车辆地面力学课程报告

太原科技大学 2012学年第 2 学期研究生课程考核

（读书报告、研究报告）

考 核 科 目：车辆地面力学

学生所在院（系）：机械工程学院

学生所在学科：工程机械设计理论及应用

姓 名：刘利宝

学 号：s20110146

车辆地面力学课程报告

课程学习需重点搞清楚的问题：

1．车辆地面力学主要研究的内容和研究方法。

建立的车辆地面力学理论，主要研究各种越野车辆与地面、地形之间的关系。是一门以改进车辆设计提高其通过性的边缘学科。它也是车辆学科研究者必须具备的知识和掌握的研究方法。

车辆地面力学的研究方法：

1）、建立地面—车辆系统力学的理论。用土壤车辆力学的基本公式可以计算出车辆在不同的载荷和滑转系数下的驱动力、下陷量和滚动阻力，并推导出一些重要的新概念。

例如，在沙地（内聚力c=0）上车辆的最大驱动力只与其重量W(=qA)有关，而与接地面积A 无关；在泥浆（摩擦角υ=0）上最大驱动力只与接地面积A 有关，而与重量W 无关。

又如对于接地面积A ，如宽度大而长度小，则容易出现滑转，行驶效率不高。如窄长履带比宽短履带的牵引性能好……. 。

贝克还从动物的运动方式和相应的能量消耗对比推论，认为列车式是越野车辆的合理的车辆形态。 根据这一理论研制出一些新车型，如在雪地行驶的囊式轮胎列车，在沼泽地行驶的无腹式履带车和间隔式履带板，螺旋推进式汽车，在月球上行驶的月球车(MO-LAB)等。在中国， 利用这一理论研制出机耕船、水田拖拉机等。

2）、研究车辆与地面的关系：解决地面不被压溃，能承载车辆、减小行驶阻力很快通过的问题（软地面的矛盾较突出）。

目的：指导车辆的设计。

早先人们认为，只要加大轮胎或履带的接地面积（如增加轮胎数、降低轮胎气压或加大轮胎或履带的尺寸），减轻对地面的单位压力，同时安装大功率发动机，车辆就能有良好的通过松软地面的能力。根据这一概念曾设计出3轴10轮驱动（双后轴，每轴端各装双轮胎）的军用越野货车。但通过在第二次世界大战中使用，结果表明：在同样的轴荷下，双轮胎的行驶阻力增大，行驶效果并不佳。

这就引起人们开始系统地研究轮胎、履带等在各种地面上的驱动力、阻力、下陷、滑转及滑移等的变化规律和相互关系，即车辆－土壤系统的相互关系，以解决车辆的通过性问题，来指导车辆的设计。

对于土壤物质的多样性和性质的多变性，车辆作用力的复杂性，土壤反应因应力路径、载荷历史而不同的特性，车辆－土壤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计算机技术的发展有者密切联系。

2．土中固体部分和水的组成，以及它们对土结构和性能的影响。 土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物。岩石风化分为物理风化和化学风化。

物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。其特征是：量变过程，形成的土颗粒较粗。

化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。其特征是：质变过程，形成的土颗粒很细。

对一般的土而言，是物理风化和化学风化双重作用的产物。

土的组成：

土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。

固相：土的颗粒、粒间胶结物；

液相：土体孔隙中的水；

气相：孔隙中的空气。

当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；

当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土；

一般在地下水位以上、地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。

根据土的粘性分：

粘性土：颗粒很细；

无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。如砂、碎石、甚至堆石（直径几十cm 甚至1m ）

3．土的界限含水量的指标，它们如何反映粘土的物理状态。 土的物理性质：

常用的土的物理指标共有九个，（如含水率、密度、土粒比重、孔隙比、孔隙率、饱和度等），通过试验测定和指标换算得到。

粘性土的稠度:

1）、粘性土的稠度状态

稠度：指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的物理状态指标。

有流动、软、可塑、硬等四种描述状态。

可塑性：土在外力作用下可改变形状，但不显著改变其体积，也不开裂，外力卸除后仍能保持已有的形状。

2）、界限含水率

粘性土从一种状态过渡到另一种状态，可用某一界限含水率来区分，这种界限含水率称为稠度界限（通过试验得到）。

液限（wL ）——从流动状态转变为可塑状态的界限含水率，也就是可塑状态的上限含水率；

塑限（ wp ）——从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率，也就是可塑状态的下限含水率；

缩限（ Ws ）——从半固体状态转变为固体状态的界限含水率，亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含水率。

塑性指数：液限wL 和塑限wp 之差的百分数值（去掉百分号）。用Ip 表示，即：IP=wL-wp

用来进行粘性土的分类（粘土、粉质粘土）。塑性指数越高，土的粘粒含量越高。

液性指数：

定义为： I L =w -w p

w L -w p =w -w p I p

液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系，表达了天然土所处的状态。工程上用来判别粘性土的状态(坚硬、可塑、流态) 。

4．什么是土的强度破坏。什么是土的抗剪强度库仑定律，与什么有关。

土体受外载荷和自身重力重力作用，在土体内部产生法向应力和剪切力。若土体内部某点的剪应力达到该点的抗剪强度时，土即沿着剪应力的作用方向产生相对滑动（剪断），此时，该点为强度破坏。

当法向压力变化不大时，土壤的抗剪强度与法向压力的关系，近似为线性关系，即τ=c+σtan ψ。此即为土的抗剪强度库仑定律。

(c是土的内聚力，τ是土的抗剪强度，σ是作用在剪切面上的法向应力，ψ土的内摩擦角。)

土的抗剪强度由图的秒内聚力、内摩擦角和法向载荷来确定。

土的剪切应力——位移关系：渐近线型（松沙）和驼峰型（密沙）。松沙剪切时，沙粒落到大孔隙中，体积因此收缩，这种现象称为剪缩；密沙剪切时要发生体积胀大，成为剪胀。

5．什么是土的极限平衡条件，如何用莫尔应力圆表示砂土内某一点的应力状态。

土的强度破坏通常是指剪切破坏。当土中某一点的应力小于抗剪强度时，剪切破坏不会发生。当剪切应力等于土的抗剪强度时的临界状态，称为极限平衡状态或塑性平衡状态。极限平衡状态时各种应力的相互关系称为土的极限平衡条件。

无粘性沙土的极限平衡条件：

σ1=σ3tan2(45+ψ/2)；σ3=σ1tan2(45-ψ/2)。

粘土的极限平衡条件：

σ1=σ3tan2(45+ψ/2)+2ctan2(45+ψ/2)；

σ3=σ1tan2(45-ψ/2)-tan2(45-ψ/2)。

莫尔应力圆圆心位置为（σ1+σ3）/2、半径为（σ1-σ3）/2，圆上任意一点的横坐标表示某个方向上的正应力σ，纵坐标表示该方向上的剪应力τ。

6．土壤在载荷垂直作用下破坏的三种模式和特征，描述土体从加载开始到整体破坏的三个变形阶段。

土壤在载荷 垂直作用下，土体的破坏有三种：

1）、整体剪切破坏，其特征是：土体中出现与地面连通的滑动面，地面显著向上隆起。

2) 、冲剪破坏，其特征是：土体发生较大的压缩变形，不出现明显的滑动面，地面没有隆起现象。

3) 、局部剪切破坏，其特征是：破坏面只在土体内部出现，地面稍有隆起现象；局部剪切破坏是介于整体剪切破坏和冲剪破坏二者之间的一种破坏形式。

土体从加载开始到整体破坏为止，其变形可以分成三个阶段：

1）、Oa 直线段：地基中各点的剪应力都小于抗剪强度，处于稳定状态，其沉陷主要是土粒挤紧、土体压缩造成的。

2）、ab 段：已不在是直线，逐渐下弯；这时土体除了压密变形外，在土体中某些区域，剪应力逐渐达到土的抗剪强度，这些区域为塑性变形区。随着载荷的增加，土中塑性区的范围逐步扩大，最后地基土开始想周围挤出。这一阶段是由稳定状态向不稳定状态过度。

3）、bc 段：当载荷增加至某一数值后，地基变形突然加大，此时土体内形成了连续并与地面连通的滑动面。从而发生了整体剪切破坏。

半无限空间体：在土方机械与土壤相互作用的问题中，同外载荷作用范围相比较，土体是相当大的；在弹性力学中，这类问题可将土体看成是半无限空间体。

半无限平面体：当外载荷大小沿某一坐标方向不变时又常常将土体看成是半无限平面体。

7．机器重心对履带接地压力分布的影响，设定履带接地平面核心域的意义。

履带是机械通过松软地面的能力评价指标：

1) 、NGP(名义接地压力) ：NGP=W/2bL；

2) 、MMP(最大平均接地压力) ：MMP=1.26W/2Nb{qurt(2rt)}

机器重心对接地压力分布的影响：

1）、对于具有两条履带的机器来说，当工作重量与垂直外载荷所构成的合力在水平面上的投影，同履带接地端的几何中心相重合时，便认为接地压力是均匀分布的，其值为Pcp=W/（2bL ）此时平均接地眼里NGP 是履式机器的一个重要指标。设计履式机器时，在总体布置上要使载荷对陈并均匀地作用在履带接地段上，以保证机器均有良好的通过性和稳定性。

2）、由于存在横向偏移距c ，距重心近的履带所承受的载荷较大，反之则小。当c=0时，两条履带重力W1=W2，此时两条履带接地压力分布及数值完全相同。

3）、当横向偏移距为c ，纵向偏移距e 为零食，则两条履带的接地压力都是均匀分布的，压力图形为矩形。

4) 、当机器重心在纵向偏移距e 范围内变化时，接地压力呈梯形。当中心横向偏移距为c, 纵向偏移距e=L/b时，接地压力图为底边是履带接地长度的直角三角形。

设定履带接地平面核心域的意义：

履带平面核心域是履带接地段几何中心周围的一个矩形区域。只要机器的重心在这个区域以内，整个履带的接地长度都能承受一定的载荷。但当重心越出这个区域时，履带接地长度只有一部分承受载荷；此时，最大的接地压力必然增加。

设计履带时要力求及其在行驶和工作状态下的重心的投影始终保持在核心域的边界以内，从而满足整个履带接地长度都承受一定的载荷，这样增强履带式工程机械的寿命，又可以降低油耗，提高工作效率。

8．不同状态下车轮与土壤接触面上的应力分布状况。不同车轮滚动时轮缘下土壤的流型和形成的原因。

不同状态下车轮下与土壤接触面上的应力分布状况：

1）、G .Krick 通过实验结果表明，在刚性车轮作用下，法向应力σ和切向应力τ的分布，随着由被牵引状态到低滑转状态再到高滑转状态，进行相应的变化。在被牵引状态时，其切向应力的分布中存在有负的应力区。最大应力点，有随着车轮滑转率的增大而向后移动的倾向。

2）、在弹性轮胎下，其应力分布与刚性轮胎不同，呈扁平状态。若增加轮胎上的载荷，σ和τ的绝对值会增大，但其分布规律不会变化。

不同车轮滚动时轮缘下土壤的流型和形成的原因：

1）、黄祖永研究刚性车轮在沙土上滚动的情况：在纵向平面内轮缘下的流型取决于运动形式及滑转率。通常在滚动车轮下有两个土流区，一个区域中的土壤向前流动，另一个区域中的土壤向后流动。当滑转率为100%时，变为一个单纯向后的流动区域。当车轮制动时，就变成一个单纯向前的流动区域。另外，还发现在制动轮的前方，有一个楔形工体紧靠着车轮，仿佛成为车轮的一部分。

2）、在各种行驶条件下，刚性轮下面粘土粒的轨迹表明，接近车轮前方的土，首先处于朗肯被动状态。由于车轮的前进，土壤被向后推，轨迹的特征进一步表明在转动车轮下面存在着两个流动区域。车轮上作

用有垂直载荷、转矩，车轮运动时会产生滑转和滑移。

9．工作部件的单元工作元件及切削断面压入和切削土体时，土壤一般产生什么样的变形。如何降低切削过程的能量消耗。

1）、工作部件的单元工作元件压入和切削土体时，土壤一般产生的变形：

工作部件与土壤相互作用过程中，一般产生压缩、剪切和拉伸变形，并伴随土的断裂，土与工作面的摩擦，工作部件与地面的摩擦以及土体本身之间的摩擦。

单元工作元件指的是平面压膜、楔、圆锥体。把这类单元件压入土体时，主要产生土的压缩变形。在弹塑性的脆性的或松散的土中，还产生沿土体滑移面的剪切变形。在压模侧面与土体之间产生摩擦力，由于在压模底部下面土中压实区的运动，造成土间的摩擦。当把平板压模、楔和椎体倾斜压入土体时，还产生土的拉断变形。

2）、工作部件的切削断面压入和切削土体时，土壤一般产生的变形： 切削断面指的是用切削刃片制成截面形状不同的切削元件。当用切削断面水平切削土时，切削元件的前刃口（磨钝时为磨钝的表面）使土产生压缩、剪切、拉伸等变形，对粘性土还产生拉断变形。此外，切削时还产生土与切削元件前刃口、土与切削断面内表面之间的摩擦。

3）、降低切削过程的能量消耗的方法：

减少工作部件对土的挤压变形，增大土的剪切和断裂变形，将为降低切削过程的能量损耗创造有利条件。

10．土壤性能试验的意义和重要性，主要测取那类参数。矩形剪切

板与剪切环的优点。圆锥指数法的定义和作用。

2) 、试验研究：

地面车辆力学从一开始就是一门理论与试验并重的学科。不断地用现场试验来校核、修正土壤车辆力学的基本公式。

常用方法：模型试验和因次分析法。用模型试验来寻求和验证地面与车辆性能间的相互关系。把自然物理现象中与车辆行驶过程有关的因素按一定比例缩小后，放到试验室的土槽中进行观察测量，然后再把结果按一定比例放大，从而得到产生于原型中的物理现象。这种方法可以很好地控制所有参数和试验条件，对于一些 简单的基本概念可以很快进行推断，并可消除或减少某些干扰因素。

模型试验的理论基础是因次分析。这种方法的主要问题是地面性质的模型化问题。

土壤的可行驶性是以额定圆锥指数来表示的，额定圆锥指数是圆锥指数与重塑指数的乘积。

圆锥指数：是用标准圆锥仪压入土壤测得的圆锥单位底面积上的平均压力。

重塑指数：是对细粒土壤进行重塑试验（将欲测土壤不经扰动装入一小圆筒，以规定的重锤自规定的高度落下，按规定次数来回捶击，称为重塑）。将重塑后的圆锥指数与重塑前的圆锥指数相比的值。

为了可与土壤比较，又为各种车辆定出车辆圆锥指数。

车辆圆锥指数：是车辆在同一车辙中通过50次后的土壤的最小额定

圆锥指数。它受车重、行走机构类型、发动机功率、传动型式及地隙等因素的影响。

只要土壤的额定圆锥指数等于或大于车辆圆锥指数，车辆就能在这种土壤上行驶。

课程报告提纲

依据土壤力学基础理论中的土壤特性（主要是承压性和剪切性），阐述轮式和履式车辆（机械）行走系与地面土壤的相互作用关系，解释：

1、轮、履式车辆（机械）行走时的状态（即车轮、地面的变形状况、接地压力和分布特征）；滚动阻力、牵引力、滑转、下陷量的计算理论依据和方法；上述参数对发动机动力的选配、车辆的通过性和机动性的影响。

静止状态下履带接地压力的分析方法：

1）、静止条件下履带的接地压力分布，在车辆的主要设计参数中，还考虑悬挂装置和张紧装置的影响。

2）、最大平均压力不仅是车辆设计参数的函数，还是地面特性的函数。MMP 随着地面刚性的减小而减小，地面越软则接地压力分布越均匀。

3）、Rowland 求MMP 得计算公式中，忽略了地面性质的影响，其计算值认为与地面无关。

MMP 可以用来鉴别在同一种地面条件下，不同车辆的通过性能。但仅用MMP 是不够的。

4）、可以对接地压力进行定量分析，以评估车辆的通过性。

5）、支重轮的布置对接地压力分布和履带长金立有较大影响。履带悬挂系统决定后，增加支重轮数目可以减少最大接地压力，是接地压力分布均匀；也可以减少履带张紧力。改变支重轮半径对地面压力分布影响不大，而对履带张紧力则有较大影响。

6）、对于中等或硬的路面，增加悬挂和张紧弹簧的刚性，可以降低

最大接地压力；当地面较软时其影响则降低。另一方面，增加悬挂及张紧弹簧的刚性，对于履带张紧力的影响比较大。

7）、对于中等或硬地面，初始张紧力对接地压力分布有一定的影响；当地面较软时其影响则减弱。无论如何，履带的初张力对于履带张力肯定有显著的影响。

8）、车辆个别设计参数对接地压力分布和履带张紧力的影响不一定大，但其综合影响是显著的，故在涉及悬挂系统时，车辆个参数的综合影响必须考虑。

作业时履带接地压力分布的研究：

1）、对支重轮弹性悬挂少支点的履带式工程机械，其履带接地压力呈周期性变化的非线性分布。

2）、对支重轮刚性悬挂多支点的推土机，其履带接地压力则是近似线性分布的。

更多情况下履带接地压力的最大峰值，时出现在机器推土、运土、松土以及牵引作业工况下，从负载条件下研究履带的接地压力分布，更有实际意义。

2、机械重心对履式车辆（机械）的滚动阻力、牵引力、滑转、下陷量的影响；支重轮的分布和数量对履式车辆（机械）行走性能的影响。

1）、履带式工程机械支重轮的间距 s 与履带节距之比较小，故支重轮下接地压力不会产生较大的波动峰值，可视履带接地压力沿接地长度呈线性分布。

2）、履带的接地压力分布与机器重量、重心位置、工作阻力、地面

坡度及速度等因素的 影响有关。

3）、在作业工况下，滑转沉陷给予接地压力分布的影响，因履带、地面间构成的角度很 小 (α

4）、履带式工程机械重心位置的横向偏移很小，可忽略不计。

5）、履带式工程机械的工作载荷均匀作用在推土板或松土器上，侧向载荷很小，亦可忽略不计。

3、作业机械工作装置切削刃具与土壤的相互作用及土壤破坏效果分析。

工作部件与土相互作用时的运行轨迹有直线和曲线。对于带状土屑，切削阻力的波动较小；对于块状土屑，切削阻力波动较大。工作部件与土壤相互作用过程中，土一般产生压缩、剪切和拉伸变形，并伴随土的断裂，土与工作面的摩擦以及土本身之间的摩擦。

工作部件与土相互作用时，土体变形情况可用单元工作元件和切削断面压入和切削土的情况来简化描述：

1）、单元工作元件指的是平面压膜、楔、圆锥体；

大量实验测得，单元工作元件压入基土的作用力与下列因素有关： 工作元件的尺寸、形状、压入时与水平面的夹角、压入速度、土的物理机械性能。

2）、切削刃的切入角θ和后角δ对切削的影响：

用矩形刀组切削：后角δ小、切入角θ大或后角大、切入角θ小，其切削力的垂直分力指向下方，促使工作部件切入土中。

α、δ、θ较大时，由于对土有较大的挤压阻力，所以对刀组有向

上的垂直分力，产生推出刀组的趋势，而用半圆形切削刃可解决此问题。

正常情况下，为保证切削后角δ为正值，工作部件的铲挖速度应按下述条件确定：其铲挖速度的切向分量VCC 与法向分量VNC ：VNC/VCC

3）、工作部件切削断面形状和尺寸以及土屑参数对切削力的影响： 在同样条件下，用整体式曲线型切削刃切削粘土比用整体式直线型的切削力降低10%—20%，其原因是产生了斜楔的作用。斜切时除在运行方向上挤压基土外，还伴随沿滑移面的剪切作用。

断面形状的切削刃口：随切削刃口厚度的增长切削力的强度愈大，这是由于土屑磨钝刃口所挤压的面积占土屑截面积的比例增加的缘故。

断面形状对切削力影响：所有带锐齿的切削断面，切削力的垂直分力都指向下方，其中以半圆形切削断面的垂直分力最大，这是由于土屑的中部有较大的厚度和强度，因此土对切削断面有较大的垂直压力。这一点对铲斗的稳定性尤为重要。（各种刃口的垂直分力表征工作部件切入土中或在切削过程中保持稳定的能力）

土方机械是按土壤切削原理进行工作的，切削阻力占整个工作阻力的很大部分。

4、土壤性能的主要试验方法。

内聚力c ，内摩擦力ψ，剪切力τ可以由剪力仪直接测得，常用的剪力仪有：三轴剪力仪、直接剪力仪、环状剪力仪。

1）、三轴剪力仪是根据莫尔—库伦破坏准则测定的土壤的内聚力c ，内摩擦力ψ，剪切力τ。

最常用的三轴剪力仪是σ2=σ3情况下的准三轴试验：通常是对一圆柱体土样在其四周加以静压力（σ2=σ3），随后逐渐加大主应力σ1，直至破坏为止。

三轴剪力仪测定土壤性能的方法：根据破坏时的大、小主应力σ1、σ3，绘制莫尔圆。莫尔圆的包络线便是抗剪强度与法向应力的关系曲线，通常以近似直线表示。

该直线的倾角为ψ，在纵轴上的截距为c 。

公式满足：

τ=c+σtan ψ

σ= ½（σ1+σ3）+ ½（σ2-σ3）cos2α

τ= ½(σ2-σ3)sin2α

α=45°+ ½ψ

2）、直接剪力仪：分为应变控制式和应力控制式。

应变控制式：控制式样产生一定的位移，测定其相应的水平剪应力；

应力控制式：对试样施加一定的水平剪应力，测定其相应的位移。 由于应变控制式能够比较准确地测定剪应力以及剪切位移曲线上的峰值和最后值，而且操作简便，因此常用。

3）、剪切板和剪切环：可直接用于现场测定，是模拟车辆接地部分与地面相互作用的最好仪器。

剪切板和剪切环可以在预定的相当于车辆接地压力的垂直载荷下剪切地面。剪切板或剪切环与轮胎和履带的共同特征和作用是：两侧

向和纵深方向不受限制的土体、规定的垂直载荷以及在车辆滑转率范围内的快剪作用。

5、简述车辆－地面系统的模型建立和研究方法。

人们研究自然现象的方法：理论分析方法和试验方法。

所谓模型试验研究方法是以相似理论为依据，建立数学模型。用模型重演或预演被研究机器设备的工作过程，通过实验求出相似准则之间的关系式，再将此关系式推广到原型机器设备，从而得到机器设备的工作规律。

读书报告

第一章 土力学基础知识

1.1、求解极限承载能力的方法：太沙基法。

第二章 履带与地面的相互作用

2.1、履带的行驶阻力

推土阻力：由于行走装置前端的弓形波（轮式车辆）和土壤隆起（履式车辆）所形成的阻力，通常称为推土阻力。

土壤沉陷因素：

1）、土壤垂直方向的塑性流动；

2）、履带的滑转。车辆后部的沉陷深度要比前端大；光滑履带板掘入土壤的深度要比又履刺的履带板浅。

2.2、土壤推力

2.2.1、土壤推力：在车辆作用下有地面发生变形而发生的水平推力称为土壤推力或牵引力。土壤推力中的一部分消耗在克服滚动阻力上，其余部分则称为挂钩牵引力，它用于机器作业使车辆加速、爬坡或牵引负荷。

2.2.2、一般土壤所产生的推力是由接地面积A 和车辆重力W 共同决定的。FHmax=Ac+Wtanψ.

2.2.3、履带滑转率：i=1-v/rw=vf/vt.其中vf:履带相对于地面的滑转速度。

2.2.4、在车辆设计参数中，履带的接地长度值得特别注意。如果两条履带发挥相同的牵引力，则短而宽的履带车辆要比长而狭的车辆滑转

率大，且短而宽的履带车辆比长而狭的车辆滚动阻力大，故其有效牵引力比长而狭的车辆小。

总之，具有长而窄的履带车辆性能优于具有短而宽履带的车辆。

2.3、两种类型土壤与牵引力的关系

接地压力分布对牵引力、滑转率的影响：

1）、在沙土壤条件下，接地压力分布对牵引力、滑转率的影响较大；相反，在紧沙下则影响较小。

2）、在沙土壤条件下，滑转率较小时（0正弦曲线>均匀分布>右后向前线性增加的三角形。

在密沙条件下，最大牵引力蔽芾随滑转率的增大而增大，而是在某一滑转率时最大。

第三章车轮与地面的相互作用

3.1、轮胎与地面接触过程中的变形

3.1.1、弹性轮胎在硬路面上滚动时产生的阻力，主要有两种能量损失：

1）、轮胎在周期性变形时，橡胶内摩擦引起的能量损失。

2）、在接触面内，轮胎相对于地面滑移、滑转引起的能量损失。

3.1.2、弹性轮胎在软土上运动结论：

1）、轮胎变形的形状和大小主要由轮胎刚度和土壤强度共同决定

2）、如果土壤强度和轮胎刚度相比较小，那么轮胎的变形就小，当轮胎刚度超过某一值时，弹性轮胎可看做刚性车轮。

3）、若果土壤强度大于轮胎刚度，则轮胎变形就大。

4）、在计算车轮的滚动阻力时，可以用一个半径大一些的刚性车轮来代替。

3.1.3、黄祖永刚性车轮在沙土上滚动的情况：在纵向平面内轮缘下的流型取决于运动形式及滑转率。通常在滚动车轮下有两个土流区，一个区域中的土壤向前流动，另一个区域中的土壤向后流动。当滑转率为100%时，变为一个单纯向后的流动区域。当车轮制动时，就变成一个单纯向前的流动区域。

3.1.4、对刚性轮来说：刚性轮直径越大，沉陷越小，计算结果越准确。

3.1.5、车轮对地面的最大法向力，发生在下死点的前方，两个土流区的结合点上，，而且其位置是随着滑转率变化而变化的。

3.1.6、实际上，当车轮在滚动式，土壤的全部变形除了垂直方向的压实外，还有水平方向的位移和车轮前形成的弓形波。

3.2、车轮的滚动阻力

3.2.1、车轮的沉陷应有土壤压缩变形与滑轮沉陷两部分组成。

3.2.2、对车轮上的载荷，接触表面积一定时，则用直径大、宽度小的轮胎较好，这时滚动阻力小。

3.3、驱动轮在松软土壤上流动时产生滑转，滑转由三部分组成：

1）、轮胎与花纹的切向变形。

2）、土壤的切向变形。

3）、车轮在接地面积内的滑移。

第四章 土壤切削

4.1、土力学研究和解决的两大类问题：

1）、土体稳定问题（土体中的应力和强度）。

2）、土体的变形问题。

4.1.1、土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量

4.1.2、土壤的切削：从工艺角度讲是指工作部件的切削刃将一部分土从基础土分离出来，而形成土屑的过程，从物理角度讲是机械破碎土壤的一种方法。

土壤的铲挖：含义更广，包括土的切削，以及将分离出来的土屑堆集、推移或装入铲斗的全部过程。

开挖土壤的方法：机械开挖、水力开挖爆破方法。

4.1.3、对土方机械工作部件的要求：适应所铲挖土壤的条件和土方工程的工艺要求；保证铲挖过程有较低的能量消耗和较高的生产效能；保证结构的强度和可靠性；保证切削表面有足够的耐磨性；保证制造、安装、拆卸、修理的简便。

4.1.4、工作部件的基本参数：

1）、几何参数：切削角α、尖劈角β、后角δ、前角γ，切削角α=δ+β。

2）、工况参数：切削深度h ，削宽度b 和切削速度v 。

4.1.5、切削方式：自由切削、半自由切削和约束切削。

4.1.6、工作部件与土相互作用时的运行轨迹有直线和曲线。对于带状土屑，切削阻力的波动较小；对于块状土屑，切削阻力波动较大。工

作部件与土壤相互作用过程中，土一般产生压缩、剪切和拉伸变形，并伴随土的断裂，土与工作面的摩擦以及土本身之间的摩擦。

4.2、工作部件与土壤相互作用的过程及基本规律

工作部件与土相互作用时，土体变形情况可用单元工作元件和切削断面压入和切削土的情况来简化描述。

单元工作元件指的是平面压膜、楔、圆锥体；

4.2.1、通过对工作部件与土壤相互作用的过程及基本规律的理解，得出结论：减少工作部件对土的挤压变形，增大土的剪切和断裂变形，将为降低切削过程的能量损耗创造有利条件。

4.2.2、一般在楔的工作面上作用有两个法向力——在楔的斜面上的法向力F N1较大，在楔的垂直面上的法向力F N2较小，其压力的表达式为：F P =2FN1sin β/2+2FN1μcos β/2+2ΜF N2。

4.2.3、大量实验测得，单元工作元件压入基土的作用力与下列因素有关：

工作元件的尺寸、形状、压入时与水平面的夹角、压入速度、土的物理机械性能。

4.2.4、切削刃的切入角θ和后角δ对切削的影响：

1）、用矩形刀组切削：后角δ小、切入角θ大或后角大、切入角θ小，其切削力的垂直分力指向下方，促使工作部件切入土中。

2）、α、δ、θ较大时，由于对土有较大的挤压阻力，所以对刀组有向上的垂直分力，产生推出刀组的趋势，而用半圆形切削刃可解决此问题。

3）、正常情况下，为保证切削后角δ为正值，工作部件的铲挖速度应按下述条件确定：其铲挖速度的切向分量V CC 与法向分量V NC ：V NC /VCC

4.2.5、牵引力的波动的影响因素：土的断裂的周期性，土屑参数的变化，切削角的波动和牵引钢索的弹性。

4.2.6、影响切削阻力的各种因素的分析：

1）、相互作用方式对切削阻力和单位切削阻力的影响：

铲挖土壤过程中，自由面数的减少，使土的压缩阻力增加。因此，创造更多的自由面数对降低切削阻力是十分有意义的。

对于窄的切削断面，自由面数的增加，可使切削阻力降低的更多（与宽断面相比）。

2）、工作元件的尺寸和形状的切削阻力和单位切削阻力的影响： 切削力的变化过程：随着压膜压入土中，压入力F P 开始线性增加，然后非线性增长到某一数值后，就保持为某一常数。

随压膜面积的增大，压入力非线性的增长，而单位压入力的则逐渐减少。

截面积相同，压入力随压模周长的增加而增大，这是因为土与压膜侧壁有摩擦。

3）、工作部件切削断面形状和尺寸以及土屑参数对切削力的影响： 在同样条件下，用整体式曲线型切削刃切削粘土比用整体式直线型的切削力降低10%—20%，其原因是产生了斜楔的作用。斜切时除在运行方向上挤压基土外，还伴随沿滑移面的剪切作用。

断面形状的切削刃口：随切削刃口厚度的增长切削力的强度愈大，这是由于土屑磨钝刃口所挤压的面积占土屑截面积的比例增加的缘故。

断面形状对切削力影响：所有带锐齿的切削断面，切削力的垂直分力都指向下方，其中以半圆形切削断面的垂直分力最大，这是由于土屑的中部有较大的厚度和强度，因此土对切削断面有较大的垂直压力。这一点对铲斗的稳定性尤为重要。（各种刃口的垂直分力表征工作部件切入土中或在切削过程中保持稳定的能力）

极限切削深度：相应于切削能量消耗最小时的切削深度值。

切削角对切削力影响：切削角α过大或过小都使切削力增大，最好在30—40度的范围内。后角δ一般为7—8度。

4）、土的物理机械性能对单位切削力的影响：

土的密实度越大，土压入力越大。

单位切削阻力随土的单轴压缩阻力按线性关系增长。

4.2.7、土方机械是按土壤切削原理进行工作的，切削阻力占整个工作阻力的很大部分。

4.3、挖掘阻力与挖掘功的确定

铲掘阻力：土方机械全部工作阻力的总和。而克服该总阻力的作用力称为铲挖力或挖掘力。

4.3.1、沿工作部件运行轨迹切线方向作用力的合力称为铲挖力或挖掘力，而沿运行轨迹法向方向作用的合力称为法向铲掘力或法向挖掘力。上述两力的合力称为总铲掘力或总挖掘力。

4.3.2、单位切削阻力大小取决于下列因素：

1）、土壤的物理及机械性能；

2）、工作部件和土屑的形状参数；

3）、工作部件与土相互作用过程中的运动学参数：切削角和轨迹角。

4.3.3、切削元件结构合理性的原则：满足机器给定的生产率、能量消耗和工艺性能要求；有足够的强度和可靠性；创造和修理工艺合理简便；噪声和工作区的灰尘度不超过允许的水平。

第五章土壤的性能测定

5.1、常见的土壤特性参数：

内聚力c ，内摩擦力ψ，粘滞性η，密度ρ，弹性模量E ，压缩模量E S 。

土壤装置参数：

垂直变形模量Ko ，剪切变形模量K ，圆锥指数C.I.

5.2、c 、ψ及τ值的确定

内聚力c ，内摩擦力ψ，剪切力τ可以由剪力仪直接测得，常用的剪力仪有：三轴剪力仪、直接剪力仪、环状剪力仪。

5.2.1、三轴剪力仪是根据莫尔—库伦破坏准则测定的土壤的内聚力c ，内摩擦力ψ，剪切力τ。

最常用的三轴剪力仪是σ2=σ3情况下的准三轴试验：通常是对一圆柱体土样在其四周加以静压力（σ2=σ3），随后逐渐加大主应力σ1，直至破坏为止。

三轴剪力仪测定土壤性能的方法：根据破坏时的大、小主应力σ1、σ3，绘制莫尔圆。莫尔圆的包络线便是抗剪强度与法向应力的关系曲线，

通常以近似直线表示。

该直线的倾角为ψ，在纵轴上的截距为c 。

公式满足：

τ=c+σtan ψ

σ= ½（σ1+σ3）+ ½（σ2-σ3）cos2α

τ= ½(σ2-σ3)sin2α

α=45°+ ½ψ

5.2.2、直接剪力仪：分为应变控制式和应力控制式。

应变控制式：控制式样产生一定的位移，测定其相应的水平剪应力；

应力控制式：对试样施加一定的水平剪应力，测定其相应的位移。 由于应变控制式能够比较准确地测定剪应力以及剪切位移曲线上的峰值和最后值，而且操作简便，因此常用。

5.2.3、剪切板和剪切环：可直接用于现场测定，是模拟车辆接地部分与地面相互作用的最好仪器。

剪切板和剪切环可以在预定的相当于车辆接地压力的垂直载荷下剪切地面。剪切板或剪切环与轮胎和履带的共同特征和作用是：两侧向和纵深方向不受限制的土体、规定的垂直载荷以及在车辆滑转率范围内的快剪作用。

三轴剪力仪与剪切板和剪切环的实验结果不同：三轴剪力仪实验产生一条理论上的完整莫尔圆包络线；剪切环形成一条稍微弯曲，但代表车辆的实际情况的包络线。

5.2.4、应用剪切板测定土壤抗剪强度时，会引起很大的推土作用，从而使前方的土壤的剪切力τ增大，为解决这种麻烦常用的方法是：将剪切板前面的地方挖空，以便至少使土壤发挥其全部强度；另一个方法是将两个剪切板串联起来，第一个开辟道路，第二个测量剪力。

5.2.5、一般说来，直径越大，剪切环下的应力分布越均匀；水平剪切面积越大，c 、ψ值就越可靠。此外，大的圆环可使履刺效应减小到最小。

5.3、贝氏土壤参数的确定

测定土中应力和土体变形：用正应力传感器和切向力传感器。

5.4、土壤应力与土体变形的测定

车辆能够在地面上通过，主要取决于土壤的两个方面的性能：支撑车辆的土壤支持力和推进车辆的土壤抗剪强度。

5.5、圆锥指数的试验测定

5.5.1、圆锥指数：按英制单位定义，美国陆军水道试验站WES 采用底面积为½in ²(约为3.2cm ²) ，顶角为30°的圆锥，以大约1in/s（300mm/s）的速率压入地面至车辆影响所及深度，所需要的压入力（以榜计）除以圆锥底面积（英寸计）所得结果，称为圆锥指数。记为C.I.

5.5.2、圆锥曲线：深度和压力的关系曲线。

5.5.3、重塑作用：车辆常常在同一车辙内重复地行使，使车辙内的土壤产生重塑作用。重塑引起土壤的状态变化，使细颗粒土的强度减弱。

5.5.4、额定圆锥指数等级R.C.I. ：试验时将土样装入圆筒中，用圆

锥穿入仪测定圆锥指数，每隔25mm 记录一次，求其平均值，就是该土壤重塑前的圆锥指数。然后利用11N 的重锤，从300mm 的高度落下，冲击100次。再用圆锥穿入仪测定重塑后的圆锥指数，称为额定圆锥指数R.C.I. （Rating Cone Index）。

5.5.5、重塑指数R.I. ：额定圆锥指数和最初测定的圆锥指数之比，称为重塑指数（Remolding Index）。

公式：R.C.I=R.I* C.I.

5.5.6、车辆圆锥指数V .C.I. ：车辆在同一车辙中通过50次后陷车，所需要的最小额定圆锥指数，称为车辆圆锥指数。测量时，可调节土壤强度：通过次数超过50次时，可像图中加水以减弱土壤的强度；如果不足50次，则应增加土壤的强度然后测量。

5.5.7、圆锥指数与车辆性能的关系：

1）、若R.C.I >V.C.I. 时，说明土壤的支撑能力比车辆所需要的支撑能力大，则车辆可以通过50次以上。

2) 、R.C.I =0.75(V.C.I.) 时，则车辆可以通过1—2次；

3) 、R.C.I

第六章 模型试验

6.1、模型试验结论

6.1.1、模型试验：用缩小的或放大的模型，来进行对某一现象或系统的实验研究，并把实验结果按照模拟理论进行分析与处理，得出具有普遍意义的结论。

模型试验作为一种试验方法，主要用来检验纯理论分析所得的结果，并用以提供某些无法用理论方法解决问题的半经验公式或纯经验公式。

模型试验的理论基础是相似与模拟理论及特殊的表现形式——量纲分析

6.1.2、人们研究自然现象的方法：理论分析方法和试验方法。 所谓模型试验研究方法是以相似理论为依据，建立数学模型。用模型重演或预演被研究机器设备的工作过程，通过实验求出相似准则之间的关系式，再将此关系式推广到原型机器设备，从而得到机器设备的工作规律。

6.2、相似原理

6.2.1、物理现象的数学描述：一般说来，每一类物理现象均可根据自然规律，并依靠数学工具，把表征现象的各个参量的相互关系用一个或一组方程式表示出来。这是数学形式对物理现象的一种描述。

单值条件：从同一关系方程式中所描述的众多现象中把某一具体的特定现象单一地区分出来。

单值条件所包含的内容：

1）、几何条件：机器的外形尺寸，工作装置的形状。

2）、物理条件：土的内、外摩擦角，附着力，粘结力，密度。

3）、边界条件：铲刀铲切土时，与铲刀两侧所接触的物体的参数。

4）、初始条件：机器的初始速度等。

6.2.2、相似转变的方法：

1）、时间相似：对应的时间间隔互成一定的比例。

2）、运动相似：两个系统中的对应点、对应时刻（空间相似），速度互成一定的比例。

3）、动力相似：在两个系统中，在对应点、对应时刻，所受的力互成一定的比例。

4）、相似是指：在对应时刻，各对应点上表征现象的所有参量其大小各有确定不变的比值，若是向量，则其方向必须一致。

6.3、相似准则的导出

6.3.1、相似第一定理：凡彼此相似的现象，必定具有数值相同的相似准则。

比如相似三角形间数值都相同的这一比值l 1 /l2称为相似准则。相似三角形有两个独立的边长之比就有两个相似准则。

6.3.2、运动相似指标：C v Ct /Cl =1。此标志着两个运动系统相似，则其相似指标为1。

牛顿准则：N e =Ft/mv。

6.3.3、相似第一定律概括地说明如下：相似现象的性质可明确地表示为相似现象的相似指标等于1。

相似准则的说明：相似准则不止一个；无量纲是相似准则的主要属性。

6.3.4、相似第二定理（亦称相似逆定理）：凡具有同一特性的现象，当单值条件彼此相似，且由单值条件的物理量所组成的相似准则在数值上相等，则这些现象必定相似。

6..3.5、定性准则：因为单值条件是确定具体的特定现象的，所以通常称单值条件所包含的物理量为定性量，并把全由单值条件所包含的物理量所组成的相似准则称为定性准则。

6.3.6、物体运动的单值条件：运动轨迹、运动物体周围的介质，运动的初始速度等。

若两个物体的单值条件完全相同，则两个运动是同一运动；若两个运动的单值条件相似，则得到的解也是互为相似。

6.3.7、相似第二定理的结论：凡具有同一特性的现象，当单值条件彼此相似，且由单值条件物理量所组成的相似准则在数值上相等时，则这些现象必定相似。这就是做模型实验必须遵守的条件或法则，也称为模型法。

6.3.8、相似第三定理（Π定理）：描述现象的物理方程式可以转变成相似准则之间的关系式。准则关系式为：F （Π1，Π2，Π3，…，Πn ）=0。

6.3.9、模型实验研究方法的理论基础与相似三定理之间的关系：

1）、相似第一定理阐明了模型实验是应测定哪些量：诸相似准则所包含的一切量。

2）、相似第二定理阐明了模型实验所应遵守的条件：必须保证模型和原型的单值条件相似，且诸定性准则对应相等。

3）、相似第三定理阐明了如何整理实验结果：必须把实验结果整理成相似准则之间的关系式。