土壤动力学基础

土壤动力学基础•土壤动力学（地面力学）的研究内容和目的•土壤的物理机械性质及土壤参数的测定•土壤的应力—应变关系•行走机构推力计算•车辆的行走阻力•行走机构的改进及新型行走机构一、土壤动力学（地面力学）的研究内容和目的土壤动力学（SoilDynamics)又可称：地面力学(Terramechanics);耕作与牵引土壤力学（MechanicsofTillageandTraction);土壤-车辆系统力学(MechanicsofSoil-VehicleSystem)；土壤-机器系统力学(MechanicsofSoil-MachineSystem)但与土力学（SoilMechanics）不同1土壤动力学的研究内容•土壤的力学性能分析•机器和土壤的相互作用规律•机器性能评价2土壤动力学的研究目的•通过对车辆或农机具在自然或农业土壤中工作时所涉及的特别“因子”的详尽和定量的了解，来使车辆或农机具的设计、选择和使用最优化。3土壤动力学的发展•1913年德国R.Bernstein首先研究了从动轮的下陷问题，导出了车轮下陷与车轮结构参数间的关系，使土壤特性与车轮结构参数联系起来；•1918年E.A.White在美国康奈尔大学做的博士学位论文“关于犁体及其对土垡作用的研究，开始了对耕作机具较为理论性的研究；•二次世界大战间，英国成立战斗车辆研究与发展机构（FightingVehicleResearch&DevelopmentEstablishment—FVRDE）•1944年E.W.E.Mickleththwait应用经典力学中的Coulomb公式计算车辆可发挥的最大推力•1944年加拿大成立土壤动力学实验室，之后美国成立陆地行驶实验室（LandLocomotionLaboratory），M.G.Bekker先后在这两个实验工作，陆续出版了《陆用车辆行驶原理》、《越野行驶》、《土壤车辆系统导论》，1960年离开离开陆地行驶实验室,在通用公司的国防研究所创立了车辆机动性实验室(VehicleMobilityLaboratory),专门从事勘探月球的车辆研究工作。•1961年在意大利都灵举行了第一次土壤—车辆系统力学会仪，并于1962年成立国际地面—车辆系统学会（ISTVS），出版地面力学学报（JournalofTerramechanics)；•在上世纪50年代初，我国就开始了土壤与农机具的相互规律方面的研究；•1982年，我国成立土壤—机器系统研究会。4土壤动力学的研究方法•经验法•半经验法•基本的科学研究方法•模型试验法二、土壤的物理机械性质及土壤参数的测定1．土壤的基础物理性质•土壤是一种非均质的、多相的、颗粒化的、分散的、多孔的系统。•土壤的基本物理性质可用下面一些参数来表示：固体密度、容重、饱和度、孔隙度和孔隙比、含水量、爱特伯极限、粘附极限。（1）土壤固体密度（平均土粒密度）（2）土壤密度总密度：干密度：（3）饱和度（4）孔隙度与孔隙比（5）含水量sssVMswassbVVVMVtMtttVMfwVVStfVVnsfVVeswMMW（6）爱伯特极限（AtterbergLimits)•收缩极限•塑限•液限•塑性指数（7）粘附极限sWPWLWPLWWPItW1．土壤土壤的主要力学参数及其测定（1）土壤坚实度又称土壤硬度，是指一定形状的几何体插入土壤时所受的阻力。最常用的是锥体和平板。（2）土壤外附力与内聚力土壤外附力（系数）：土壤着金属或其它材料表面的力，N/m2土壞内聚力（系数）：土壤颗粒间的粘结力，N/m2这两个参数可用土壤外附力/内聚力测定仪测定。（3）土壤抗剪强度土壤的抗剪强度是指外力作用下土壤抵抗滑动（剪切）时极限剪切应力。可用各类土壤剪切仪测定。三、土壤的应力—应变关系虽然土壤在一定条件下可看作为连续介质，并可用连续介质的理论分析土壤的应力-应变问题，但由于土壤为多孔介质，所以在很多时候讨论土壤中一点的应力与应变是没有意义的。另外，土壤在与机器的相互过程中，往往产生很大的应变，但现有大部分力学理论都是基于小应变的。所以，在土壤动力学研究中，最常用和简便的方法，是据土壤与机具作用的特点，分析土壤的应力（力）与应变（变形）间的关系。1垂直载荷（压力）—沉陷关系（曲线）1913年，德国R.Bernstein提出了在土壤在压力作用下，单位面积压力与土壤表面下陷量间的关系式：P=kZ1/2式中：P—单位面积压力；k—土壤变形模数；Z—下陷量。20世纪30年代，前苏联农业机械专家Goriatchkin，提出：P=kZn式中：n—土壤变形指数M.GBekker利用土木工程中基础压力与下陷量的关系式：式中:B—基础宽；b、C—分别为土壤粘性成分和摩擦成分所决定的变形模数。结合Bernstein和Goriatchkin的研究结果，提出：kc和kφ分别为土壤内聚性和摩擦性变形模数；b为压板（受载面）的宽度或半径。ZCbBP)(ncZkbkP)(2剪切应力—剪切位移关系（曲线）（1）（2）式中：—剪切应力；—-土壤内摩擦角；p—正压（应）力；d—剪切位移；c—土壤（切向）内聚力系数；k、k1、k2—土壤剪切变形模数。)1)((kdeptgc}){(1])1[(])1[(max12221222dkkkdkkkeeptgcYmax])1[(])1[(max}{12221222dkkkdkkkeeY四、行走机构推力计算1行走机构受力分析牵引力T=H-R滑转率（打滑率）00-vvvi车辆理论速度车辆实际速度车辆理论速度2．履带推力—打滑模型单条履带的推力：式中：B为履带宽，P为接地压力，d为剪切位移，b为履带宽度坐标，x坐标的原点为履带前端初始接地点。设压力为均匀的，即p=常数，则剪切应力沿履带宽度方向不变，则有：代入Bekker剪切应力—剪切位移公式，并注意,得BLdxdybdpH00),,(LdxdpBH0),(dxeeYptgCBdxHLLixkkkixkkk}{00])1[(])1[(max122212221111{)([222])1[(222])1[(max112221222kkekkeiYkptgCBiLkkkiLkkkixd如以代入积分，得可知，履带可发挥的最大推力：)1)((kdeptgc)1]([iLkeiLkptgCBLHkiLWtgBLCptgCBLH][max3．影响行走机构推力的因素（1）土壤类型的影响（2）行走机构形状的影响（3）压力分布的影响（4）滑转率的影响（5）接地面积的影响五、车辆的行走阻力1．车辆行走阻力的概念及成因（1）车辆运动阻力各种阻碍车辆运动的力①内部运动阻力：由车辆本身内部的摩擦、振动、滞后等引起的阻碍车辆运动的力。②外部运动阻力：简称运动阻力，为由土壤变形形成的阻力。（2）行走阻力的形成原因土壤的压实（下陷）土壤推移行走机构积泥突出部件引起的拖带行走机构挖掘土壤2压实土壤所产生的阻力压实土壤所产生的阻力所消耗的功等于压出车辙所做的功，即：式中:R—行走阻力L—行驶距离B—车轮或履带宽度p—接地压力Z—下陷（车辙）深度ZpdzBLRL0（1）履带压实土壤所产生的阻力据则：而履带的静沉陷：于是：而所以ncZkbkP)(10)(1)(ncnZcZkBknBdzzkBkBRnckBkpZ1)(nnncnnccpkBknBkBkpkBknBR111)(11))((1BLWpnnncLWBkknR11)())(1(1(2)轮子(从动刚性轮)压实土壤所产生的阻力如轮子所需的牵引功为RL,压缩土壤的功为HBL,则有:RL=HBL,或R=HB,H为压缩单位面积的土壤所需要的功。H可用下式求出：据求出所以ZpdzH0ncZkbkP)(1)(11ncZkBknH1)(1nZkBkRnc刚性轮的下陷轮子在垂直方向的受力平衡式为：而于是如设则有据示几何关系略过（Z-z）的高次项得微分上式得000cosdNWpBdxdNcosZpBdxW0nkzpdxBkzWZn0)(2zZDAB))](([)()2(222zZzZDABDx)(2zZDxDdzxdx2于是用代换得到将展开成级数取前两项于是dxBkzWZn0dzxDBkzZn20dzzzZDDBkznZn)(20dzzzZDBknZ02tdtdzzZt22dttZDBkdttZttDDBkWnZnZ)()(220220ntZ)(221tnZZnndttnZZDBkWnZn)(210积分得或以代k，得到最终得到从动刚性轮的行走阻力)3(3nZDZBkWn122))3(3(nnBkDWZkBkc122))3)((3(ncnBkkDWZ12112112221222))(1()3()3(nnncnnnnDBkKnnWR六、行走机构的改进及新型行走机构1改进方向和途径（1）方向提高牵引力与重量之比，或者说提高牵引系数。牵引系数可表示为：式中：为最大推进力，第一项是由土壤内聚性所发挥出的推进力；第二项是由于土壤的内摩擦性所发挥的推进力。f为滚动阻力系数，为提高牵引系数，一方面靠提高推力；再一方面就是减小阻力。ftgpcRWtgAcWWDp)(1WtgCWRf（2）改进途径①提高推进力的途径从可看出，要增加推进力，一个方法是增加接地面积；另一方法是增加重量。WtgAcHmax②减小滚动阻力系数的途径如只考虑土壤压实阻力对履带车辆因此，要降低R/W，则需要降低W，增加L。对轮式车辆要降低R/W，则需要降低W，增加D。)())(1(1111nnnncLWBkknWR12112112221211222))(1()3()3(nnncnnnnnDBkKnnWWR2一些行走机构的改进方案弹性轮（变形轮）半履带装置防滑链螺旋驱动机构（推进器）叶轮星形轮行走机构（半步行机构）步行机构谢谢！