车辆在松软地面上行驶时, 会引起土壤扰动, 尤其是较深的沉陷会造成行驶阻力增大, 使车辆难以或无法通过, 车辆的通过性不仅取决于自身的动力性, 更取决于车轮与土壤相互作用的力学特性^{[1, 2]}。由于月球重力加速度约为地球的1/6, 其表面覆盖着一层厚厚的粉末状月壤, 导致月球探测车辆移动过程中容易出现沉陷、打滑, 甚至无法通过, 因此, 研究车轮与松软地面相互作用机理具有重要意义^[3]。为提高和保障月球车在月面的通过性能, 可通过地面土槽试验, 研究车轮在松软地面的滑转和沉陷规律^{[4, 5]}。目前国内大多数月球车原理样机车轮结构借鉴了前苏联的Lunokhod月球车和美国的LRV月球车的弹性筛网车轮, 例如, 中国空间技术研究院和哈尔滨工业大学以及上海航天技术研究院和上海交通大学研制的多款月球车原理性样机车轮均采用了筛网轮^{[6, 7]}。筛网轮的网状轮缘结构, 可以避免尘土的堆积存留, 具有结构轻便和转向阻力小等优点, 但国内外关于筛网轮在松软地面沉陷方面的研究还比较少。另外, 限于设备条件, 大多数的月球车单轮土槽研究是以地球重力加速度下的轮上载荷为试验条件, 且贝克沉陷模型不适合车轮轮上载荷小于45 N条件下的车轮沉陷预测^{[8, 9]}。因此, 针对月面重力环境, 在轮上载荷小于80 N的轻载荷^{[10, 11]}条件下, 研究月球车车轮与土壤相互作用时的沉陷规律, 在预测车轮沉陷, 提高月球车能源利用效率, 保障月球车工作的可靠性方面具有重要意义。

针对上述情况, 本文研制出轻型土槽试验装置, 以车轮沉陷量为试验指标, 轮上载荷和车轮速度为试验因素进行单轮土槽试验。使用位移传感器采集实时车轮沉陷值, 并通过激光轮辙形貌测量装置对轮辙进行非接触扫描测量, 提取轮辙表观沉陷值, 通过对试验结果的分析, 研究试验因数对车轮沉陷的影响规律, 以及土槽车轮实际沉陷和表观沉陷的对应关系, 以期为预测深空探测车辆在松软地面的通过性提供重要参考。

为了研究轻载荷条件下车轮沉陷规律, 吉林大学工程仿生教育部重点实验室研制出了轻型月壤-车轮土槽试验系统, 如图1所示, 主要由控制系统、土槽、轻型台车装置和激光轮辙形貌测量装置以及其对应的电控箱组成, 轻型月壤-车轮土槽试验系统的主要技术参数如下:土槽总体尺寸为1500 mm× 800 mm× 400 mm(长× 宽× 高); 最大被试轮直径为400 mm; 最大被试轮转速为20 r/min; 最大轮上法向载荷为100 N; 车轮沉陷测量范围为0~150 mm; 最大轮辙扫描面积为650 mm× 400 mm(长× 宽)。

图1

Fig.1

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	图1 月壤-车轮土槽试验系统Fig.1 Soil bin testing system for lunar rover

图2

Fig.2

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	图2 轻型台车装置Fig.2 Light-weight soil bin carriage

轻型台车装置如图2所示。车架整体为杠杆结构, 通过改变后方配重砝码质量和位置可实现轮上法向载荷的无级调控; 水平位移传感器主要由D38H-8G05L-360BM-5M型滚轮编码器组成, 其有效水平位移测量范围为0~5 m, 测量精度为0.01 mm; 垂直位移传感器为拉线式位移传感器, 用于测量车轮行驶过程中的实际沉陷值, 其型号为XPS-S-5000-11R₀, 测量行程范围为0~5000 mm, 测量精度为0.01 mm。

激光轮辙形貌测量装置固定于土槽顶部, 硬件主要由激光测距仪、二维移动框架和驱动步进电机组成, 其中激光测距仪型号为DLS-C15, 测距范围为0.05~65 m, 测距分辨率达到0.1 mm, 水平方向最大线扫描长度为0.65 m^[12]。

本文采用吉林大学工程仿生实验室研制的JLU-2a型模拟月壤为试验介质, 主要以火山灰为原料加工配制而成, 其粒径分布和物理力学性质均在真实月壤样本的变化范围之内^[13]。

被试车轮为鼓形弹性筛网轮, 轮径为300 mm, 轮宽为150 mm, 轮刺高10 mm, 如图3所示。筛网轮轮缘由3个轮圈构成, 中间轮圈直径大于两侧轮圈直径, 两排轮刺交错且等间距地安置于相邻轮圈上, 轮面筛网由直径为0.6 mm的钛合金编织而成。

图3

Fig.3

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	图3 被试轮Fig.3 Test wheel

图8

Fig.8

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	图8 车轮沉陷与轮上载荷和车轮速度的关系(b)自然状态Fig.8 Relationship between wheel sinkage and experimental factors

图8

Fig.8

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	图8 车轮沉陷与轮上载荷和车轮速度的关系(c)紧实状态Fig.8 Relationship between wheel sinkage and experimental factors

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 车轮沉陷拟合方程 Table 3 Fitted equations of wheel sinkage 土壤状态 线性回归方程 R2 松软状态 0.9316 自然状态 0.9071 紧实状态 0.9253 注:分别为轮上法向载荷和车轮速度。

表3 车轮沉陷拟合方程 Table 3 Fitted equations of wheel sinkage

分析方程发现, 车轮沉陷随轮上载荷和车轮速度呈线性变化规律, 且轮上载荷对车轮沉陷的影响较车轮速度的影响大。试验条件下, 车轮沉陷随载荷增加相对变化率分别为82.1%(松软状态)、56.5%(自然状态)和63.5%(紧实状态); 车轮沉陷随车轮速度增大的变化率则较小, 对应沉陷变化率分别为6.5%(松软状态)、8.0%(自然状态)和3.8%(紧实状态)。另外, 随着模拟月壤由松软状态变至紧实状态时, 车轮速度对车轮沉陷的影响越来越小, 分析是由于随着模拟月壤的密实度增加, 车轮轮刺进入模拟月壤的速度对其扰动作用越来越不明显。

对车轮沉陷实测值与回归方程计算值进行比较发现, 随着模拟月壤由松软状态变至紧实状态, 二者残差以及相对误差均总体呈现逐渐减小趋势, 如表4所示, 其中, 残差最大值不超过1.4 mm, 二者的相对误差范围为0.34%~8.24%, 且相对误差均值不超过3.97%, 因此, 回归方程能为车轮沉陷预测提供较好的参考依据。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 车轮沉陷实测值与计算值比较分析 Table 4 Comparative analysis between measured wheel sinkage and calculated wheel sinkage 模拟月壤状态 残差范围 /mm 相对误差范围 /% 相对误差 均值/% 松软状态 0.1~1.4 0.60~8.24 3.97 自然状态 0.1~0.8 0.60~6.18 3.84 紧实状态 0~0.6 0.34~7.45 2.74

表4 车轮沉陷实测值与计算值比较分析 Table 4 Comparative analysis between measured wheel sinkage and calculated wheel sinkage

3.3 车轮实际沉陷与表观沉陷比较

模拟月壤3种状态下, 轮辙表观沉陷随着轮上载荷和车轮速度的变化, 如图9所示。对比车轮实际沉陷和轮辙表观沉陷发现, 二者的变化趋势保持一致。由于被试车轮胎面为筛网结构, 行驶过程中部分模拟月壤从胎面网格空隙中漏至筛网轮胎面内侧, 并回填至轮辙表面, 由于扫描提取的表观沉陷值为车轮行走后轮辙表面与基准面差值, 而车轮实际沉陷为基准面与筛网面最低点的高度差, 因此提取的轮辙表观沉陷值将始终小于车轮的实际沉陷值。另外, 由于车轮行走后模拟月壤的部分回弹也会使得提取的表观沉陷值有所减小。

图9

Fig.9

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	图9 模拟月壤不同状态下的车轮表观沉陷规律(a)不同轮上载荷Fig.9 Apparent sinkage under different soil conditions

图9

Fig.9

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	图9 模拟月壤不同状态下的车轮表观沉陷规律(b)不同车轮速度Fig.9 Apparent sinkage under different soil conditions

不同模拟月壤状态下, 车轮实际沉陷和表观沉陷的差值变化规律如图10所示, 其范围分别为:4.2~7.4 mm(松软状态)、6.5~8.8 mm(自然状态)、3.8~6.2 mm(紧实状态)。

图10

Fig.10

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	图10 模拟月壤不同状态下的车轮实际沉陷与表观沉陷差值变化规律(a)不同轮上载荷Fig.10 Difference between wheel sinkage and apparent sinkage under different soil conditions

图10

Fig.10

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	图10 模拟月壤不同状态下的车轮实际沉陷与表观沉陷差值变化规律(b)不同车轮速度Fig.10 Difference between wheel sinkage and apparent sinkage under different soil conditions

分析车轮沉陷和表观沉陷的差值发现, 自然状态下沉陷差值较松软状态的大, 原因可能是由于松软状态下模拟月壤较为松散, 车轮在行驶过程中筛网胎面和轮刺很容易将一部分模拟月壤粘附带走并送至车轮前方, 导致表观沉陷值增大, 车轮沉陷和表观沉陷的差值则相应减小。紧实状态下沉陷差值总体较小, 这是由于紧实状态下的车轮沉陷较小, 筛网胎面的漏土现象较弱, 从而使得车轮沉陷和表观沉陷接近, 二者沉陷差值较小。

当轮上载荷小于40 N时, 松软状态与紧实状态下的沉陷差值接近, 原因可能是轮上载荷较小时, 车轮行驶过程中轮刺挑土现象明显, 轮辙中由轮刺产生的V型坑较深, 导致表观沉陷偏大, 随着载荷的继续增大, 筛网轮实际沉陷增加, 胎面漏土的影响逐渐大于轮刺挑土现象的影响, 此时松软状态下的沉陷差值逐渐大于紧实状态下的对应差值。

(1)轮上载荷和车轮速度范围分别为20~60 N和12~92 m/h时, 模拟月壤不同状态下筛网轮的沉陷范围分别为10.6~19.3 mm(松软状态)、9.2~14.4 mm(自然状态)、6.3~10.3 mm(紧实状态), 其中, 松软状态下车轮沉陷变化范围较大。

(2)轮上载荷对车轮沉陷的影响较车轮速度的影响大, 车轮沉陷随轮上载荷增大而增大, 模拟月壤在3种状态下车轮沉陷相对增大率分别为82.1%(松软状态)、56.5%(自然状态)和63.5%(紧实状态)。试验条件下, 车轮沉陷随车轮速度增大而产生的变化率较小, 分别为6.5%(松软状态)、8.0%(自然状态)和3.8%(紧实状态)。

(3)模拟月壤不同状态下, 来自轮辙的表观沉陷与车轮实际沉陷的差值范围分别为:4.2~7.4 mm(松软状态)、6.5~8.8 mm(自然状态)、3.8~6.2 mm(紧实状态)。车轮实际沉陷与表观沉陷差值在自然状态下最大, 紧实状态下最小。随着轮上载荷变化, 轮辙表观沉陷与车轮实际沉陷变化趋势保持一致, 二者沉陷差值随着轮上载荷增大呈现线性增大规律, 上述研究结论为通过轮辙判断车轮实际沉陷提供了依据。