基于履带—地面耦合系统的低速履带车辆通过性研究

地面通过性是评价履带车辆的重要指标,是履带车辆在各个领域能否被广泛应用的基础。然而,由于我国地域辽阔,东西南北地形、地貌差别较大,给履带车辆通过性的深入研究带来很大的困难。基于此,本论文以“超湿地型履带推土机通过性研究”为工程背景,对履带-地面力学中通过性的问题展开研究,探索未知土壤力学特性,预测履带车辆对未知地面的通过能力,进而丰富履带-地面力学理论。以往研究中甚少建立诸如负重轮承重、间距等与履带沉陷深度及接地比压之间数量关系的履带-地面耦合系统数学模型。此外,现有的土壤力学特性参数的获取是针对单一土壤类型基于实验得到的,但实际履带车辆所行驶的土壤类型可能是混合型,且土壤力学特性参数是时变的。故此,已有的方法无法很好地解决这类土壤力学特性参数时变的履带-地面耦合系统通过性问题。本文旨在解决上述难题,阐明履带-地面耦合机理,建立表征土壤信息和履带车辆关键信息的履带-地面耦合系统数学模型。基于履带-地面耦合系统数学模型,建立履带-地面耦合系统通过性评价体系,并提出一种履带-土壤力学特性参数实时估计方法,该估计方法既考虑了行驶中土壤类型突变对参数估计准确性的影响又考虑了相似土壤类型力学特性参数缓变对系统鲁棒性的影响。基于以上思想,论文所取得的创新性成果有:(1)建立了履带-地面耦合系统数学模型。对履带-地面耦合系统进行了机理分析,揭示了履带-地面耦合系统的机理规律。在此基础上,建立的履带-地面耦合系统数学模型包含了履带-地面土壤的相互作用,可以表征履带环、驱动轮、负重轮等对土壤的力学关系。(2)基于履带-地面耦合系统数学模型,建立履带车辆通过性评价体系。在该评价体系中,分析履带车辆的通过性和土壤的可行驶性,并定义了履带车辆通过性评价指标。该评价指标可以考虑滑移和履刺效应等履带车辆因素和土壤弹性模量等地面土壤因素对履带车辆通过性的影响。(3)提出了一种改进的强跟踪滤波算法,并对算法的收敛性给出了理论证明。然后,提出了一种基于卡尔曼-改进强跟踪的双滤波器,该双滤波器可以改变时变次优渐消因子的表征顺序,提高非线性系统的稳定性,进而提高算法的估计精度。将提出的改进强跟踪滤波算法和卡尔曼-改进强跟踪的双滤波器应用到履带-地面耦合系统的履带-土壤力学特性参数估计中,解决了土壤力学特性参数时变而导致模型不确定性的问题。(4)项目从工程实际出发,对超湿地型履带推土机进行履带-地面耦合机理分析,提取履带-地面耦合关系中的关键履带-土壤力学特性参数,建立表征松软地面土壤信息和超湿地型履带推土机关键信息的履带-地面耦合系统数学模型。然后,提出基于履带-土壤力学特性参数估计的超湿地型履带推土机通过性评价体系。并将理论评价指标与试验方法相结合,对土壤圆锥指数进行试验,分析各影响因素对土壤圆锥指数的影响,进而分析各因素对土壤可行驶性的影响。最后,以实验研究为基础,结合土壤圆锥指数的数据,对超湿地型履带推土机的履带-地面耦合系统和通过性评价体系进行修正,从而把理论研究成果转化为工程实际应用。本论文的研究是一项具有实际工程背景和理论挑战性的研究工作。论文的特色和创新之处在于:从理论上围绕履带-地面力学中存在的问题,对履带-地面耦合系统进行履带-地面耦合系统机理分析与建模、通过性评价体系和履带-土壤力学特性参数估计等进一步深入地研究;从工程上着力解决超湿地型履带推土机通过性的问题,提高超湿地型履带推土机的牵引性能。本文研究成果对丰富和发展履带-地面力学理论,及对履带-地面力学通过性研究的应用都具有重要的理论价值和工程效益。