无畏险阻 跨出新路

本刊记者/熊 伟   2016-12-16 16:32:35

[编者按]“跨越险阻2016”挑战赛的E组比赛,要点有两个。一,山地输送。要爬非常陡峭的山坡,跨越多重高墙、壕沟,其路况即便是我们人走起来,都会觉得难。二,非仿生。平台不像狗、虫等动物,用“腿”行走、过障,还是依靠看似传统的轮胎、履带。因此各参赛队的重点就是如何创新设计出新颖独特的轮、履结构,车体样式。大多数参赛队选择了摇臂轮式结构,通过摆臂抬起车轮,从而实现爬墙过障。还有前后车体铰接,通过弯折车体,来兼顾过障、转弯的机动需求。

陆军军官学院的“无畏者”无人车,结构很新颖,像履像轮又像铰接。它的行走原理,简便地实现了快速越障,给大家留下深刻印象。预赛时该车出现意外,没能进入决赛。但在北京进行决赛时,车队作为唯一被邀请参加展示环节的非决赛队伍,来到了北京。这是为什么呢?记者为此采访了该车队的队长,陆军军官学院的陈向春老师。

陆军军官学院,是一所承担陆军指挥生长军官“学历教育合训”任务的院校,学院的前身是1978年成立的炮兵技术学院,由邓小平同志亲自选址合肥,2011年6月改建为陆军军官学院。学院结合了工程院校、指挥院校和综合院校的办学实践,在教育理念、基础教育、科研学术、人才复合素质等方面具有特色和优势。对于受邀参加决赛的展示环节,陈向春老师介绍说这得益于在预赛前后,“无畏者”的优秀表现。

“无畏者”无人车长约5米,宽约2米,自重约2吨。记者刚看到它的六个三角形履带时,还以为和一种雪地车一样。结果陈老师告诉记者,它叫做“等三角行星结构履带轮”。等三角、履带这俩词都好理解。行星结构呢?这是一种行星轮,意思是它像太阳系的行星一样,不仅能自转,还能公转。

平时行走时,履带绕着三角架内的几个小轮旋转,这倒是和那种雪地车一样。你也可以把它看作是有六圈履带的坦克、拖拉机。但这个三角架不是固定的。遇到高一些的障碍,履带无法直接克服时,整个三角架就会在阻力作用下旋转,变成了一个三角形的大“轮胎”。

听完陈老师的讲解,记者不禁想到了很多大妈大爷们买菜用的一种小车——下面也是个三角架,顶端是三个小轮,平时两轮着地,上楼梯时三角架翻滚。

再这么一看,它的行走方式简单而巧妙。陈老师介绍说,三角架转动,不仅是像大轮子,还使爬垂直墙的附着力大大增加,提高了过障能力。普通轮式车只能爬上轮胎半径一半高度的垂直墙,而且爬墙时,轮胎和墙的接触只是与墙相切的一条线。履带车过墙,最大高度取决于前面诱导轮的高度,履带和墙的接触也基本只是只是与墙相切的一条线。而“无畏者”过墙时,随着行星轮转动,三角形的一个边都会贴到墙上,接触面很大,附着力大大提高。

由于这个原理,“无畏者”只需要不高的发动机功率,就展示出良好的越野能力。它的动力来源于六个行星轮中间的电机,每个仅2千瓦左右,一共约12千瓦。这只相当于C组小型无人车的20多倍(车重是后者的30倍)。至于同在E组的其它车辆,都是100、200千瓦的发动机。“我们虽然动力小,但动力都用上了。”

◎雪地车的三角履带轮,和“无畏者”的六个轮子咋看起来很像,其实原理大不相同

◎行星轮的结构,我们在日常生活中也常见到,就是这种可以爬楼的购物车

◎翻越垂直墙障碍时,“无畏者”和坦克、轮式车之间的区别。可以明显看出,在墙的那个垂直面上,“无畏者”是在用一个大面的履带“抓”墙,而坦克、轮式车只是“抓”墙角。附着力大是其优势之一。坦克、轮式车的最大爬墙高度,还取决于前轮、主动轮高度,超过其轴线高度就完全无能为力了。而在这方面,“无畏者”也具备优势,超过自己轮子高度的墙也能爬上

◎“无畏者”能快速翻越一米多高的垂直墙电动机通过传动机构带动行星轮上的一个主动轮转动,驱动履带。至于三角架的转动,则是根据地形自动适应,不需控制。因此该车的操控也很简单,不像摇臂式那样需要另外配备电机或动力源,来驱动摇臂转动。

看着前后车体之间除了转轴,还有一根活塞杆,记者询问这是不是像其它某些参赛车一样,控制铰接车体的俯仰。不料陈老师说这只是一根阻尼杆,没有动力、不需控制的。原来在攀爬障碍时,前部车体完全靠前方履带的上爬,自己仰起,不需动力抬它。阻尼杆,是为了防止前后车体之间太“活”,过沟、下墙时,出现咣当掉地的摔车现象。

因此该车的遥控设备也很简单,就是买了一个普通小遥控车的遥控器。操作员也只需要控制车的两侧电机,也就是两侧速度,就可以了。速度有差异,就能像坦克那样差速转向。越墙、过沟、爬坡时,则控制好前进速度快慢,防止车体中部剧烈起伏,就可以了。

不仅原理简单、巧妙,它在结构件选择上的简单也超过了记者的预想——电机就是电动车上的电机;小轮之间的弹簧减震器,就是电动车上的减震杆;连接三角架中心和车体的,就是摩托车前轮的减震杆;履带,是农用拖拉机上的,直接买来套上;车体、行星轮三角架,是自己加工焊接的(记者看到,有的铁架上还有明显的缺口、修补,真是“朴素”得很)……一圈转下来,只有行星轮中间那些白色的尼龙轮,是设计团队定做的。

原来这次参赛,陆军军官学院开头只是报着试试看的态度参加,没有准备多少经费。像有些无人车上用的大功率电机,一个就得9万多,减速器14万,6个轮子还得乘以6。而“无畏者”的整车花费,都没有那么多。

◎“无畏者”下垂直墙,车体中间的阻尼杆让它的“腰”缓缓落下

◎“无畏者”在泥泞路上行驶,履带遭遇大阻力时,整个三角轮就旋转翻越。在侧倾坡上,它和履带式车辆一样有较好的通过性

◎“无畏者”跨越壕沟,此时它的表现远超过轮式车,不输于坦克

也正是这个原因,让“无畏者”在预赛中出现设备故障,没赛出好成绩。它的电机和链条之间,是通过采购现成的普通涡轮蜗杆连接的。整辆车从7月初才开始设计制造,花了暑假不到两个月时间,加班加点赶制出来。比赛前,它在学院的试验都很顺利,能过墙过沟。这也让学院领导感到高兴,还专门给车队饯行。预赛前,考虑到多次试验后的磨损,车队把六个行星轮里的蜗杆换成了新的。参加完开幕式后,“无畏者”从比赛场地返回场区,走的也是泥泞路,给在场人员留下了深刻印象。可没想到这采购来的普通民品,质量完好率可没他们预想的那样高,厂家也不知道他们是要拿去翻墙过沟走泥路。结果几天后的比赛中,两根蜗杆折了,“无畏者”一下失去三分之一动力。第二天,车队从旧蜗杆中挑了两根换上,自己到比赛场地跑了一趟。高墙、壕沟、水坑、泥泞路、侧倾路、陡坡,都轻松走过,越障能力表现突出,用时48分钟(预赛中最快的约30分钟,但没完成高墙、泥泞路科目)。

速度不快,与它的动力不足有很大关系。这也是因为经费不多,车队没有采购更大功率的电机。记者看到行星轮里的空间其实还有不少,可以安装更大设备。在记者看来,整车在具体结构、尺寸上,还有不少是在将就那些现成的履带、减震杆、电机,不算是按照设计本意选择的最优化值。如能完全地“设计设计”,各零部件的性能、规格更加合适,“无畏者”的性能会有很大提高。

陈老师也说是这样,但比赛就是比赛,必然会有很多偶然因素的。“人家成绩好的,确实还是说明人家做得好。”他表示现在“无畏者”还只能算是原理样车,自然还有一些要改进的地方。从原理上讲,它具有一定的优势。但在工程化的层面上,还有很多工作要做。发展到正样车阶段,可靠性就得更高了。

除了经费,两个月时间太短,没法做出定制零件,也束缚了他们的手脚,还有一些设计、想法尚未在“无畏者”上得到体现。

原来这辆“无畏者”,是在学院设计过的好几款无人车基础上,集合而成的。陆军军官学院有一个“学员创新俱乐部”,老师们带着学生做一些设计,参加全军军用机械创新大赛,全国大学生机械创新大赛。他们设计的小型越障车,玩具那么大小的,参加比赛时都获得了一等奖。这次挑战赛前,组委会到学院调查,看到他们的小车结构新颖独特,于是邀请他们参赛。

学院领导对此很重视,也放开思路,大胆决定由年轻人来当这个项目主要人员。像陈向春老师作为项目组长,是讲师,团队成员都是学院本科生,这样的团队在这次挑战赛里独一无二。

虽然名次成绩不理想,但陆军军官学院的这个创新团队还是表现优异,在这个全国的平台上得到很多业内专家的认可,也因此受到组委会特别邀请,参加决赛阶段的展示表演。

学院教研人员们对这种新式行动装置的理论研究,也得到挑战赛主办方的高度认可。挑战赛同时进行了学术论坛,出版论文集。陈向春老师等人联合撰写的有关一体化动力轮技术的论文,被评为优秀论文。

也许在不久的将来,我们就可以看到这种独特的无人车,伴随着战士们翻山越岭,无畏地跨向新时代战场。 [编辑/熊伟]

◎学院的“学员创新俱乐部”多次在比赛种获奖。左边是获得全军军用机械创新大赛一等奖的作品,右边的获得全国大学生机械创新大赛安徽赛区一等奖

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