摘要：为解决极端气候复杂环境下的排涝救援工作难题，研究了一种排水应急救援纯电动水陆两栖履带车，采用纯电动驱动履带车行驶，搭载轻小化永磁潜水电泵，均采用远程无线遥控操作实现履带车行驶及水泵启停及动作。产品具有陆地及涉水环境两栖式工作、轻小灵活、爬坡能力强、越障通过性好的特点；配合搭载具备发电机组、模块化泵组、快接水带、快接电缆、大功率照明高杆灯等作业功能的母车形成模块化组合进行排捞救援工作，能够在复杂环境下保持机动灵活作业，减少救援前期的布置耗时，提高应急救援效率。通过理论设计分析和样机研制与实地测试结果，验证了预期的设计目标。

　　关键词：水陆两栖履带车；电动机驱动行驶；取水抗旱；排涝救援；应急抢险

　　Design of a Pure Electric Amphibious Tracked Vehicle for Drainage

　　Emergency Rescue

　　Zhou Yinglai1,2，Liu Jiemei1,2，Wang Wengao1,2

　　(1.Changsha Diwo Machinery Technology Co.,Ltd.,Changsha 410021,China;

　　2.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Emergency Drainage and Rescue Equipment,Changsha 410021,China)Abstract:In order to solve the problem of drainage and rescue work in extreme climate complex environments,a pure electric amphibious tracked vehicle for drainage emergency rescue was studied.The vehicle was driven by a pure electric drive tracked vehicle,equipped with a lightweight permanent magnet submersible electric pump,and used remote wireless remote control to achieve the operation of the tracked vehicle and the start/stop and action of the water pump.The product had the characteristics of amphibious operation in both land and water environments,lightweight and flexible,strong climbing ability,and good obstacle performance.Cooperating with the base vehicle equipped with operation functions such as generator sets,modular pump sets,quick connect water hoses,quick connect cables,and high-power lighting high pole lights,a modular combination for salvage and rescue work was formed.The product can maintain maneuverability and flexibility in complex environments,reduce the time spent on early rescue arrangements,and improve emergency rescue efficiency.The expected design goals were verified through theoretical design analysis,prototype development,and on-site testing results.

　　Key words:amphibious crawler;motor-driven travel;water intake and drought resistance;flood drainage and rescue;emergency rescue

　　0引言

　　我国由于地理和气候原因，特大暴雨频繁发生，城市内涝、泥石流、地质滑坡等自然灾害经常发生，而且灾害种类多，分布地域广、发生频率高、造成损失重，特别是近年来，极端气候事件频发，自然灾害及其衍生、次生灾害的突发性和危害性进一步加重加大，严重制约当地经济发展，威胁人民生命财产安全。同时，灾害破坏导致地形和道路情况相对复杂，一般存在道路交通阻塞、持续降雨和停电等恶劣环境，使得救援工况复杂多变，积水内涝等还会导致一般工程车辆无法及时到达现场救援。

　　国内外针对上述救援需求在移动应急排涝履带车[1]方面做了大量的研究，常规采用较传统的内燃机动力及液压驱动履带车[2]，一部分产品实现了大流量的排水履带车[3]两栖作业，但产品的体积较大、重量较重，同时履带车搭载的水泵大多数采用液压泵作业，液压动力站设在母车端，与履带车因液压管路的损失受限，不能实现远距离工作，救援的及时性大幅度降低。

　　为了能够实现快速应急救援排水，疏通救援通道，针对在极端降雨的情况下，围绕地铁、隧道、涵洞、地下车库等水患严重的复杂地段、狭小空间等区域进行应急救援排涝的需求，本文通过对永磁电机纯电动驱动技术[4]、轻载型两栖履带子车技术[5-8]、主水泵采用轻小化永磁电机技术[9]、轻量化主体框架模块技术及主控人机交互控制技术[10-12]进行深入研究与系统仿真，设计出一种能在复杂环境下保持机动灵活且效率高的排水救援水陆两栖履带车。同时配合搭载具备发电机组、模块化泵组、快接水带、快接电缆、大功率照明高杆灯等作业功能的母车形成模块化组合进行排捞救援工作。

　　产品通过样机研制与实地测试，验证了预期的设计目标，且具备陆地及涉水环境两栖式工作、轻小灵活、爬坡能力强、越障通过性好、能够深入狭小且复杂的环境工作等特点；能够有效应用于复杂环境下且保持机动灵活作业，减少救援前期的布置耗时，提高应急救援效率，为相关排水应急救援装备提供可选参考，具有广泛的应用价值。

　　1设计目标和流程

　　1.1设计目标

　　(1)搭载潜水电泵，其参数：出口管径DN300(mm)，尺寸小600 mm×1 300 mm，水泵质量300 kg。

　　(2)具备无线遥控操作功能：可实现水泵回收、翻转90°、滑移等动作的遥操作。

　　(3)适应复杂地形环境：可在泥水地及完全浸泡水中的环境工作(天线通信除外)，爬坡角度35°，可驻坡作业。

　　(4)产品整体防护等级：IP68，总质量小于或等于1 000 kg，履带尺寸长度小于或等于1 800 mm，宽度小于或等于1 600 mm，高度小于或等于1 300 mm。

　　1.2设计流程

　　根据排水应急需求，以纯电水陆两栖履带车的设计目标为牵引，采用模块化设计思路，将系统分解为本体框架模块、履带模块、发电模块、翻转伸缩模块、电池BMS、主水泵模块、模块化水泵、子车无线控制、主控人机交互等模块，进行总体设计。并通过越障、爬坡、涉水等运动学分析，利用CAE软件进行3D建模和虚拟装配，迭代优化结构设计最终定型。设计流程如图1所示。

　　2结构设计和布局

　　纯电水陆两栖履带车为了有更好的通过性，采用梯形履带结构，驱动轮布局在尾部，并且采用防水箱密封，电控和电机密封在防水箱内。为了安装维修方便，防水设计有带O型密封圈的法兰。该法兰的密封性能一方面经过CAE分析，确认在空载、满载、偏载和扭矩工况下的结构刚度设计参数，另一方面考虑高低温形变和空气负压吸水，对法兰面和密封盖进行变形量设计与控制，最后通过焊接后CNC加工中心精加工制造。所有旋转轴，从动轮和主动均需要采用旋转密封结构，避免泥沙进入轴承导致轴承磨损和轴磨损腐蚀。同理设计了液压箱，主电缆防水箱电气控制箱，控制开关和通讯天线等结构。主水泵放置整体中心，可以进行90°翻转和伸缩滑动，以加大吸水深度，避免旋涡吸入空气，满足不同环境的使用需求。侧面搭载模块化小水泵，可以根据现场需求搭载不同流量和不同扬程的水泵，以满足不同工况的排水应急需要。总体设计布局如图2所示。

　　3控制系统

　　控制系统框图如图3所示，系统包括主控MCU，16路继电器控制用于控制液压动力单元启停、液压油缸换向、电池充放电、灯光和总电源管理等。霍尔电流/电压/电量用于采集电池工作状态，以便MCU决策是否该进行充放电。惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)包含了三轴加速度计、三轴陀螺、三轴欧拉磁场和高度计，输出频率20 Hz，可以获取履带车三轴姿态角(或角速率)以及加速度，用于感知机器人的工作状态，当倾角大于最大稳定角度时报警，避免履带车倾翻。CAN通信与电机驱动器连接，实时控制电机加减速，并读取电机速度和力矩，采用PID算法实现闭环控制，以满足不同负载条件下的稳定形式。WiFi和LoRa双通道无线，下位机控制与无线网关连接，通过平板电脑实时控制和数据交互，同时还有一路LoRa无线通信与手持遥控器连接，可以多种控制方式。MUC采用处理器STM32F103，采用4层板设计，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性。集成了大量的功能单元：4路带外部请求线的DMA；3个通用异步串行端口，2通道SPI；一个多主IIC总线；4个PWM定时器和一个内部定时器；看门狗定时器；多个通用I/O；电源控制模式为标准、慢速、休眠、掉电。

　　设计了人机交互App，可以方便地安装在各种手机或平板电脑上，方便使用人员人操控，同时方便售后服务人员查看机器状态和调试参数。人机交互App界面如图4所示。

　　4测试验证和结果分析

　　根据设计方案研制了样机，同时设计搭载水泵的子母车系统，开展了相关工业性考核实验，实验包括涉水深度测试、浸泡和水压测试、爬坡和越障测试、排水流量和扬程测试等一些列测试，如图5所示。

　　以纯电动水陆两栖履带车搭载永磁潜水电泵的子车与母车形成子母式排水车组，同时母车搭载有发电机组、模块化泵组、快接水带、快接电缆、大功率照明高杆灯等。发电机组为车载设备动力源，子车为无线遥控履带式排水机器人，可水陆两栖使用。模块化永磁潜水泵组可与子车组合使用，也可高扬程排水(如地铁，2层以上地下车库)，另外可实现临时发电及照明。该模块化子母排水车综合了传统液压排水车和模块化永磁排水车的优点，具有模块化、智能化、轻小化3大优点。相比传统液压子母排水车技术特点有明显技术优势，如表1所示。在同吨位底盘前提下(采用18 t底盘)，模块化子母排水车的可持续运行时间是传统的液压子母排水车几十倍以上，且故障率更低，水泵扬程更高、作业半径更大。

　　5结束语

　　本文设计了一种排水应急救援纯电动水陆两栖履带车，具备远程无线遥控操作功能，可实现水泵回收、角度翻转、滑移等动作的无线远程遥控操作；适应复杂地形环境，可在泥水地及完全浸泡水中的环境工作(天线通讯除外)，爬坡角度35°，可驻坡作业；以纯电动水陆两栖履带底盘搭载永磁排水泵形成排水应急救援排涝的履带子车形成子母式排水车，同时搭载有发电机组、模块化泵组、快接水带、快接电缆、大功率照明高杆灯等装备。综合了传统液压排水车和模块化永磁排水车的优点，具有模块化、智能化、轻小化3大优点。相比传统液压子母排水车技术特点有明显技术优势，可适用于狭小且复杂环境空间的排涝应急救援。实体样机的研制和环境性能测试结果，验证了其设计目标，为当前排水应急装备体系完善和优化提供可选参考。

参考文献：

　　[1]吴杰灵,李琼,夏凯.移动排涝抢险用水陆两栖履带车设计[J].专用汽车,2022(2):50-52.

　　[2]袁晴春.履带车辆双电机耦合驱动机构设计研究[J].内燃机与配件,2021(22):19-20.

　　[3]葛国华,徐悦,陈磊,等.QX-5000型大流量两栖机动应急抢险泵车研发与运用[J].湖南水利水电,2021(6):62-65.

　　[4]王伟俊,赵凯平,陈强曼,等.煤矿抽水蓄能电站水陆两栖机器人控制系统设计[J].机电工程技术,2021,50(9):104-107.

　　[5]王永鼎,王鹏,孙鹏飞.自主式水下机器人控制技术研究综述[J].世界科技研究与发展,2021,43(6):636-648.

　　[6]李春明,盖江涛,袁艺,等.履带车辆双电机耦合驱动系统同步特性[J].兵工学报,2020,41(10):1930-1938.

　　[7]刘妤,谢铌,张拓.小型山地履带底盘设计与仿真分析[J].机械设计,2020,37(6):115-122.

　　[8]胡显桂,秦飞舟.基于STC89C52单片机的遥控小车设计[J].电子测量技术,2019,42(24):6-11.

　　[9]苏宗帅.水陆两栖仿生机器人研究进展及应用[J].国防科技,2019,40(4):50-54.

　　[10]粟子恒,宋磊宪,刘海,等.水陆两栖潜水探险车设计与开发[J].河南科技,2019(11):95-97.

　　[11]伍赛特.坦克装甲车辆电传动技术研究综述[J].自动化应用,2019(1):34-35.

　　[12]贾小平,马骏,于魁龙,等.超高速水陆两栖车技术研究[J].机械研究与应用,2015,28(5):46-49.

　　[13]夏长亮,方红伟.永磁无刷直流电机及其控制[J].电工技术学报,2012,27(3):25-34.

　　[14]冯付勇,洪万年,张勇.双节全地形履带车辆发展探讨[J].车辆与动力技术,2011(3):57-60.

　　[15]李永东,朱昊.永磁同步电机无速度传感器控制综述[J].电气传动,2009,39(9):3-10.

　　[16]翟丽,孙逢春,谷中丽,等.电传动履带车辆电子差速转向控制策略[J].北京理工大学学报,2009,29(2):113-117.