山地果园运输车越障性分析

张小珍,沈嵘枫,王健岭

山地果园运输车越障性分析

张小珍1,沈嵘枫2,王健岭1

1. 厦门大学嘉庚学院,福建 漳州 363105 2. 福建农林大学交通与土木工程学院, 福建 福州 350002

针对丘陵山地农、林产业生产运输困难的情况，本文设计一种无人驾驶的星形轮结构的山地果园运输车。有利于提升运输车越障性能。借助Solid Works软件建立丘陵山地果园运输车三维模型，根据星形轮结构特点，建立运输车两种越障受力模型：滚动越障和翻转越障模型，分析运动机理及越障能力；应用ADAMS软件对运输车进行运动学仿真分析，基于不同行驶速度、阻尼及越障方式的情况下，研究运输车质心速度、加速度的变化情况，有利于改善运输车行驶平顺性，实现丘陵山地行驶运输，同时为丘陵山地作业平台设计研究提供一定理论基础。

果园运输车; 越障性; 仿真分析

丘陵山区地带由于地形起伏较大，很难形成完善的运输网络，影响生产作业，严重制约着丘陵山区农、林产业的竞争力[1,2]。因此，急需实现山地机械化运输作业。目前，山地运输作业装备主要以普通轮式及履带式拖拉机为主，适合丘陵山地运输作业车辆并不多[3]。普通轮式车辆路面适应能力较差，而履带式车辆与轮式车辆相比具有良好爬坡、越障能力，通过性强，但对周围植被破坏程度较大，尤其在车辆转弯时会产生较大横向摩擦力，破坏周围植被及土壤结构，不利于丘陵山地运输作业[4]。针对山地行驶作业车辆方面研究，北京航空航天大学团队提出一种具有平衡摇臂悬架四轮底盘，通过改变轮距，调节底盘重心位置，提高不平整路面行驶稳定性[5-7]。中国农业大学王亚等设计一种高地面仿形性动力底盘，通过前、后两组摆架结构分别横向、纵向铰接在车架上，实现底盘良好路面仿形性[8]。另外，刘平义等人又对仿形动力底盘摆架结构进行改进，实现摆臂夹角可调设计，不仅实现崎岖路面多自由度仿形行走，且通过摆架摆臂夹角调节实现车体调平控制，解决丘陵山地动力底盘行走、作业两大难题[9-11]。Hakan Lideskog等设计开发了一种轮腿式山地运输平台，在车架两侧铰接轮腿结构，其上方安装液压缸，通过液压缸伸长和缩短，实现轮腿起升和下降[12]。Inho Kim为了提升移动平台机动性，设计一种可变摆架长度及车轮尺寸轮腿机构，并建立该轮腿机构越障仿真模型，表明该移动平台具有更好行驶机动性[13]。我国南方丘陵山地地形条件复杂，常出现陡坡、陡凸障碍，因此，运输平台不仅需要具有良好的路面适应性，更需要具有较强的越障能力，以保证行驶过程中遇到陡凸障碍，甚至垂直障碍能够顺利穿越。基于此，本文设计一种丘陵山地果园运输车，该运输车前轮为星形轮设计，有利于提升运输车越障性能，应用Solid works软件建立运输车三维模型，并通过ADAMS运动仿真分析其越障性能。

1 丘陵山地果园运输车建模

丘陵山区地形陡峭，障碍物多，给执行运输作业的车辆完成作业任务带来不便。设计一种适用于丘陵山地行驶作业的运输车，该运输车前轮采用星形轮结构设计，有利于提升运输车越障性能，甚至具有台阶攀爬能力，提高对不平整地形的适应性。应用Solid works软件建立运输车三维模型，如图1所示。在山地果园运输车越过障碍物的过程中，车轮与地面之间存在接触，如表1所示。通过分析不同的运行速度，阻尼系数和障碍物超越模式，研究了运输山地果园运输车的振动。

图 1 丘陵山地果园运输车结构三维图

表 1 接触力参数设定

2 垂直障碍越障性分析

丘陵山区运输车工作在凹凸不平的路面上，运行环境恶劣，其越障能力影响着整车稳定性和平顺性[13,14]。为了验证山地果园运输车能在最极端工作环境运行，对运输车穿越垂直障碍模型进行分析[15]。运输车前轮为星形轮结构，越障过程中各车轮可能以轮式滚动进行越障，也可能以翻转形式越过障碍物。基于越障方式的不同，各车轮受力情况也有所不同，分别进行受力分析。

2.1 滚动模式越障

滚动模式越障受力分析，如图2所示。此时前轮1刚好脱离地面临界受力状态，直接受到台阶面的作用，其中，1、2、3为车轮1、车轮2及车轮3的驱动力；1、2、3为车轮1、车轮2及车轮3的支持力；1、2、3为车轮1、车轮2及车轮3的摩擦力；为运输车自身重力；为垂直障碍高度；为车轮半径。

图 2 前轮滚动模式跨上垂直台阶时受力图

受力平衡关系方程：

1cos1sin1cos2233=0;1sin+1cos-1sin+2+3-=0 (1)

驱动力求解方程：

1=1;2=2;3=3(2)

式中：为路面的附着系数。

摩擦力求解方程：

1=1;2=2;3=3(3)

式中：为路面的摩擦系数。

由（1）~（3)式可知：

由式（4）可知，地面的支持力与路面情况和越障角度积极相关，越障角度在一定范围变化时，车轮2、车轮3的支持力相应发生变化，但车轮2和车轮3的支持力之和不会大于运输车自身重力，即2+3≤，又因路面的摩擦系数和附着系数是可以确定，从而可以得到越障角度。

由受力图可知：

=-cos=0.758(5)

根据式（5）可知，已知越障角度和车轮半径，即可确定出山地果园运输车滚动模式的越障高度。由式（5）可知，当前轮做滚动模式越障时，越障高度跟地面的附着系数、摩擦系数、越障角度、车轮半径有关，越障角度越大，越障高度越大。为了增大越障高度，可以适当的增大轮子的半径或者增大摩擦系数或附着系数。

2.2 翻转模式越障

当前轮进行翻转模式越障时，受力分析如图3所示。车轮1不滚动，整个的星形架会绕着车轮1中心进行翻转，从而越过障碍物。此时车轮2刚好离开地面，作用力为0处于临界状态，其中，F、F、F为轮1、车轮2及车轮3的驱动力；N、N、N为轮1、车轮2及车轮3的支持力；f、f、f为轮1、车轮2及车轮3的摩擦力；为星形架臂长；为星形架两轮心距离；为星形架转矩。

图 3 前轮翻转模式跨上垂直台阶时受力图

受力平衡方程：

-N+F-f+F-f=0;F+N+N-=0 (6)

由图3可知，翻转模式越障时，星形架在滚动，最高越障高度为：

前轮由星形架构成，能翻转过障碍物，即碰到比车轮还要高障碍物时，星形架绕中心旋转，能很轻松跨上大于车轮高度台阶。为了进一步地验证理论计算得到越障高度和研究运输车的越障性能，借助ADAMS软件对丘陵山地果园运输车进行运动仿真分析。主要分析运输车滚动模式和翻动模式越过障碍物的研究，不同速度和不同阻尼时对运输车翻转越障模式的研究，在ADAMS软件中建立越障模型如图4所示。模拟了运输车越过大于车轮高度的障碍的行走图。

3 越障仿真分析

3.1 不同速度运行研究

借助于ADAMS软件对运输车以不同驱动轮速度进行运行时，研究山地果园运输车质心沿着路面变化情况，如图5所示。由图可知，分别以30 mm/s和40 mm/s的驱动轮速度运行得到曲线，其中，实线表示驱动轮速度为30 mm/s时的运行曲线，而虚线是驱动轮速度为40 mm/s的运行曲线。根据这两条曲线可以知道，运行相同距离时，速度越大，行走时间越短；驱动轮速度越大，运输车质心处的运行速度越大。曲线中出现速度为负的，主要是因为山地果园运输车爬台阶时前轮的星形架旋转会使速度方向发生变化，同时垂直台阶的高度越大容易出现前轮打滑，所以速度为负时是运输车爬台阶过程产生的，可知，运输车以40 mm/s行驶时在28 s~30 s期间成功爬越大台阶，以30 mm/s行驶时在34 s~36 s期间成功爬越大台阶。其中以30 mm/s行驶运输车在53 s时出现速度较大值，可能原因是山地果园运输车下坡时，惯性作用加大了运行速度。总体上看，运输车以不同速度运行时，均能顺利穿越两种不同高度障碍。

图 5 不同速度对山地果园运输车质心速度影响

图 6 不同速度对山地果园运输车质心加速度影响

当运输车以不同速度运行时，会直接影响运输车运行的稳定性和平顺性，通过对比不同速度，研究质心处的加速度变化情况，如图6所示。由图可知，两种速度下均顺利的越过障碍物，但是速度越大对运输车质心处加速度影响越大，即运输车振动越大，特别是上、下台阶时整机的振动较大。如果速度持续加大，穿越障碍物时容易发生整机倾覆现象。因此，运输车在满足一定运行效率情况下，应尽可能以较小的速度运行，以便保证行驶运输的安全性。

3.2 不同阻尼系数运行研究

根据不同阻尼对山地果园运输车影响研究，借助ADAMS软件仿真分析，得到如图7、8不同阻尼下山地果园运输车质心处的速度和加速度的影响。从图中可知，较小阻尼对运输车行驶速度和加速度整体影响较小，跨上和跨下台阶时受到越障影响波动较大。所以山地果园运输车质心处的速度和加速度响应跟设置的阻尼积极相关，不同的阻尼值，相同路面上运行得到的速度和加速度的曲线不相同，所以我们可以改变阻尼系数来改善山地果园运输车的运行振动环境，提高运行的平顺性。

图 7 不同阻尼下山地果园运输车质心速度影响

图 8 不同阻尼下山地果园运输车质心加速度影响

3.3 不同越障方式研究

根据滚动和翻转模式越障分析，借助ADAMS软件得到不同越障方式下运输车质心速度和加速度变化曲线，如图9、10所示。由图可知，相同的运行路段，翻转模式越障速度快于滚动模式，同时翻转模式越障能力高于滚动模式，但由图10可知，滚动越障运输车具有良好的平顺性，翻动越障由于前轮星形架的旋转加大了运输车的振动，“滚动越障”和“翻转越障”主要取决于障碍物高度与车轮尺寸。障碍物高度小于车轮半径，滚动越障；障碍物高度大于车轮半径星形结构会发生翻转，出现“翻转越障”。

图 9 不同越障方式下山地果园运输车质心速度影响

图 10 不同越障方式下山地果园运输车质心加速度影响

4 结 论

丘陵山区地形条件复杂，要求运输车辆具有良好的越障性能。本文设计了一种具有星形结构的丘陵山地果园运输车，该运输车能够穿越丘陵山地中常出现的陡凸障碍甚至是垂直障碍。通过SolidWorks软件建立丘陵山地果园运输车三维模型，对模型的两种越障方式（滚动越障、翻转越障）进行理论分析，借助ADAMS进行运动学仿真，分析运输车的越障性能，通过对比不同的参数，即速度、阻尼和越障方式，改善运输车的越障性能。为山区运输机械理论研究奠定一定理论基础。

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Obstacle Crossing Analysis of Transport Vehicles in Mountain Orchard

ZHANG Xiao-zhen1, SHEN Rong-feng2, WANG Jian-ling1

1.363105,2.350002,

In view of the difficulties in the production and transportation of hilly agriculture and forest industry, we design a driverless mountain orchard transport vehicle. The truck adopts wheel structure and the front wheel is designed as star wheel, which is beneficial to improve the obstacle performance of transport vehicle. With the help of SolidWorks software, a three-dimensional model of mountain and mountain orchard truck was established. According to the structure characteristics of star wheel, two kinds of force models of transporter are established: rolling obstacle and flip obstacle model, the movement mechanism and the ability of surmounting obstacle are analyzed. Based on the different driving speed, damping and obstacle surmounting mode, the variation of the velocity and acceleration of the centroid of the transport vehicle is studied, which is helpful to improve the ride comfort of transport vehicle and realize the transportation in hilly and mountainous areas. It also provides a theoretical basis for the design and research of hilly operation platform.

Orchard transport vehicle; obstacle crossing; simulation analysis

TU986.3+2

A

1000-2324(2020)03-0482-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.018

2018-09-09

2018-11-21

福建省科技厅项目(FA17566A);福建省中青年教师教育科研项目(JZ160113);国家级大学生创新创业项目(201813469011);福建省中青年教师教育科研项目(JT180801);厦门大学嘉庚学院校级科研孵化项目(2017L08)

张小珍(1991-),女,硕士,助教,主要研究方向机械设计. E-mail:1027470976@qq.com