靳航嘉，吳文福,2，吳子丹，韓 峰，董 平，徐 巖※

（1. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2. 吉林工商學(xué)院糧食學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

0 引言

糧食是民生之本，糧食生產(chǎn)關(guān)系到國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定，糧食儲(chǔ)藏是保證糧食安全的重要工序[1-2]。糧食入倉(cāng)之后，存在較多凹凸不平的糧堆，需及時(shí)對(duì)糧面進(jìn)行平整[3]；儲(chǔ)糧過(guò)程需要監(jiān)測(cè)糧情信息以預(yù)防蟲(chóng)害和霉變，此外，糧面施藥、糧面翻倒、糧面再平整等都需要一種方便快捷的方式來(lái)完成[4-5]。

目前，大部分糧面作業(yè)靠人工完成，存在成本高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、工作環(huán)境差等缺點(diǎn)[6]；且由于人工作業(yè)的效率低，在集中入糧時(shí)，難以在短時(shí)間內(nèi)完成所有入糧倉(cāng)房的平倉(cāng)作業(yè)，容易錯(cuò)過(guò)最佳糧情處理時(shí)機(jī)，導(dǎo)致糧食發(fā)熱、生蟲(chóng)，增加熏蒸、通風(fēng)等作業(yè)成本，影響作業(yè)效果，甚至影響儲(chǔ)糧安全和糧食品質(zhì)[7]。倉(cāng)儲(chǔ)糧食的蟲(chóng)霉防治遵循“局部有蟲(chóng)，局部處理”的原則，傳統(tǒng)的局部殺蟲(chóng)處理方法操作不便、效率低，且對(duì)工作人員身體有損害[8]。國(guó)內(nèi)外適于糧面作業(yè)的機(jī)械行走機(jī)構(gòu)較少，現(xiàn)有的糧面作業(yè)機(jī)械多采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，因存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大、體積大、易下陷、易傾覆、擠碾糧、轉(zhuǎn)向不便、能耗高、控制水平不高等缺陷[9-10]。因此，亟需一種糧面行駛能力強(qiáng)的糧面作業(yè)機(jī)構(gòu)來(lái)輔助人工或獨(dú)立完成糧面平整、糧面施藥和糧情探測(cè)等作業(yè)[11]。

倉(cāng)儲(chǔ)糧面屬于松軟地面，其承壓能力和抗剪切強(qiáng)度低，導(dǎo)致行走機(jī)構(gòu)嚴(yán)重下陷、打滑甚至無(wú)法行駛[12-13]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在改變地面機(jī)械行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如加大輪胎尺寸、加大履帶寬度、改變輪胎氣壓等研究方面取得了一定進(jìn)展，結(jié)合仿生學(xué)理論研發(fā)的仿生步行輪、仿生步行輪式氣墊車(chē)等在保證良好的牽引性能和提高行駛平順性等方面取得了重要進(jìn)展，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，制造成本較高[14]。因此，提高機(jī)械在松軟路面上的通行能力仍然具有重要研究意義[15]。

螺旋驅(qū)動(dòng)方式最早被應(yīng)用于水陸兩棲車(chē)、沼澤地行駛車(chē)、雪地車(chē)等特種車(chē)輛，具有很強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，在水中、松軟路面和堅(jiān)硬路面都能行駛，在松軟路面的行駛能力最強(qiáng)[16-18]。相比輪式和履帶式驅(qū)動(dòng)，螺旋驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛在濕地、沙地、沼澤等松軟路面的性能十分優(yōu)異[19]。螺旋驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)整車(chē)的行駛能力起到至關(guān)重要的作用。Cole[20]對(duì)螺旋升角分別為20°、30°和40°的3種螺旋驅(qū)動(dòng)車(chē)在松散沙地上進(jìn)行了行駛試驗(yàn)，結(jié)果表明，在相同條件下，螺旋升角為30°時(shí)，行駛能力最強(qiáng)且更節(jié)能。螺旋葉片高度太小車(chē)輛不能獲得足夠的牽引力，太大則會(huì)增加車(chē)輛前進(jìn)阻力，需要更大的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)，針對(duì)不同螺旋葉片高度與浮筒直徑的比值，Chryler在泥地上進(jìn)行了比例分別為0.125、0.167和0.208的3組試驗(yàn)，得出的結(jié)論是：螺旋葉片高度越大，捕獲的泥土越多，但前進(jìn)的阻力也隨之增加，0.125是較為理想的螺旋葉片高度與浮筒直徑的比值[21]。此外，浮筒直徑、浮筒長(zhǎng)度、螺旋的數(shù)量、螺旋葉片厚度、車(chē)輛重心位置、2個(gè)浮筒中心距、浮筒兩端的錐度和浮筒的形狀（圓柱體或橢圓體）都影響車(chē)輛的行駛能力[22]。這些研究對(duì)螺旋驅(qū)動(dòng)式糧倉(cāng)糧面行走機(jī)構(gòu)具有重要參考價(jià)值。

糧面同屬于松軟路面，所以利用螺旋驅(qū)動(dòng)輪的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)或可克服現(xiàn)有糧面行駛機(jī)械易下陷、易傾覆、易打滑等行駛困難。因此，本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和行駛控制方面對(duì)螺旋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，將螺旋驅(qū)動(dòng)輪作為行駛機(jī)構(gòu)，以提高糧倉(cāng)作業(yè)機(jī)械在糧面上的通行能力及自動(dòng)化作業(yè)能力。

1 糧面行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

圖1為螺旋驅(qū)動(dòng)式糧面行走機(jī)構(gòu)三維模型，2個(gè)具有一定中心距的旋向相反的螺旋浮筒作為驅(qū)動(dòng)裝置，與電機(jī)及傳送動(dòng)裝置、機(jī)架和罩殼組成機(jī)構(gòu)主體。主體前后可根據(jù)作業(yè)需求增加懸掛裝置。

1.2 工作原理

螺旋驅(qū)動(dòng)輪在糧面行進(jìn)的過(guò)程可以看作是螺旋葉片對(duì)散糧的切割過(guò)程，驅(qū)動(dòng)輪依靠糧面對(duì)螺旋葉片的作用獲得推力，因兩螺旋驅(qū)動(dòng)輪的螺旋葉片旋向相反，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速大小和方向變化時(shí)，左右驅(qū)動(dòng)輪的推力也隨之變化，機(jī)構(gòu)的行駛方向也隨之改變。

平糧作業(yè)時(shí)，以機(jī)構(gòu)主體作為糧面行駛平臺(tái)，前端設(shè)置雙向絞龍用于分散糧堆，快速降低糧堆高度；后端懸掛可調(diào)角度的刮糧板，根據(jù)糧面情況，調(diào)整刮糧板角度，達(dá)到最佳的平整效果。前后懸掛件均可拆卸，當(dāng)機(jī)器人用于其他糧倉(cāng)作業(yè)工作時(shí)，如糧面翻倒、糧面噴藥、糧情探測(cè)等，只需更換懸掛部件。

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

螺旋驅(qū)動(dòng)輪是行走機(jī)構(gòu)的核心部件，如圖2所示，主要由圓柱體（也稱(chēng)為浮筒）及纏繞在圓柱體上的螺旋葉片組成，圓柱體為中空設(shè)計(jì)以便減輕質(zhì)量并獲得足夠的“浮力”。螺旋葉片形狀為阿基米德螺旋，具有一定高度，螺旋葉片可以設(shè)計(jì)為單頭或多頭。

2.1 浮筒直經(jīng)與軸心距

在堆糧高度較高的情況下，行走機(jī)構(gòu)利用倉(cāng)門(mén)入倉(cāng)作業(yè)難度較大，因此，從糧倉(cāng)窗口進(jìn)出較為合適。根據(jù)糧庫(kù)倉(cāng)房建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，窗口寬度為1.2 m，高度為0.9 m，為滿(mǎn)足裝倉(cāng)機(jī)械從窗口伸入倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)倉(cāng)作業(yè)，因此，為方便順利進(jìn)出，機(jī)構(gòu)尺寸不能超過(guò)窗口尺寸。

浮筒直徑大小直接影響螺旋驅(qū)動(dòng)輪與糧面的接觸面積，較大的浮筒直徑可以使機(jī)構(gòu)獲得較大的支撐力，是保證機(jī)構(gòu)抗沉陷能力的關(guān)鍵。綜合考慮，初步確定浮筒直徑為300 mm，兩浮筒軸心距為750 mm，機(jī)構(gòu)主體寬度約1000 mm，高度約600 mm，可保證機(jī)構(gòu)可順利進(jìn)出窗口，同時(shí)有較好的抗沉陷能力。

2.2 螺旋葉片高度與浮筒直徑之比

機(jī)構(gòu)在糧面行駛時(shí)，螺旋葉片對(duì)糧層有切割作用，螺旋葉片越高，所切割的糧層越厚，螺旋驅(qū)動(dòng)輪所需扭矩越大。這里引入螺旋葉片高度與浮筒直徑的比值α：

式中D為旋螺旋驅(qū)動(dòng)輪浮筒直徑，mm；h為螺旋葉片高度，mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[21]，當(dāng)α值接近0.125時(shí)，機(jī)構(gòu)的行駛性能好于α值為0.167和0.208?？紤]較高的螺旋葉片高度會(huì)降低其抗屈服能力，因此，本文取α=0.1，略小于0.125。將浮筒直徑D=300 mm帶入式（1），可得螺旋葉片高度為30 mm。

2.3 螺旋升角與螺距

螺旋葉片的螺距與螺旋升角的關(guān)系為

式中P為螺距，mm；r1為浮筒半徑，mm；h為螺旋葉片的高度，mm；η為螺旋葉片升角，（°）。

根據(jù)Cole的研究[20]，當(dāng)螺旋升角為30°時(shí)，機(jī)構(gòu)的行駛性能和節(jié)能效果均較好，由式（2）計(jì)算得出螺距為598.55 mm。

3 行駛性能評(píng)價(jià)

3.1 滑轉(zhuǎn)率

滑轉(zhuǎn)率是評(píng)價(jià)車(chē)輛在松軟地面上行駛性能的重要指標(biāo)，滑轉(zhuǎn)率過(guò)大說(shuō)明車(chē)輛行駛在此路面的通過(guò)性能不佳。 由于散糧顆粒群存在壓實(shí)和下陷，螺旋驅(qū)動(dòng)輪在行進(jìn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)，滑轉(zhuǎn)率為[23]

式中Sx為滑轉(zhuǎn)率，%；v為行駛速度，mm/s。

由式（3）可得

由式（4）可知，當(dāng)滑移率達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，行進(jìn)速度v與轉(zhuǎn)速ω成正比例關(guān)系，比例系數(shù)為P(1-Sx)/2π。

3.2 沉陷量

車(chē)輛在松軟路面行駛的過(guò)程中，沉陷量也是車(chē)輛通行能力的重要指標(biāo)，螺旋驅(qū)動(dòng)輪的沉陷量越大，行駛阻力也將隨之增加。在滑移率達(dá)到穩(wěn)定的情況下，沉陷量也會(huì)達(dá)到穩(wěn)定，且沉陷量與滑移率存在線(xiàn)性關(guān)系：

式中H為沉陷量，mm；c為斜率；h0為截距，mm。

3.3 偏航角

由于糧面的不平整，機(jī)構(gòu)在行進(jìn)過(guò)程中左右螺旋驅(qū)動(dòng)輪與糧面的接觸情況不一致，導(dǎo)致2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪在相等轉(zhuǎn)速下獲得的推進(jìn)力不相等，致使行走機(jī)構(gòu)偏離指定行駛方向，實(shí)際行駛方向與指定方向的夾角為偏航角，行走機(jī)構(gòu)的實(shí)際行駛速度可分解為沿指定航向方向的縱向速度和垂直于航向方向的側(cè)向速度兩部分，則有

式中θ為偏航角度，（°）；vy為行走機(jī)構(gòu)行駛速度沿指定航向方向分解的縱向速度，m/s；vx為行駛速度垂直航向方向分解的側(cè)向速度，m/s。

4 行駛方向分析

4.1 推進(jìn)力分析

推力的大小與螺旋驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)參數(shù)以及糧面本身的物理特性有關(guān)。散糧顆粒對(duì)葉片的作用力主要有促使行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)的推力和與葉片運(yùn)動(dòng)方向相反的摩擦力。

此外，行走機(jī)構(gòu)行駛過(guò)程中還將受到推糧阻力。推力方向沿葉片法向方向，可分解為沿螺旋驅(qū)動(dòng)輪軸向方向的軸向力和水平方向垂直于軸向的側(cè)向力。

取螺旋葉片上一微扇形，則其面積為

式中dA為微扇形面積，mm2；dθ為微扇形所對(duì)應(yīng)的角度，（°）。

單個(gè)螺旋葉片所受總力F[24]為

式中τ為螺旋葉片對(duì)糧層的剪切力，N；σ為糧層對(duì)螺旋葉片的正壓力，N；θ為單個(gè)螺旋葉片與糧層接觸面的圓心角，（°）。

軸向力為

側(cè)向力為

其中，以順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，則sgn(ω)的值為

式中ω為螺旋驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，rad/s；Fy為糧層對(duì)螺旋驅(qū)動(dòng)輪的軸向力，N；Fx為糧層對(duì)螺旋驅(qū)動(dòng)輪的側(cè)向力，N。

4.2 推進(jìn)力與行駛方向的關(guān)系

2個(gè)旋向相反的左右螺旋驅(qū)動(dòng)輪在不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向組合下所受軸向力和側(cè)向力的方向和大小也不同，螺旋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)因而表現(xiàn)出不同的行駛方向。如圖3所示，當(dāng)2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪等速反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，左輪所受的軸向力lyF和右輪所受的軸向力ryF方向大小和方向相同，左輪所受的側(cè)向力Flx和右輪所受的軸向力Frx方向大小相等方向相反且作用在同一直線(xiàn)上，因而機(jī)構(gòu)向前或向后行駛；當(dāng)2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪等速同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，左右輪的軸向力lyF和ryF大小相對(duì)方向相反且分別作用在左右輪軸線(xiàn)上，從而形成轉(zhuǎn)矩使行走機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；同理，當(dāng)機(jī)構(gòu)差速轉(zhuǎn)向時(shí)，左右輪需有差速且轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)彎半徑與2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差有關(guān)。

此外，螺旋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在不同硬度地面上的運(yùn)動(dòng)方式有所不同，在松軟地面上（如沙土、散糧、雪地等），當(dāng)2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪等速反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)構(gòu)將前進(jìn)或倒退，而同樣條件下在堅(jiān)硬的路面上行駛（如水泥路面），機(jī)構(gòu)將無(wú)法前進(jìn)或倒退；當(dāng)2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪等速同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在松軟地面上機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而在堅(jiān)硬路面上為橫向運(yùn)動(dòng)，原因在于螺旋葉片無(wú)法切割堅(jiān)硬的路面，無(wú)法獲得地面對(duì)螺旋葉片的推力，螺旋驅(qū)動(dòng)輪僅獲得與地面接觸處的摩擦力。

5 行駛控制

5.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)在糧面行走時(shí)，如何控制機(jī)構(gòu)行駛方向及行駛速度十分關(guān)鍵，如圖4為螺旋驅(qū)動(dòng)式糧面行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)示意圖，控制系統(tǒng)主要由無(wú)線(xiàn)遙控、控制模塊、電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊、左/右旋螺旋驅(qū)動(dòng)輪、轉(zhuǎn)速傳感器和六軸加速度傳感器組成。遙控左右螺旋驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱(chēng)布置且配備獨(dú)立電機(jī)，可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；控制模塊集成了無(wú)線(xiàn)接收裝置用于接收無(wú)線(xiàn)遙控發(fā)送的指令，轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量螺旋驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速并輸出給控制模塊，六軸加速度傳感器用來(lái)測(cè)量行走機(jī)構(gòu)行駛方向（航向），電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用L298N邏輯支持PWM調(diào)速及電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

5.2 控制原理

基于糧面行走機(jī)構(gòu)行駛原理，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)流程，如圖5所示，行走機(jī)構(gòu)接受指令并分析得到行駛方向和速度，控制模塊計(jì)算并分配左/右旋螺旋驅(qū)動(dòng)輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速以及獲取轉(zhuǎn)速傳感器值，控制模塊經(jīng)PID運(yùn)算向電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送調(diào)控指令，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用PWM脈寬調(diào)速方式，調(diào)整占空比控制轉(zhuǎn)速。

行走機(jī)構(gòu)在糧面上行駛過(guò)程中，由于糧面的不平整，左右螺旋驅(qū)動(dòng)輪與糧面的接觸情況不同，造成左右輪的沉陷量和滑移率也不相同，在直線(xiàn)行駛時(shí)不僅會(huì)導(dǎo)致其實(shí)際行駛速度與設(shè)定行駛出現(xiàn)較大偏差，還會(huì)導(dǎo)致行駛方向偏離原來(lái)航向，因此需根據(jù)行走機(jī)構(gòu)實(shí)際行駛速度和航向不斷調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向使其接近目標(biāo)行駛速度和方向，控制系統(tǒng)主線(xiàn)程如圖6所示。

由轉(zhuǎn)速分配運(yùn)算決定螺旋驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向及高、低轉(zhuǎn)速分配結(jié)果，轉(zhuǎn)速分配流程圖如圖7所示。將目標(biāo)轉(zhuǎn)速lω和rω分別輸入PID運(yùn)算部，結(jié)合轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量的實(shí)際轉(zhuǎn)速lω"和rω"，分別計(jì)算左右驅(qū)動(dòng)輪目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算輸出電機(jī)控制指令，不斷調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速。

6 糧面行駛試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)樣機(jī)

為測(cè)試螺旋驅(qū)動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)在糧面上的行駛能力，按照約3∶1的比例制作一臺(tái)小型試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行糧面行駛試驗(yàn)，如圖8所示。其螺旋驅(qū)動(dòng)輪為中空設(shè)計(jì)，由3D打印完成，為保證行走機(jī)構(gòu)的重心能夠靠近其形心，將電機(jī)及其傳動(dòng)部件內(nèi)置于螺旋浮筒中；浮筒前端設(shè)計(jì)為錐形結(jié)構(gòu)以減小行駛阻力；后置刮糧板用來(lái)刮平糧面且可拆卸。

糧面行走機(jī)構(gòu)主要參數(shù)如表1所示，由表中數(shù)據(jù)可知，螺旋葉片高度與浮筒直徑的比值為0.1，螺旋升角為30°，浮筒直徑與浮筒長(zhǎng)度之比為0.280。為確保行進(jìn)過(guò)程的平穩(wěn)性，螺旋頭數(shù)設(shè)計(jì)為4個(gè)。

表1 糧面行走機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)主要參數(shù) Table 1 Main parameters of grain walking mechanism test prototype

試驗(yàn)材料：玉米。糧層厚度約600 mm，遠(yuǎn)大于螺旋驅(qū)動(dòng)輪直徑，玉米含水率約為14%。

為探究行走機(jī)構(gòu)直線(xiàn)行駛速度和旋轉(zhuǎn)行駛速度與驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系，試驗(yàn)分別設(shè)置PWM調(diào)速占空比為40%、60%、80%和100%對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為0.33、1.06、1.72和1.92 r/s。在4種不同的螺旋驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速下對(duì)糧面行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行直線(xiàn)行駛和旋轉(zhuǎn)行駛試驗(yàn)。直線(xiàn)行駛試驗(yàn)時(shí)，使用秒表記錄行駛時(shí)間，使用米尺測(cè)量行駛距離，計(jì)算出行駛速度；使用激光測(cè)距儀測(cè)量直線(xiàn)行駛沉陷量；旋轉(zhuǎn)行駛試驗(yàn)時(shí)，記錄機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)行駛2圈用間，計(jì)算出旋轉(zhuǎn)行駛轉(zhuǎn)速；為減小試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

直線(xiàn)行駛和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎行駛試驗(yàn)如圖9所示，直線(xiàn)行駛時(shí)螺旋驅(qū)動(dòng)輪行駛之后在糧面上留下槽型軌跡，軌跡深度均勻，行進(jìn)過(guò)程平穩(wěn)。在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，行走機(jī)構(gòu)在糧面上留下圓形軌跡，由于試驗(yàn)樣機(jī)重心與其形心不完全重合，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)中心偏移而靠近后端，圓形軌跡半徑約等于行走機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度400 mm。

擬合出直線(xiàn)行駛速度與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的線(xiàn)性關(guān)系，如圖10所示，4種轉(zhuǎn)速下直線(xiàn)行駛速度分別為0.07、0.22、0.34和0.37 m/s，隨著驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的升高，行走機(jī)構(gòu)直線(xiàn)行駛速度也隨之升高，且成正比例關(guān)系，比例系數(shù)約為0.197，擬合決定系數(shù)為0.9995，兩者線(xiàn)性相關(guān)性較高。

4種螺旋驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速下，行走機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)行駛速度分別為0.10、0.24、0.39和0.53 r/s，旋轉(zhuǎn)行駛轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系，比例系數(shù)約為0.251，擬合決定系數(shù)為0.993，相關(guān)性較高，如圖11所示。

有螺旋驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速和直線(xiàn)行駛速度可由式（3）計(jì)算出行駛滑轉(zhuǎn)率，并對(duì)糧面行走機(jī)構(gòu)在不同螺旋驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速下直線(xiàn)行駛沉陷量進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖12所示，隨著驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的增加，行駛速度增加的同時(shí)滑轉(zhuǎn)率也隨之增加，但4種轉(zhuǎn)速下滑轉(zhuǎn)率均不高，在驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為1.92 r/s時(shí)，行駛速度為0.37 m/s，滑轉(zhuǎn)率達(dá)到最大值為2.49%。沉陷量隨著驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的增加而逐漸減小，這是由于在這4種轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速大時(shí)行走機(jī)構(gòu)行駛速度快，且滑移率比較小，螺旋葉片對(duì)同位置糧食顆粒作用時(shí)間短，而驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速較小時(shí)，螺旋葉片對(duì)同位置糧食顆粒作用時(shí)間長(zhǎng)，在螺旋葉片作用下糧食可以移動(dòng)的數(shù)量多，從而沉陷深度增加。最大沉陷量為70mm，為浮筒直徑的63.64%。

受樣機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出能力限制，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，螺旋驅(qū)動(dòng)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速最大值為1.92 r/s，更高驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速下，行走機(jī)構(gòu)行駛速度、滑轉(zhuǎn)率、沉陷量的變化規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

7 結(jié)論

1）結(jié)合水陸兩棲車(chē)輛的螺旋驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了可在松軟糧面上行走的螺旋驅(qū)動(dòng)式糧面行走機(jī)構(gòu)，通過(guò)糧面行駛試驗(yàn)證明了該機(jī)構(gòu)的糧面通行能力較好，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向，大幅提升了糧面行走機(jī)構(gòu)的糧面行走性能。

2）對(duì)糧面對(duì)螺旋驅(qū)動(dòng)輪作用的軸向力和側(cè)向力進(jìn)行了分析，確定了螺旋驅(qū)動(dòng)輪與糧面行走機(jī)構(gòu)行駛方向的關(guān)系，開(kāi)發(fā)了糧面行走機(jī)構(gòu)速度和航向動(dòng)態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)。

3）對(duì)糧面行走機(jī)構(gòu)在不同驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了直線(xiàn)行駛和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，擬合出直線(xiàn)行駛速度、旋轉(zhuǎn)角速度與驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的線(xiàn)性關(guān)系，結(jié)果表明，兩者均與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系比例系數(shù)分別為0.197和0.251。試驗(yàn)測(cè)得了行駛沉陷量與滑移率，結(jié)果顯示，在一定范圍內(nèi)，隨著驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的增加滑轉(zhuǎn)率逐漸增加而沉陷量逐漸減小，最大滑轉(zhuǎn)率為2.49%，最大沉陷量為70 mm，約為浮筒直徑的63.64%。