关于土壤－机器系统力学介绍

[拼音]：turang-jiqi xitong lixue

[外文]：mechanics of soil-machine system

研究机器在作业和行驶中与土壤相互作用的力学问题的一门学科。或称耕作与行驶土壤动力学。其任务是探明机器作用于土壤和土壤所起反应的规律；在土壤基础行为属性水平上建立相互关系的数学模型，以期能预测机器的行驶性能、作业质量、效率、能耗和经济性，以及土壤在机器通过和作业后的性能变化、压实、水土流失等问题，从而合理研制和设计机器的结构形态，优化机器和机器系统的设计和运用，保护土壤生态系统和农业资源。

概述

在农业机械领域内，土壤－机器系统力学的研究包括两部分：一是由土壤支承并借土壤对机器的反作用而产生驱动力的行走理论，即土壤－车辆系统力学，其研究对象是拖拉机和农业机械的行走装置；二是对土壤进行机械作业的耕作理论，即土壤耕作力学，其研究对象是土壤耕作机械和农田建设机械中的土方作业机械。

土壤－机器系统力学所涉及的，一般是深度在几十厘米以内的耕作层或地面土壤，而且机器是在广阔的地面上、在不同的季节以较高的速度对小范围饱和或非饱和的各种土壤施加复杂的载荷，使土壤在短时间内产生较大的变形。这与经典土力学所处理的建筑物地基与土壤的相互作用有较大的差异，后者是长年在固定地点以相当大的静载荷或地震波作用于较大范围、深达几十米的土壤，使土壤产生缓慢而相对微小的变化。因而不能完全采用经典土力学和土动力学的某些相类似的假定、理论、公式和方法。对于土壤物质的多样性和性质的多变性，机器作用力的复杂性，土壤反应因应力路径、载荷历史而不同的特性，以及速率效应、机器振动等的特点，结合耕作、土方工程和越野行驶的技术要求进行的研究，要以19世纪末至20世纪30年代苏联的Β.Π.戈里亚奇金和美国的M.L.尼科尔斯的研究为开端。至第二次世界大战末期，特别是50年代以后，土壤-机器系统力学逐步形成一门独特的新学科，它的形成和发展与机器力学、土壤物理、土力学、土动力学、连续介质力学、流变学、系统力学、随机过程和数理统计，以及新的分析方法和数值方法的发展有密切联系。

中国这方面的研究始于20世纪50年代中期。首先是建立室内试验土槽进行了拖拉机水田叶轮的研究；60年代初设计了贝氏仪，发展了船式拖拉机浮式和半浮式工作原理；进行了电渗犁的试验和犁耕土垡运动和阻力的分析；70年代初研制了水田土壤剪切仪、静载式和动载式水田土壤承压仪和水田土壤外附力/内聚力测定仪;并应用这些仪器对水田土壤参数与不同行走装置性能的关系进行了研究，提出了由土壤内聚力产生的推进力和由于沉陷、壅泥、积泥等外应力产生的行走阻力计算公式。70年代末至80年代初，还进行了水田土壤流变及触变性质的研究，提出了水田土壤的应力-应变-时间模型和水田土壤含水量与触变率之间的函数关系；进行了犁体曲面数学模型和优化。80年代以来进行的有土壤对金属表面粘附的机理研究与测定，履带和轮胎附着、驱动、压实性能和精确喷印网格法的研究，土壤切削的二维和三维有限元分析等。

研究内容

在农业机械领域内，土壤－机器系统力学研究的主要内容包括：

（1）各种土壤参数（材料特性、静力学特性、动力学特性、物理量传导特性、行为属性、综合特性等）的测试技术和田间快速测定技术及分布规律；

（2）土壤行为属性机理、应力－应变模型、本构关系、失效理论；

（3）典型行走装置(钢轮、叶轮、胎轮、金属履带、橡胶履带等)与土壤相互作用的基础工艺过程，其接地压强、沉陷量、驱动力、行驶阻力、滑行率间的定性定量关系，行走装置构型和设计的优化；

（4）拖拉机及其机组、各种自走式农业机械在各种土壤和地面条件下的牵引性能、通过性能、越障性能、转向 *** 纵性、振动特性、行驶稳定性和运输效率；

（5）土壤耕作机械和土方作业机械在以不同方式切削、挖掘、推移、破碎和抛置土壤的作业过程中，土壤的变形、破坏、移动、受力和能耗与土壤参数、机器结构参数和作业参数间的定性、定量关系，工作部件构型和设计的优化；

（6）拖拉机和各种田间作业机械对土壤的压实、水土流失与土壤参数、机器结构参数、作业参数之间的定性、定量关系，以及机组结构形态（型式、尺寸、重量、功率等关系）的优化。

研究方法

土壤－机器系统力学的研究一般采用带有本学科特色的经验法、半经验法（或类比法）、模型试验和理论研究等方法。

将机器放在不同的土壤中进行试验，测取其性能、能耗等数据。同时用特定的简易方法测定各种试验土壤的关键特性或综合性参数。将同一土壤的土壤特性、机器参数和性能数据相关联，得出定量关系即经验公式。利用这些经验公式，只须用简易的田间测定，即可预测机器性能。如在第二次世界大战中，为利用简便的贯入仪来预测各型车辆能否在各类地段通过而发展的“圆锥指数法”。在土壤耕作力学方面，以贯入仪测定耕层平均坚实度，用以预估田间土壤在适耕情况下各种相应型号犁体的犁耕比阻，也是经验法的例子。此法便于大面积执行，但发展成套的计算程序须经大量试验。在规定条件下得出的经验公式，不能随意推广应用于试验范围外的场合。

应用现有尚不完整的理论知识，为土壤与机器间的相互关系提供简单模型，并通过反复试验来校核与修正，从而建立起半经验、半理论公式。20世纪20年代苏联戈里亚奇金提出的铧式犁牵引阻力有理公式:F=fG+kab+εabv2，以及第二次世界大战后联邦德国W.泽内提出的类似公式: F=k0+(1-cosγn)cv2就是例子。两式中G为犁的重量；a为耕深；b为耕宽；v为犁的前进速度；f为综合摩擦系数; γn为犁壁翼端推土角；k，k0，ε， c为与土壤性质和犁体曲面等因素有关的系数。在土壤-车辆系统力学方面，50年代初，美国M.G.贝克用平板承压贯入仪和扭转剪切环构成贝氏仪，各自近似地模拟行走装置的垂直沉陷和水平推进，用该仪器测得的土壤数据，代入贝克在前人公式的基础上提出的式(1)作为行走装置的压力沉陷模型；代入贝克在前人公式基础上提出、并经Z.雅诺西简化的式（2）作为塑性土壤上行走装置水平牵引力-滑移率的模型：

上两式中p为接地比压;z为沉陷量；b为接地面积宽度或半径；kο为土壤内聚变形模量；kφ为土壤摩擦变形模量；n为沉陷指数; τ为土壤抗剪强度;c为土壤内聚力; Φ为土壤内摩擦角；k为土壤水平变形模量；j为土壤剪位移。两式中的kο、kφ、k、n、c、Φ等六个参数可用贝氏仪测定的两组曲线计算得出。

半经验法尽管应用的公式不完全符合实际情况，其结果有的尚好，有的较差。但在缺乏完整理论的情况下，仍不失为处理实际问题的途径之一。

应用相似原理，将系统性能方程表达为包含所有显著变量并相互独立的无因次项关系式，以模型与原型的无因次项对应相等作为模型设计准则。通过对模型的观察或测试，预测原型的性能，从而提供某些不能用理论分析方法获得的数量关系。同时，也可用以揭示某一系统物理参数的本质与效应。在土壤－机器系统力学中，由于土壤参数等不易放大、缩小，模型设计条件往往不能全部实现，从而出现预测因数的畸变。在这种情况下，需要通过分析来确定设计条件的畸变因数与预测畸变因数间的关系。可用几个不同比例模型的实验数据进行插值估计，或故意歪曲一二项其他设计条件来补偿。

模型试验可以在便于控制的室内土槽进行。通过量纲分析处理可减少预测方程中的项目数；通过合成土壤可处理较多的田间条件；通过真实模型可辨认起作用的因素，并可不通过测定来定量一些难测的物理因素等。1957年以来，美国、中国和其他国家的学者用模型试验法对土壤-机器系统中的力学问题进行了研究，在充气轮胎、凿形齿、推土铲、圆盘犁等的土壤 -机器关系方面取得一定成果。但对土壤的相似性、以及畸变因数的控制和处理尚待进一步深入研究。

通常是将力学原理和连续介质力学方法应用于土壤－机器基础关系的研究，建立一套包括土壤和机器的基本参数，以及所有输入变量相互作用结果的定量关系式，经过验证，从而把握客观变化的规律。理论方法的优点是能适应较大范围的环境变化，得出较高的计算精度。但由于土壤特别是农业土壤的材料差别大，特性变异大，参数难测，响应不属于保守力系，有关速率的效应未明，本构关系复杂，失效或破坏尚缺乏严格和实用的精确概念等原因，应用时往往十分困难、繁琐、费时费力。近年来，在新的分析方法、数值方法和计算机应用等的综合影响下，情况有所改进。英国剑桥大学“土壤力学小组”在20世纪50年代后期提出的粘性土临界状态理论，及其他人企图将此理论应用到非饱和土的工作，将土壤的容积应变与土壤的静水压力和剪应力相关联，成为三维本构模型，首次将实践中十分明显的密度变化这一因素引入模型研究，为理论解法的逼近实际提供了新的途径。

由于各种理论解法需要输入的土壤参数往往难测，理论方法最适用于探究变量改变的效应；此时可假设一套土壤参数，而不必实际测定。

研究设施

主要有：

（1）行走装置和土壤耕作部件原型或模型试验用的土槽和各种试验台车及测定装置；

（2）土壤参数的实验室及现场、田间测定仪器与设备，包括土壤水分、容重、透气度和压力测定仪，土壤三轴试验仪，土壤剪切仪和承压仪，土壤外附力和内聚力测定仪，贝氏仪等；

（3）行走装置和土壤耕作部件几何参数、变形、内应力和外压力测定装置；

（4）力和扭矩传感－记录装置；

（5）前进速度和转速传感－记录装置等。

发展趋势

随着电子计算机的广泛应用和差分、有限元、边界元等近似方法的发展，土壤－机器系统力学的基本理论研究正在日益发展、深入。已开始研究涉及表土或农业土壤的基本力学特性、土壤在受载过程中的密度场、应力场和应变场的变化，以及土壤屈服、塑性流动、破坏和加速度的产生等问题。计入土壤孔隙率对应力－应变关系的影响的临界状态理论普遍受到重视。与此同时，将发展和改进实验室特别是田间测试技术。模型试验方法也将继续得到应用和发展。此外，在中国，还将针对各地区的保土蓄墒耕作、水田作业和湿田作业，以及低洼地区机器的通过性等一系列突出问题进行基础性研究和技术开发。

参考书目

1. M.G.贝克著，《地面-车辆系统导论》翻译组译：《地面－车辆系统导论》，机械工业出版社，北京，1978。(M.G. Bekker ，Introduction to Terrain-Vehicle Systems，University of Michigan Press，Ann Arbor，1969.)