适应湿地作业的履带式运输车设计与研究

孙术发 高靖萱 王敬凯 李禹璇

摘 要：为使履带式运输车更适应湿地作业，分析湿地土壤的物理特性和力学特性以及车辆的行驶阻力、浮力和转向性能，根据实际需求对LF352履带式运输车底盘进行改进;利用Creo和RecurDyn软件建立车辆虚拟样机，设置湿地地面参数，对履带式运输车多体动力学进行仿真分析，并将样机投入湿地进行实地测试。仿真结果表明，当履带预张紧力为22 kN时，车辆具有较优的张紧性和动力性;车辆直线行驶时，低速挡的稳定性最好，且行驶时的沉陷量远小于车辆最小离地间隙;车辆满载状态下，利用一挡或二挡转向最稳定;样机实地测试发现，运输车能够在湿地中安全匀速和变速运动。对比分析试验结果得出，仿真误差在可接受范围内，适应湿地作业的履带式运输车设计具有一定可行性，可为履带式运输车辆制造提供理论依据和技术支持。

关键词：履带车;湿地地形;行走机构;动力学仿真;RecurDyn

中图分类号：S776;S219.2;TH213.7  文献标识码：A  文章编号：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

我國湿地类型多、面积大、分布广，承担着维护地域生态平衡、保障生态安全的重任[1]。以大兴安岭林区为例，湿地面积约占土地总面积的17%，个别地区甚至高达25%[2]。湿地常年被水覆盖，路面松软且沉陷量大，普通车辆在湿地上行驶时难免出现下陷或打滑等情况，影响正常工作。我国现有湿地专用工作车辆主要为ZCF系列车型，以浮箱作为底盘主要结构使其具有良好的湿地沼泽通过性，但该系列车型体积偏大，不适合在原始林区这种树木间距较小的环境中穿行作业。因此，设计改造一款具有一定涉水能力的履带式车辆底盘十分重要。17589BAA-E2B5-40FB-90F3-838AB5FB2438

履带式车辆具有接地面积大、接地比压小、附着性能好、爬坡能力强、转弯半径小和跨沟越埂能力强等特点，能够轻松通过软地面和沼泽地。在车辆地面力学产生前，北欧、美国、俄罗斯等国家就采用履带式底盘车辆。我国对履带车辆的研究起步较晚，早期的履带式车辆主要有J-50、CJ-30、802J、CD12和营林-35型履带式集材拖拉机。近年来，东北林业大学研制出一种由SWDY-60挖掘机改造而成的履带式小型联合采伐机[3]，同时与哈尔滨松江拖拉机有限公司联合研制出LF1352JP新型履带式森林消防车，车辆底盘加宽加长，增加了稳定性[4] 。东方地球物理勘探公司设计开发出一系列浮箱链轨沼泽车，具有车速高、接地比压小和机动灵活等特点，适应于淤泥地、芦苇地和盐沼等地表行驶[5-6];但该系列车型因体积偏大不适用于原始林区的林间通行，且在陆地上行走时发动机功率利用率较低，其橡胶履带链条损耗也较大。

鉴于此，本研究在分析湿地土壤物理特性和力学特性以及车辆行驶阻力、浮力和转向性能的基础上，根据实际需求对LF352履带式运输车底盘进行改进，提出适应湿地作业的履带式运输车底盘设计，以期为履带式运输车辆制造提供理论依据和技术支持。

1 履带式运输车工作环境分析与动力计算

1.1 湿地土壤特性分析

1.1.1 土壤的物理特性

以大兴安岭草本沼泽湿地土壤为样本，采用筛分法对样本进行颗粒分析，土壤不均匀系数小于4，颗粒均匀，属于均匀集配的土壤。采用烘干法测得土壤密度为16.7 kN/m3。将土壤置于105～110 ℃环境中烘干至质量不再发生变化，采用公式（1）计算土壤含水量

w=m-msms×100%。  （1）

式中：w为土壤含水量;m为湿土壤质量;ms+为干土壤质量。

1.1.2 土壤的承压特性

车辆的机动性能与土壤的承载能力（决定车辆的行驶阻力）及土壤的附着能力有关，从土力学的观点解释，履带式车辆行驶于松软路面的行驶阻力主要是由该松软地面土壤的垂直承载能力决定的[7]。土壤承载能力不足，车辆行驶于松软路面时会产生一定的沉陷量。根据Bekker的土壤沉陷理论，压力-沉陷公式为

p=kzn。（2）

式中：p为法向单位面积的平均压力;k为土壤变形模量;n为土壤变形指数;z為沉陷量。

1.1.3 土壤的剪切特性

土壤提供给车辆的最大牵引力是由土壤的最大剪切强度决定的[8]，故选用基于半经验理论的Janosi剪切应力-剪切变形关系式探究湿地土壤的最大剪切强度（τ）

τ=（c+ptgφ）（1-e-jj0）。（3）

式中：j为剪切位移;j0为土壤剪切变形模量;c为土壤内聚力;φ为土壤内摩擦角。

通过试验和计算以及各项资料的分析和统计[9]，得到湿地土壤参数见表1。

1.2 履带式运输车行驶阻力计算

1.2.1 履带接地压力

履带式运输车通过松软地面的能力主要取决于其给予地面的接地压力，车辆的沉陷量和行驶阻力与其接地压力密切相关[9]。采用名义接地压力（Nominal Ground Pressure，NGP，公式中用NGP表示），即机械整机质量除以履带的接地面积的商，公式为

NGP=W2bL。（4）

式中：W为车辆重力;b为履带宽度;L为履带接地长度。

1.2.2 履带压实阻力

车辆前进过程中，履带板对土壤有一定压实作用，该过程会消耗一部分动力产生车辙，压实阻力可表示为

Fc=2（kc+bkφ）1nW2Ln+1n×1n+1。（5）

式中：b为履带宽度;L为履带接地长度;kc为土壤内聚力变形模量;kφ为土壤内摩擦角变形模量。

1.2.3 履带车首阻力

在湿地路面行驶时，除了摩擦力，还需考虑车首阻力（Fs），计算公式为

Fs=2bz0NGP（tanφ+tanδ）。（6）

式中：b为履带宽度;z0为车体沉陷量;NGP为履带接地压力;φ为土壤内摩擦角;δ为车辆接近角。

履带式车辆底盘与土壤相互作用的受力示意如图1所示。

1.3  履带式运输车浮力分析

为使运输车在沼泽湿地安全作业，其接地比压要小且还需有一定浮力，以减少车辆沉陷量。基于阿基米德原理，运输车在湿地行驶时受到的浮力就是车辆排开水的重力浮力，计算公式为

Fr=ρgV。（7）

式中：Fr为浮力;ρ为水的质量密度;g为重力加速度;V为排水体积。

1.4 履带式运输车转向受力分析

履带式运输车是利用两侧履带上的驱动力形成的驱动力矩克服转向阻力矩完成转向过程的[10]。履带车转向时，驱动侧履带产生的驱动力和制动侧履带产生的阻力在车辆横纵2个方向被分解为转向力矩和转向阻力矩，转向力矩由起初的最大值逐渐变小，转向阻力矩由零逐渐变大，直至与转向力矩平衡;车辆加速度也由零逐渐增加，一段时间后又减小至零，此时运输车完成转向过程。

履带式运输车作业时的转向受力如图2所示，内外侧履带受到的驱动力分别为P1和P2，受到的滚动阻力分别为P3和P4。运输车在水平地面转向时受力平衡方程为

P1+P2=P3+P4。（8）

履带式运输车两侧履带的驱动力差称为转向力矩Mk，转向时需要用Mk克服转向阻力矩Mr。稳定转向时，Mk=Mr。假设运输车转向时的驱动力与正常行驶时的驱动力P相等，履带的滚动阻力等于

正常行驶时的一半，则

P1=P2-Mra;（9）

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

履带式运输车转向属于制动转向，即一侧履带的驱动力为0，另一侧履带产生全部驱动力以完成转向过程，即Mr=pl2、P1=0、P2=P，得

P2=P4+Mra=Wf2+WLf4a。（11）

式中：f为湿地滚动阻力系数;L为履带接地长度;α为履带轨距。

2 履带式运输车底盘结构设计与建模

2.1 履带底盘的组成机构和运行原理

底盘是履带式运输车的重要部件，对整车起支撑作用。履带行走装置由张紧装置和行走机构组成，包括履带板、驱动轮、支重轮和张紧轮等。驱动轮带动履带转动，实现机械行走的目的;2个托轮托起履带板，减缓机械行走时履带的振动;底盘前侧的张紧轮使履带时时保持紧张状态，避免履带过于松弛。机械行走时，传动系统将发动机的动力传给驱动轮，使驱动轮获得驱动扭矩，在驱动扭矩作用下，轮齿与履带板节销之间的啮合传动带动驱动轮转动。驱动轮上的履带将地面产生的驱动力传给驱动轮轮轴，由驱动轮轮轴将驱动力传回给机体[11-12]。当驱动力大于滚动阻力时，支重轮有不间断带动履带向前传动的力，使运输车向前行驶。驱动轮在驱动扭矩作用下不断将履带一节一节卷送到前方，导向轮将履带铺在前方地面上，这样才能使支重轮不断在履带铺设的轨道上滚动。履带式运输车的底盘结构和运行原理如图3所示。

2.2 履带式运输车底盘结构建模

2.2.1 底盘浮箱在Creo环境中的建模

底盘浮箱是履带式运输车能否在湿地上平稳行驶的关键，浮箱应依据底盘最小离地间隙，在保证接地比压、储备浮力和通过性等综合因素的前提下，合理设计外形尺寸和结构[13]。在Creo环境中建模时，借鉴船式结构，浮箱前端设计较大的接近角，可一定程度减小行驶阻力。浮箱内部设计为2 500 mm×1 000 mm×300 mm的三隔舱结构，如图4所示，可保证当一个密封舱因损坏无法提供浮力时，不影响其他密封舱为车体提供浮力，以使运输车能够正常工作。当底部浮箱完全被覆盖时，所能达到的体积为0.9 m3，为车体提供9 000 N浮力，因此可在不同情况下为运输车提供车重的24%～19%的浮力，保障车辆在湿地安全作业。

2.2.2 履带机构在RecurDyn环境中的建模

将Creo环境中建立的履带式湿地运输车模型的上装部分导入RecurDyn环境中，在低速履带模块中建立履带行走機构，在Ground模块中设置湿地环境下的路面基本参数，建立地面模型，其底盘结构如图5所示。

2.3 履带式运输车整体结构与参数

LF352履带式运输车底盘改进主要针对履带板的宽度、形状以及浮箱部分。增加履带板宽度可减小车辆接地比压，将履带板形状改为湿地用三角形履带板能够进一步提高土壤承载能力，使运输车在湿地上的通过性增强[14-15]。结合环境分析与动力计算，改进后的履带式湿地运输车具体参数见表2。

3 适应湿地作业的履带式运输车多体动力学仿真分析

运用RecurDyn多体动力学分析软件对改进后的履带式湿地运输车底盘动力学性能进行仿真，模拟其实际工作状况。因湿地土壤含水量大，土壤表面少有沟壑和斜坡，故主要对湿地运输车直行和转向工况进行仿真。通过对主动轮设置不同转速模拟加速、匀速和减速过程并给履带施加不同预张紧力，以得到运输车的合适预张紧力;对满载履带式湿地运输车4个挡位的直行状态分别进行动态仿真，输出车辆的速度、质心位移和横摆角速度等曲线，从各项数据中分析改进后的履带式湿地运输车直线行驶性能;在湿地土壤环境下对左右履带设置不同速度模拟运输车转向工况，以得到车辆能够转向的安全速度。

3.1 机体模型测试

3.1.1 机体质量分布平衡与沉陷量分析

为保证履带式湿地运输车模型以及所施加约束的有效性和仿真结果的正确性，在进行后续仿真前应进行机体质量分布平衡测试，并根据结果分析运输车在湿地环境下的沉陷量，进一步验证车辆设计是否合理。履带式运输车动力学仿真的平衡阶段为：在不施加任何驱动的情况下，车辆依靠重力作用接触路面并达到平衡。对车辆平衡阶段进行仿真，车体质心垂向位置变化如图6所示。

由仿真结果可知，0 s时车辆在重力作用下自由落向地面，在2 s内车辆质心位置波动较大，2 s后变化较微弱，最后稳定在270 mm处。建立运输车模型时，车体的质心坐标为（421，381，-32），由此可得车辆稳定下来的沉陷量为11.1 cm，远小于运输车的最小离地间隙，且车辆在一定时间内达到稳定状态，可以证明机体模型以及履带所施加的约束等准确无误。

3.1.2 合适预张紧力确定

选取3种预张紧力进行模拟，A曲线代表预张紧力为14.7 kN（车重的30%），B曲线代表预张紧力为22 kN（车重的45%），C曲线代表预张紧力为29.4 kN （车重的60%），得到车辆运行时的横摆角速度变化（图7）、侧向加速度变化（图8）和角加速度变化（图9）。

车辆行驶时的横摆角速度和侧向加速度变化均能反映车辆的平稳程度。由图7可知，A曲线起伏最小，表明预张紧力为14.7 kN时运输车行驶较稳定，预张紧力为22 kN和29.4 kN时车体波动较明显，稳定性较差。由图8可知，A曲线整体较平稳，但在8～9 s时出现一次极值且数值高于B曲线和C曲线;虽然B曲线出现峰值次数较多但数值小于其余2条曲线，说明预张紧力为22 kN时，运输车左右摇摆程度最低，行驶最平稳，发生事故可能性最小。

车辆角加速度反映车辆行驶时的加速度变化情况。由图9可知，A曲线的角加速度变化不明显，B曲线出现峰值次数多于C曲线且二者的极值相差较小，说明当给履带施加14.7 kN的预张紧力时，车辆不能很好加速也没有很强的动力性。当履带的预张紧力为22 kN和29.4 kN时，车辆角加速度较大，速度变化较快，其中施加22 kN的预张紧力运输车动力性最优。17589BAA-E2B5-40FB-90F3-838AB5FB2438

由仿真结果可见，当给运输车履带施加22 kN的预张紧力（车重的45%）时，车辆整体平稳性和动力性均优于其他2个选择，因此后续直行和转向试验均选择22 kN的预张紧力。

3.2 履带式湿地运输车直行状态下仿真分析

在RecurDyn的低速履帶模块中，通过对左右两侧履带的驱动轮设置转动数值或函数可使车辆按照设计路线行驶，驱动轮的角速度（ω）与速度之间的关系式为

ω=vRp=v×1 000÷3 600Rp×1÷1 000。  （12）

式中：v为实际运动速度;Rp驱动轮分度圆半径。

由此求得履带式湿地运输车4个档位在STEP函数中对应的实际角速度见表3，仿真结果如图10—图12所示。

由图10可知，运输车按照设定速度在15 s内做匀加速、匀速和匀减速运动。由图11可知，运输车以不同速度行驶会造成不同程度的车体波动和下沉。当车辆以Ⅳ挡行驶时波动幅度最大，其次为Ⅲ挡，以Ⅰ挡和Ⅱ挡直行时平稳度最好。车辆行驶的地面阻力大于土壤抗剪切力最大值会对土壤产生永久破坏，造成车辆质心下移。当运输车以Ⅳ档行驶时质心稳定在243 mm处，此时沉陷量为13.8 cm，小于运输车最小离地间隙。因此，运输车以4个挡位行驶时，不会出现沉陷量过大使车辆陷入淤泥中无法移动的状况。

由图12可知，车辆以不同挡位行驶时均出现不同程度摆动，Ⅳ档的变化尤其明显，最开始就出现高于其他3个档位的极值，其次为Ⅲ档，这说明起步阶段直接用Ⅳ挡行驶时，车辆稳定性最差，容易发生事故，会对司机的安全造成威胁。因此，应在行驶过程中逐步提高车速，力求稳定和安全。

3.3 履带式湿地运输车转向状态下仿真分析

转向性能也是履带式运输车能否在湿地上安全作业的关键要素。在仿真起始阶段，令运输车直线行驶一段时间，完成车辆加速和匀速行驶过程后再进行转弯，采用STEP函数，通过对左右两侧履带的驱动轮施加不同转速以实现差速转向，车辆转向过程如图13所示，两侧履带的驱动轮角速度变化如图14和图15所示。

从运输车转弯路线和两侧履带驱动轮角速度变化可以看出，车辆按照设定速度先直线行驶完成加速运动，后向右转弯完成转向运动，运输车横摆角速度变化如图16所示。

由图16可知，车辆转向过程中横摆角速度变化不大，相对来说较稳定;但由于湿地含水量大，土壤松软[16]，转向运动较其他路面条件来说还是比较容易失稳[17]。输出运输车左右两侧履带主动轮转矩变化如图17所示。

由图17可知，运输车从第3秒开始进行转向运动起，一侧履带力矩变大、一侧履带力矩变小形成驱动力矩差，推动车辆差速转向。当给履带式运输车驱动轮施加8.0 rad/s的速度进行转向时，运输车转弯过程中会发生侧翻现象，如图18所示。

车辆在转弯时，其向心力为

R=mω2r。（13）

式中：m为质量;ω为角速度;r为转弯半径。

内外两侧履带的质量和角速度相同，但外侧履带的转弯半径大于内侧履带，外侧履带的向心力也大于内侧履带。若转向速度过大，转弯时就会发生侧翻，所以不能在Ⅲ挡或Ⅳ挡进行转向，为确保安全应在Ⅰ档或Ⅱ档进行转向。

3.4 适应湿地作业的履带式运输车实地测试

将本研究设计与改进的数据交由哈尔滨松江拖拉机厂生产样机，并在大兴安岭湿地进行实地测试，样机生产制造如图19所示。选取草本沼泽湿地测试运输车直行和转向性能，并选择水位较深的湿地测试运输车底盘浮箱的密封防水性能。

运输车在草本沼泽湿地中以不同挡位进行匀速、匀加速、匀减速和转向运动，经多次试验，车辆匀速和变速行驶状况良好，未发生下陷导致车辆无法前进的现象。为防止运输车发生翻车事故，选择Ⅰ挡和Ⅱ挡作为转向档位，车辆以Ⅰ档转向较平稳，以Ⅱ档转向会发生轻微打滑现象。为了安全起见，当车辆搭载较重的物资时，最好使用Ⅰ挡转向。在仿真时，软件不能准确仿真出车辆行驶时土壤产生的变形和滑移，故会产生一定误差。

图20为运输车涉水试验，试验地水深约40 cm。车辆进入河道后，水面可以覆盖底盘浮箱，水深符合试验要求。经多次试验，车辆行驶正常且底盘浮箱工作良好，未发生破损导致进水的现象。

4 结论

（1）基于土壤物理特性和力学特性分析选择合理的土壤-车辆力学模型，并根据实际需求和计算结果，为湿地运输车转向运动建立力学分析模型并进行理论计算，从土壤条件和车辆结构两方面证明运输车能够在湿地中安全转向。

（2）根据设计要求和计算结果对LF352履带式运输车的各项参数进行修改，完成底盘结构、动力系统的改进，并通过Creo和RecurDyn建立履带式湿地运输车虚拟样机模型，运用Ground模块建立湿地软路面环境。

（3）运用RecurDyn多体动力学分析软件，对适应湿地作业的履带式运输车辆底盘进行仿真分析，通过设置3种预张紧力以及加速、减速、匀速3种行驶状态，得到22 kN（车重的45%）的预张紧力能够使运输车平稳行驶。车辆以4个挡位直线行驶时，低速挡行驶稳定性最好。车辆在满载状态下转弯时，整体表现较稳定，但由于外侧履带的向心力大于内侧履带，车辆角速度大于8.0 rad/s时转向可能会发生侧翻，为确保安全，应保证在Ⅰ档或Ⅱ档进行转向。

（4）将样机投入大兴安岭湿地进行实地测试发现，履带式运输车仿真分析与实际试验结果存在一定误差，其原因主要是理论计算和仿真分析时无法模拟出林区土壤实际情况，误差在可接受范围内，适应湿地作业的履带式运输车设计具有一定可行性，可为履带式运输车辆制造提供理论依据和技术支持。

【参 考 文 献】

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