適應(yīng)濕地作業(yè)的履帶式運(yùn)輸車設(shè)計(jì)與研究

孫術(shù)發(fā) 高靖萱 王敬凱 李禹璇

摘 要：為使履帶式運(yùn)輸車更適應(yīng)濕地作業(yè)，分析濕地土壤的物理特性和力學(xué)特性以及車輛的行駛阻力、浮力和轉(zhuǎn)向性能，根據(jù)實(shí)際需求對(duì)LF352履帶式運(yùn)輸車底盤進(jìn)行改進(jìn);利用Creo和RecurDyn軟件建立車輛虛擬樣機(jī)，設(shè)置濕地地面參數(shù)，對(duì)履帶式運(yùn)輸車多體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真分析，并將樣機(jī)投入濕地進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。仿真結(jié)果表明，當(dāng)履帶預(yù)張緊力為22 kN時(shí)，車輛具有較優(yōu)的張緊性和動(dòng)力性;車輛直線行駛時(shí)，低速擋的穩(wěn)定性最好，且行駛時(shí)的沉陷量遠(yuǎn)小于車輛最小離地間隙;車輛滿載狀態(tài)下，利用一擋或二擋轉(zhuǎn)向最穩(wěn)定;樣機(jī)實(shí)地測(cè)試發(fā)現(xiàn)，運(yùn)輸車能夠在濕地中安全勻速和變速運(yùn)動(dòng)。對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果得出，仿真誤差在可接受范圍內(nèi)，適應(yīng)濕地作業(yè)的履帶式運(yùn)輸車設(shè)計(jì)具有一定可行性，可為履帶式運(yùn)輸車輛制造提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：履帶車;濕地地形;行走機(jī)構(gòu);動(dòng)力學(xué)仿真;RecurDyn

中圖分類號(hào)：S776;S219.2;TH213.7? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1006-8023（2022）03-0077-10

Design and Research of Tracked Transport Vehicle Adapted

to Wetland Operation

SUN Shufa， GAO Jingxuan， WANG Jingkai， LI Yuxuan

（College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to make the tracked transport vehicle more suitable for wetland operation， the physical and mechanical properties of wetland soil and the driving resistance， buoyancy and steering performance of the vehicle were analyzed. According to the actual demand， the chassis of LF352 the actual demand was improved. The virtual prototype of the vehicle was built using Creo and RecurDyn software， and the wetland ground parameters were set. The multi-body dynamics simulation analysis of the tracked wetland transport vehicle was carried out， and the prototype was put into the wetland for field test. The simulation results showed that the vehicle had better tension and dynamic performance when the preload of the track was 22 kN. When the vehicle ran straight， the stability of the low speed gear was the best， and the subsidence was far less than the minimum clearance of the vehicle. The vehicle turned under full load， using one or two gear steering the most stable. The field test of the prototype test showed that the transport vehicle can safely carry out uniform and variable speed movement in the wetland. By comparing and analyzing the test results， it was concluded that the error was within the acceptable range， which indicated that the design of tracked transport vehicles suitable for wetland operation was feasible， and provided theoretical basis and technical support for the subsequent manufacturing of tracked transport vehicles.

Keywords：Tracked vehicle; wetland terrain; travel agencies; dynamic simulation; RecurDyn

0 引言

我國(guó)濕地類型多、面積大、分布廣，承擔(dān)著維護(hù)地域生態(tài)平衡、保障生態(tài)安全的重任[1]。以大興安嶺林區(qū)為例，濕地面積約占土地總面積的17%，個(gè)別地區(qū)甚至高達(dá)25%[2]。濕地常年被水覆蓋，路面松軟且沉陷量大，普通車輛在濕地上行駛時(shí)難免出現(xiàn)下陷或打滑等情況，影響正常工作。我國(guó)現(xiàn)有濕地專用工作車輛主要為ZCF系列車型，以浮箱作為底盤主要結(jié)構(gòu)使其具有良好的濕地沼澤通過性，但該系列車型體積偏大，不適合在原始林區(qū)這種樹木間距較小的環(huán)境中穿行作業(yè)。因此，設(shè)計(jì)改造一款具有一定涉水能力的履帶式車輛底盤十分重要。17589BAA-E2B5-40FB-90F3-838AB5FB2438

履帶式車輛具有接地面積大、接地比壓小、附著性能好、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小和跨溝越埂能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠輕松通過軟地面和沼澤地。在車輛地面力學(xué)產(chǎn)生前，北歐、美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家就采用履帶式底盤車輛。我國(guó)對(duì)履帶車輛的研究起步較晚，早期的履帶式車輛主要有J-50、CJ-30、802J、CD12和營(yíng)林-35型履帶式集材拖拉機(jī)。近年來，東北林業(yè)大學(xué)研制出一種由SWDY-60挖掘機(jī)改造而成的履帶式小型聯(lián)合采伐機(jī)[3]，同時(shí)與哈爾濱松江拖拉機(jī)有限公司聯(lián)合研制出LF1352JP新型履帶式森林消防車，車輛底盤加寬加長(zhǎng)，增加了穩(wěn)定性[4] 。東方地球物理勘探公司設(shè)計(jì)開發(fā)出一系列浮箱鏈軌沼澤車，具有車速高、接地比壓小和機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，適應(yīng)于淤泥地、蘆葦?shù)睾望}沼等地表行駛[5-6];但該系列車型因體積偏大不適用于原始林區(qū)的林間通行，且在陸地上行走時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率較低，其橡膠履帶鏈條損耗也較大。

鑒于此，本研究在分析濕地土壤物理特性和力學(xué)特性以及車輛行駛阻力、浮力和轉(zhuǎn)向性能的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需求對(duì)LF352履帶式運(yùn)輸車底盤進(jìn)行改進(jìn)，提出適應(yīng)濕地作業(yè)的履帶式運(yùn)輸車底盤設(shè)計(jì)，以期為履帶式運(yùn)輸車輛制造提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 履帶式運(yùn)輸車工作環(huán)境分析與動(dòng)力計(jì)算

1.1 濕地土壤特性分析

1.1.1 土壤的物理特性

以大興安嶺草本沼澤濕地土壤為樣本，采用篩分法對(duì)樣本進(jìn)行顆粒分析，土壤不均勻系數(shù)小于4，顆粒均勻，屬于均勻集配的土壤。采用烘干法測(cè)得土壤密度為16.7 kN/m3。將土壤置于105～110 ℃環(huán)境中烘干至質(zhì)量不再發(fā)生變化，采用公式（1）計(jì)算土壤含水量

w=m-msms×100%。? （1）

式中：w為土壤含水量;m為濕土壤質(zhì)量;ms+為干土壤質(zhì)量。

1.1.2 土壤的承壓特性

車輛的機(jī)動(dòng)性能與土壤的承載能力（決定車輛的行駛阻力）及土壤的附著能力有關(guān)，從土力學(xué)的觀點(diǎn)解釋，履帶式車輛行駛于松軟路面的行駛阻力主要是由該松軟地面土壤的垂直承載能力決定的[7]。土壤承載能力不足，車輛行駛于松軟路面時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的沉陷量。根據(jù)Bekker的土壤沉陷理論，壓力-沉陷公式為

p=kzn。（2）

式中：p為法向單位面積的平均壓力;k為土壤變形模量;n為土壤變形指數(shù);z為沉陷量。

1.1.3 土壤的剪切特性

土壤提供給車輛的最大牽引力是由土壤的最大剪切強(qiáng)度決定的[8]，故選用基于半經(jīng)驗(yàn)理論的Janosi剪切應(yīng)力-剪切變形關(guān)系式探究濕地土壤的最大剪切強(qiáng)度（τ）

τ=（c+ptgφ）（1-e-jj0）。（3）

式中：j為剪切位移;j0為土壤剪切變形模量;c為土壤內(nèi)聚力;φ為土壤內(nèi)摩擦角。

通過試驗(yàn)和計(jì)算以及各項(xiàng)資料的分析和統(tǒng)計(jì)[9]，得到濕地土壤參數(shù)見表1。

1.2 履帶式運(yùn)輸車行駛阻力計(jì)算

1.2.1 履帶接地壓力

履帶式運(yùn)輸車通過松軟地面的能力主要取決于其給予地面的接地壓力，車輛的沉陷量和行駛阻力與其接地壓力密切相關(guān)[9]。采用名義接地壓力（Nominal Ground Pressure，NGP，公式中用NGP表示），即機(jī)械整機(jī)質(zhì)量除以履帶的接地面積的商，公式為

NGP=W2bL。（4）

式中：W為車輛重力;b為履帶寬度;L為履帶接地長(zhǎng)度。

1.2.2 履帶壓實(shí)阻力

車輛前進(jìn)過程中，履帶板對(duì)土壤有一定壓實(shí)作用，該過程會(huì)消耗一部分動(dòng)力產(chǎn)生車轍，壓實(shí)阻力可表示為

Fc=2（kc+bkφ）1nW2Ln+1n×1n+1。（5）

式中：b為履帶寬度;L為履帶接地長(zhǎng)度;kc為土壤內(nèi)聚力變形模量;kφ為土壤內(nèi)摩擦角變形模量。

1.2.3 履帶車首阻力

在濕地路面行駛時(shí)，除了摩擦力，還需考慮車首阻力（Fs），計(jì)算公式為

Fs=2bz0NGP（tanφ+tanδ）。（6）

式中：b為履帶寬度;z0為車體沉陷量;NGP為履帶接地壓力;φ為土壤內(nèi)摩擦角;δ為車輛接近角。

履帶式車輛底盤與土壤相互作用的受力示意如圖1所示。

1.3 ?履帶式運(yùn)輸車浮力分析

為使運(yùn)輸車在沼澤濕地安全作業(yè)，其接地比壓要小且還需有一定浮力，以減少車輛沉陷量?；诎⒒椎略恚\(yùn)輸車在濕地行駛時(shí)受到的浮力就是車輛排開水的重力浮力，計(jì)算公式為

Fr=ρgV。（7）

式中：Fr為浮力;ρ為水的質(zhì)量密度;g為重力加速度;V為排水體積。

1.4 履帶式運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向受力分析

履帶式運(yùn)輸車是利用兩側(cè)履帶上的驅(qū)動(dòng)力形成的驅(qū)動(dòng)力矩克服轉(zhuǎn)向阻力矩完成轉(zhuǎn)向過程的[10]。履帶車轉(zhuǎn)向時(shí)，驅(qū)動(dòng)側(cè)履帶產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)側(cè)履帶產(chǎn)生的阻力在車輛橫縱2個(gè)方向被分解為轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)向阻力矩，轉(zhuǎn)向力矩由起初的最大值逐漸變小，轉(zhuǎn)向阻力矩由零逐漸變大，直至與轉(zhuǎn)向力矩平衡;車輛加速度也由零逐漸增加，一段時(shí)間后又減小至零，此時(shí)運(yùn)輸車完成轉(zhuǎn)向過程。

履帶式運(yùn)輸車作業(yè)時(shí)的轉(zhuǎn)向受力如圖2所示，內(nèi)外側(cè)履帶受到的驅(qū)動(dòng)力分別為P1和P2，受到的滾動(dòng)阻力分別為P3和P4。運(yùn)輸車在水平地面轉(zhuǎn)向時(shí)受力平衡方程為

P1+P2=P3+P4。（8）

履帶式運(yùn)輸車兩側(cè)履帶的驅(qū)動(dòng)力差稱為轉(zhuǎn)向力矩Mk，轉(zhuǎn)向時(shí)需要用Mk克服轉(zhuǎn)向阻力矩Mr。穩(wěn)定轉(zhuǎn)向時(shí)，Mk=Mr。假設(shè)運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向時(shí)的驅(qū)動(dòng)力與正常行駛時(shí)的驅(qū)動(dòng)力P相等，履帶的滾動(dòng)阻力等于

正常行駛時(shí)的一半，則

P1=P2-Mra;（9）

P2=P2-Mra。（10）17589BAA-E2B5-40FB-90F3-838AB5FB2438

履帶式運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向?qū)儆谥苿?dòng)轉(zhuǎn)向，即一側(cè)履帶的驅(qū)動(dòng)力為0，另一側(cè)履帶產(chǎn)生全部驅(qū)動(dòng)力以完成轉(zhuǎn)向過程，即Mr=pl2、P1=0、P2=P，得

P2=P4+Mra=Wf2+WLf4a。（11）

式中：f為濕地滾動(dòng)阻力系數(shù);L為履帶接地長(zhǎng)度;α為履帶軌距。

2 履帶式運(yùn)輸車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

2.1 履帶底盤的組成機(jī)構(gòu)和運(yùn)行原理

底盤是履帶式運(yùn)輸車的重要部件，對(duì)整車起支撐作用。履帶行走裝置由張緊裝置和行走機(jī)構(gòu)組成，包括履帶板、驅(qū)動(dòng)輪、支重輪和張緊輪等。驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械行走的目的;2個(gè)托輪托起履帶板，減緩機(jī)械行走時(shí)履帶的振動(dòng);底盤前側(cè)的張緊輪使履帶時(shí)時(shí)保持緊張狀態(tài)，避免履帶過于松弛。機(jī)械行走時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳給驅(qū)動(dòng)輪，使驅(qū)動(dòng)輪獲得驅(qū)動(dòng)扭矩，在驅(qū)動(dòng)扭矩作用下，輪齒與履帶板節(jié)銷之間的嚙合傳動(dòng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)輪上的履帶將地面產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力傳給驅(qū)動(dòng)輪輪軸，由驅(qū)動(dòng)輪輪軸將驅(qū)動(dòng)力傳回給機(jī)體[11-12]。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于滾動(dòng)阻力時(shí)，支重輪有不間斷帶動(dòng)履帶向前傳動(dòng)的力，使運(yùn)輸車向前行駛。驅(qū)動(dòng)輪在驅(qū)動(dòng)扭矩作用下不斷將履帶一節(jié)一節(jié)卷送到前方，導(dǎo)向輪將履帶鋪在前方地面上，這樣才能使支重輪不斷在履帶鋪設(shè)的軌道上滾動(dòng)。履帶式運(yùn)輸車的底盤結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理如圖3所示。

2.2 履帶式運(yùn)輸車底盤結(jié)構(gòu)建模

2.2.1 底盤浮箱在Creo環(huán)境中的建模

底盤浮箱是履帶式運(yùn)輸車能否在濕地上平穩(wěn)行駛的關(guān)鍵，浮箱應(yīng)依據(jù)底盤最小離地間隙，在保證接地比壓、儲(chǔ)備浮力和通過性等綜合因素的前提下，合理設(shè)計(jì)外形尺寸和結(jié)構(gòu)[13]。在Creo環(huán)境中建模時(shí)，借鑒船式結(jié)構(gòu)，浮箱前端設(shè)計(jì)較大的接近角，可一定程度減小行駛阻力。浮箱內(nèi)部設(shè)計(jì)為2 500 mm×1 000 mm×300 mm的三隔艙結(jié)構(gòu)，如圖4所示，可保證當(dāng)一個(gè)密封艙因損壞無法提供浮力時(shí)，不影響其他密封艙為車體提供浮力，以使運(yùn)輸車能夠正常工作。當(dāng)?shù)撞扛∠渫耆桓采w時(shí)，所能達(dá)到的體積為0.9 m3，為車體提供9 000 N浮力，因此可在不同情況下為運(yùn)輸車提供車重的24%～19%的浮力，保障車輛在濕地安全作業(yè)。

2.2.2 履帶機(jī)構(gòu)在RecurDyn環(huán)境中的建模

將Creo環(huán)境中建立的履帶式濕地運(yùn)輸車模型的上裝部分導(dǎo)入RecurDyn環(huán)境中，在低速履帶模塊中建立履帶行走機(jī)構(gòu)，在Ground模塊中設(shè)置濕地環(huán)境下的路面基本參數(shù)，建立地面模型，其底盤結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 履帶式運(yùn)輸車整體結(jié)構(gòu)與參數(shù)

LF352履帶式運(yùn)輸車底盤改進(jìn)主要針對(duì)履帶板的寬度、形狀以及浮箱部分。增加履帶板寬度可減小車輛接地比壓，將履帶板形狀改為濕地用三角形履帶板能夠進(jìn)一步提高土壤承載能力，使運(yùn)輸車在濕地上的通過性增強(qiáng)[14-15]。結(jié)合環(huán)境分析與動(dòng)力計(jì)算，改進(jìn)后的履帶式濕地運(yùn)輸車具體參數(shù)見表2。

3 適應(yīng)濕地作業(yè)的履帶式運(yùn)輸車多體動(dòng)力學(xué)仿真分析

運(yùn)用RecurDyn多體動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)改進(jìn)后的履帶式濕地運(yùn)輸車底盤動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行仿真，模擬其實(shí)際工作狀況。因濕地土壤含水量大，土壤表面少有溝壑和斜坡，故主要對(duì)濕地運(yùn)輸車直行和轉(zhuǎn)向工況進(jìn)行仿真。通過對(duì)主動(dòng)輪設(shè)置不同轉(zhuǎn)速模擬加速、勻速和減速過程并給履帶施加不同預(yù)張緊力，以得到運(yùn)輸車的合適預(yù)張緊力;對(duì)滿載履帶式濕地運(yùn)輸車4個(gè)擋位的直行狀態(tài)分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，輸出車輛的速度、質(zhì)心位移和橫擺角速度等曲線，從各項(xiàng)數(shù)據(jù)中分析改進(jìn)后的履帶式濕地運(yùn)輸車直線行駛性能;在濕地土壤環(huán)境下對(duì)左右履帶設(shè)置不同速度模擬運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向工況，以得到車輛能夠轉(zhuǎn)向的安全速度。

3.1 機(jī)體模型測(cè)試

3.1.1 機(jī)體質(zhì)量分布平衡與沉陷量分析

為保證履帶式濕地運(yùn)輸車模型以及所施加約束的有效性和仿真結(jié)果的正確性，在進(jìn)行后續(xù)仿真前應(yīng)進(jìn)行機(jī)體質(zhì)量分布平衡測(cè)試，并根據(jù)結(jié)果分析運(yùn)輸車在濕地環(huán)境下的沉陷量，進(jìn)一步驗(yàn)證車輛設(shè)計(jì)是否合理。履帶式運(yùn)輸車動(dòng)力學(xué)仿真的平衡階段為：在不施加任何驅(qū)動(dòng)的情況下，車輛依靠重力作用接觸路面并達(dá)到平衡。對(duì)車輛平衡階段進(jìn)行仿真，車體質(zhì)心垂向位置變化如圖6所示。

由仿真結(jié)果可知，0 s時(shí)車輛在重力作用下自由落向地面，在2 s內(nèi)車輛質(zhì)心位置波動(dòng)較大，2 s后變化較微弱，最后穩(wěn)定在270 mm處。建立運(yùn)輸車模型時(shí)，車體的質(zhì)心坐標(biāo)為（421，381，-32），由此可得車輛穩(wěn)定下來的沉陷量為11.1 cm，遠(yuǎn)小于運(yùn)輸車的最小離地間隙，且車輛在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可以證明機(jī)體模型以及履帶所施加的約束等準(zhǔn)確無誤。

3.1.2 合適預(yù)張緊力確定

選取3種預(yù)張緊力進(jìn)行模擬，A曲線代表預(yù)張緊力為14.7 kN（車重的30%），B曲線代表預(yù)張緊力為22 kN（車重的45%），C曲線代表預(yù)張緊力為29.4 kN （車重的60%），得到車輛運(yùn)行時(shí)的橫擺角速度變化（圖7）、側(cè)向加速度變化（圖8）和角加速度變化（圖9）。

車輛行駛時(shí)的橫擺角速度和側(cè)向加速度變化均能反映車輛的平穩(wěn)程度。由圖7可知，A曲線起伏最小，表明預(yù)張緊力為14.7 kN時(shí)運(yùn)輸車行駛較穩(wěn)定，預(yù)張緊力為22 kN和29.4 kN時(shí)車體波動(dòng)較明顯，穩(wěn)定性較差。由圖8可知，A曲線整體較平穩(wěn)，但在8～9 s時(shí)出現(xiàn)一次極值且數(shù)值高于B曲線和C曲線;雖然B曲線出現(xiàn)峰值次數(shù)較多但數(shù)值小于其余2條曲線，說明預(yù)張緊力為22 kN時(shí)，運(yùn)輸車左右搖擺程度最低，行駛最平穩(wěn)，發(fā)生事故可能性最小。

車輛角加速度反映車輛行駛時(shí)的加速度變化情況。由圖9可知，A曲線的角加速度變化不明顯，B曲線出現(xiàn)峰值次數(shù)多于C曲線且二者的極值相差較小，說明當(dāng)給履帶施加14.7 kN的預(yù)張緊力時(shí)，車輛不能很好加速也沒有很強(qiáng)的動(dòng)力性。當(dāng)履帶的預(yù)張緊力為22 kN和29.4 kN時(shí)，車輛角加速度較大，速度變化較快，其中施加22 kN的預(yù)張緊力運(yùn)輸車動(dòng)力性最優(yōu)。17589BAA-E2B5-40FB-90F3-838AB5FB2438

由仿真結(jié)果可見，當(dāng)給運(yùn)輸車履帶施加22 kN的預(yù)張緊力（車重的45%）時(shí)，車輛整體平穩(wěn)性和動(dòng)力性均優(yōu)于其他2個(gè)選擇，因此后續(xù)直行和轉(zhuǎn)向試驗(yàn)均選擇22 kN的預(yù)張緊力。

3.2 履帶式濕地運(yùn)輸車直行狀態(tài)下仿真分析

在RecurDyn的低速履帶模塊中，通過對(duì)左右兩側(cè)履帶的驅(qū)動(dòng)輪設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)值或函數(shù)可使車輛按照設(shè)計(jì)路線行駛，驅(qū)動(dòng)輪的角速度（ω）與速度之間的關(guān)系式為

ω=vRp=v×1 000÷3 600Rp×1÷1 000。 ?（12）

式中：v為實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度;Rp驅(qū)動(dòng)輪分度圓半徑。

由此求得履帶式濕地運(yùn)輸車4個(gè)檔位在STEP函數(shù)中對(duì)應(yīng)的實(shí)際角速度見表3，仿真結(jié)果如圖10—圖12所示。

由圖10可知，運(yùn)輸車按照設(shè)定速度在15 s內(nèi)做勻加速、勻速和勻減速運(yùn)動(dòng)。由圖11可知，運(yùn)輸車以不同速度行駛會(huì)造成不同程度的車體波動(dòng)和下沉。當(dāng)車輛以Ⅳ擋行駛時(shí)波動(dòng)幅度最大，其次為Ⅲ擋，以Ⅰ擋和Ⅱ擋直行時(shí)平穩(wěn)度最好。車輛行駛的地面阻力大于土壤抗剪切力最大值會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生永久破壞，造成車輛質(zhì)心下移。當(dāng)運(yùn)輸車以Ⅳ檔行駛時(shí)質(zhì)心穩(wěn)定在243 mm處，此時(shí)沉陷量為13.8 cm，小于運(yùn)輸車最小離地間隙。因此，運(yùn)輸車以4個(gè)擋位行駛時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)沉陷量過大使車輛陷入淤泥中無法移動(dòng)的狀況。

由圖12可知，車輛以不同擋位行駛時(shí)均出現(xiàn)不同程度擺動(dòng)，Ⅳ檔的變化尤其明顯，最開始就出現(xiàn)高于其他3個(gè)檔位的極值，其次為Ⅲ檔，這說明起步階段直接用Ⅳ擋行駛時(shí)，車輛穩(wěn)定性最差，容易發(fā)生事故，會(huì)對(duì)司機(jī)的安全造成威脅。因此，應(yīng)在行駛過程中逐步提高車速，力求穩(wěn)定和安全。

3.3 履帶式濕地運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向狀態(tài)下仿真分析

轉(zhuǎn)向性能也是履帶式運(yùn)輸車能否在濕地上安全作業(yè)的關(guān)鍵要素。在仿真起始階段，令運(yùn)輸車直線行駛一段時(shí)間，完成車輛加速和勻速行駛過程后再進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，采用STEP函數(shù)，通過對(duì)左右兩側(cè)履帶的驅(qū)動(dòng)輪施加不同轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，車輛轉(zhuǎn)向過程如圖13所示，兩側(cè)履帶的驅(qū)動(dòng)輪角速度變化如圖14和圖15所示。

從運(yùn)輸車轉(zhuǎn)彎路線和兩側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)輪角速度變化可以看出，車輛按照設(shè)定速度先直線行駛完成加速運(yùn)動(dòng)，后向右轉(zhuǎn)彎完成轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)輸車橫擺角速度變化如圖16所示。

由圖16可知，車輛轉(zhuǎn)向過程中橫擺角速度變化不大，相對(duì)來說較穩(wěn)定;但由于濕地含水量大，土壤松軟[16]，轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)較其他路面條件來說還是比較容易失穩(wěn)[17]。輸出運(yùn)輸車左右兩側(cè)履帶主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩變化如圖17所示。

由圖17可知，運(yùn)輸車從第3秒開始進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)起，一側(cè)履帶力矩變大、一側(cè)履帶力矩變小形成驅(qū)動(dòng)力矩差，推動(dòng)車輛差速轉(zhuǎn)向。當(dāng)給履帶式運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)輪施加8.0 rad/s的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，運(yùn)輸車轉(zhuǎn)彎過程中會(huì)發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象，如圖18所示。

車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)，其向心力為

R=mω2r。（13）

式中：m為質(zhì)量;ω為角速度;r為轉(zhuǎn)彎半徑。

內(nèi)外兩側(cè)履帶的質(zhì)量和角速度相同，但外側(cè)履帶的轉(zhuǎn)彎半徑大于內(nèi)側(cè)履帶，外側(cè)履帶的向心力也大于內(nèi)側(cè)履帶。若轉(zhuǎn)向速度過大，轉(zhuǎn)彎時(shí)就會(huì)發(fā)生側(cè)翻，所以不能在Ⅲ擋或Ⅳ擋進(jìn)行轉(zhuǎn)向，為確保安全應(yīng)在Ⅰ檔或Ⅱ檔進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

3.4 適應(yīng)濕地作業(yè)的履帶式運(yùn)輸車實(shí)地測(cè)試

將本研究設(shè)計(jì)與改進(jìn)的數(shù)據(jù)交由哈爾濱松江拖拉機(jī)廠生產(chǎn)樣機(jī)，并在大興安嶺濕地進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，樣機(jī)生產(chǎn)制造如圖19所示。選取草本沼澤濕地測(cè)試運(yùn)輸車直行和轉(zhuǎn)向性能，并選擇水位較深的濕地測(cè)試運(yùn)輸車底盤浮箱的密封防水性能。

運(yùn)輸車在草本沼澤濕地中以不同擋位進(jìn)行勻速、勻加速、勻減速和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，經(jīng)多次試驗(yàn)，車輛勻速和變速行駛狀況良好，未發(fā)生下陷導(dǎo)致車輛無法前進(jìn)的現(xiàn)象。為防止運(yùn)輸車發(fā)生翻車事故，選擇Ⅰ擋和Ⅱ擋作為轉(zhuǎn)向檔位，車輛以Ⅰ檔轉(zhuǎn)向較平穩(wěn)，以Ⅱ檔轉(zhuǎn)向會(huì)發(fā)生輕微打滑現(xiàn)象。為了安全起見，當(dāng)車輛搭載較重的物資時(shí)，最好使用Ⅰ擋轉(zhuǎn)向。在仿真時(shí)，軟件不能準(zhǔn)確仿真出車輛行駛時(shí)土壤產(chǎn)生的變形和滑移，故會(huì)產(chǎn)生一定誤差。

圖20為運(yùn)輸車涉水試驗(yàn)，試驗(yàn)地水深約40 cm。車輛進(jìn)入河道后，水面可以覆蓋底盤浮箱，水深符合試驗(yàn)要求。經(jīng)多次試驗(yàn)，車輛行駛正常且底盤浮箱工作良好，未發(fā)生破損導(dǎo)致進(jìn)水的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）基于土壤物理特性和力學(xué)特性分析選擇合理的土壤-車輛力學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)際需求和計(jì)算結(jié)果，為濕地運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)建立力學(xué)分析模型并進(jìn)行理論計(jì)算，從土壤條件和車輛結(jié)構(gòu)兩方面證明運(yùn)輸車能夠在濕地中安全轉(zhuǎn)向。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)要求和計(jì)算結(jié)果對(duì)LF352履帶式運(yùn)輸車的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行修改，完成底盤結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)，并通過Creo和RecurDyn建立履帶式濕地運(yùn)輸車虛擬樣機(jī)模型，運(yùn)用Ground模塊建立濕地軟路面環(huán)境。

（3）運(yùn)用RecurDyn多體動(dòng)力學(xué)分析軟件，對(duì)適應(yīng)濕地作業(yè)的履帶式運(yùn)輸車輛底盤進(jìn)行仿真分析，通過設(shè)置3種預(yù)張緊力以及加速、減速、勻速3種行駛狀態(tài)，得到22 kN（車重的45%）的預(yù)張緊力能夠使運(yùn)輸車平穩(wěn)行駛。車輛以4個(gè)擋位直線行駛時(shí)，低速擋行駛穩(wěn)定性最好。車輛在滿載狀態(tài)下轉(zhuǎn)彎時(shí)，整體表現(xiàn)較穩(wěn)定，但由于外側(cè)履帶的向心力大于內(nèi)側(cè)履帶，車輛角速度大于8.0 rad/s時(shí)轉(zhuǎn)向可能會(huì)發(fā)生側(cè)翻，為確保安全，應(yīng)保證在Ⅰ檔或Ⅱ檔進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

（4）將樣機(jī)投入大興安嶺濕地進(jìn)行實(shí)地測(cè)試發(fā)現(xiàn)，履帶式運(yùn)輸車仿真分析與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差，其原因主要是理論計(jì)算和仿真分析時(shí)無法模擬出林區(qū)土壤實(shí)際情況，誤差在可接受范圍內(nèi)，適應(yīng)濕地作業(yè)的履帶式運(yùn)輸車設(shè)計(jì)具有一定可行性，可為履帶式運(yùn)輸車輛制造提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]吳晞，趙雨森，辛穎.大興安嶺火燒跡地植被恢復(fù)過程中土壤氮素特征[J].森林工程，2022，38（2）：8-13，104.17589BAA-E2B5-40FB-90F3-838AB5FB2438

WU X， ZHAO Y S， XIN Y. Characteristics of soil nitrogen during vegetation restoration in burned area of Daxinganling Mountains[J]. Forest Engineering， 2022， 38（2）： 8-13，104.

[2]武海濤，楊萌堯，于鳳琴，等.大興安嶺的凍土沼澤[J].森林與人類，2018（12）：40-45.

WU H T， YANG M Y， YU F Q， et al. Frozen swamp in the Greater Khingan Mountains[J]. Forest & Humankind， 2018（12）： 40-45.

[3]朱建楠.小型履帶式間伐采伐裝備的設(shè)計(jì)與研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2017.

ZHU J N. The research and design of small crawler wood cutting equipment[D]. Harbin： Northeast Forestry University， 2017.

[4]孫術(shù)發(fā)，任春龍，李濤，等.基于履帶式底盤的改進(jìn)型森林消防車通過性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34（17）：61-67.

SUN S F， REN C L， LI T， et al. Trafficability analysis of improved forest fire engine based on crawler chassis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2018， 34（17）： 61-67.

[5]朱智穎，王永芳，袁凱，等.浮箱鏈軌（履帶）式沼澤運(yùn)載設(shè)備行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物探裝備，2013，23（4）：237-240.

ZHU Z Y， WANG Y F， YUAN K， et al. Driving system design of tracked swamp vehicles[J]. Equipment for Geophysical Prospecting， 2013， 23（4）： 237-240.

[6]樊慧文，王永芳.ZCF-04浮箱履帶沼澤車的開發(fā)與試驗(yàn)[J].物探裝備，2013，23（2）：87-90.

FAN H W， WANG Y F. Development and experiment of pontoon rubber track marsh buggy[J]. Equipment for Geophysical Prospecting， 2013， 23（2）： 87-90.

[7]周營(yíng)，李聚軒，殷小杰，等.松軟地面通過性及判定方法應(yīng)用綜述[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，10（6）：22-25.

ZHOU Y， LI J X， YIN X J， et al. Summary of vehicles trafficability and judging methods applied on soft ground[J]. Journal of Academy of Military Transportation， 2008， 10（6）： 22-25.

[8]晏鳴霄，夏振清，王攀婷，等.南甕河濕地保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)碳、含水率和pH的變化分布[J].森林工程，2015，31（4）：22-25.

YAN M X， XIA Z Q， WANG P T， et al. Distribution of the variations of the soil organic carbon， moisture content， and pH in Nanweng River wetland reserve[J]. Forest Engineering， 2015， 31（4）： 22-25.

[9]張謠.履帶式濕地推土機(jī)工作裝置及行走機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈戏治鯷D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2016.

ZHANG Y. Rigid-flexible coupling dynamics analysis on working device and walking mechanism of swamp bulldozer[D]. Changchun： Jilin University， 2016.

[10]焦宏章.履帶式車輛轉(zhuǎn)向阻力矩分析[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（1）：37-40.

JIAO H Z. Analysis on steering resistance moment of caterpillar vehicles[J]. Journal of Taiyuan University of Science and Technology， 2020， 41（1）： 37-40.

[11]BEREZIN I I， ABYZOV A A. Probabilistic modeling of tracked vehicle mover and ground interaction[J]. Procedia Engineering， 2017， 206： 432-436.

[12]HE J， WU D L， MA J S， et al. The influence law of grouser shape on soil slide sinkage when tracked vehicle travels on soft road[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， 2020， 234（1）：225-237.17589BAA-E2B5-40FB-90F3-838AB5FB2438

[12]HE J， WU D L， MA J S， et al. The influence law of grouser shape on soil slide sinkage when tracked vehicle travels on soft road[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part K： Journal of Multi-Body Dynamics， 2020， 234（1）： 225-237.

[13]甄海玉，王良杰，田躍飛，等.浮箱履帶式行走裝置[J].建筑機(jī)械化，2015，36（4）：56-57，73.

ZHEN H Y， WANG L J， TIAN Y F， et al. Pontoon tracked running gear[J]. Construction Mechanization， 2015， 36（4）： 56-57， 73.

[14]高云鵬.全地域無托帶輪間隔式履帶行動(dòng)機(jī)構(gòu)的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

GAO Y P. Development of an all terrain idler pulley spaced tracked mobile mechanism[D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2017.

[15]ENDO D， NAGATANI K. Assessment of a tracked vehicles ability to traverse stairs[J]. ROBOMECH Journal， 2016， 3： 20.

[16]任柬宇，劉濱輝，廉陸鷂，等.大興安嶺地區(qū)降水量變化及干濕期特征分析[J].森林工程，2020，36（5）：16-23.

REN J Y， LIU B H， LIAN L Y， et al. Analysis of precipitation change and dry-wet period characteristics in Daxingan Mountains[J]. Forest Engineering， 2020， 36 （5）： 16-23.

[17]TANG S X， YUAN S H， HU J B， et al. Modeling of steady-state performance of skid-steering for high-speed tracked vehicles[J]. Journal of Terramechanics， 2017， 73： 25-35.17589BAA-E2B5-40FB-90F3-838AB5FB2438