土壤-机器系统力学

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1、土壤一机器系统力学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，土壤一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牛驱动力的行走理

2、论，即土壤一车辆系统力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。土壤一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牛较人的变形。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界，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人范围、深达儿I•米的土壤，使土壤产生缓

3、慢而相对微小的变化。因而不能完全采用经典土力学和七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耍求进行的研究，耍以19世纪末至20世纪30年代苏联的B.n.戈电亚奇金和美国的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，它的形成和发展少机器力学、土壤物理、土力学、土动力学、连续介质力学、

4、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年代屮期。百先是建立室内试验土槽进行了拖拉机水田叶伦的研究；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堡运动和阻力的分析；70年代初研制了水山土壤剪切仪、静载式和动载式水田土壤承压仪和水［□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

5、。70年代末至80年代初，还进行了水III土壤流变及触变性质的研究，提出了水山土壤的应力-应变-吋间模型和水III土壤含水量与触变率Z间的函数关系；进行了犁体曲面数学模型和优化。80年代以来进行的冇土壤对金属表面粘附的机理研究与测定，履带和轮胎附着、驳动、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，土壤一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）的测试技术和出间快速测定技术及分布规律；②土壤行

6、为属性机理、应力一应变模型、木构关系、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）与十•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、各种口走式农业机械在各种丄壤和地面条件下的牵引性能、通过性能、越障性能、转向操纵性、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、破碎和抛査土壤的作业过程屮，土壤的变形、破坏、移动、受力和能耗为土壤参数、机器结构参数和作业参数间的定性、

7、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，以及机纽结构形态（型式、尺寸、重量、功率等关系）的优化。研究方法土壤一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。经验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

8、须用简易的IH间测定，即可预测机器性能。如在笫二次世界大战中，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“関锥指数法”。在土壤耕作力学方面，以贯入仪测定耕层平均坚实度，川以预估田间土壤在适耕情况卜各种相应型号犁体的犁耕比阻，也是经验法的例子。此法便于人而积执行，但发展成套的计算程序须经人量试验。在规定条件下得出的经验公式，不能随