履带车辆附着性能研究综述

王志波 李军 宋海军

摘要： 履带车辆的动力源于内燃机，但当内燃机能够提供足够大的动力时，地面给履带的附着力不够时，也会导致履带车辆打滑，严重时甚至会陷车，因此研究履带车辆附着特性，对提高履带车辆的附着性能和牵引性能具有重要的指导作用。在大量查阅资料和项目研究的基础上，从研究内容、发展概况和研究方法三个方面综述了履带车辆附着性能研究的现状，同时针对该领域研究目前存在的一些问题，提出了一些探讨方法及见解。

Abstract： Tracked vehicle internal combustion engine from power， but when the internal combustion engine is able to provide enough power， when the ground to track adhesion is not enough， can also lead to tracked vehicle skid， serious when even in a car， so studying the characteristics of tracked vehicle adhesion， to improve the adhesion performance of tracked vehicle and the traction performance has an important guiding role. Based on a large number of data and project research， this paper summarizes the research status of tracked vehicle adhesion performance from three aspects of research content， development and research methods， and puts forward some research methods and opinions in view of the existing problems in this field.

关键词： 履带车辆;附着性能;车辆地面力学

Key words： tracked vehicle;adhesion performance;vehicle ground mechanics

中图分类号：TU623.5                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0043-02

0  引言

履带车辆多用于农业工程领域，行驶环境复杂，多行驶于没有经过修整的地面环境中。在内燃机提供的动力足够的前提下，只要松軟土壤提供给履带的附着力不够，就会导致打滑甚至陷车，严重影响了工作效率，由此看出研究履带附着性能的重要意义。笔者在大量阅读文献和在项目研究的基础之上，系统地综述了该领域的研究内容、发展概况和研究方法，并提出了这一领域下一步研究亟需解决的一些关键性问题。

1  研究内容

附着性能研究的核心问题是，对于给定的工作环境，建立履带车辆附着力与设计之间的一个定量关系。这些年来人们已经开发或提出了多种方法，从经验方法到理论方法，来预测履带车辆通过未修整路面时候的附着性能，通过改善附着性能以提高履带车辆的通过性能。履带车辆附着性能的主要研究内容有：

①土的物理机械性质。

②履带与地面的相互作用。

分析履带与地面的作用原理，建立履带板-地面相互作用的力学模型。

③系统仿真试验。

根据土壤的机械性质，对土壤进行有限云建模，通过有限元仿真试验验证履带板-土壤附着模型。

④土槽试验。

在土槽试验台内进行不同土壤条件下不同规格履带板的履带板牵引试验，测试得到各种土壤条件下的最大附着力数据，附着力测试数据与前文建立的数学模型进行比较，最终得出最优的履带板结构参数。

2  发展概况

霍尔特于1904年首次研制成功由蒸汽机驱动的履带拖拉机[1]。E.W.E.Micklehwaite于1944年提出了用来计算履带最大推进力的公式，即经典力学中的太沙基公式和库伦公式[2]。黄祖永于1978年出版了《地面车辆原理》，该书介绍了土壤在车轮作用下的应力与破坏的实验观测和有限元法在车辆地面力学中的应用[3]。以色列学者D.Rubinstein与R.Hitron[4]于2004年用动力学仿真软件LMS-DADS对M113装甲运输车进行了研究，通过对履带进行理论分析，建立了单块履带和地面的数学模型。2008年，韩国W.Y.Park等[5]用数学模型对履带车辆的参数与土壤特性之间的关系，从土壤的沉陷、重复载荷和剪切力三方面进行了分析。杨红旗[6]等人研究了履带工程机械的附着力矩和附着系数，提出了附着系数的计算公式，总结了附着力的影响因素。1995年，杨士敏[7]通过对4种典型的履带接地压力规律进行研究，总结了履带车辆接地压力规律对附着力大小的影响。1997年，蒋国良[8]对橡胶履带的附着性能进行了研究，得出了附着力和下陷量随土壤含水量的变化规律。2004年，刘振生[9]应用土力学基本理论分析了履刺在沙漠土壤条件下的作用，研究了履带在干砂区的附着力。2006年，甘智海[10]应用能量方法分析了附着系数与滑动率的关系，并设计了实验方法来现场测试附着系数。2010年，吴鸿云[11]建立了集矿机履带在稀软底质上的附着力数学模型。2011年，装甲兵工程学院的李军[12]等人对大履刺履带载荷—沉陷关系进行了研究。2012年，李军[13]等人对履带板履刺与土壤的相互作用建立了三维模型。2015年，杨聪彬[14]研究了高速履带与软路面的附着特性，建立了履带板土壤推力模型。

3  研究方法

履带车辆附着性能研究的主要任务是用理论分析、土槽试验和系统仿真的方法来预测履带车辆在未修整路面上的附着性能。研究对象是履带和地面的相互作用，由于土壤具有散体性、多相性和自然变异性的特点，其力学性状比较复杂，所以在研究履带车辆附着性能时，学者们采用了不同的研究方法，不过大体上可以概括为以下5种：

3.1 纯经验方法

履带车辆与地面之间的相互作用是复杂的，并且难以精确的建模。纯经验法是通过测量土的物理机械性质，然后再使履带车辆在土壤上试验，最后通过两组结果，分析出土的机械特性和履带车辆附着力间的关系。该方法的经典代表是WES法。通过圆锥贯入阻力仪测量土壤强度特性，然后建立圆锥指数与车辆机动性间的经验关系式。但是 “圆锥指数”并不能完全代表土的机械特性，我们很难把它和土的机械特性联系起来，并且圆锥指数法仅仅适用某些特定的条件，在很多情况下得到的结果与实际不符。

3.2 半经验法

半经验法是对履带车辆在土壤上的作用进行受力分析，并测量土壤的力学参数，推导出包含车辆参数和土体力学参数的简化方程式。半经验法的经典代表是贝克所建立的土壤应力-应变公式。贝克的半经验法为履带车辆性能的预测提供了一定理论依据，从而得到了广泛应用。但是该方法缺乏严格的理论基础，土的力学参数的量纲不确定，不能从本质上解释车辆和土壤之间的相互作用关系等。

3.3 基本理论研究方法

基础理论法是借助土力学理论、弹塑性知识和土的本构关系等理论对履带与土壤的相互作用进行受力分析，结合有限元法和边界元法进行研究。它包括朗金理论、太沙基理论和普兰特理论等。

3.4 模型试验方法

模型试验法就是把影响履带车辆在土壤上附着力的所有因素按照一定比列缩小，并且把缩小后的模型放到实验室进行观察和实验研究，再把得出的结果进行放大，进而分析发生在原型中的物理现象。典型的模型试验代表就是土槽试验。

3.5 仿真—试验方法

仿真—试验方法是以地面力学理论为基础，基于相关仿真软件建立履带—土壤相互作用的仿真模型，对履带与土壤的相互作用进行单元受力分析。履带—地面相互作用的仿真方法目前主要使用有限元和离散元方法。有限元方法的基本概念是理想的连续体作为有限数量的元素的组合;而离散元方法的基本概念是将土壤表示为多个离散元素的集合。使用有限元法获得的预测结果和实验数据之间一般有良好的定性一致性;离散元方法虽然已被应用于履带—地面相互作用力学的研究中，但它仍处于其发展的早期阶段。

4  问题探讨与研究期望

履带车辆附着性能研究是影响履带车辆牵引性能行駛性能的重要因素之一。随着经济和社会的发展，农业、伐木、建筑、采矿、勘探的需要，对履带车辆在复杂路面的通过性能的要求会越来越高，这就需要深入开展履带—土壤作用机理的研究，揭示履带和土壤的相互作用特性，推动履带车辆附着性能研究的不断发展。但是，现有履带车辆附着性能的理论研究成果中尚存在一些待解决的问题。

①相关理论创新。履带与土壤的相互作用是一个非常复杂的过程，传统理论把土壤看成弹塑性体，各种建模与仿真始终是一种近似。相关学者可以把土力学的最新理论成果应用于履带与土壤相互作用的研究中，以便更准确的描述土粒之间的相互作用关系，进一步准确的研究履带车辆的附着性能。

②土壤力学参数的测量方法有待进一步简化。分析履带车辆附着性能，必须知道车辆作用土壤的力学参数，很多的土壤参数是基于室内测量，如内摩擦角、黏聚力、土壤变形模量和土壤变形指数等。目前这些力学参数的测量主要是基于室内的三轴试验和剪切试验等。目前的测量方法有两个方面的缺点，一是土壤参数试验过程比较复杂;二是室内试验的土壤是扰动的土壤，其力学参数与室外土壤相比，已然发生了很大的改变。所以下一步的研究方向应开发现场的土壤测试仪器进行现场试验，比如便捷的原位圆锥试验、压板试验与原位直剪试验等，然后结合有限元分析或其他理论分析方法得出土壤的力学参数。

③履带与土壤的作用模型有待进一步研究。履带车辆高速行驶时，履带与土壤的作用只是一瞬间。而大多数前人在研究履带与土壤的相互作用时，是在履带板速度与履带车辆工作中的实际速度相差很大，这时土壤在速度低和速度高的情况下的抗剪强度是有差异的。对于履带式车辆在高速行驶工况下履带与土壤的连贯作用，应该进行深入的研究。

参考文献：

[1]Keith Haddock. Giant Earthmovers： An Illustrated History[M].MBI Publishing Company，1998.

[2]E.W.E.Micklehwaite.An optimal methodfor the design of a robotic tracked vehicleto operate over fresh concrete under steering motion[J]. Journal of Terramechanics， Volume 39， Issue 1， January 2002， Pages 1-22.

[3]Wong J. Y. Theory Of Ground Vehicles[M].Canada： John Wiley&Sons， INC，2001.

[4]D.Rubinstein a， R.Hitron. A detailed multi-body model for dynamic simulation ofoff-road tracked vehicles[J]. Journal of Terramechanics 41（2004）163-173.

[5]W.Y.Park，Y.C. Chang， S.S.Lee， J.H. Hong， J.G. Park， K.S. Lee. Prediction of the tractive performance of a flexible tracked vehicle[J]. Journal of Terramechanics 45 （2008） 13-23.

[6]杨红旗.履带式工程机械履带与地面水平作用的有关系数（上）[J].工程机械，1982（02）：22-27.

[7]杨士敏.履带车辆接地比压分布规律对附着力的影响[J].中国公路学报，1995（02）：85-88.

[8]蒋国良，洪津，王耀华，等.橡胶履带附着性能的测试分析[J].工程机械，1997（11）：12-14.

[9]刘振生，孔江生，李菊梅.干沙性土壤区履带附着能力分析[J].农机化研究，2004（03）：250-252.

[10]甘智海，刘福君，赵媛，等.路面系统车辆通过性评价与附着系数的测试[J].车辆与动力技术，2006（02）：5-7.

[11]吴鸿云，陈新明，刘少军，等.履带板、齿间黏附底质对集矿机附着性能的影响[J].农业工程学报，2010（10）：140-145.

[12]李军，李强，周靖凯，张宇.大履刺履带载荷—沉陷关系研究[C].农业现代研究，2011：110-112.

[13]李军，张宇，李强，等.分析履带-地面相互作用的三维模型的建立[J].农业装备与车辆工程，2013，6（51）：38-42.

[14]杨聪彬.高速履带与软地面附着特性与优化研究[D].北京：北京理工大学，2015.