第六章：滩涂车履带影响因素分析.docVIP

滩涂车履带影响因素分析 摘要：针对滩涂车履带选型的需要，依据车辆地面力学，基于贝克模型，分析了了履带着地长、履带板宽度、履刺高度以及履刺占空比对车辆附着系数、阻力系数的影响，并在载重量最大、通过性最好的原则下对履带进行了优选。 关键词：滩涂车；履带；车辆地面力学；通过性 1 前言 海洋石油开采具有很高的风险性，但是因为近海油田作业区域地面环境特殊，普通的救生设备（船、车）很难靠近，因此急需一种可在滩涂地行驶的救生设备，本文基于这一目的，对用于滩涂地的履带车辆行动装置进行分析。 对中石油所属近海作业海域进行了实地勘查和历史资料收集，掌握了海上作业平台周围的地理和气候数据，获得了两栖救援车辆的工作环境信息。 考察了平台周边海域的风浪流、地形情况。由于水下地势平坦，平台周边地区属一类沿海地貌——滩涂。地貌学称为“潮间带”，指沿海大潮高潮位与低潮位之间的潮浸地带,由于潮汐的作用，滩涂有时被水淹没，有时又出露水面，其上部经常露出水面，其下部则经常被水淹没，通常分为岩滩、沙滩、泥滩三类。通过采样观察，调研区域滩涂基本属泥滩。 按照地域特征和使用需求，要求车辆满载6t，车底距地高0.5m，车辆最小转向半径不大于60m。 2 车辆与地面作用 2.1 地面力学模型 土壤的承载能力主要反映了车辆行驶阻力的大小，车辆行驶于松软路面时，其行驶阻力主要是由于车辆压实松软路面而产生的。土壤的抗剪切强度主要反映了土壤所能提供的最大牵引力，即土壤的附着能力。 目前以车辆机动性能为研究对象，对土壤强度进行评估就其研究方法而言可以分为三种，第一种方法为试验测试和简单的模型分析以及建立在试验基础上的半经验模型分析，这方面的代表人物是贝克，所以该方法简称为贝克法。第二种方法为应用必威体育精装版塑性理论，有限元分析技术及土力学理论对土壤强度进行描述。该方法简称为理论方法。第三种方法为圆锥指数法。本文采用贝克法进行后续研究。 贝克法是对车辆与松软土壤的相互作用进行力学分析，通过确定和测量适当的土壤性质，推导出压力、剪切力相关方程。 土壤表层的压力沉陷关系[1]为： (1) 式中：p为压力，kPa； kc为土壤的粘附模量，kN/mn+1；kφ为土壤的摩擦模量，kN/mn+2；n为沉陷指数；a为承压板宽度，m。其中kc、kφ、n为实验获得的土壤参数。上式即为车辆行驶于松软路面上时，土壤的压力沉陷公式，即表层土壤的承载能力的表示。 而对于土壤的抗剪切强度的表示，贝克以摩尔——库仑定律为基础，导出了比摩尔库仑公式更具普遍意义的剪切应力(τ)与剪切位移(j)的关系式[1]为： (2) 式中： c为土壤的粘聚力，kPa；φ为土壤的内摩擦角；σ为土壤剪切面的法向应力；K为水平剪切变形模量，m。其中c、φ、K与土壤的性质有关。 经试验测量，目标区域土壤参数列入表1，可以看出滩涂地的抗压和抗剪能力都很差，对车辆的载重力和推进力有很大限制。 表1 土壤参数 kc kN/mn+1 kφ kN/mn+2 n c kPa φ o K m 0.093 53 0.648 4 0 0.025 2.2 阻力系数与附着系数 车辆行驶时的阻力和附着力源于车辆的行动装置与地面的作用，对履带式车辆而言就是履带与地面的作用。常用履带的形状并非十分规则，为了便于分析，采用如图1所示的简化，保留履带板履刺的特征。 图1 简化的履带板 图1中△G为作用于单块履带板上的力，q1为地面作用于履刺厚度处的压强，q2为地面作用于履带板处的压强，λ记为履刺占空比，FHmax为地面提供给车辆的最大牵引力。 根据图中垂直方向力的平衡可得： (3) 式中： b为履带板宽度，m；△G为作用在单块履带板上的载荷，N。 根据贝克的压力—沉陷关系，履刺顶部表面的接触压力q1及履板表面的接触压力q2分别为： (4) (5) 式中：kc为土壤内聚力系数；kφ为土壤内摩擦角系数；n为土壤变形指数； h为履刺高度；Z为土壤的下陷量。 将式(4)、(5)代入式(3)可得： (6) 下陷量Z可由式（6）解出。 由于沉陷而引起的行驶阻力（只考虑压实阻力）为： (7) 因此其行驶阻力系数为： (8) 式中：f为阻力系数，G为车重，N。 附着力是履带与地面剪切产生推力的最大值，但由于履刺的作用，不能直接应用式（2）计算。考虑履刺效应时，文献[2]给出了经验公式，最大推力应为： (9) 式中：L为履带着地长，m。 其附着系数为： (10)