王慧 安洋 崔生樂(lè) 楊春梅

摘要：為提高運(yùn)輸車(chē)在林間的工作效率，研究設(shè)計(jì)一款能夠遠(yuǎn)程遙控且能根據(jù)自身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)重心的小型林間履帶式運(yùn)輸車(chē)。通過(guò)理論計(jì)算完成整車(chē)各部分機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，分析整車(chē)在可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)調(diào)控下的通過(guò)性，確定可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)的控制策略，并利用Recurdyn軟件對(duì)整機(jī)進(jìn)行通過(guò)性模擬仿真。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)調(diào)控重心后，整機(jī)的通過(guò)性得到有效提升，整機(jī)上坡的極限角度提高17.9%，橫坡的極限角度提高18.3%，極限越障高度提高18.7%，跨壕極限寬度提高13.9%。

關(guān)鍵詞：林地環(huán)境；林間履帶式運(yùn)輸機(jī)；可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)；通過(guò)性；Recurdyn

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122： U469.6+94? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 03-0148-08

Design and simulation of forest transporter with self-adaptive center of gravity

Wang Hui， An Yang， Cui Shengle， ?Yang Chunmei

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

Abstract：

In order to improve the working efficiency of the transporter in the forest， this paper studies and designs a small forest crawler transporter which can be remotely controlled and automatically adjust the center of gravity according to its own movement posture. The mechanism design of each part of the whole vehicle is completed by theoretical calculation， and the trafficability of the whole vehicle under the control of the adjustable center of gravity mechanism is analyzed， and the control strategy of the adjustable center of gravity mechanism is determined. The simulation results show that after the control of the center of gravity， the machine trafficability is effectively improved， the limit Angle of the machine uphill is increased by 17.9%， the limit Angle of the transverse slope is increased by 18.3%， the limit obstacle height is increased by 18.7%， and the limit width of the trench is increased by 13.9%.

Keywords：?forest environment; forest crawler conveyor； adjustable center of gravity mechanism; trafficability； Recurdyn

0 引言

我國(guó)林業(yè)種類(lèi)繁多，按照形成方式可以分為天然林與人工林兩大類(lèi)。其中天然林是經(jīng)過(guò)植被自然生成的，地形十分復(fù)雜且林間距大小不一；而人工林是通過(guò)人工措施形成的森林。人工林的經(jīng)營(yíng)目的明確，樹(shù)種選擇、空間配置及其他造林技術(shù)措施都是按照人們的要求來(lái)安排的。按照經(jīng)營(yíng)目的人工林可分為，防護(hù)林、特種用途林、薪炭林、經(jīng)濟(jì)林以及用材林。通過(guò)我國(guó)大力發(fā)展林業(yè)，其森林覆蓋率已經(jīng)從20世紀(jì)80年代初的12%，提高到目前的22.96%，人工林面積居全球第一［1］。人工林特點(diǎn)一般為同齡林，林相整齊；森林樹(shù)種組成較少，層次結(jié)構(gòu)較單純；個(gè)體的水平分布均勻，布局較合理。成年人工林間距大部為3～5m。

林間剩余物是指以木材生產(chǎn)為主的森林經(jīng)營(yíng)和生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的林木剩余物，包括森林采伐和造材剩余物、加工剩余物、森林撫育和間伐剩余物等。林間剩余物是一種重要的生物質(zhì)能源，但每年都有大量的林間剩余物沒(méi)有被回收利用。在環(huán)境污染和能源日益緊缺的情況下，林間剩余物的利用，不僅可以有效緩解能源短缺壓力，還可有效減少資源浪費(fèi)、環(huán)境污染和森林火災(zāi)等問(wèn)題［2， 3］。

但由于林區(qū)惡劣的運(yùn)輸環(huán)境，車(chē)輛無(wú)法進(jìn)入運(yùn)輸，我國(guó)對(duì)于林區(qū)的生產(chǎn)運(yùn)輸問(wèn)題還是主要依靠于人力及畜力，這大大降低了林間作業(yè)運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)效率。應(yīng)智能化與時(shí)代發(fā)展的要求，將科技與林業(yè)結(jié)合，設(shè)計(jì)一款小型靈活、通過(guò)性高、能夠滿(mǎn)足運(yùn)輸要求且能在林間復(fù)雜環(huán)境行走的履帶式運(yùn)輸車(chē)變得很有必要。

Doi等［4］研究設(shè)計(jì)了一種帶有能夠自動(dòng)升降調(diào)平平臺(tái)的林間運(yùn)輸車(chē)，可以在車(chē)輛通過(guò)復(fù)雜地形時(shí)使載物箱保持水平，從而提高車(chē)輛行駛的穩(wěn)定性。但這種裝置在一定程度上提高了整車(chē)的重心，在更加復(fù)雜的地形上無(wú)疑增加了翻車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)。韓振浩等［5］研究設(shè)計(jì)了一種可以調(diào)節(jié)重心的山地果園運(yùn)輸機(jī)，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)重心后運(yùn)輸機(jī)的通過(guò)性得到了一定提升，但其在通過(guò)各種地形時(shí)都需要提前手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)際操作起來(lái)并不方便且容易出錯(cuò)，且該運(yùn)輸機(jī)并不能適應(yīng)林間復(fù)雜的地形。

綜上，本文設(shè)計(jì)一款能夠遠(yuǎn)程遙控且能根據(jù)自身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)重心的小型林間履帶式運(yùn)輸機(jī)。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.1 可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)

通過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)得知，履帶底盤(pán)的通過(guò)性與重心的位置密切相關(guān)［6， 7］。例如在越障的過(guò)程中，翻車(chē)的臨界狀態(tài)便是整機(jī)的重心垂線(xiàn)與垂直壁障的近邊重合［8， 9］。所以本文設(shè)想一種能夠根據(jù)自身的姿態(tài)可以實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)整車(chē)的重心位置的裝置，使整車(chē)的通過(guò)性提高，降低翻車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)工作原理，可移動(dòng)調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

該機(jī)構(gòu)由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)縱向?qū)к壓鸵粋€(gè)橫向?qū)к壱约捌渌舾闪悴考M成。步進(jìn)電機(jī)控制精準(zhǔn)，在低速時(shí)也能提供較大扭矩。通過(guò)齒輪將步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力傳遞給滑軌上，進(jìn)而平穩(wěn)地控制承載在滑軌上的載物箱前后左右移動(dòng)，起到調(diào)節(jié)重心的作用?？刂撇糠钟蓅tm32f103單片機(jī)、姿態(tài)傳感器、距離傳感器等組成。通過(guò)傳感器等實(shí)時(shí)檢測(cè)整車(chē)的姿態(tài)，以及相應(yīng)的距離，然后將信號(hào)傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理，進(jìn)而對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整使整車(chē)的重心位于適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

1.2 履帶底盤(pán)

履帶式底盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由雙直流無(wú)刷電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)輪、支撐輪、導(dǎo)向輪、張緊輪以及履帶組成。考慮林間地形復(fù)雜，障礙物隨處可見(jiàn)，需要越障，爬坡及轉(zhuǎn)向次數(shù)較多，因此采用倒梯形結(jié)構(gòu)底盤(pán)，將動(dòng)力后置，且采用雙電機(jī)分別控制兩側(cè)履帶行進(jìn)，有利于提高整車(chē)的通過(guò)性并縮小轉(zhuǎn)向角度。

底盤(pán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪將直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化為底盤(pán)行駛的動(dòng)能，支撐輪起到支撐履帶的作用，導(dǎo)向輪和張緊裝置保證了履帶的卷繞方向并承受行駛時(shí)履帶受到的沖擊力。支重輪通過(guò)游離三角與車(chē)架鉸接，其位置可根據(jù)地形的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免支撐輪懸空時(shí)對(duì)底盤(pán)產(chǎn)生的載荷分布不均，從而提高底盤(pán)的穩(wěn)定性。

整機(jī)底盤(pán)通過(guò)遙控［9］的方式進(jìn)行行走作業(yè)，采用無(wú)差速的方式驅(qū)動(dòng)履帶底盤(pán)的兩側(cè)履帶，兩側(cè)直流電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)底盤(pán)兩側(cè)的主動(dòng)輪。每個(gè)直流電機(jī)由控制系統(tǒng)直接控制，前進(jìn)或者后退時(shí)由控制系統(tǒng)控制兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)操作，轉(zhuǎn)向時(shí)，由控制系統(tǒng)改變底盤(pán)兩側(cè)電機(jī)的速度實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的差速轉(zhuǎn)向、切邊轉(zhuǎn)向以及原地轉(zhuǎn)向。

1.3 整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)結(jié)構(gòu)由電動(dòng)履帶式底盤(pán)，柴油發(fā)電機(jī)，自適應(yīng)可移動(dòng)調(diào)節(jié)重心裝置、電池、控制箱以及傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。設(shè)計(jì)整機(jī)負(fù)載高，通過(guò)性強(qiáng)，通過(guò)遙控可實(shí)現(xiàn)在林間進(jìn)行靈活的運(yùn)輸工作，從而提高操作人員的安全性。整機(jī)尺寸為2000mm×1500mm×1100mm，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整機(jī)行走由柴油發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，解決了裝備在林間復(fù)雜地形行走的功率問(wèn)題。大部分功率提供給驅(qū)動(dòng)底盤(pán)行走的兩個(gè)大功率直流電機(jī)上，小部分電力通過(guò)電池存儲(chǔ)起來(lái)，通過(guò)電池將電力供給驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)的電機(jī)上以減少能源浪費(fèi)?？烧{(diào)節(jié)重心裝置由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)姿態(tài)傳感和距離傳感器等在行走的過(guò)程中自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)控制器來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)載物箱的位置以達(dá)到調(diào)節(jié)重心的目的，從而提高整車(chē)的通過(guò)性。

1.4 整機(jī)重心位置計(jì)算

確定重心位置是實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)功能的基礎(chǔ)，同時(shí)為保證車(chē)輛能夠擁有良好的通過(guò)性，重心位置應(yīng)該盡可能地設(shè)計(jì)在車(chē)輛的中心的正下方，且重心越低車(chē)輛行駛越穩(wěn)定。本文采用分塊法，根據(jù)整機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)將其分成數(shù)個(gè)簡(jiǎn)單的模塊，分別求解出各個(gè)模塊的重心，在整機(jī)外部一點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系分別確定每個(gè)模塊重心在坐標(biāo)系中的位置，最后求解出整機(jī)的重心。分塊法計(jì)算重心示意圖如圖3所示。

整車(chē)的橫向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用對(duì)稱(chēng)分布，所以X軸向重心可以看作近似位于整機(jī)橫向的中心線(xiàn)處。Y軸向重心的計(jì)算，可以先假設(shè)一個(gè)點(diǎn)O為Y軸向重心位置，然后將分塊后各部分的重心位置到該點(diǎn)的垂直距離假設(shè)為y0，y1，y2……。Z軸向的重心位置計(jì)算，可以假設(shè)點(diǎn)O為Z軸向的重心位置，然后將分塊后各部分的重心位置到該點(diǎn)的Z軸向的距離假設(shè)為z0，z1，z2……。再以可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)的極限移動(dòng)位置為例，計(jì)算出整機(jī)經(jīng)過(guò)該機(jī)構(gòu)調(diào)整過(guò)后的重心位置，如圖3（c）所示。

根據(jù)已知條件和力矩平衡可得

y1+y5=L1y2+y4=L2y2+y5=L3y3+y4=L4m1y1+m2y2=m3y3+m4y4+m5y5（1）

式中：m1——載物箱質(zhì)量，kg；m2——可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)質(zhì)量，kg；m3——履帶底盤(pán)質(zhì)量，kg；m4——電池質(zhì)量，kg；m5——柴油發(fā)電機(jī)質(zhì)量，kg；L1——載物箱與柴油發(fā)電機(jī)的質(zhì)心橫向距離，mm；L2——可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)與電池的質(zhì)心橫向距離，mm；L3——可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)與柴油發(fā)電機(jī)的質(zhì)心橫向距離，mm；L4——底盤(pán)與電池的質(zhì)心橫向距離，mm。

求解式（1）可得整機(jī)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)前的重心在Y軸向的位置。

z1+z2=D1z1+z3=D2z1+z4=D3z1+z5=D4m1z1=m2z2+m3z3+m4z4+m5z5（2）

式中：D1——載物箱與可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)的質(zhì)心縱向距離，mm；D2——載物箱與底盤(pán)的質(zhì)心縱向距離，mm；D3——載物箱與電池的質(zhì)心縱向距離，mm；D4——載物箱與柴油發(fā)電機(jī)的質(zhì)心縱向距離，mm。

求解式（2）可得整機(jī)重心在Z軸向的位置。

由于整機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候一般都為左右對(duì)稱(chēng)，所以整機(jī)X軸向的重心位于整機(jī)的橫向中心。但經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)，整機(jī)重心會(huì)有橫向變動(dòng)。

m1（Δd－Δx）=（m2+m3+m4+m5）Δx（3）

式中：Δd——載物箱沿X軸向移動(dòng)距離，mm；Δx——整機(jī)重心沿X軸向移動(dòng)的距離，mm。

求解式（3）可得整車(chē)經(jīng)過(guò)橫向調(diào)節(jié)前后的重心在X軸向的重心位置，如圖3（b）所示。

1.5 通過(guò)性分析

林間地形復(fù)雜多變，多有坡道、障礙物以及壕溝，普通車(chē)輛在林間難以行走，且有翻車(chē)的危險(xiǎn)。因此要求需要有良好的通過(guò)性以及穩(wěn)定性。因整車(chē)在滿(mǎn)載時(shí)，重心最高通過(guò)性最差，且重心經(jīng)過(guò)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)更明顯，所以本文以整車(chē)滿(mǎn)載500kg時(shí)為例，通過(guò)調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)調(diào)控重心分別對(duì)這三種情況進(jìn)行整機(jī)的通過(guò)性分析。

1.5.1 上、下坡以及通過(guò)橫坡分析

整機(jī)在上下坡時(shí)，受到自身的重力，和地面給的支持力以及摩擦力。受力分析如圖4所示。

如圖4所示，整機(jī)在穩(wěn)定上下坡過(guò)程中所受力和力矩平衡。根據(jù)已知條件，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可以得出整機(jī)上下坡的極限角度α、β，以及經(jīng)過(guò)可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)后的極限角度α′、β′，如式（4）所示。

α=arctanbh－r2β=arctanch－r2α′=arctanb+Δyh－r2β′=arctanc+Δyh－r2（4）

式中：b——支重輪A與質(zhì)心位置的縱向距離，mm；c——支重輪B與質(zhì)心位置的縱向距離，mm；h——質(zhì)心高度，mm；r2——支重輪半徑，mm；Δy——整機(jī)質(zhì)心沿Y軸向移動(dòng)的距離，mm;α、α′——經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)前后的極限上坡角度，（°）；β、β′——經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)前后的極限下坡角度，（°）。

整機(jī)在橫坡上穩(wěn)定行駛時(shí)，受自身的重力，地面的支持力以及摩擦力。受力分析如圖5所示。

根據(jù)力矩平衡，對(duì)C點(diǎn)進(jìn)行力矩分析計(jì)算可得整機(jī)在通過(guò)橫坡時(shí)經(jīng)過(guò)可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)前后的極限角度γ與γ′，如式（5）所示。

γ=arctanS2hγ′=arctan0.5S+Δxh（5）

式中：S——軌距，mm;γ、γ′?——經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)前后的橫坡極限角度，（°）。

1.5.2 越障分析

整機(jī)的越障過(guò)程，可以分為三部分。首先是前導(dǎo)輪接觸障礙物，并在動(dòng)力作用下將車(chē)身微微抬起。然后隨著整機(jī)不斷前進(jìn)，整機(jī)的重心也隨之不斷上升和前移，并在這個(gè)過(guò)程中重心會(huì)逐漸接近障礙物外表面的豎直延長(zhǎng)線(xiàn)。根據(jù)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，當(dāng)整車(chē)的質(zhì)心能越過(guò)障礙物的豎直延長(zhǎng)線(xiàn)時(shí)，整車(chē)才能順利跨越過(guò)障礙物。最后重心跨過(guò)障礙物的豎直延長(zhǎng)線(xiàn)，并隨著整機(jī)繼續(xù)前進(jìn)，重心下降直到完成越障。整機(jī)跨越障礙物的臨界狀態(tài)如圖6所示。

對(duì)處于臨界狀態(tài)的整機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析，此時(shí)整機(jī)所受力平衡且所受力矩平衡。對(duì)拖輪A進(jìn)行力矩平衡分析計(jì)算，可得整機(jī)在越障時(shí)經(jīng)過(guò)可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)前后的極限上坡高度，如式（6）所示。

H=sinθ（b－h(huán)tanθ）H′=sinθ′（b+Δy－h(huán)tanθ′）（6）

式中：H、H′——經(jīng)過(guò)調(diào)控前后的極限越障高度，mm；θ、θ′——經(jīng)過(guò)調(diào)控前后的極限越障角度，（°）。

但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，所以最大越障高度不能超過(guò)主動(dòng)輪中心與地面的垂直距離，所以整機(jī)的實(shí)際最大越障高度

Hmax=min（H′，h1）（7）

式中：Hmax——實(shí)際越障最大高度，mm；h1——主動(dòng)輪中心高度，mm。

1.5.3 跨壕分析

整機(jī)能否跨越壕溝與多個(gè)因素有關(guān)，比如壕溝的寬度，整機(jī)的重心位置，履帶底盤(pán)的長(zhǎng)度和行駛速度等。在整機(jī)跨越壕溝中，極限的臨界狀態(tài)為整機(jī)重心的豎直延長(zhǎng)線(xiàn)與近側(cè)壕溝豎直界面重合時(shí)，支撐端履帶另一端剛好接觸在壕溝遠(yuǎn)側(cè)邊界上。則整機(jī)前端或者后端不會(huì)陷落壕溝，此時(shí)的壕溝寬度為整機(jī)跨越壕溝的極限寬度。

因整機(jī)重心不在中心，所以經(jīng)過(guò)分析整機(jī)在進(jìn)入與離去階段跨好寬度會(huì)略有不同。如圖7所示，整機(jī)處于進(jìn)入階段時(shí)，可跨壕溝寬度為臨界跨壕寬度M1。當(dāng)整機(jī)處于離去階段時(shí)，臨界跨壕寬度為M2，可據(jù)此來(lái)確定整機(jī)極限的寬度，如式（8）所示。

M1=e2+h12+r1M2=f2+h12+r1（8）

式中：M1——進(jìn)入階段時(shí)臨界跨壕寬度，mm；M2——離去階段時(shí)臨界跨壕寬度，mm；e——主動(dòng)輪與質(zhì)心的橫向距離，mm；f——導(dǎo)向輪與質(zhì)心的橫向距離，mm；r1——主動(dòng)輪半徑，mm。

經(jīng)過(guò)可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)重心位置后，整機(jī)可跨壕溝最大距離為

M1′=（e+Δy）2+h12+r1M2′=（f+Δy）2+h12+r1M=min（M1′，M2′）（9）

式中：M——整機(jī)可跨壕溝最大距離，mm。

1.6 可調(diào)重心機(jī)構(gòu)控制策略

姿態(tài)傳感器作為一種高精度的測(cè)量?jī)x器，是檢測(cè)載體姿態(tài)變化的重要工具，其在工業(yè)控制、軍事裝備、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。本文將此傳感器靈活的運(yùn)用在林業(yè)裝備上，通過(guò)安裝在整機(jī)底盤(pán)上的姿態(tài)傳感器，可以檢測(cè)到整機(jī)的實(shí)時(shí)位姿［13］。然后將檢測(cè)到的信號(hào)傳送到主控制器上，主控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，隨后傳出指令控制機(jī)構(gòu)上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑軌，對(duì)載物箱的位置進(jìn)行調(diào)整并運(yùn)用PID算法進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，進(jìn)而起到調(diào)節(jié)整機(jī)重心的作用，實(shí)現(xiàn)整機(jī)重心的自適應(yīng)調(diào)整。同時(shí)在橫向滑軌與縱向滑軌上各安裝一個(gè)距離傳感器，通過(guò)記錄可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)的起始平衡位置，在機(jī)構(gòu)啟動(dòng)或停止時(shí)通過(guò)距離傳感器檢測(cè)的距離初始化載物箱的位置。且由控制器設(shè)置橫向滑軌與縱向滑軌的極限移動(dòng)距離，保證載物箱移動(dòng)距離不會(huì)超出極限，導(dǎo)致危險(xiǎn)情況發(fā)生。

根據(jù)整機(jī)的通過(guò)性分析，改變重心在一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢每梢蕴岣哒麢C(jī)的通過(guò)性。通過(guò)MATLAB軟件求解式（1），根據(jù)載物箱沿Y軸移動(dòng)距離的變化，可以計(jì)算得到重心在Y軸向位置的變化。選取多個(gè)數(shù)據(jù)作為離散點(diǎn)，如表1所示為載物箱縱向移動(dòng)距離的變化長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的重心位置改變的距離。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以看出Δl與Δy的關(guān)系大致成線(xiàn)性變化，利用MATLAB軟件對(duì)表一中的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次線(xiàn)性擬合，得到 Δl與Δy的線(xiàn)性擬合關(guān)系如式（10）所示。

Δl=2.2Δy－1.42（10）

式中：Δl——載物箱沿Y軸移動(dòng)的距離，mm。

同理根據(jù)式3，可以得到在X軸向載物箱重心的變化距離Δx與整機(jī)重心的變化距離Δd之間的關(guān)系，如式（11）所示。

Δd=2.22Δx（11）

根據(jù)整機(jī)的通過(guò)性分析，整機(jī)在上下坡時(shí)本身可通過(guò)最大斜坡傾角為α，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)重心后可通過(guò)最大斜坡傾角為α′，當(dāng)整機(jī)通過(guò)最大斜坡傾角時(shí)，此時(shí)也有翻車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)。為了提高安全性，應(yīng)及時(shí)通過(guò)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)重心使整機(jī)處于一個(gè)安全的可控的范圍。且在小角度的安全范圍內(nèi)，并不需要機(jī)構(gòu)頻繁地調(diào)整重心，避免能源浪費(fèi)，提高機(jī)構(gòu)壽命。所以當(dāng)整機(jī)本身傾斜角達(dá)到α?xí)r，應(yīng)調(diào)節(jié)載物箱到達(dá)極限位置上。如式（4）所示，為最大傾角與重心縱向距離變化的關(guān)系。將式進(jìn)行修改，可得可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備開(kāi)始調(diào)節(jié)的傾角α″。

α″=arctanb－Δyh－r2（12）

同時(shí)根據(jù)Δl與Δy的線(xiàn)性擬合關(guān)系，將式（10）與式（12）結(jié)合，得到載物箱縱向移動(dòng)距離與角度的變化關(guān)系如式（13）所示。

Δl=2.14（b－h(huán)tanα″）+0.16（13）

在橫坡上行駛時(shí)，整機(jī)本身的最大通過(guò)橫坡角度為γ，在經(jīng)調(diào)節(jié)重心后角度變化為γ′。同理將式（5）進(jìn)行修改，可得可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備開(kāi)始調(diào)節(jié)的橫坡傾角γ″。

γ″=arctan0.5S－Δxh（14）

根據(jù)在X軸向載物箱重心的變化距離Δd與整機(jī)重心的變化距離Δx之間的關(guān)系，結(jié)合式（12）與式（14），可得到載物箱橫向移動(dòng)距離與角度的變化如式（15）所示。

Δd=2.15（0.5S－h(huán)tanβ″）（15）

綜上所述，在整機(jī)通過(guò)各種地形時(shí)，由姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)整機(jī)傾角的變化，在橫向與縱向的傾角超過(guò)一定的角度時(shí)，便由控制器下達(dá)指令控制電機(jī)帶動(dòng)滑軌移動(dòng)進(jìn)而控制載物箱移動(dòng)，并根據(jù)式（13）與式（15），由整機(jī)傾角的變化精確控制載物箱移動(dòng)的方向與距離。

2 模擬仿真

2.1 建立模型

本文采用Recurdyn軟件對(duì)整機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真［15］，RecurDyn （Recursive Dynamic）是新一代多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件。它采用相對(duì)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程理論和完全遞歸算法，非常適合于求解多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，是一款集成了多學(xué)科、多功能、綜合性的專(zhuān)業(yè)CAE仿真平臺(tái)，且Recurdyn本身帶有專(zhuān)業(yè)的履帶模塊，便于履帶建模和計(jì)算仿真。

首先運(yùn)用Recurdyn中的履帶模塊，對(duì)鏈節(jié)、主動(dòng)輪、拖輪、導(dǎo)向輪、支撐論以及支架進(jìn)行參數(shù)化建模。使用assembly功能，順次連接主動(dòng)輪等創(chuàng)建履帶，然后添加約束和動(dòng)力。退出該模塊，將履帶與導(dǎo)入的Solidworks整機(jī)主體模型進(jìn)行裝配，添加約束，材料屬性等。最后根據(jù)Recurdyn的ground功能創(chuàng)建路面，鑒于林間的工作環(huán)境，采用其中的黏土（clayey soil）路面模型。添加履帶表面與路面的接觸點(diǎn)，進(jìn)行仿真分析。

2.2 通過(guò)性仿真

以整機(jī)滿(mǎn)載500kg且低速1.08km/h行駛時(shí)為例，建立各種復(fù)雜地形通過(guò)仿真來(lái)分析整機(jī)在重心調(diào)控前以及調(diào)控后的通過(guò)性。

2.2.1 上下坡及橫坡通過(guò)性仿真

整機(jī)在斜坡以及橫坡的通過(guò)性仿真如圖8、圖9所示，由于整機(jī)重心相對(duì)來(lái)說(shuō)較為靠后，在上坡時(shí)更容易翻車(chē)，調(diào)控重心效果也更為明顯，所以本文在縱向調(diào)控時(shí)只針對(duì)整機(jī)上坡進(jìn)行仿真。在整機(jī)仿真時(shí)以初始坡度20°開(kāi)始仿真，隨后坡度每次增加一度，進(jìn)行多次仿真直到整機(jī)傾覆為止，可以得到在未調(diào)控重心前的極限上下坡以及橫坡角度。

隨后利用機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)載物箱位置，每次移動(dòng)40mm并適當(dāng)增加斜坡角度，進(jìn)行多次仿真直到機(jī)構(gòu)到達(dá)可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的極限位置處。仿真結(jié)果如表1所示。

2.2.2 越障仿真

通過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)以及進(jìn)行多次仿真試驗(yàn)可知，整機(jī)在翻越壁障時(shí)，速度越低，俯仰角越小，行駛過(guò)程越平穩(wěn)，通過(guò)性越強(qiáng)，所以在越障時(shí)應(yīng)盡量減速慢行。本文以低速0.36km/h速度進(jìn)行整機(jī)翻越300mm壁障的仿真，越障仿真過(guò)程如圖10所示。

以低速進(jìn)行仿真模擬時(shí)，設(shè)定初始壁障高度為200mm，每次增加20mm，直至整機(jī)無(wú)法翻越為止。隨后利用機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)載物箱縱向位置，每次移動(dòng)40mm并適當(dāng)增加壁障高度，直到重心到達(dá)可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的極限位置處。仿真結(jié)果如表3所示。

2.2.3 跨壕仿真

當(dāng)整機(jī)跨壕時(shí)，可以分為進(jìn)入和離去兩個(gè)階段，而重心在整機(jī)中的位置便會(huì)影響整機(jī)跨壕的能力。本文首先在調(diào)控整機(jī)重心前進(jìn)行多次跨壕仿真，逐漸增大壕溝距離直到整機(jī)掉入壕溝之中，記錄此時(shí)壕溝距離為整機(jī)在調(diào)控前的極限跨壕距離。

隨后利用機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)載物箱位置，每次移動(dòng)40mm并適當(dāng)調(diào)整壕溝寬度，進(jìn)行多次仿真。仿真過(guò)程如圖11所示，仿真結(jié)果如表4所示。

2.3 結(jié)果分析

本文通過(guò)對(duì)整機(jī)的通過(guò)性試驗(yàn)仿真，得到整機(jī)翻越各種地形的仿真結(jié)果如表2～表4所示，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析繪制折線(xiàn)圖，如圖12所示?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)可調(diào)重心機(jī)構(gòu)調(diào)控后整機(jī)翻越各種地形的能力呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明整機(jī)的通過(guò)性得到了有效提升。由于理論分析時(shí)未考慮土壤變形等其他因素影響，導(dǎo)致仿真結(jié)果與計(jì)算分析數(shù)值存在一些差別，但總體符合計(jì)算分析趨勢(shì)。根據(jù)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)調(diào)控后，上坡的極限角度提高了17.9%，橫坡的極限角度提高了18.3%。調(diào)控重心后的整機(jī)極限越障高度較調(diào)控前提高了18.7%，跨壕極限距離相較于調(diào)控前提高了13.9%。

3 結(jié)論

為提高運(yùn)輸車(chē)在林間復(fù)雜地形的工作效率，本文提出一種可調(diào)節(jié)重心的小型林間履帶運(yùn)輸車(chē)，完成底盤(pán)等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)整機(jī)的通過(guò)性進(jìn)行理論分析，制定可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)的控制策略，最后利用Recurdyn軟件對(duì)整機(jī)通過(guò)各種復(fù)雜地形進(jìn)行模擬仿真。

1） 通過(guò)模擬仿真得出在調(diào)控重心前整機(jī)上坡的極限角度為35.21°，通過(guò)橫坡的最大角度為28°，可翻越最大壁障高度為320mm，跨越壕溝最大寬度為834mm。由于未考慮路面等因素影響，仿真結(jié)果與理論分析有一定差別，但總體符合理論分析趨勢(shì)。

2） 經(jīng)過(guò)可調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控后，整機(jī)的通過(guò)性能得到有效提升。通過(guò)仿真結(jié)果可知經(jīng)過(guò)調(diào)控后整機(jī)上坡的極限角度提高17.9%，橫坡的極限角度提高18.3%，極限越障高度提高18.7%，跨壕極限寬度提高13.9%。

3） 經(jīng)過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)的整機(jī)可以在林間復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行高效率的工作。

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第一作者：王慧，女，1965年生，黑龍江哈爾濱人，博士，副教授；研究方向?yàn)榱謽I(yè)機(jī)械。E-mail： Wanghui90527@126.com

通訊作者：楊春梅，女，1977年生，黑龍江哈爾濱人，博士，教授；研究方向?yàn)榱謽I(yè)智能裝備與檢測(cè)。E-mail： ycmnefu@126.com