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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最新塑性理论，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)nczkakp)(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))1)(tan(/ Kjec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+1kφ kN/mn+2nc kPaφoK m0.093530.648400.0252.2 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Z土壤表面h1q2qmaxHF△G运动方向△Lλ△L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)bLqbLqG)1 (21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)ncZhkbkq))((1(5)ncZkbkq)(2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))1 ()()(nncZZhLbkbkG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)})1 ()({1)1 (110021 nnchzZ ZhZnbkkdzqbdzqbR因此其行驶阻力系数为：(8)})1 ()({2/) 1(11nncZhZGnbkkf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)  )]cot()[(64. 01tan)21 (2maxbharcbhWbhbLcFH式中：L 为履带着地长，m其附着系数为：(10)   )]cot()[(64. 01tan)21 (bharcbh pbhc D式中：D 为附着系数，p 为接地平均压力，kPa 2.3 通过性指标 以牵引性系数为通过性指标，假设动力传动系统能够提供足够的驱动力， 则牵引性系数[3]定义为 Π=DP/G=D-f (11) 式中：DP为拖钩牵引力。

如果附着系数大于动力因数，且 Π>0 时，车辆可以通过3 影响因素分析 3.1 履带着地长与履带板宽度 由于车辆通过性与车辆下陷量有直接关系，因此首先考虑影响车辆接地压 力的主要因素，履带着地长与履带宽度 依据车辆运输要求，取值范围：履带着地长 L：2.5m-5m；履带板宽度 b：0.3m-0.8m 3.1.1 对下陷量的影响 由式（6）得下陷量随履带着地长与履带宽度变化，如图 2 所示0.30.350.40.450.50.550.60.650.70.750.800.20.40.60.811.21.4下 下 下 下 /m下 下 下 /mL=2.5 L=3.0 L=3.5 L=4.0 L=4.5 L=5.0图 2 下陷量随履带着地长与履带宽度变化曲线 当履带板宽小于 0.5m 时，履带着地长对下陷量影响显著履带板宽大于 0.5m，且履带着地长大于 3.5m 时，下陷量小于 0.4m，能够满足接地高要求， 当履带长继续增大时下陷量变化不大 3.1.2 对阻力系数的影响0.30.350.40.450.50.550.60.650.70.750.800.10.20.30.40.50.60.7下 下 下 下 /m下 下 下 下L=2.5 L=3.0 L=3.5 L=4.0 L=4.5 L=5.0图 3 阻力系数随履带着地长与履带宽度变化曲线 阻力系数与下陷量变化趋势基本一致，当履带板宽小于 0.5m 且履带着地长 小于 3m 时，阻力系数随履带板宽的减小急剧增大，远大于普通车辆的行驶阻力系数。

3.1.3 对附着系数的影响0.30.350.40.450.50.550.60.650.70.750.80.10.150.20.250.30.350.40.450.50.550.6下 下 下 下 /m下 下 下 下L=2.5 L=3.0 L=3.5 L=4.0 L=4.5 L=5.0图 4 附着系数随履带着地长与履带宽度变化曲线 随履带板宽和履带着地长增大，附着系数增大，且在履带板宽大于 0.5m， 履带着地长大于 3.5m 时，上升趋势更加明显，此时对应于下陷量小于 0.4m 的 情况 3.1.4 对牵引性系数的影响0.30.350.40.450.50.550.60.650.70.750.8-0.4-0.200.20.40.60.8下 下 下 下 /m下 下 下 下 下L=2.5 L=3.0 L=3.5 L=4.0 L=4.5 L=5.0图 5 牵引性系数随履带着地长与履带宽度变化曲线 通过对下陷量、阻力系数、附着系数的考察后发现，当履带板宽大于 0.5m，履带着地长大于 3.5m 时，车辆应当能够获得较好的通过性这一点在牵 引性系数曲线上表现的更加清楚，此时牵引性系数大于 0.1。

3.1.5 下陷量与牵引性系数的关系00.20.40.60.811.21.4-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.6下 下 下 /m下 下 下 下 下L=2.5 L=3.0 L=3.5 L=4.0 L=4.5 L=5.0图 6 牵引性系数随下陷量变化曲线 当下陷量小于 0.3m 时，牵引性系数均大于 0，车辆可以通过且下陷量在 0-0.3m 的范围内，多条曲线重合，说明在此区间内履带着地长对牵引性系数影 响不大 3.2 履刺高度与占空比 由于履刺效应，履刺高度和占空比会对通过性造成影响 依据以往经验，取值范围，履刺高度 h：0.01-0.2；占空比 λ：0.1-0.5 履带着地长取 3m，履带板宽取 0.5m，其他情况类似 3.2.1 对阻力系数的影响00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.20.150.160.170.180.190.20.210.22下 下 下 下 /m下 下 下 下λ=0.1 λ=0.2 λ=0.3 λ=0.4 λ=0.5图 7 阻力系数随履刺高度和占空比变化曲线 在可变的范围内，履刺占空比对阻力系数影响更大 3.2.2 对牵引性系数的影响00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.20.040.060.080.10.120.140.160.180.2下 下 下 下 /m下 下 下 下 下λ=0.1 λ=0.2 λ=0.3 λ=0.4 λ=0.5图 8 牵引性系数随履刺高度和占空比变化曲线 在可变的范围内，履刺高度对牵引性系数影响较大。

可见履刺对车辆通过性有一定影响，且履刺高度越高、占空比越小，对提 升车辆通过性越有利 4 履带优选 为了追求相同车重的条件下，车辆载重量最大，有必要优选重量更小的履 带对于相同布置形式，重量更小的履带对应于更小的履带着地面积 履带着地面积决定于履带长、宽两个因素，相同着地面积下，对应有多种 长、宽组合，如何选择需要通过其他条件来约束 对于车辆而言，应满足基本的直行、转向需求直行可以使用牵引性系数 来体现，转向需要考察转向阻力系数与附着系数的关系 按照因素分析结论，履带长取 2.5m-5m，履带板宽取 0.4m-0.8m 可得牵引性系数与履带相关曲线，如图 9 所示11.522.533.54-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40.50.6下 下 下 下 下 下下 下 下 下 下b=0.4 b=0.5 b=0.6 b=0.7 b=0.8图 9 牵引性系数随单支履带着地面积和履带板宽度变化曲线可见相同着地面积时，履带板宽度越小，牵引性系数越大 转向阻力系数 μ 利用式（12）计算[4]12）Br15. 0925. 0max式中：r 为转向半径，近似取履带中心距 B=2.5m，取 μmax=1.0。

考察 D-μ 与转向半径和履带相关曲线020406080100-0.6-0.4-0.200.20.40.6下 下 下 下 /mD-μs=1 s=2 s=3 s=4图 10 D-μ 随转向半径和单支履带着地面积变化曲线 按照车辆最小转向半径不大于 60m 的要求，单支履带着地面积应大于 2m2因此若希望履带重量最小，可取单支着地面积为 2m2 按照履带车辆行驶理论，履带着地长与履带中心距之比越小，车辆转向性 能越好，即履带着地长越小越好但考虑到车辆在滩涂地上以直线行驶为主， 因此这里主要衡量车辆通过性，查图 9 可知，当履带板宽度为 0.4m 时牵引性系 数最大，为 0.2，相应的履带着地长为 5m 5 结论 通过分析土壤特点可知，。