土壤－機器系統(tǒng)力學(xué)

或稱耕作與行駛土壤動力學(xué)。其任務(wù)是探明機器作用于土壤和土壤所起反應(yīng)的規(guī)律；在土壤基礎(chǔ)行為屬性水平上建立相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，以期能預(yù)測機器的行駛性能、作業(yè)質(zhì)量、效率、能耗和經(jīng)濟性，以及土壤在機器通過和作業(yè)后的性能變化、壓實、水土流失等問題，從而合理研制和設(shè)計機器的結(jié)構(gòu)形態(tài)，優(yōu)化機器和機器系統(tǒng)的設(shè)計和運用，保護土壤生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)資源。概述　在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域內(nèi)，土壤－機器系統(tǒng)力學(xué)的研究包括兩部分：一是由土壤支承并借土壤對機器的反作用而產(chǎn)生驅(qū)動力的行走理論，即土壤－車輛系統(tǒng)力學(xué)，其研究對象是拖拉機和農(nóng)業(yè)機械的行走裝置；二是對土壤進行機械作業(yè)的耕作理論，即土壤耕作力學(xué)，其研究對象是土壤耕作機械和農(nóng)田建設(shè)機械中的土方作業(yè)機械。土壤－機器系統(tǒng)力學(xué)所涉及的，一般是深度在幾十厘米以內(nèi)的耕作層或地面土壤，而且機器是在廣闊的地面上、在不同的季節(jié)以較高的速度對小范圍飽和或非飽和的各種土壤施加復(fù)雜的載荷，使土壤在短時間內(nèi)產(chǎn)生較大的變形。這與經(jīng)典土力學(xué)所處理的建筑物地基與土壤的相互作用有較大的差異，后者是長年在固定地點以相當大的靜載荷或地震波作用于較大范圍、深達幾十米的土壤，使土壤產(chǎn)生緩慢而相對微小的變化。因而不能完全采用經(jīng)典土力學(xué)和土動力學(xué)的某些相類似的假定、理論、公式和方法。對于土壤物質(zhì)的多樣性和性質(zhì)的多變性，機器作用力的復(fù)雜性，土壤反應(yīng)因應(yīng)力路徑、載荷歷史而不同的特性，以及速率效應(yīng)、機器振動等的特點，結(jié)合耕作、土方工程和越野行駛的技術(shù)要求進行的研究，要以19世紀末至20世紀30年代蘇聯(lián)的Β.Π.戈里亞奇金和美國的M.L.尼科爾斯的研究為開端。至第二次世界大戰(zhàn)末期，特別是50年代以后，土壤-機器系統(tǒng)力學(xué)逐步形成一門獨特的新學(xué)科，它的形成和發(fā)展與機器力學(xué)、土壤物理、土力學(xué)、土動力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、流變學(xué)、系統(tǒng)力學(xué)、隨機過程和數(shù)理統(tǒng)計，以及新的分析方法和數(shù)值方法的發(fā)展有密切聯(lián)系。中國這方面的研究始于20世紀50年代中期。首先是建立室內(nèi)試驗土槽進行了拖拉機水田葉輪的研究；60年代初設(shè)計了貝氏儀，發(fā)展了船式拖拉機浮式和半浮式工作原理；進行了電滲犁的試驗和犁耕土垡運動和阻力的分析；70年代初研制了水田土壤剪切儀、靜載式和動載式水田土壤承壓儀和水田土壤外附力/內(nèi)聚力測定儀；并應(yīng)用這些儀器對水田土壤參數(shù)與不同行走裝置性能的關(guān)系進行了研究，提出了由土壤內(nèi)聚力產(chǎn)生的推進力和由于沉陷、壅泥、積泥等外應(yīng)力產(chǎn)生的行走阻力計算公式。70年代末至80年代初，還進行了水田土壤流變及觸變性質(zhì)的研究，提出了水田土壤的應(yīng)力-應(yīng)變-時間模型和水田土壤含水量與觸變率之間的函數(shù)關(guān)系；進行了犁體曲面數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化。80年代以來進行的有土壤對金屬表面粘附的機理研究與測定，履帶和輪胎附著、驅(qū)動、壓實性能和精確噴印網(wǎng)格法的研究，土壤切削的二維和三維有限元分析等。研究內(nèi)容　在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域內(nèi)，土壤－機器系統(tǒng)力學(xué)研究的主要內(nèi)容包括：①各種土壤參數(shù)（材料特性、靜力學(xué)特性、動力學(xué)特性、物理量傳導(dǎo)特性、行為屬性、綜合特性等）的測試技術(shù)和田間快速測定技術(shù)及分布規(guī)律；②土壤行為屬性機理、應(yīng)力－應(yīng)變模型、本構(gòu)關(guān)系、失效理論；③典型行走裝置(鋼輪、葉輪、胎輪、金屬履帶、橡膠履帶等)與土壤相互作用的基礎(chǔ)工藝過程，其接地壓強、沉陷量、驅(qū)動力、行駛阻力、滑行率間的定性定量關(guān)系，行走裝置構(gòu)型和設(shè)計的優(yōu)化；④拖拉機及其機組、各種自走式農(nóng)業(yè)機械在各種土壤和地面條件下的牽引性能、通過性能、越障性能、轉(zhuǎn)向操縱性、振動特性、行駛穩(wěn)定性和運輸效率；⑤土壤耕作機械和土方作業(yè)機械在以不同方式切削、挖掘、推移、破碎和拋置土壤的作業(yè)過程中，土壤的變形、破壞、移動、受力和能耗與土壤參數(shù)、機器結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)間的定性、定量關(guān)系，工作部件構(gòu)型和設(shè)計的優(yōu)化；⑥拖拉機和各種田間作業(yè)機械對土壤的壓實、水土流失與土壤參數(shù)、機器結(jié)構(gòu)參數(shù)、作業(yè)參數(shù)之間的定性、定量關(guān)系，以及機組結(jié)構(gòu)形態(tài)（型式、尺寸、重量、功率等關(guān)系）的優(yōu)化。研究方法　土壤－機器系統(tǒng)力學(xué)的研究一般采用帶有本學(xué)科特色的經(jīng)驗法、半經(jīng)驗法（或類比法）、模型試驗和理論研究等方法。經(jīng)驗法　將機器放在不同的土壤中進行試驗，測取其性能、能耗等數(shù)據(jù)。同時用特定的簡易方法測定各種試驗土壤的關(guān)鍵特性或綜合性參數(shù)。將同一土壤的土壤特性、機器參數(shù)和性能數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，得出定量關(guān)系即經(jīng)驗公式。利用這些經(jīng)驗公式，只須用簡易的田間測定，即可預(yù)測機器性能。如在第二次世界大戰(zhàn)中，為利用簡便的貫入儀來預(yù)測各型車輛能否在各類地段通過而發(fā)展的“圓錐指數(shù)法”。在土壤耕作力學(xué)方面，以貫入儀測定耕層平均堅實度，用以預(yù)估田間土壤在適耕情況下各種相應(yīng)型號犁體的犁耕比阻，也是經(jīng)驗法的例子。此法便于大面積執(zhí)行，但發(fā)展成套的計算程序須經(jīng)大量試驗。在規(guī)定條件下得出的經(jīng)驗公式，不能隨意推廣應(yīng)用于試驗范圍外的場合。半經(jīng)驗法（類比法）　應(yīng)用現(xiàn)有尚不完整的理論知識，為土壤與機器間的相互關(guān)系提供簡單模型，并通過反復(fù)試驗來校核與修正，從而建立起半經(jīng)驗、半理論公式。20世紀20年代蘇聯(lián)戈里亞奇金提出的鏵式犁牽引阻力有理公式：F=fG kab εabv2，以及第二次世界大戰(zhàn)后聯(lián)邦德國W.澤內(nèi)提出的類似公式：F=k0 (1-cosγn)cv2就是例子。兩式中G為犁的重量；a為耕深；b為耕寬；v為犁的前進速度；f為綜合摩擦系數(shù)；γn為犁壁翼端推土角；k，k0，ε，c為與土壤性質(zhì)和犁體曲面等因素有關(guān)的系數(shù)。在土壤-車輛系統(tǒng)力學(xué)方面，50年代初，美國M.G.貝克用平板承壓貫入儀和扭轉(zhuǎn)剪切環(huán)構(gòu)成貝氏儀，各自近似地模擬行走裝置的垂直沉陷和水平推進，用該儀器測得的土壤數(shù)據(jù)，代入貝克在前人公式的基礎(chǔ)上提出的式(1)作為行走裝置的壓力沉陷模型；代入貝克在前人公式基礎(chǔ)上提出、并經(jīng)Z.雅諾西簡化的式（2）作為塑性土壤上行走裝置水平牽引力-滑移率的模型：上兩式中p為接地比壓；z為沉陷量；b為接地面積寬度或半徑；kο為土壤內(nèi)聚變形模量；kφ為土壤摩擦變形模量；n為沉陷指數(shù)；τ為土壤抗剪強度；c為土壤內(nèi)聚力；Φ為土壤內(nèi)摩擦角；k為土壤水平變形模量；j為土壤剪位移。兩式中的kο、kφ、k、n、c、Φ等六個參數(shù)可用貝氏儀測定的兩組曲線計算得出。半經(jīng)驗法盡管應(yīng)用的公式不完全符合實際情況，其結(jié)果有的尚好，有的較差。但在缺乏完整理論的情況下，仍不失為處理實際問題的途徑之一。模型試驗法　應(yīng)用相似原理，將系統(tǒng)性能方程表達為包含所有顯著變量并相互獨立的無因次項關(guān)系式，以模型與原型的無因次項對應(yīng)相等作為模型設(shè)計準則。通過對模型的觀察或測試，預(yù)測原型的性能，從而提供某些不能用理論分析方法獲得的數(shù)量關(guān)系。同時，也可用以揭示某一系統(tǒng)物理參數(shù)的本質(zhì)與效應(yīng)。在土壤－機器系統(tǒng)力學(xué)中，由于土壤參數(shù)等不易放大、縮小，模型設(shè)計條件往往不能全部實現(xiàn)，從而出現(xiàn)預(yù)測因數(shù)的畸變。在這種情況下，需要通過分析來確定設(shè)計條件的畸變因數(shù)與預(yù)測畸變因數(shù)間的關(guān)系。可用幾個不同比例模型的實驗數(shù)據(jù)進行插值估計，或故意歪曲一二項其他設(shè)計條件來補償。模型試驗可以在便于控制的室內(nèi)土槽進行。通過量綱分析處理可減少預(yù)測方程中的項目數(shù)；通過合成土壤可處理較多的田間條件；通過真實模型可辨認起作用的因素，并可不通過測定來定量一些難測的物理因素等。1957年以來，美國、中國和其他國家的學(xué)者用模型試驗法對土壤-機器系統(tǒng)中的力學(xué)問題進行了研究，在充氣輪胎、鑿形齒、推土鏟、圓盤犁等的土壤-機器關(guān)系方面取得一定成果。但對土壤的相似性、以及畸變因數(shù)的控制和處理尚待進一步深入研究。理論方法　通常是將力學(xué)原理和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法應(yīng)用于土壤－機器基礎(chǔ)關(guān)系的研究，建立一套包括土壤和機器的基本參數(shù)，以及所有輸入變量相互作用結(jié)果的定量關(guān)系式，經(jīng)過驗證，從而把握客觀變化的規(guī)律。理論方法的優(yōu)點是能適應(yīng)較大范圍的環(huán)境變化，得出較高的計算精度。但由于土壤特別是農(nóng)業(yè)土壤的材料差別大，特性變異大，參數(shù)難測，響應(yīng)不屬于保守力系，有關(guān)速率的效應(yīng)未明，本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，失效或破壞尚缺乏嚴格和實用的精確概念等原因，應(yīng)用時往往十分困難、繁瑣、費時費力。近年來，在新的分析方法、數(shù)值方法和計算機應(yīng)用等的綜合影響下，情況有所改進。英國劍橋大學(xué)“土壤力學(xué)小組”在20世紀50年代后期提出的粘性土臨界狀態(tài)理論，及其他人企圖將此理論應(yīng)用到非飽和土的工作，將土壤的容積應(yīng)變與土壤的靜水壓力和剪應(yīng)力相關(guān)聯(lián)，成為三維本構(gòu)模型，首次將實踐中十分明顯的密度變化這一因素引入模型研究，為理論解法的逼近實際提供了新的途徑。由于各種理論解法需要輸入的土壤參數(shù)往往難測，理論方法最適用于探究變量改變的效應(yīng)；此時可假設(shè)一套土壤參數(shù)，而不必實際測定。研究設(shè)施　主要有：①行走裝置和土壤耕作部件原型或模型試驗用的土槽和各種試驗臺車及測定裝置；②土壤參數(shù)的實驗室及現(xiàn)場、田間測定儀器與設(shè)備，包括土壤水分、容重、透氣度和壓力測定儀，土壤三軸試驗儀，土壤剪切儀和承壓儀，土壤外附力和內(nèi)聚力測定儀，貝氏儀等；③行走裝置和土壤耕作部件幾何參數(shù)、變形、內(nèi)應(yīng)力和外壓力測定裝置；④力和扭矩傳感－記錄裝置；⑤前進速度和轉(zhuǎn)速傳感－記錄裝置等。發(fā)展趨勢　隨著電子計算機的廣泛應(yīng)用和差分、有限元、邊界元等近似方法的發(fā)展，土壤－機器系統(tǒng)力學(xué)的基本理論研究正在日益發(fā)展、深入。已開始研究涉及表土或農(nóng)業(yè)土壤的基本力學(xué)特性、土壤在受載過程中的密度場、應(yīng)力場和應(yīng)變場的變化，以及土壤屈服、塑性流動、破壞和加速度的產(chǎn)生等問題。計入土壤孔隙率對應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的影響的臨界狀態(tài)理論普遍受到重視。與此同時，將發(fā)展和改進實驗室特別是田間測試技術(shù)。模型試驗方法也將繼續(xù)得到應(yīng)用和發(fā)展。此外，在中國，還將針對各地區(qū)的保土蓄墑耕作、水田作業(yè)和濕田作業(yè)，以及低洼地區(qū)機器的通過性等一系列突出問題進行基礎(chǔ)性研究和技術(shù)開發(fā)。參考書目　M.G.貝克著，《地面-車輛系統(tǒng)導(dǎo)論》翻譯組譯：《地面－車輛系統(tǒng)導(dǎo)論》，機械工業(yè)出版社，北京，1978。(M.G.Bekker，IntroductiontoTerrain-VehicleSystems，UniversityofMichiganPress，AnnArbor，1969.) 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土壤力學(xué)性質(zhì)(又稱機械物理性質(zhì))包括黏結(jié)性、黏著性、可塑性和脹縮性，以及其他受外力作用而發(fā)生變形的性質(zhì)，這些性質(zhì)又稱為土壤結(jié)持性。土壤力學(xué)性質(zhì)與土壤耕作中的諸多問題，如耕作難易、耕作質(zhì)量、土壤壓板等密切相關(guān)。土力學(xué)就是研究土壤力學(xué)特性的土壤學(xué)分支學(xué)科。

土壤脹縮性只在塑性土壤中發(fā)現(xiàn)。這種土壤干時收縮，濕時膨脹，土壤膨脹是指黏質(zhì)土壤在吸水時總?cè)莘e增大的現(xiàn)象。土壤吸水膨脹時所產(chǎn)生的壓力稱為土壤膨脹壓(soil swelling pressure)。土壤收縮(soil shrinkage)是指黏質(zhì)土壤隨含水量減少而總?cè)莘e減小的現(xiàn)象。土壤收縮，分為結(jié)構(gòu)收縮(structure shrinkage)、常態(tài)收縮(normal shrinkage)和剩余收縮(residual shrinkage)。結(jié)構(gòu)收縮是指黏質(zhì)土壤在含水量減少過程中，首先出現(xiàn)的土壤總?cè)莘e減少低于失水容積減少的階段，常態(tài)收縮是指黏質(zhì)土壤在含水量減少的過程中，土壤總?cè)莘e減少與失水容積減少相等的階段；剩余收縮是指黏質(zhì)土壤在含水量減少的過程中，土壤總?cè)莘e減少大于失水容積減少的階段。

土壤動力學(xué)性質(zhì)是指土壤受外力作用時所產(chǎn)生的力學(xué)性質(zhì)，如土壤強度、塑流、壓縮、摩擦等。土壤動力學(xué)作為一門科學(xué)，始于20世紀20年代。1950年美國工程師學(xué)會建立了獨立的土壤動力學(xué)學(xué)科，成為農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)性研究領(lǐng)域之一。

土壤動力學(xué)參數(shù)是動力學(xué)性質(zhì)的量度，可用來說明土壤對施加力的反作用。根據(jù)土壤動力學(xué)參數(shù)，以作用力為輸入、土壤變形為輸出的基本方程定量描述工具作用和土壤反作用的關(guān)系。動力學(xué)參數(shù)可分為獨立動力學(xué)參數(shù)和合成動力學(xué)參數(shù)兩類。以自變形式出現(xiàn)的土壤動力學(xué)參數(shù)包括剪切、拉伸、壓縮、塑流、摩擦和附著力（黏著力）。合成參數(shù)反映了由幾個獨立動力學(xué)參數(shù)綜合產(chǎn)生的性能，如穿透阻力、承壓強度和感應(yīng)強度等，可用簡單方法測定，當對其中的獨立參數(shù)難以分別測定時，則可測合成參數(shù)。2100433B