土壤动力学基础教学课件PPT.ppt

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（soil dynamics)又可称： 地面力学(terramechanics); 耕作与牵引土壤力学（mechanics of tillage and traction); 土壤-车辆系统力学(mechanics of soil-vehicle system)； 土壤-机器系统力学(mechanics of soil-machine system) 但与土力学（ soil mechanics）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（ fighting vehicle research & development establishment 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（land locomotion laboratory ），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（journal of terramechanics) ； 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,（6）爱伯特极限（atterberg limits),收缩极限 塑限 液限 塑性指数 （7）粘附极限,1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.g bekker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 k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。,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。,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）,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,如以 代入积分，得 可知，履带可发挥的最大推力：,3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 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。 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,（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,(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,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,于是 用代换 得到 将 展开成级数取前两项 于是,积分得 或 以 代k ，得到 最终得到从动刚性轮的行走阻力,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。,（2）改进途径 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