm，7.5～10 s經(jīng)過第二溝寬700 mm，15～20s經(jīng)過第三溝寬900 mm；隨著溝寬增加質(zhì)心速度波動增大且在沙土壤中質(zhì)心速度波動更強烈，履帶車輛在沙質(zhì)土壤會發(fā)生剛性碰撞。由圖4(b)承重輪壓力仿真結(jié)果可知，履帶車輛在沙質(zhì)土壤路面行駛的履帶承重輪壓力明顯高于在黏性土壤路面行駛；說明沙土對履帶車輛的反作用力大，而黏土使其接地比壓減小。由圖4(c)質(zhì)心俯仰角的仿真結(jié)果可知，履帶車輛在越溝行駛時履帶車輛的俯仰角波動較小，而在越溝時都出現(xiàn)不同程度的波動，溝寬越寬其波動更大。由圖4(d)可知，當履帶車輛質(zhì)心后移100 mm后質(zhì)心的俯仰角波動范圍變大，履帶車輛容易發(fā)生側(cè)翻。

2.3　越障通過性

在RecurDyn軟件的沙土與黏土兩種路面中設(shè)置150 mm、260 mm、380 mm三種不同高度的障礙物對履帶車輛進行仿真，在黏土越障仿真中履帶車輛的質(zhì)心位置的改變?nèi)鐖D5所示。

圖5 　履帶車輛越障行駛仿真

從RecurDyn軟件中提取質(zhì)俯仰角等數(shù)據(jù)進行擬合得到如圖6所示的曲線圖。

圖6　履帶車輛越障行駛曲線圖

由圖6(a)可知，履帶車輛在0～2.5s啟動，然后保持勻速進行行駛，3.5～9s時經(jīng)過第一個150 mm高障礙物，10～15s經(jīng)過第二個260 mm高障礙物，17.5～21s經(jīng)過第三個380 mm高障礙物，說明履帶車輛在沙質(zhì)土壤易發(fā)生剛性碰撞。由圖6(b)承重輪壓力仿真結(jié)果可以看出，履帶車輛在沙質(zhì)土壤路面行駛的履帶承重輪壓力明顯大于在黏性土壤路面行駛；這是由于在越障礙物時障礙物的沙質(zhì)土壤對履帶車輛的剛性反作用力大，而黏土壤的障礙物邊沿會發(fā)生沉陷，土壤發(fā)生流變使其對履帶車輛的承重輪壓力變小。由圖6(c)俯仰角的仿真結(jié)果可知，履帶車輛在高黏性土壤中越溝更易發(fā)生側(cè)翻。由圖6(d)改變質(zhì)心位置的仿真結(jié)果可知，將履帶車輛質(zhì)心后移100 mm；由圖6可知，當履帶車輛在黏土越障行駛時，履帶車輛質(zhì)心后移，質(zhì)心的俯仰角波動范圍變大；與越溝相同，履帶車輛質(zhì)心后移在越溝時俯仰角增大，履帶車輛容易發(fā)生側(cè)翻。

2.4　爬坡通過性

在RecurDyn軟件的沙土與黏土兩種路面中設(shè)置3種不同的坡度（10°、20°、30°）對履帶車輛進行仿真，在黏土壤進行爬坡中履帶車輛的質(zhì)心位置的改變?nèi)鐖D7所示；從RecurDyn軟件中提取質(zhì)心速度、承重輪受力、質(zhì)心的俯仰角以及改變質(zhì)心后的俯仰角等數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)進行擬合得到圖8所示的曲線圖。

圖7　履帶車輛爬坡行駛仿真

圖8　履帶車輛爬坡行駛曲線圖

履帶車輛在兩種路面爬坡時，由圖8(a)履帶車質(zhì)心速度仿真結(jié)果可知，履帶車輛在0～2s啟動后保持勻速進行行駛，10～13s經(jīng)過第一個坡度10°，22～28s經(jīng)過第二個坡度20°，42～45s經(jīng)過第三個坡度30°。由圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)綜合可知，履帶車輛在爬10°、20°斜坡時，不論是沙土還是黏土地面都能平穩(wěn)通過，而到斜坡為30°時，在黏土地面履帶車輛發(fā)生側(cè)翻，說明履帶車輛在濕軟的泥土里易打滑、側(cè)翻；當將履帶車輛的質(zhì)心后移時，履帶車輛在黏土中爬坡俯仰角將增大，這說明爬坡時履帶車輛前輪抓地力不足，易發(fā)生側(cè)翻。

3　結(jié)語

通過對小型農(nóng)用履帶車輛在沙性和粘性兩種地面的平地直線行駛、越溝、越障、爬坡等通過性能進行仿真研究，獲得了其質(zhì)心速度、承重輪受力、質(zhì)心的俯仰角以及改變質(zhì)心后的俯仰角等規(guī)律曲線，結(jié)果表明同樣條件下黏性地面有助于減小履帶車輛的接地比壓，車體行駛的穩(wěn)定性較好，但是履帶車輛在越溝、越障和爬坡時容易發(fā)打滑和側(cè)翻，而且隨著質(zhì)心后移將加大這種傾向。

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Simulation and analysis of the mobility of small agricultural tracked vehicles

GUO Kaiwen1, 2, LI Junzheng1, SUN Chaoran1, SUN Songlin1, TANG Weiguo1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2.Hunan Defense Industry Polytechnic, Xiangtan, Hunan 411207,China)

In order to improve the adaptability of small agricultural tracked vehicles in the complex environment of southern hilly and mountainous areas, the mobility in typical agricultural terrains of the small agricultural tracked vehicle was simulated and analyzed. The kinematics laws of agricultural tracked vehicles were obtained through the 3D software Creo and multi-body dynamics software Recurdyn. The simulation was carried out for the agricultural tracked vehicle running straight on flat ground with two kinds of road surfaces (hard and soft), and ditch crossing performance of three trench widths (400mm, 700mm, 900mm), and obstacle crossing performance of three obstacle heights (150mm, 260mm, 380mm), and climbing performance of three slopes (10°, 20°, 30°). The kinematic laws of agricultural tracked vehicles are obtained, which provides a reference for further optimizing the structure of agricultural tracked vehicles.

tracked vehicle; mobility; simulation and analysis; obstacle crossing performance

S229

A

2096–8736(2020)03–0007–05

湖南省重點研發(fā)項目(2018NK2061)；湖南省自然科學基金(2020JJ5239)。

郭凱文(1989—)，男，研究方向為車輛檢測與運用。

李軍政，男，副教授，研究方向為農(nóng)業(yè)地面作業(yè)裝備與控制。