關(guān)鍵詞：丘陵山地；履帶式動(dòng)力底盤(pán)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；RecurDyn；仿真分析

0 引言

我國(guó)的果園種植面積與規(guī)模均處于世界前列，是世界上主要的水果生產(chǎn)國(guó)之一，果品經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的重要支柱產(chǎn)業(yè)[1]。然而，我國(guó)整體農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平較低，特別是丘陵山地果園機(jī)械化處于發(fā)展初期階段[2-3]。動(dòng)力底盤(pán)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效益、推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等具有重要的意義，尤其是在丘陵山地果園中[4]。相比于輪式動(dòng)力底盤(pán)和仿形動(dòng)力底盤(pán)，履帶式動(dòng)力底盤(pán)對(duì)作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，轉(zhuǎn)向靈活，具有較好的機(jī)動(dòng)性，也可以提供更大的接觸面積，減少對(duì)地面的沖擊，減少打滑和傾覆的可能性[5]。

國(guó)外對(duì)履帶式農(nóng)機(jī)研究較早且取得了較多成果。近年來(lái)隨著國(guó)家政策的大力支持，履帶式農(nóng)機(jī)也成為了我國(guó)研究的重點(diǎn)方向。MOCERAF等[6]利用動(dòng)力學(xué)軟件建立了農(nóng)用履帶車(chē)輛的多體動(dòng)力學(xué)模型，并深入研究了其轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)特性。王鋒等[7]針對(duì)南方丘陵果園現(xiàn)有機(jī)械通過(guò)性差、穩(wěn)定性不好等問(wèn)題，研制了一種三角型履帶式動(dòng)力底盤(pán)，可以跨越500mm寬度的壕溝和528mm高度的障礙物。賈鑫等[8]利用動(dòng)力學(xué)RecurDyn仿真模型研究發(fā)現(xiàn)軟坡路面環(huán)境和履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向性能的關(guān)系，為履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其軟坡路面轉(zhuǎn)向特性分析提供了參考。

現(xiàn)有的履帶式動(dòng)力底盤(pán)以大中型為主，由于丘陵山地果園種植環(huán)境較為惡劣、空間郁閉，嚴(yán)重降低了丘陵山地果園大中型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的作業(yè)質(zhì)量[9]。為解決此問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種適用于丘陵山地果園的小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)，其爬坡通過(guò)性和越障性能良好，進(jìn)一步提升了我國(guó)丘陵山區(qū)果園機(jī)械化作業(yè)的管理水平。

1 設(shè)計(jì)與分析

1.1 設(shè)計(jì)要求

丘陵山區(qū)地形復(fù)雜且環(huán)境郁閉，路面環(huán)境崎嶇不平，很大程度上降低了大中型農(nóng)機(jī)的適用性，因此本研究基于丘陵山地果園作業(yè)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)。其具體設(shè)計(jì)要求有以下4項(xiàng)。

（1）具備較好的爬坡越障能力，在丘陵山地果園作業(yè)時(shí)具有較好的穩(wěn)定性，行駛速度0～4km/h，爬坡角度能夠達(dá)到30°。

（2）外形尺寸較小，能夠適應(yīng)北方丘陵果園種植特點(diǎn)，在丘陵果園郁閉的行間作業(yè)時(shí)，能夠通過(guò)1.2m行距的狹小果園空間。

（3）有一定的裝載能力，能夠作為果園采摘田間運(yùn)輸車(chē)使用，整機(jī)空載質(zhì)量≤200kg，滿(mǎn)載質(zhì)量≤300kg。

（4）能夠掛載其他附屬農(nóng)機(jī)具，如掛載割草機(jī)、旋耕機(jī)、噴藥機(jī)等，降低小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的閑置率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的功能。

1.2 關(guān)鍵工作參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1 行駛速度

小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)旨在解決在狹隘郁閉的果園采摘后的人工運(yùn)輸勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，根據(jù)丘陵山地果園機(jī)械作業(yè)要求，為了適應(yīng)環(huán)境的變化，最大作業(yè)速度設(shè)定1.2m/s、初始速度0.2m/s。

1.2.2 履帶選型及參數(shù)

目前，常用的履帶式動(dòng)力底盤(pán)類(lèi)型包括半履帶式和全履帶式。半履帶式動(dòng)力底盤(pán)的設(shè)計(jì)和制造相對(duì)容易且易于維護(hù)；全履帶式動(dòng)力底盤(pán)接地比壓較小、具有出色的通過(guò)性能及適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)場(chǎng)地的優(yōu)勢(shì)。在結(jié)構(gòu)上，履帶式動(dòng)力底盤(pán)通常采用普通型、倒梯形型和三角型等不同設(shè)計(jì)，三角型履帶式動(dòng)力底盤(pán)具有更好的穩(wěn)定性和良好的越障性能，適應(yīng)性強(qiáng)[10]。在履帶的材料選擇方面，履帶可分為鏈條式金屬履帶和橡膠履帶，橡膠履帶主要應(yīng)用在小型農(nóng)用機(jī)械。根據(jù)本研究的設(shè)計(jì)需求，最終選擇全履帶式三角型結(jié)構(gòu)的橡膠履帶。根據(jù)設(shè)計(jì)公式，可以計(jì)算履帶的節(jié)距、接地長(zhǎng)度參數(shù)。

在履帶的節(jié)距計(jì)算中，系數(shù)取值15，滿(mǎn)載整機(jī)質(zhì)量取理論最大質(zhì)量250kg，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得履帶節(jié)距60mm，接地長(zhǎng)度700mm。

1.2.3 支撐輪間隙

支撐輪的作用是分散質(zhì)量、增加穩(wěn)定性、提高機(jī)動(dòng)性和幫助負(fù)載均勻分布。支撐輪的間隙大小對(duì)于履帶的受力和行駛穩(wěn)定性具有影響，支撐輪的間隙值應(yīng)該盡量避免與履帶節(jié)距的整數(shù)倍相符[11]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得

1.2.4 履帶接近角和離去角

接近角和離去角是主要影響小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)通過(guò)能力的參數(shù)，其角度大小能夠影響其越障性能，因此接近角和離去角不宜過(guò)大或者過(guò)小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的接近角χ=45°、離去角Φ=30°，如圖1所示。

綜合考慮丘陵山地果園環(huán)境因素與小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)行走的穩(wěn)定性，確定小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的設(shè)計(jì)目標(biāo)與參數(shù)。首先，選用Q235合金鋼作為小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)主體材料，保證其強(qiáng)度和剛度能夠滿(mǎn)足作業(yè)需求；其次，設(shè)計(jì)的小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)越障能力強(qiáng)，機(jī)動(dòng)靈活，可以搭載多種作業(yè)屬具。小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

1.3 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型

電機(jī)在履帶行走動(dòng)力系統(tǒng)中起關(guān)鍵的作用，其性能直接影響車(chē)輛的行駛能力和適應(yīng)性[12]。電機(jī)是履帶行走系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ?，可以提供精確的速度和方向控制，通過(guò)調(diào)整電機(jī)的輸出，作業(yè)人員可以精確控制履帶行走系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，使其適應(yīng)不同的地形和作業(yè)需求。本研究選用兩個(gè)電機(jī)作為小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的動(dòng)力來(lái)源，通過(guò)控制電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的驅(qū)動(dòng)功能。

小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在丘陵山區(qū)的作業(yè)環(huán)境中，直行、轉(zhuǎn)向和爬坡是常見(jiàn)的工作狀態(tài)，其中在爬坡作業(yè)時(shí)所需的功率最大，因此，選定電機(jī)的功率應(yīng)基于小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在爬坡行駛中所需的最大功率。在爬坡作業(yè)時(shí)，小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)所需的功率按式（4）計(jì)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求和公式計(jì)算，選擇兩臺(tái)功率均為1kW的電機(jī)提供動(dòng)力。由于直流無(wú)刷電機(jī)控制簡(jiǎn)單、可調(diào)速范圍較廣、啟動(dòng)時(shí)力矩較大、穩(wěn)定性好且抗干擾能力強(qiáng)，考慮到小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在丘陵山地的工作性能和制造成本，本研究選用功率1kW的兩個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)。

2 仿真模型建立與參數(shù)設(shè)置

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

在軟件中對(duì)小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)建模時(shí)，在確定各部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系與實(shí)際作業(yè)工況一致的前提下，需要對(duì)建立的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化以便更快且更準(zhǔn)確地進(jìn)行仿真分析，具體約束關(guān)系如表2所示。為了提升模型的仿真解算速度和計(jì)算效率，將其余部件與車(chē)體整合成為一個(gè)整體的剛體系統(tǒng)模型。通過(guò)分析小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)各組件間的約束及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，構(gòu)建其模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真模型構(gòu)建

利用Solidworks軟件創(chuàng)建小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的三維部件模型，并在RecurDyn軟件中加載這些車(chē)體部分的模型。在RecurDyn/Track（LM）環(huán)境下，通過(guò)參數(shù)化方法對(duì)履帶、驅(qū)動(dòng)輪、張緊輪及其他輪系組件進(jìn)行建模和裝配，初步建立了小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖3所示[13]。分析其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)定各部件間的約束及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，合理設(shè)置質(zhì)量特性參數(shù)。根據(jù)需要進(jìn)一步調(diào)整履帶內(nèi)部襯套力的剛度和阻尼系數(shù)、各部件的摩擦因數(shù)，并施加預(yù)張緊力，完成履帶式動(dòng)力底盤(pán)的多體動(dòng)力學(xué)模型建立。

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

在設(shè)計(jì)小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)時(shí)，主要考慮了兩種作業(yè)環(huán)境：硬質(zhì)水泥路面和松軟的耕地路面。因此，在RecurDyn中需要設(shè)置兩種不同的路面環(huán)境來(lái)模擬底盤(pán)的作業(yè)性能，設(shè)置的仿真路面特征參數(shù)如表3所示。在硬質(zhì)路面上行駛時(shí)，路面不會(huì)發(fā)生形變，因此可以使用接觸碰撞摩擦模型來(lái)模擬作業(yè)情況。相反，在松軟路面上行駛時(shí)，路面會(huì)發(fā)生形變，因此需要使用貝克的壓力?沉陷關(guān)系模型進(jìn)行仿真模擬[14]。

在RecurDyn軟件中，為小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)添加驅(qū)動(dòng)速度實(shí)質(zhì)上是為驅(qū)動(dòng)輪添加了角速度。因此，在給小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)動(dòng)力底盤(pán)添加速度時(shí)，需要使用STEP函數(shù)進(jìn)行設(shè)值[15]。行駛速度范圍0.2～1.2m/s，在動(dòng)力學(xué)仿真軟件中速度取0.4、0.8和1.2m/s，按照RecurDyn軟件的要求將速度轉(zhuǎn)換成STEP函數(shù)的形式。STEP函數(shù)是一個(gè)三次多項(xiàng)式逼近階躍函數(shù)，其常用表達(dá)形式為STEP（x，x0，h0，x1，h1），因此設(shè)置的速度在函數(shù)中表達(dá)為STEP（Time，0，0，3，1.44）、STEP（Time，0，0，3，2.88）、STEP（Time，0，0，3，4.32）。STEP函數(shù)的物理意義用數(shù)學(xué)公式表示為式中 x——時(shí)間自變量。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 直線行駛側(cè)向偏移量

小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)分別在硬質(zhì)、松軟兩種路面環(huán)境下以0.8m/s的速度直線行駛，將小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在仿真環(huán)境中行駛的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，行駛偏移軌跡曲線如圖4所示。

分析行駛軌跡線可得，當(dāng)小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在硬質(zhì)和松軟兩種路面環(huán)境下直線行駛50m時(shí)，車(chē)體的側(cè)向偏移量分別為1.692和0.364m，跑偏率分別為3.38%和0.72%。根據(jù)GB/T15370.4—2012《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)通用技術(shù)條件第4部分：履帶拖拉機(jī)》的指標(biāo)要求，拖拉機(jī)的跑偏率≤6%。因此，小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在直線行駛時(shí)的側(cè)向穩(wěn)定性符合要求。

3.2 縱向坡地行駛性能仿真分析

為了驗(yàn)證小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的爬坡能力，在正常耕地路面環(huán)境下設(shè)置10°、20°、26°和36°的爬坡角度，分別以0.4、0.8和1.2m/s的速度行駛進(jìn)行仿真，在Recurdyn中仿真界面如圖5所示。

將小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)行駛的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，可以得到其在爬坡行駛過(guò)程中俯仰角的變化，如圖6所示。仿真結(jié)果分析表明，小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在坡度10°的路面環(huán)境行駛時(shí)，俯仰角大小基本沒(méi)有變化，能夠平穩(wěn)通過(guò)；在坡度20°的路面情況下，能夠平穩(wěn)通過(guò)，俯仰角保持穩(wěn)定，爬坡性能良好；在坡度26°的路面上以0.8和1.2m/s的速度行駛時(shí)，俯仰角會(huì)發(fā)生突變；在36°的斜坡上行駛時(shí)，俯仰角的變化更為顯著，這導(dǎo)致小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的穩(wěn)定性相對(duì)較差，甚至?xí)a(chǎn)生傾翻滑移的現(xiàn)象。

小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)以0.8m/s速度行駛時(shí)，歐拉角（俯仰角、方向角、側(cè)傾角）的變化曲線如圖7所示。小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在10°、20°和26°的斜坡上行駛時(shí)，俯仰角和側(cè)傾角變化較小，爬坡作業(yè)時(shí)可以穩(wěn)定行駛；在坡度10°斜坡行駛時(shí)，方向角呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，隨后恢復(fù)穩(wěn)定；在坡度36°的坡度路面行駛時(shí)，方向角會(huì)產(chǎn)生突變，側(cè)傾角同時(shí)也逐漸增大，這表明雖然小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)可以通過(guò)36°的斜坡，但是不能平穩(wěn)地通過(guò)，因此可以得到設(shè)計(jì)的小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的最大爬坡角度36°。

3.3 越障通過(guò)性仿真分析

驗(yàn)證越障通過(guò)性對(duì)于丘陵山地小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)來(lái)說(shuō)非常重要，主要因?yàn)檫@關(guān)系到其能否有效、安全地在復(fù)雜地形中通過(guò)。在丘陵山地果園作業(yè)過(guò)程中，攀越垂直障礙物是常見(jiàn)的作業(yè)環(huán)境。良好的越障通過(guò)性意味著小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)有良好的通過(guò)性和對(duì)地面環(huán)境的適應(yīng)性，使得其能夠在復(fù)雜的地形環(huán)境中維持穩(wěn)定和可控性。在RecurDyn中建立果園硬質(zhì)路面環(huán)境，設(shè)置不同高度的垂直障礙物，仿真模擬履帶式動(dòng)力底盤(pán)攀越障礙物的過(guò)程，其仿真界面如圖8所示，仿真結(jié)果如表4所示。

仿真結(jié)果分析表明，小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在硬質(zhì)路面行駛時(shí)可以平穩(wěn)地通過(guò)140mm高度的垂直障礙物；當(dāng)垂直障礙物高度160mm時(shí)，可以晃動(dòng)通過(guò)；當(dāng)垂直障礙物高度180mm時(shí)，無(wú)法通過(guò)。這說(shuō)明小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在硬質(zhì)路面行駛時(shí)的極限越障高度為160～180mm。為了準(zhǔn)確得到小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的越障能力，不斷降低障礙物的高度，最終可以得到其可以晃動(dòng)通過(guò)170mm高度的垂直障礙物，最大仰角58.6°，越障通過(guò)時(shí)間4.76s。同理可以得到小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在松軟路面行駛時(shí)的極限越障高度185mm。

3.4 跨越壕溝通過(guò)性仿真分析

在RecurDyn中建立果園硬質(zhì)路面環(huán)境，設(shè)置不同寬度壕溝，仿真模擬小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)跨越壕溝的過(guò)程，其仿真界面如圖9所示，仿真結(jié)果如表5所示。

仿真結(jié)果分析表明，硬質(zhì)路面上，小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)可以穩(wěn)定通過(guò)250mm寬度的壕溝；當(dāng)壕溝寬度增至300mm時(shí)，可晃動(dòng)通過(guò)；而350mm寬度的壕溝則無(wú)法通過(guò)。這表明，在硬質(zhì)路面行駛時(shí)，小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)跨越壕溝的極限范圍為250～350mm。為了準(zhǔn)確評(píng)估其越障能力，將壕溝寬度不斷縮小，最終確定在310mm寬度的壕溝內(nèi)，小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)可以晃動(dòng)通過(guò)，最大仰角36.98°、最大俯角12.6°、越障通過(guò)時(shí)間3.68s。

同理，可以在RecurDyn中進(jìn)行仿真分析小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在松軟路面上跨越壕溝的過(guò)程。最終結(jié)果表明，小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)能夠跨越的極限寬度296mm、最大俯角15.6°、最大仰角41.57°。通過(guò)與在硬質(zhì)路面上跨越壕溝的能力進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在松軟路面上的跨越能力略遜于硬質(zhì)路面。這可能是由于松軟路面會(huì)增加摩擦阻力，使得小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在跨越壕溝時(shí)更容易陷入或滑動(dòng)，而硬質(zhì)路面則能提供更好的支撐和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究對(duì)小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了各部件的參數(shù)和行走系統(tǒng)的選型。基于RecurDyn軟件建立了小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)與作業(yè)路面的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)在直線行駛和爬坡過(guò)程進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，硬質(zhì)和松軟路面下小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的直線行駛跑偏率分別為3.38%和0.72%，都可以在30°的坡度路面穩(wěn)定通過(guò)，爬坡穩(wěn)定性較好。

為了得到小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的越障能力，對(duì)其分別在硬質(zhì)和松軟兩種路面環(huán)境下的越障過(guò)程（翻越垂直障礙物和跨越壕溝）進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，兩種路況下小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的極限翻越垂直障礙物的高度分別為170和185mm，可跨越壕溝的極限寬度分別為310和296mm，通過(guò)仿真分析結(jié)果可知，小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的越障能力能夠符合丘陵山地果園作業(yè)要求，本研究可以為深入研究小型履帶式動(dòng)力底盤(pán)的行駛特性提供參考。