超低氣壓輪胎在農(nóng)用全地形行走底盤中的應用

超低氣壓輪胎在農(nóng)用全地形行走底盤中的應用

國外發(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)機械和收割機械在耕地上行駛，導致土壤張力。這是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中嚴重壓縮耕地的主要原因。農(nóng)田土壤經(jīng)機械壓實后密度增加、孔隙率和水滲透能力降低,土壤侵蝕加重,機耕阻力增加,作物根系生長受阻,進而導致作物產(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,雖然一定程度上減少了機械能消耗、緩解了土壤機械壓實,卻大幅度增加了化學能消耗,并且有造成土壤污染和作物污染的危險。歐美等機械化發(fā)達國家對農(nóng)用輪式拖拉機改兩輪驅(qū)動為多輪驅(qū)動,同時增加輪胎寬度及增加并置輪胎數(shù)量等措施以降低對土壤地表的壓力。這些改進方案對驅(qū)動輪軸要求較高,對整車操作和轉(zhuǎn)向性能有一定影響。我國小地塊阡陌交錯,壟溝、田埂等地形復雜,簡單的車輪方面改進并不能系統(tǒng)、完整且有效地解決土壤機械壓實問題。對于現(xiàn)有的輪式行走機械,使用超低氣壓輪胎能有效減小土壤機械壓實,但超低氣壓輪胎承載小,牽引性能差,必須是多輪驅(qū)動且實時觸地行走。本文對農(nóng)用輪式車輛中的行走機構(gòu)進行構(gòu)形變化,使其不僅多輪驅(qū)動而且能夠在農(nóng)業(yè)松軟崎嶇地面上實時多輪觸地行走,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)計針對農(nóng)業(yè)田間作業(yè)動力機械的實時多輪觸地行走、多輪承載和全輪驅(qū)動的要求,基于雙自由度輪式仿形行走理論,設(shè)計了多自由度輪式仿形行走底盤,如圖1所示。該底盤能實現(xiàn)8輪全時驅(qū)動、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機械壓實與地面約束的關(guān)系將車輛與農(nóng)田土壤作為一個系統(tǒng)來研究車輛與地面之間的力學特性等相互作用關(guān)系,通過掛鉤牽引力評價車輛在松軟地面上的通過性以及通過沉陷量評價車輛對土壤的機械壓實程度。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)田土壤上負載行走時,輪胎和地面都存在變形,屬于彈性輪胎的研究范疇。2.1.1幾何模型及應力分布Bekker分析輪胎與土壤關(guān)系時,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要點,變形幾何關(guān)系及應力分布如圖3所示。(1)地面足夠松軟,橡膠充氣輪胎滾動時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力分布。(3)與車輪接觸的地面各點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的壓力等于該點相同深度垂直壓板的法向壓力,切應力等于相同法向壓力作用下的剪切板的切應力。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應取輪胎寬度和輪胎接地水平部分長度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)動車輪在運動過程中與地面相互作用時,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、剪切而產(chǎn)生的剪切力,根據(jù)力學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彈性輪胎壓實阻力壓實阻力為輪胎運動過程中由于對土壤壓實而引起的阻力,彈性輪胎壓實阻力FRc的計算公式為FRc=b(zn+10n+1)(kcl′+kφ)(6)2.2.2行駛車輛的限制車輪滾動時,需要向前推移由于車輪滑轉(zhuǎn)沉陷和車輪前進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,在計算車輪總阻力時應當考慮。推土阻力FRb計算公式為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對推土阻力的影響較大。2.2.3彈滯損耗阻力充氣輪胎滾動時,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)并可由試驗近似地確定為FRt=Wupai(8)式中W——輪胎垂直載荷u、a——經(jīng)驗阻力系數(shù)2.2.4善三氟nf計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——水平段剪應力應用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)域圓弧段的應力-應力-d計算彈性輪胎與地面相互作用區(qū)域圓弧段的推力FH2時,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)系及應力分布關(guān)系,可得相互作用區(qū)域圓弧段的法向壓應力為σ1(θ)=(pi+pc)[(rcosθ-r+z0+δt)/z0]n(13)根據(jù)剪應力計算公式得圓弧段的剪應力為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生長參數(shù)結(jié)果針對超低氣壓輪胎進行受力分析(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)法向壓應力平衡的垂直載荷Wcu——BC區(qū)法向壓應力平衡的垂直載荷WFu——BC區(qū)剪應力平衡的垂直載荷聯(lián)立式(5)~(8)、(11)~(20)并設(shè)定土壤力學特性參數(shù)、輪胎特征參數(shù)以及滑轉(zhuǎn)率等運動參數(shù)條件就可以計算單輪在特定載荷W時的掛鉤牽引力FDP以及車輪沉陷量z0等行走性能參數(shù)。2.4單輪車輪動力學特性分析對于農(nóng)用車輛,如果沿車輛橫向的同軸車輪為一組,在地面力學特性一致的條件下,每組車輪行駛的地面力學特性條件相同。第一組車輪通過后的土壤地面力學特性會發(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特性分析、計算中,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)在每個車輪負載都相同的情況下,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的μ2倍,多次通過系數(shù)分別為μ1、μ2。對每個車輪進行編程計算,在單輪的地面力學特性分析基礎(chǔ)上,可以對整車的行走性能進行分析計算。根據(jù)農(nóng)用全地形仿形行走車底盤的行駛特點,各輪承載相同,整車載荷為WZ=8W整車的掛鉤牽引力FDPz為單個車輪的掛鉤牽引力FDP之和,即FDPz=∑i=18FDPi在地面力學特性一致的條件下,每組車輪對土壤的機械壓實量(沉陷量)相同,車輛對地面的機械壓實量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)動的東方紅504型拖拉機與農(nóng)用全地形仿形行走車進行對比分析,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%計算。采用與我國相同緯度、相同土壤質(zhì)地的美國BEARDEN地區(qū)ⅢKent.Minnesota測點的農(nóng)田土壤的地面力學特性參數(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計算,分別得到兩種車輛的各項工作性能參數(shù)并進行對比分析。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,兩車的掛鉤牽引力也相應增長。但是滑轉(zhuǎn)率大于0.3時,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型拖拉機輸出掛鉤牽引力的1.42倍。3.2全地形仿形行駛車對地面機械壓實量的影響在整車載荷相同的情況下,兩車對地面機械壓實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地面機械壓實量為0.0383m,東方紅504型拖拉機對地面機械壓實量為0.0701m。農(nóng)用全地形仿形行走車機械壓實量約為東方紅504型拖拉機機械壓實量的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,土壤機械壓實量則小于東方紅504型拖拉機。4全地形仿形行駛車在現(xiàn)有汽車中的性能指標(1)針對松軟農(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