超低氣壓輪胎在農(nóng)用全地形行走底盤中的應(yīng)用

國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，手推車和其他農(nóng)業(yè)機(jī)械和收割機(jī)械在耕地上行駛，導(dǎo)致土壤張力。這是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中嚴(yán)重壓縮耕地的主要原因。農(nóng)田土壤經(jīng)機(jī)械壓實(shí)后密度增加、孔隙率和水滲透能力降低,土壤侵蝕加重,機(jī)耕阻力增加,作物根系生長(zhǎng)受阻,進(jìn)而導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低,投入加大,土壤環(huán)境受到破壞。目前采取的少耕或免耕等農(nóng)藝措施以大量施用化肥、農(nóng)藥和除草劑為代價(jià),雖然一定程度上減少了機(jī)械能消耗、緩解了土壤機(jī)械壓實(shí),卻大幅度增加了化學(xué)能消耗,并且有造成土壤污染和作物污染的危險(xiǎn)。歐美等機(jī)械化發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)農(nóng)用輪式拖拉機(jī)改兩輪驅(qū)動(dòng)為多輪驅(qū)動(dòng),同時(shí)增加輪胎寬度及增加并置輪胎數(shù)量等措施以降低對(duì)土壤地表的壓力。這些改進(jìn)方案對(duì)驅(qū)動(dòng)輪軸要求較高,對(duì)整車操作和轉(zhuǎn)向性能有一定影響。我國(guó)小地塊阡陌交錯(cuò),壟溝、田埂等地形復(fù)雜,簡(jiǎn)單的車輪方面改進(jìn)并不能系統(tǒng)、完整且有效地解決土壤機(jī)械壓實(shí)問題。對(duì)于現(xiàn)有的輪式行走機(jī)械,使用超低氣壓輪胎能有效減小土壤機(jī)械壓實(shí),但超低氣壓輪胎承載小,牽引性能差,必須是多輪驅(qū)動(dòng)且實(shí)時(shí)觸地行走。本文對(duì)農(nóng)用輪式車輛中的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)形變化,使其不僅多輪驅(qū)動(dòng)而且能夠在農(nóng)業(yè)松軟崎嶇地面上實(shí)時(shí)多輪觸地行走,并在此基礎(chǔ)上配備超低氣壓輪胎。1多自由度齒輪仿形行駛盤的設(shè)計(jì)針對(duì)農(nóng)業(yè)田間作業(yè)動(dòng)力機(jī)械的實(shí)時(shí)多輪觸地行走、多輪承載和全輪驅(qū)動(dòng)的要求,基于雙自由度輪式仿形行走理論,設(shè)計(jì)了多自由度輪式仿形行走底盤,如圖1所示。該底盤能實(shí)現(xiàn)8輪全時(shí)驅(qū)動(dòng)、5自由度仿形和前橋轉(zhuǎn)向等功能。為了滿足在農(nóng)田土壤上行走、作業(yè)的要求,多自由度輪式仿形行走底盤需要配備超低氣壓輪胎,稱為農(nóng)用全地形仿形行走底盤,如圖2所示。2機(jī)械壓實(shí)與地面約束的關(guān)系將車輛與農(nóng)田土壤作為一個(gè)系統(tǒng)來研究車輛與地面之間的力學(xué)特性等相互作用關(guān)系,通過掛鉤牽引力評(píng)價(jià)車輛在松軟地面上的通過性以及通過沉陷量評(píng)價(jià)車輛對(duì)土壤的機(jī)械壓實(shí)程度。2.1彈性輪胎相互作用模型的建立低氣壓和超低氣壓輪胎在松軟農(nóng)田土壤上負(fù)載行走時(shí),輪胎和地面都存在變形,屬于彈性輪胎的研究范疇。2.1.1幾何模型及應(yīng)力分布Bekker分析輪胎與土壤關(guān)系時(shí),假定模型直徑為D(半徑為r)、寬度為b的彈性輪胎在松軟土壤上滾動(dòng)而產(chǎn)生相互作用,通常形成深度為z0的輪轍,在此假設(shè)中,相互作用模型有以下幾個(gè)要點(diǎn),變形幾何關(guān)系及應(yīng)力分布如圖3所示。(1)地面足夠松軟,橡膠充氣輪胎滾動(dòng)時(shí)與地面接觸處可近似看作由兩部分組成:一部分為底部被壓扁的水平部分,一部分為輪胎前部與地面接觸處的圓弧部分。(2)車輪寬度方向上具有相同的應(yīng)力分布。(3)與車輪接觸的地面各點(diǎn)在圓弧處的反作用力σ1是純徑向的,水平部分的反作用力σ0是垂直方向的。(4)車輪與地面接觸面上某點(diǎn)的壓力等于該點(diǎn)相同深度垂直壓板的法向壓力,切應(yīng)力等于相同法向壓力作用下的剪切板的切應(yīng)力。2.1.2彈性輪胎法根據(jù)Bekker彈性輪胎-土壤相互作用力學(xué)模型以及彈性輪胎的判定條件可知,輪胎與地面接觸區(qū)水平段的接觸壓應(yīng)力σ0與充氣壓力pi和胎壁壓力pc的關(guān)系為σ0=pi+pc(1)彈性輪胎的沉陷量為z0,根據(jù)輪胎-土壤相互作用力學(xué)模型的假定條件,壓力-沉陷公式為σ0=(kcb+kφ)zn0(2)式中kc——土壤粘聚力模量kφ——土壤摩擦模量n——土壤下陷指數(shù)因此,由式(1)和(2)得pi+pc=(kcb+kφ)zn0(3)超低氣壓輪胎屬于寬斷面彈性輪胎,式(2)中的b應(yīng)取輪胎寬度和輪胎接地水平部分長(zhǎng)度lt的較小值。lt是輪胎徑向變形δt的函數(shù),根據(jù)圖3中幾何關(guān)系可得lt=2√Dδt-δ2t(4)設(shè)定l′={b,lt}min,根據(jù)式(3),則彈性輪胎沉陷量為z0=(pi+pckcl′+kφ)1/n(5)2.2作用力及受力分析彈性輪胎驅(qū)動(dòng)車輪在運(yùn)動(dòng)過程中與地面相互作用時(shí),受到行走阻力和行走推力2種作用力,受力分析如圖4所示。行走阻力具體表現(xiàn)為:壓實(shí)阻力、推土阻力、粘著阻力和彈滯阻力。行走推力表現(xiàn)為地面土壤被車輪推動(dòng)、剪切而產(chǎn)生的剪切力,根據(jù)力學(xué)模型分為輪胎與地面相互作用接觸區(qū)域圓弧段的地面推力和水平段的地面推力。2.2.1彈性輪胎壓實(shí)阻力壓實(shí)阻力為輪胎運(yùn)動(dòng)過程中由于對(duì)土壤壓實(shí)而引起的阻力,彈性輪胎壓實(shí)阻力FRc的計(jì)算公式為FRc=b(zn+10n+1)(kcl′+kφ)(6)2.2.2行駛車輛的限制車輪滾動(dòng)時(shí),需要向前推移由于車輪滑轉(zhuǎn)沉陷和車輪前進(jìn)形成的波浪狀隆起的土壤,從而多消耗一部分功,推移土壤形成的阻力為推土阻力。尤其是在松軟土壤農(nóng)田環(huán)境下,行走車輛的下陷較大,在計(jì)算車輪總阻力時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮。推土阻力FRb計(jì)算公式為FRb=b(cz0Kpc+0.5z20γKpr)(7)其中Κpc=(Νc-tanφ)cos2φΚpr=(2Νrtanφ+1)cos2φ式中c——土壤內(nèi)聚力系數(shù)γ——土壤容積密度φ——土壤內(nèi)摩擦角Nr、Nc——土壤Terzaghi承載能力系數(shù)由式(7)可知,推土阻力FRb隨車輪寬度b、沉陷量z0的增加而增加。尤其是非常松軟的土壤條件下,b、z0對(duì)推土阻力的影響較大。2.2.3彈滯損耗阻力充氣輪胎滾動(dòng)時(shí),輪胎變形δt引起的彈滯損耗而產(chǎn)生的阻力稱為彈滯損耗阻力,簡(jiǎn)稱為彈滯阻力FRt,其值只與輪胎本身的參數(shù)及充氣壓力有關(guān)而與地面參數(shù)無關(guān)并可由試驗(yàn)近似地確定為FRt=Wupai(8)式中W——輪胎垂直載荷u、a——經(jīng)驗(yàn)阻力系數(shù)2.2.4善三氟nf計(jì)算彈性輪胎與地面相互作用區(qū)域水平段的地面推力FH1,由圖4可知FH1=b∫lt0τ0dx(9)式中τ0——水平段剪應(yīng)力應(yīng)用Janosi剪切模型,則τ0=(c+σ0tanφ)(1-e-j0/k)(10)式中k——土壤剪切變形模量j0——土壤水平段的剪切位移由圖3可知,輪胎水平段上某點(diǎn)的剪切位移j0為滑轉(zhuǎn)率i與位移x的函數(shù),可表示為j0=ix因此,聯(lián)立式(1)、(9)、(10)、得FH1=b∫lt0[c+(pi+pc)tanφ](1-e-ixk)dx(11)2.2.5區(qū)域圓弧段的應(yīng)力-應(yīng)力-d計(jì)算彈性輪胎與地面相互作用區(qū)域圓弧段的推力FH2時(shí),此區(qū)域土壤的剪切位移為j1=-r[θC-θB-(1-i)(sinθC-sinθB)](12)根據(jù)圖3所示模型中的變形幾何關(guān)系及應(yīng)力分布關(guān)系,可得相互作用區(qū)域圓弧段的法向壓應(yīng)力為σ1(θ)=(pi+pc)[(rcosθ-r+z0+δt)/z0]n(13)根據(jù)剪應(yīng)力計(jì)算公式得圓弧段的剪應(yīng)力為τ1(θ)=(c+σ1(θ)tanφ)(1-e-j1/k)(14)如圖4所示,圓弧段的地面推力為FH2=br∫θCθBτ1(θ)cosθdθ(15)因此,把式(12)、(13)、(14)代入式(15),可求得圓弧段地面推力FH2。2.3生長(zhǎng)參數(shù)結(jié)果針對(duì)超低氣壓輪胎進(jìn)行受力分析(圖4),得到受力平衡方程{FDΡ=FΗ-FΡFΡ=FRc+FRt+FRbFΗ=FΗ1+FΗ2(16)W=Wlu+Wcu+WFu(17)Wlu=bσ0lt(18)Wcu=b∫θBθCσ1rcosθdθ(19)WFu=br∫θBθCτ1(θ)sinθdθ(20)式中FDP——掛鉤牽引力FH——行走推力FP——行走阻力Wlu——AB區(qū)法向壓應(yīng)力平衡的垂直載荷Wcu——BC區(qū)法向壓應(yīng)力平衡的垂直載荷WFu——BC區(qū)剪應(yīng)力平衡的垂直載荷聯(lián)立式(5)~(8)、(11)~(20)并設(shè)定土壤力學(xué)特性參數(shù)、輪胎特征參數(shù)以及滑轉(zhuǎn)率等運(yùn)動(dòng)參數(shù)條件就可以計(jì)算單輪在特定載荷W時(shí)的掛鉤牽引力FDP以及車輪沉陷量z0等行走性能參數(shù)。2.4單輪車輪動(dòng)力學(xué)特性分析對(duì)于農(nóng)用車輛,如果沿車輛橫向的同軸車輪為一組,在地面力學(xué)特性一致的條件下,每組車輪行駛的地面力學(xué)特性條件相同。第一組車輪通過后的土壤地面力學(xué)特性會(huì)發(fā)生改變,從而影響后續(xù)通過車輪的行走特性。根據(jù)多次通過理論,在多輪整車的地面力學(xué)特性分析、計(jì)算中,車輪的通過次數(shù)越多,車輪下土壤的密度越大,相同載荷下的車輪下陷量也越小。假設(shè)在每個(gè)車輪負(fù)載都相同的情況下,每組車輪下陷量依次為上組通過車輪下陷量的μ1倍,土壤密度依次為上組通過車輪通過時(shí)的μ2倍,多次通過系數(shù)分別為μ1、μ2。對(duì)每個(gè)車輪進(jìn)行編程計(jì)算,在單輪的地面力學(xué)特性分析基礎(chǔ)上,可以對(duì)整車的行走性能進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)農(nóng)用全地形仿形行走車底盤的行駛特點(diǎn),各輪承載相同,整車載荷為WZ=8W整車的掛鉤牽引力FDPz為單個(gè)車輪的掛鉤牽引力FDP之和,即FDPz=∑i=18FDPi在地面力學(xué)特性一致的條件下,每組車輪對(duì)土壤的機(jī)械壓實(shí)量(沉陷量)相同,車輛對(duì)地面的機(jī)械壓實(shí)量zj為4組車輪的沉陷量之和,即zj=(1+μ1+μ21+μ31)z03土壤質(zhì)量與彈滯特性參數(shù)根據(jù)GB/T2979—2008,為農(nóng)用全地形仿形行走車選用24×12.00-122PR型超低氣壓輪胎。選擇四輪驅(qū)動(dòng)的東方紅504型拖拉機(jī)與農(nóng)用全地形仿形行走車進(jìn)行對(duì)比分析,兩車參數(shù)如表1所示。依據(jù)超低氣壓輪胎的額定載荷,給定兩車載荷相同,所有輪胎的胎壁壓力pc分別按充氣壓力pi的10%計(jì)算。采用與我國(guó)相同緯度、相同土壤質(zhì)地的美國(guó)BEARDEN地區(qū)ⅢKent.Minnesota測(cè)點(diǎn)的農(nóng)田土壤的地面力學(xué)特性參數(shù):γ=1256kg/m3、c=344.7Pa、φ=0.37rad、kc=97294Pa/mn-1、kφ=13680.3Pa/mn、n=0.5,Nc、Nr根據(jù)Terzaghi承載能力系數(shù)隨土壤內(nèi)摩擦角的變化關(guān)系圖可以查出Nc=17、Nr=5,彈滯特性經(jīng)驗(yàn)阻力系數(shù)分別為u=7.0和a=0.5,多次通過系數(shù)μ1=0.95,μ2=0.96。根據(jù)2.3節(jié)中的平衡方程,通過Matlab計(jì)算,分別得到兩種車輛的各項(xiàng)工作性能參數(shù)并進(jìn)行對(duì)比分析。3.1牽引fdpz變化在農(nóng)用全地形仿形行走車和東方紅504型拖拉機(jī)整車載荷相同的情況下,兩車的掛鉤牽引力FDPz變化如圖5所示。通過圖中曲線可以看出,在整車載荷相同的情況下,隨著滑轉(zhuǎn)率的增長(zhǎng),兩車的掛鉤牽引力也相應(yīng)增長(zhǎng)。但是滑轉(zhuǎn)率大于0.3時(shí),農(nóng)用全地形仿形行走車輸出的掛鉤牽引力約為東方紅504型拖拉機(jī)輸出掛鉤牽引力的1.42倍。3.2全地形仿形行駛車對(duì)地面機(jī)械壓實(shí)量的影響在整車載荷相同的情況下,兩車對(duì)地面機(jī)械壓實(shí)量分別為整車所有車輪一次通過后,各組車輪的沉陷量之和。通過計(jì)算可知,在整車載荷相同的情況下,農(nóng)用全地形仿形行走車對(duì)地面機(jī)械壓實(shí)量為0.0383m,東方紅504型拖拉機(jī)對(duì)地面機(jī)械壓實(shí)量為0.0701m。農(nóng)用全地形仿形行走車機(jī)械壓實(shí)量約為東方紅504型拖拉機(jī)機(jī)械壓實(shí)量的54.6%。通過分析可以看出,相同載荷、相同滑轉(zhuǎn)率的情況下,農(nóng)用全地形仿形行走車的掛鉤牽引力優(yōu)于東方紅504型拖拉機(jī),土壤機(jī)械壓實(shí)量則小于東方紅504型拖拉機(jī)。4全地形仿形行駛車在現(xiàn)有汽車中的性能指標(biāo)(1)針對(duì)松軟農(nóng)田環(huán)境,提出了通過配備超低氣壓輪胎的農(nóng)用全地形仿形行