□ 劉金輝□ 谷 煒□ 孟兆磊□ 姜 勇

1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 北京100083

2.北京科技大學(xué)東凌經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 北京100083

3.北京礦冶研究總院機(jī)械研究所 北京100160

深海礦產(chǎn)資源豐富，但深海復(fù)雜多變的地形環(huán)境是一個(gè)不確定的、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，研制通過性好、越障和繞障性能強(qiáng)、安全性和可靠性高的海底采礦車是各國發(fā)展深海技術(shù)的核心關(guān)鍵［1-5］。筆者對所設(shè)計(jì)的海底采礦車斜坡越障通過性進(jìn)行了詳細(xì)分析，為我國海底采礦車及其它領(lǐng)域探測車的研制提供理論參考和技術(shù)支持，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值［6-8］。

1 基本結(jié)構(gòu)

海底采礦車如圖1所示，車的復(fù)合輪組機(jī)構(gòu)如圖2所示，三個(gè)車輪W1、W2、W3在油缸1和油缸2的伸縮輔助作用下可實(shí)現(xiàn)一定程度的空間結(jié)構(gòu)變化，從而使整個(gè)機(jī)構(gòu)兼有主、被動混合越障模式［9-10］。主動模式下可以越過高于輪胎半徑的垂直障礙，跨過大于輪胎直徑的壕溝；被動模式下可以爬30°坡，自適應(yīng)普通海底地質(zhì)環(huán)境行駛等。

2 斜坡越障力學(xué)建模分析

2.1 斜坡越障通過性力學(xué)建模分析

當(dāng)海底采礦車自適應(yīng)爬斜坡時(shí)，其力學(xué)模型如圖3所示。

▲圖1 海底采礦車

假設(shè)海底采礦車復(fù)合輪組的重力簡化到各個(gè)車輪時(shí)為Gwi，則各車輪滿足以下關(guān)系：

式中：Fti為各輪在驅(qū)動力矩Ti作用下與地面間的附著牽引力；Ni為各輪與地面間的法向支反力；β為移動系統(tǒng)爬行的坡面傾斜角；Fri為各輪的滾動阻力；μs為車輪與路面間的均一附著系數(shù)；Ga、Gb為前、后車體重力。

▲圖2 復(fù)合輪組機(jī)構(gòu)圖

設(shè)fep為車輪滾動均一當(dāng)量阻尼系數(shù)，則式（1）為：

取 μs=0.8、fep=0.2時(shí)，可求得 β≤30.96°。

2.2 斜坡越障傾覆失效力學(xué)建模分析

臨界側(cè)傾角是指海底采礦車側(cè)傾而不傾覆的極限傾角，它是評定其單側(cè)車輪同時(shí)越過障礙物最大高度的能力及其在傾斜路面的橫向行駛能力的重要指標(biāo)。

當(dāng)海底采礦車自適應(yīng)爬斜坡時(shí)，其傾覆失效模型如圖4所示。

海底采礦車在傾斜角度為β的坡面上橫向勻速行駛時(shí)，當(dāng)β角達(dá)到一定的數(shù)值，海底采礦車將處于以下方車輪外側(cè)為軸線的傾覆臨界狀態(tài)。此時(shí)，上方車輪支反力為零，雖然下方支撐車輪受到路面的支反力和摩擦力，但這些力都通過傾覆軸線，所以臨界側(cè)傾角βm的計(jì)算式為：

式中：G為海底采礦車總質(zhì)量；W為海底采礦車寬度；hc為海底采礦車質(zhì)心高度。

海底采礦車實(shí)際側(cè)傾角滿足β≤βm時(shí)，才不致傾覆。由式（6）可以看出，海底采礦車的質(zhì)心高度越低，其臨界側(cè)傾角越大，但對質(zhì)心高度要求過低，會對有效載荷的布置帶來困難，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

▲圖3 海底采礦車斜坡越障力學(xué)模型

▲圖4 海底采礦車傾覆失效模型

海底采礦車在側(cè)傾角度為β的坡面上橫向行駛時(shí)，還有可能發(fā)生側(cè)滑，臨界側(cè)滑角βm′的計(jì)算式為：

式中：fc為車輪與地面間的側(cè)向附著系數(shù)。

滿足β≤βm′時(shí)，海底采礦車才不會側(cè)滑。考慮到海底采礦車的安全性，寧愿側(cè)滑也不傾覆，則應(yīng)βm＞βm′，得到：

3 斜坡越障仿真研究

3.1 30°斜坡越障仿真

海底采礦車的車輪直徑為439 mm，每套輪組的輪距為550 mm，對其30°斜坡越障進(jìn)行仿真分析，海底采礦車30°越障仿真過程如圖5所示。

3.2 30°斜坡越障仿真結(jié)果分析

圖6為海底采礦車左前復(fù)合輪組車輪運(yùn)動曲線，圖6（a）～圖6（c）分別為海底采礦車左前復(fù)合輪組前輪、中輪、后輪各自質(zhì)心的豎直位移、速度、加速度曲線。從曲線中可以看出，在30°斜坡越障過程中，前輪、中輪、后輪質(zhì)心的位移、速度、加速度曲線變化趨勢基本一致，下面對仿真曲線進(jìn)行分析：

▲圖5 海底采礦車30°斜坡越障仿真圖

▲圖6 海底采礦車左前復(fù)合輪組車輪運(yùn)動曲線

（1）在0～5 s過程中，前輪組的前輪行駛至斜坡前開始爬坡，豎直位移保持不變，前輪速度從0增大后保持勻速不變；

（2）在5～20 s過程中，前輪組的前、中、后輪爬上斜坡，豎直位移隨斜坡逐漸增大，前、中、后輪分別受到斜坡阻力作用，導(dǎo)致前輪速度有三處微小波動，基本保持勻速爬坡；

（3）在20～40 s過程中，前輪組在斜坡上行駛至后輪組的前輪開始爬坡，豎直位移隨斜坡繼續(xù)增大，前輪速度保持勻速爬坡；

（4）在40～55 s過程中，后輪組的前、中、后輪爬上斜坡，豎直位移隨斜坡繼續(xù)增大，后輪組的前、中、后輪分別受到斜坡阻力作用，導(dǎo)致前輪速度有三處微小波動，但基本保持勻速爬坡；

（5）在55～105 s過程中，整個(gè)行走機(jī)構(gòu)在斜坡上行駛至前輪組的前輪上坡前，豎直位移隨斜坡繼續(xù)增大，前輪速度保持勻速爬坡；

（6）在105～120 s過程中，前輪組的前、中、后輪爬上斜坡，豎直位移上坡后保持不變，前輪組的前、中、后輪分別受到上斜坡阻力作用，導(dǎo)致前輪速度有三處微小波動，基本保持勻速爬坡；

（7）在120～135 s過程中，前輪組爬上斜坡平臺至后輪組的前輪抵達(dá)斜坡平臺前，豎直位移在斜坡平臺上保持不變，前輪速度保持勻速爬坡；

（8）在135～160 s過程中，后輪組的前、中、后輪爬上斜坡平臺，豎直位移在斜坡平臺上保持不變，后輪組的前、中、后輪分別受到上斜坡平臺阻力作用，導(dǎo)致前輪速度有三處微小波動，基本保持勻速爬坡，至此仿真結(jié)束。

圖7為海底采礦車主車體運(yùn)動曲線，圖7（a）和圖7（b）分別為海底采礦車車體中心的豎直位移、速度、加速度、角加速度曲線。從曲線中可以看出，車體中心的位移、速度加速度曲線反映出越障過程變化的趨勢與前輪質(zhì)心位移、速度、加速度的變化趨勢基本一致。總體上變化比較平穩(wěn)，僅在各車輪上下斜坡瞬間有微小的波動，驗(yàn)證了海底采礦車良好的穩(wěn)定性和越障通過性。

圖8為海底采礦車左前復(fù)合輪組車輪及鉸點(diǎn)J受力分析曲線，圖8（a）至圖8（c）分別為海底采礦車左前復(fù)合輪組左前、中、后輪水平方向、垂直方向受力曲線及鉸點(diǎn)J的受力曲線。從曲線中可以看出，在30°斜坡越障過程中，各輪受力大小基本相同，都出現(xiàn)在各車輪上下斜坡的過程，仿真結(jié)果表明海底采礦車具有良好爬坡能力和行駛穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

筆者以復(fù)合式海底采礦車為研究對象，對30°斜坡越障通過性進(jìn)行分析和仿真，獲得了海底采礦車的動力學(xué)特性曲線，為海底采礦車的研制及測試驗(yàn)證提供參考。

▲圖7 海底采礦車主車體運(yùn)動曲線

▲圖8 左前復(fù)合輪組車輪及鉸點(diǎn)J受力分析曲線