吕唯唯,顾 亮,董明明,李忠新
(北京理工大学 机械与车辆学院 地面机动装备实验教学中心,北京 100081)
农业机械、深海探测机构、深空探测月球车、装甲车辆等在可变形地面上行走的附着特性是车辆机动性的重要教学和科研内容[1-6]。车辆高速行驶工况下如何提高行走机构与可变形地面作用的附着力是改善车辆机动性和影响车辆结构设计的关键因素之一。准确地测量履带车辆与可变形地面的动态附着力,对履带车辆行驶机动性的基础性研究工作具有重要意义。现有研究车辆地面附着特性的实验装置没有成熟、通用的产品,定制的产品造价昂贵、操作复杂,不适合本科生实验教学活动[7-9]。
本文针对教研活动需求和教学对象特点,以车载激振液力动态实验台为基础,自行设计了履带板与可变形地面附着力测量实验系统,可应用于实验教学活动,能准确测量履带板等触土部件在车辆行驶动态载荷作用下的附着力,用于车辆地面机动性相关研究。
经典的地面力学对行动系统与地面之间耦合相互作用关系的描述存在只针对静态/准静态的先天缺陷。高机动履带车辆基本工作在稳态或瞬态高速工况,车辆行动系统对地面表现出明显的动态加载特征,因此履带板-地面耦合动态特性研究具有重要的现实意义,可以为研究履带车辆行动系统结构布置、参数匹配、车辆行驶通过性等提供重要的设计理论依据和技术基础支持。
履带板-地面耦合作用关系中附着特性是决定车辆行驶通过性的重要指标,附着特性与高速率加载工况下可变形地面土壤的承压特性及履带板与可变形地面作用时的水平方向土壤推力有密切关系,一般采用室内土槽实验来测量履带部件与可变形地面作用的土壤推力,最大土壤推力即为履带板-地面土壤附着力。
在教研活动中存在以下问题:①市场上未有成熟的土槽实验装置用于履带板等触土部件与可变形地面耦合作用力的测量,现有的土槽实验装置主要用于研究岩土层深层力学特性,不适合研究行走机构与可变形地面耦合作用关系;②用于研究农业机械、深空探测机构与地面附着特性的实验装置占地面积大、设备昂贵,加载速率低,近似静态加载,与高机动履带车辆行驶工况不符,不适合本科生实验教学,且操作具有一定危险性;③现有的研究行走机构地面附着特性实验装置将行走机构尺寸进行比例缩放,完成试验后再将实验数据进行缩放还原,数据结论有一定失真,并不满足教学工作中的实际需求。
附着力测量实验系统包含动态垂向加载系统、水平牵引系统和数据采集装置三部分。其中,动态垂向加载系统包含土槽、激振台、试验台架、刚性车轮和其他连接装置,可对履带板施加高频、高加载速率的动态垂向载荷,作用到与之接触的可变形地面上,使履带板与可变形地面发生垂向耦合作用;水平牵引系统包含电机、减速机、涡轮丝杠等设备,用以实现动态垂向载荷作用下,履带板与可变形地面的附着力测量。
高速行驶加载工况具有高频、重载的特点,30 t的履带车辆在起伏土路上以30~60 km/h 速度行驶时,接地履带板受到车体碾压过程中的动态垂向载荷幅值范围为16~22 kN,加载频率为50 Hz,载荷变化呈现半正弦变化,具有瞬时波峰值,一般实验室静态土槽加载装置难以满足动态加载需求。车辆振动实验中用到的模拟道路不平度的电液伺服激振台,推力为50 kN,频带宽度为 0~400 Hz,可进行垂直或水平方向振动环境与控制试验,提供正弦波、三角波等试验波形,故本文采用该装置为附着特性实验提供车辆高速行驶工况下的动态垂向载荷。
动态垂向加载系统如图1 所示,履带车辆行驶过程中,车轮滚动压过履带板使得可变形地面受到垂直向下的载荷作用,而电液激振台的工作原理是对工作台上的车辆施加垂直向上方向的载荷,由于两者方向不一致,故设计了一个试验台架,将车轮固定在台架上,将土槽和履带板放置在激振台上固定,将车轮安装位置调整到与履带板接触且无接触力的状态;实验过程中激振台通过上下一定频率的位移变化,使履带板与车轮接触产生对可变形地面垂直向下的半正弦载荷作用,与车辆行驶对地面载荷的作用一致。
图1 动态垂向加载系统
土槽的尺寸设计考虑围压对试验结果的影响,长、宽分别为履带板长、宽的2~3 倍以上(本文分别为2.55和5.75 倍)。试验使用的履带板长和宽分别为400 和170 mm,根据Wong 的估算公式[10-12],设计土槽尺寸为长1 020 mm、宽978 mm、高1 000 mm。
为了尽可能地模拟实际车辆行驶工况,减小车轮与履带板的摩擦力对附着力测定的影响,设计加工了可滚动的钢制车轮。车轮与台架之间是刚性连接,履带板被牵引产生运动时,加载力将变得极不稳定,导致垂直加载力会迅速下降,为了保持垂直加载的相对稳定,在车轮与轮辐式传感器之间加装了4 个一定刚度的弹簧(如图2 所示),刚性车轮直径和弹簧刚度分别为150 mm 和49 N/mm。根据不同车速下履带板受到的冲击载荷,采用轮辐式压力传感器测量垂向载荷,选用30 t 量程。
图2 土槽装置
履带板与可变形地面耦合作用时的水平土壤推力提供了履带车辆行驶的驱动力,可变形地面可提供的最大土壤推力即履带板与地面的附着力。为准确测量高速率垂向载荷作用下可变形地面对履带板的水平土壤推力,设计了一种履带板水平牵引机构(如图3、4所示),该机构由蜗轮丝杠升降机、蜗轮蜗杆减速机、电机及变频器组成。牵引力由蜗轮丝杠升降机提供,实现水平速度可控牵引且不转动,同时可利用带变频器的电机控制转速和方向,操作简单。为了细致观察履带板在整个牵引过程中力与位移的关系,利用蜗轮蜗杆减速机进行减速,可以使升降机最低速度降至0.13 mm/s。
数据采集装置用来获取履带板与可变形地面耦合作用过程中地面土壤发生的垂向和水平位移,履带板受到的垂向载荷及水平方向土壤推力等实验数据,该装置包含力传感器、位移传感器、数据采集仪、动态应变仪等,总体布局如图5 所示。
图3 水平牵引系统
图4 水平牵引机构实物
图5 数据采集装置总体布局
使用本实验系统对西藏高原地面、起伏土路、河滩砂石路等典型路面进行了测试采样分析,实验结果符合实际情况,可满足高机动工况履带车辆与可变形地面通过性研究的实验需求。图6 为起伏土路地面、时速30 km/h 工况下,履带板牵引力与位移的关系。可以看出,土样在牵引试验中的特性表现为塑性,牵引力-位移曲线无“驼峰”,取牵引力数值趋于平稳后5 s 内的平均值为附着力,试验曲线变化趋势与塑性土壤剪切力变化趋势一致,实验测试结果精确。
图6 履带板牵引力-位移曲线
本文设计了一种高加载速率工况下履带板与可变形地面附着力测量实验系统,利用电液激振台改制了实验台架结构,增加了水平牵引系统和数据采集装置,解决了现有土槽实验装置不能实现高加载速率、重载荷工况的不足,系统操作简便安全、占地面积小、成本可控。系统可以满足机械工程专业、车辆工程专业、装甲车辆工程专业的本科实验教学需求和地面力学相关方向的基础性科学研究,同时有助于本科生理解和掌握车辆地面力学对履带车辆行动系统结构设计、车辆行驶通过性的影响。