土壤－機器系統力學
正文
研究機器在作業和行駛中與土壤相互作用的力學問題的一門學科。或稱耕作與行駛土壤動力學。其任務是探明機器作用於土壤和土壤所起反應的規律；在土壤基礎行為屬性水平上建立相互關係的數學模型，以期能預測機器的行駛性能、作業質量、效率、能耗和經濟性，以及土壤在機器通過和作業後的性能變化、壓實、水土流失等問題，從而合理研製和設計機器的結構形態，最佳化機器和機器系統的設計和運用，保護土壤生態系統和農業資源。概述 在農業機械領域內，土壤－機器系統力學的研究包括兩部分：一是由土壤支承並借土壤對機器的反作用而產生驅動力的行走理論，即土壤－車輛系統力學，其研究對象是拖拉機和農業機械的行走裝置；二是對土壤進行機械作業的耕作理論，即土壤耕作力學，其研究對象是土壤耕作機械和農田建設機械中的土方作業機械。
土壤－機器系統力學所涉及的，一般是深度在幾十厘米以內的耕作層或地面土壤，而且機器是在廣闊的地面上、在不同的季節以較高的速度對小範圍飽和或非飽和的各種土壤施加複雜的載荷，使土壤在短時間內產生較大的變形。這與經典土力學所處理的建築物地基與土壤的相互作用有較大的差異，後者是長年在固定地點以相當大的靜載荷或地震波作用於較大範圍、深達幾十米的土壤，使土壤產生緩慢而相對微小的變化。因而不能完全採用經典土力學和土動力學的某些相類似的假定、理論、公式和方法。對於土壤物質的多樣性和性質的多變性，機器作用力的複雜性，土壤反應因應力路徑、載荷歷史而不同的特性，以及速率效應、機器振動等的特點，結合耕作、土方工程和越野行駛的技術要求進行的研究，要以19世紀末至20世紀30年代蘇聯的Β.Π.戈里亞奇金和美國的M.L.尼科爾斯的研究為開端。至第二次世界大戰末期，特別是50年代以後,土壤-機器系統力學逐步形成一門獨特的新學科，它的形成和發展與機器力學、土壤物理、土力學、土動力學、連續介質力學、流變學、系統力學、隨機過程和數理統計，以及新的分析方法和數值方法的發展有密切聯繫。
中國這方面的研究始於20世紀50年代中期。首先是建立室內試驗土槽進行了拖拉機水田葉輪的研究；60年代初設計了貝氏儀，發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年代初研製了水田土壤剪下儀、靜載式和動載式水田土壤承壓儀和水田土壤外附力/內聚力測定儀;並套用這些儀器對水田土壤參數與不同行走裝置性能的關係進行了研究，提出了由土壤內聚力產生的推進力和由於沉陷、壅泥、積泥等外應力產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的研究，提出了水田土壤的應力-應變-時間模型和水田土壤含水量與觸變率之間的函式關係；進行了犁體曲面數學模型和最佳化。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、驅動、壓實性能和精確噴印格線法的研究，土壤切削的二維和三維有限元分析等。
研究內容 在農業機械領域內，土壤－機器系統力學研究的主要內容包括：①各種土壤參數（材料特性、靜力學特性、動力學特性、物理量傳導特性、行為屬性、綜合特性等）的測試技術和田間快速測定技術及分布規律；②土壤行為屬性機理、應力－應變模型、本構關係、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工藝過程,其接地壓強、沉陷量、驅動力、行駛阻力、滑行率間的定性定量關係，行走裝置構型和設計的最佳化；④拖拉機及其機組、各種自走式農業機械在各種土壤和地麵條件下的牽引性能、通過性能、越障性能、轉向操縱性、振動特性、行駛穩定性和運輸效率；⑤土壤耕作機械和土方作業機械在以不同方式切削、挖掘、推移、破碎和拋置土壤的作業過程中，土壤的變形、破壞、移動、受力和能耗與土壤參數、機器結構參數和作業參數間的定性、定量關係，工作部件構型和設計的最佳化；⑥拖拉機和各種田間作業機械對土壤的壓實、水土流失與土壤參數、機器結構參數、作業參數之間的定性、定量關係，以及機組結構形態（型式、尺寸、重量、功率等關係）的最佳化。
研究方法 土壤－機器系統力學的研究一般採用帶有本學科特色的經驗法、半經驗法（或類比法）、模型試驗和理論研究等方法。
經驗法 將機器放在不同的土壤中進行試驗，測取其性能、能耗等數據。同時用特定的簡易方法測定各種試驗土壤的關鍵特性或綜合性參數。將同一土壤的土壤特性、機器參數和性能數據相關聯，得出定量關係即經驗公式。利用這些經驗公式,只須用簡易的田間測定,即可預測機器性能。如在第二次世界大戰中，為利用簡便的貫入儀來預測各型車輛能否在各類地段通過而發展的“圓錐指數法”。在土壤耕作力學方面，以貫入儀測定耕層平均堅實度，用以預估田間土壤在適耕情況下各種相應型號犁體的犁耕比阻，也是經驗法的例子。此法便於大面積執行，但發展成套的計算程式須經大量試驗。在規定條件下得出的經驗公式，不能隨意推廣套用於試驗範圍外的場合。
半經驗法（類比法） 套用現有尚不完整的理論知識,為土壤與機器間的相互關係提供簡單模型,並通過反覆試驗來校核與修正，從而建立起半經驗、半理論公式。20世紀20年代蘇聯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後聯邦德國W.澤內提出的類似公式: 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為綜合摩擦係數; γn為犁壁翼端推土角；k，k0，ε, c為與土壤性質和犁體曲面等因素有關的係數。在土壤-車輛系統力學方面，50年代初,美國M.G.貝克用平板承壓貫入儀和扭轉剪下環構成貝氏儀，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據,代入貝克在前人公式的基礎上提出的式(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上提出、並經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為土壤內聚變形模量；kφ為土壤摩擦變形模量；n為沉陷指數; τ為土壤抗剪強度;c為土壤內聚力; Φ為土壤內摩擦角；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等六個參數可用貝氏儀測定的兩組曲線計算得出。
半經驗法儘管套用的公式不完全符合實際情況，其結果有的尚好，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 套用相似原理，將系統性能方程表達為包含所有顯著變數並相互獨立的無因次項關係式，以模型與原型的無因次項對應相等作為模型設計準則。通過對模型的觀察或測試，預測原型的性能，從而提供某些不能用理論分析方法獲得的數量關係。同時，也可用以揭示某一系統物理參數的本質與效應。在土壤－機器系統力學中,由於土壤參數等不易放大、縮小,模型設計條件往往不能全部實現，從而出現預測因數的畸變。在這種情況下，需要通過分析來確定設計條件的畸變因數與預測畸變因數間的關係。可用幾個不同比例模型的實驗數據進行插值估計，或故意歪曲一二項其他設計條件來補償。
模型試驗可以在便於控制的室內土槽進行。通過量綱分析處理可減少預測方程中的項目數；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，並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者用模型試驗法對土壤-機器系統中的力學問題進行了研究,在充氣輪胎、鑿形齒、推土鏟、圓盤犁等的土壤 -機器關係方面取得一定成果。但對土壤的相似性、以及畸變因數的控制和處理尚待進一步深入研究。
理論方法 通常是將力學原理和連續介質力學方法套用於土壤－機器基礎關係的研究，建立一套包括土壤和機器的基本參數，以及所有輸入變數相互作用結果的定量關係式，經過驗證，從而把握客觀變化的規律。理論方法的優點是能適應較大範圍的環境變化，得出較高的計算精度。但由於土壤特別是農業土壤的材料差別大，特性變異大，參數難測，回響不屬於保守力系，有關速率的效應未明，本構關係複雜，失效或破壞尚缺乏嚴格和實用的精確概念等原因，套用時往往十分困難、繁瑣、費時費力。近年來，在新的分析方法、數值方法和計算機套用等的綜合影響下，情況有所改進。英國劍橋大學“土壤力學小組”在20世紀50年代後期提出的粘性土臨界狀態理論，及其他人企圖將此理論套用到非飽和土的工作，將土壤的容積應變與土壤的靜水壓力和剪應力相關聯，成為三維本構模型，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。
由於各種理論解法需要輸入的土壤參數往往難測，理論方法最適用於探究變數改變的效應；此時可假設一套土壤參數，而不必實際測定。
研究設施 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台車及測定裝置；②土壤參數的實驗室及現場、田間測定儀器與設備，包括土壤水分、容重、透氣度和壓力測定儀，土壤三軸試驗儀，土壤剪下儀和承壓儀，土壤外附力和內聚力測定儀，貝氏儀等；③行走裝置和土壤耕作部件幾何參數、變形、內應力和外壓力測定裝置；④力和扭矩感測－記錄裝置；⑤前進速度和轉速感測－記錄裝置等。
發展趨勢 隨著電子計算機的廣泛套用和差分、有限元、邊界元等近似方法的發展，土壤－機器系統力學的基本理論研究正在日益發展、深入。已開始研究涉及表土或農業土壤的基本力學特性、土壤在受載過程中的密度場、應力場和應變場的變化，以及土壤屈服、塑性流動、破壞和加速度的產生等問題。計入土壤孔隙率對應力－應變關係的影響的臨界狀態理論普遍受到重視。與此同時，將發展和改進實驗室特別是田間測試技術。模型試驗方法也將繼續得到套用和發展。此外，在中國，還將針對各地區的保土蓄墒耕作、水田作業和濕田作業，以及低洼地區機器的通過性等一系列突出問題進行基礎性研究和技術開發。
參考書目
M.G.貝克著,《地面-車輛系統導論》翻譯組譯：《地面－車輛系統導論》，機械工業出版社，北京，1978。(M.G. Bekker ，Introduction to Terrain-Vehicle Systems,University of Michigan Press，Ann Arbor,1969.)
