湿软土壤上履带板的推力计算

为了合理地预测湿软地上履带行走装置的推进力，对履带板的推力计算模型行了修正。修正后的计算模型考虑了土壤受剪速度对其剪切应力的影响。实验结果表明履带板的推力介于考虑和不考虑覆刺效应的两个理论值之间。     

大型履带行走装置支重轮和履带板接触分析

为研究大型履带支重轮与履带板间接触问题,基于赫兹接触理论建立了支重轮履带板的接触分析数学模型,并通过ABAQUS建立的支重轮履带板非线性接触有限元模型进行验证。在此基础上,应用所建立的数学模型探讨了载荷、几何参数对最大接触压力及接触椭圆的影响。结果表明:接触区域影响范围很小;最大接触压力在接触区域中心,并随着载荷、两接触面曲率变化呈非线性变化;接触椭圆随各曲率变化而变化,但椭圆离心率不随载荷变化。该研究可为大型履带支重轮和履带板设计提供参考。     

湿软土壤剪切应力—剪切速度—时间关系及其应用(第4报)——水田链桨式驱动装置推力计算

为寻求合适的水田驱动装置及其推力的预测方法,阐述了链桨式驱动装置的工作原理并在将土壤作为流变体的情况下导出了其推力的计算公式。试验表明,导出的式子与实测结果吻合良好。     

用修正的Green-Ampt模型确定土壤入渗性能的速算方法

土壤入渗性能的确定对水文过程及其相关研究与应用具有重要的意义。该文在土壤入渗性能的水平土柱测量方法和Green-Ampt修正模型的基础上,推导出了Green-Ampt模型与修正模型之间的比例关系,进而提出了土壤入渗性能的速算模型。该计算模型在保证土壤入渗性能计算精度的前提下,计算过程较修正Green-Ampt模型有了很大的简化。将3种方法计算得到的土壤入渗率进行了比较,快速方法计算得到的土壤入渗性能与Green-Ampt修正模型计算得到的土壤入渗性能非常接近。在水量平衡原理的基础上得到3种方法计算结果误差分别为11.5%（Green-Ampt模型）,0.66%（修正模型）和2.68%（快速计算模型）。表明快速计算方法具有很高的精度。新方法大大简化了修正模型的计算步骤。该文提出的土壤入渗性能速算法与水平土柱试验相结合,可以方便地应用于室内土壤入渗性能的测量,为水文循环/地表产流等相关研究提供便捷的土壤入渗性能计算工具。     

用水平土柱和修正的Green-Ampt模型确定土壤的入渗性能

土壤入渗能力和降雨产流过程及地下水密切相关。土壤入渗过程决定了灌溉/降雨过程中水分进入土壤的过程,影响了化肥、农药及其他污染物随水分迁移过程以及坡面水文与土壤侵蚀过程等。该研究根据水流在水平土柱中运动的能量要求以及实际测量得到的土壤水分分布,对Green-Ampt模型中含水率分布呈活塞运动推进(即湿润锋内部土壤水分为恒定值)的假定进行了修正。采用更符合实际的呈线性分布的土壤水分分布模型,基于水量平衡和土壤水动力学原理,提出了对应的土壤入渗性能的计算模型。给出了利用修正模型估计土壤入渗性能的方法,计算模型以及计算过程。结果表明,利用修正模型估算得到的土壤入渗性能回归的入渗水量与实际供水量的相对误差为0.66%,说明该修正模型和计算方法具有很高的精度。该文提出的修正模型很好地描述了水分在土壤中的分布,较Green-Ampt入渗模型中的活塞模型更符合土壤水动力学中关于土壤水分运动的分析。将该修正模型与水平土柱试验结合,可以大大地提高土壤入渗性能计算的精度,为以后的土壤水分运动,地表产流计算以及土壤侵蚀等方面的研究提供非常有效的工具。     

履带车辆转向时最大驱动力矩的计算

履带车辆转向时不仅要克服行走阻力,还要克服转向阻力,该文对不考虑车体重心偏移时的转向驱动力矩进行了研究,并在此基础上着重研究了考虑重心偏移时的转向驱动力矩的计算方法,进行了实例计算和比较分析,可知横向偏心距对总的转向阻力矩没有影响,而纵向偏心距对其有影响,且随纵向偏心距的增加转向阻力矩减小;只考虑纵向偏心距,而不考虑横向偏心距时,转向时驱动力矩小于不考虑重心偏移时的驱动力矩;当只考虑横向偏心距,而不考虑纵向偏心距时,转向驱动力矩最大。当履带车辆原地转向,且只存在横向偏心距时靠近偏心一侧的履带的驱动力矩最大。     

考虑滑移滑转的双电机履带底盘路径跟踪算法

针对履带底盘田间作业时由于土壤松软、田面不平整导致履带滑移滑转、自动导航路径跟踪精度低的问题,该研究提出了考虑滑移滑转的履带底盘路径跟踪算法,基于履带底盘运动学模型推导出表征滑移滑转特性的转向半径修正系数,并设计了一种基于预瞄模型的模糊控制路径跟踪算法。该方法在纯模糊控制基础上通过预瞄模型确定预瞄点,进而得到横向偏差与航向偏差,同时在常规模糊控制器中引入转向半径修正系数,建立横向偏差、航向偏差、转向半径修正系数三输入模糊控制器。以双电机履带底盘为控制对象,采用高精度RTK-GNSS和MTi-30惯性传感器获取底盘实时位姿信息与角速度信息,进行组合导航。开展了三输入模糊控制器田间U型路径跟踪试验,结果表明,三输入模糊控制器的直线跟踪最大绝对偏差、平均绝对偏差和标准差分别为12.0、3.6和4.4 cm;三输入模糊控制的曲线跟踪最大绝对偏差、平均绝对偏差和标准差分别为21.3、8.6和8.4 cm;为进一步确定本研究算法在履带出现滑移滑转时对路径跟踪精度的提升效果,开展了常规模糊控制器与三输入模糊控制器曲线路径跟踪对比试验,结果表明：当作业速度为0.6 m/s时,常规模糊控制器的最大绝对偏差、平均绝对偏差和标准差分别为31.1、8.3和10.2 cm,三输入模糊控制器的最大绝对偏差、平均绝对偏差和标准差分别为22.4、7.4和9.1 cm,相较于常规模糊控制器,路径跟踪精度分别提高了27.95%、10.84%和10.78%,所设计的三输入模糊控制器可有效降低履带滑移滑转的影响,增强导航系统的控制性能,可为履带底盘在田间松软土壤环境下高精度导航作业提供参考。     

橡胶履带轮静态接地压力测试与建模

为快速有效预测橡胶履带轮接地压力,该文针对橡胶履带轮静态接地压力进行了试验研究和数学建模。首先对不同载荷下橡胶履带轮在坚实地面和松软地面的接地压力进行了测试。结果表明:在履带长度方向上,橡胶履带轮接地压力呈多峰值非均匀分布,同时其峰值呈钟罩型分布,且载荷越大,峰值分布越均匀。根据测试结果提出了一种橡胶履带轮静态接地压力分布数学模型,履带长度方向的接地压力采用二次余弦函数表示,履带宽度方向的接地压力采用线性函数表示。相较于其他模型,该模型采用地面硬度参数表征不同的地面条件,避免了进行土壤承压和剪切试验,提高了模型的实用性。最后,基于该模型对橡胶履带轮转向性能进行了仿真计算和试验验证。结果证明:仿真结果与试验数据最大误差约为4.71%,故该模型能够较好地适用于橡胶履带轮的转向性能分析。该文提出的模型可为橡胶履带轮的结构设计和其他性能研究提供参考。     

湿软土壤剪切应力—剪切速度—时间关系及其应用（第1报）：湿软土壤剪…

为了探讨湿软土壤的剪切应力－剪切位移关系，对湿软土壤的剪切变形机制进行了分析。分析结果表明，由于土壤内部颗粒排列的不规则性和缺陷的存在使得其抗剪能力大大降低。可借助位错理论的某些方法来阐述湿软土壤的剪切变形机理。     

履带车辆差速转向时载荷比受土壤下陷的影响

为进一步探究履带车辆双功率流动力差速转向机构的转向性能,需要对载荷比的影响因素进行全面分析。该文主要考虑下陷量及土壤参数的影响,对试验样机进行差速转向试验,得到了下陷量与实际载荷比的关系、下陷量与转向半径的关系以及载荷比与转向半径的关系,根据载荷比公式计算的数值与试验测得的数值接近,误差范围在0.16～1.74。试验中,载荷比从1.65增加到6.08,下陷量从3.60 mm增加到10.42 mm,转向半径从1.00 m减小到0.29 m。试验结果表明：履带车辆在松软地面进行差速转向时,下陷量随着实际载荷比的增加而增大,但随着转向半径的减小而增大。该文试验所得结果与理论分析相吻合,可以进一步完善履带车辆差速转向理论。     

仿生结构异质复合材料界面无损检测及拉剪性能试验

仿生结构异质复合材料复合界面缺陷及强度对其在工程上的应用具有极大的影响。为了探讨仿生结构异质复合材料结合界面无损检测技术及其抗拉剪性能,该文以海豚皮肤结构为仿生蓝本,采用仿生相似性原理,以硬度值为A80的聚氨酯做面层材料,以灰口铸铁作为基底材料,并在基底加工仿生形态,采用浇铸高压定型复合法进行仿生形态异质复合材料的制备。采用超声波无损检测方法对这种复合结构界面进行无损检测研究。得出利用双探头,采用一收一发的方式对其检测效果较好,并通过制备试样的拉剪性能试验对无损检测方法进行了验证。利用二因素三水平正交试验优化设计对该材料的结合界面抗剪性能进行试验研究。试验结果表明,在复合界面不存在缺陷的前提下,影响聚氨酯/铸铁仿生形态异质复合材料的抗剪性能的主次因素分别为复合界面的形态,面层材料的配比。在面层材料的配比为100∶12时,复合界面为仿生形态时,其最大抗拉剪力可达到1 233.83 N。该研究为此种复合材料在工程上的实际应用提供了参考。     

履带板、齿间黏附底质对集矿机附着性能的影响

为优化设计集矿机的机构,分析了行走履带板、齿间黏附稀软底质对集矿机附着性能的影响。该文分析了集矿机的履带板、齿与稀软底质的黏附,通过建立集矿机在稀软底质上的附着力数学模型,理论研究稀软底质的物理力学参数和集矿机结构参数对其附着性能的影响。稀软底质的物理力学特性和履带板、齿材料特性等因素影响了底质的黏附,稀软底质在链环上依次分布沿前进方向逐渐减少,黏附底质使集矿机的附加重量和接地压力约增加25%。集矿机的附着力由内聚作用力、驱动力、摩擦阻力和内摩擦作用力等组成,前二者分别约占附着力的40.6%和33.8%,内摩擦作用力和摩擦阻力可忽略。履齿的有效剪切高度降低,大大降低了集矿机的附着力,集矿机的齿高应设计为15 cm。履带板、齿间黏附底质降低了集矿机的附着性能。     

Temporal and spatial variability in root reinforcement of streambanks: Accounting for soil shear strength and moisture

Riparian vegetation exerts a number of mechanical and hydrologic controls on bank stability, which can affect the delivery of sediment to channels. Estimates of root reinforcement of soils have commonly been attained using perpendicular root models that simply sum root tensile strengths and consider these as an add-on factor to soil strength. A major limitation of such perpendicular models is that tensile strength and resistance is wrongly considered to be independent of soil type and moisture, and therefore variations according to these bank properties are omitted in conventional models. In reality, during mass failure of a streambank, some roots break, and some roots are pulled out of the soil intact; the relative proportions of roots that break or pull out are determined by a combination of soil moisture and shear strength. In this paper an equation to predict the frictional resistance of root–soil bonds was tested against field data collected at Long Creek, MS, under two soil moisture conditions. The root pullout equations were then included in the root-reinforcement model, RipRoot, and bank stability model runs for Goodwin Creek, MS, were carried out in order to examine the effects of spatial and temporal variations in soil shear strength and rooting density, on streambank factor of safety. Model results showed that at smaller root diameters breaking forces exceeded pullout forces, but at larger root diameters pullout forces exceed breaking forces. The threshold diameter between root pullout and root breaking varied with soil shear strength, with increasing soil shear strength leading to a greater proportion of roots failing by breaking instead of pullout. Root-reinforcement estimates were shown to reflect changes in soil shear strength, for example, brought about by variations in soil matric suction. Resulting Factor of safety (F_S) values for the bank during the period modeled ranged from 1.36 to 1.74 with 1000 grass roots/m², compared to a range of 0.97 to 1.37 for the non-vegetated bank. Root reinforcement was shown to increase bank stability under the entire range of soil moisture conditions modeled. However, the magnitude of root reinforcement varied in both space and time as determined by soil shear strength and soil moisture.     

尖萼金丝桃根系对边坡土体抗剪强度的影响

[目的]探讨根系单根抗拉拔强度对边坡土体抗剪强度的影响,定量分析根系对边坡土体抗剪强度的增强作用,为评价植物根系增强边坡土体抗剪切性能提供依据。[方法]以2 a生尖萼金丝桃根系及其组成的根土复合体为研究对象,分别进行室内单根拉拔试验和根土复合体剪切试验,获得根系的抗拉强度及根土复合体试样黏聚力值;在此基础上分析根系抗拉强度与根土复合体黏聚力值之间的关系。[结果]尖萼金丝桃根系抗拉强度与根系直径存在负向幂函数关系,相关性系数均大于0.92;根系拉拔位移、抗拉拔力均与根系直径呈正相关关系,拉拔位移与抗拉拔力之间也表现为显著正相关关系;抗拉强度与根系直径、拉拔位移、抗拉拔力两两之间均呈负相关关系;根土复合体的黏聚力相较于无根素土均有不同程度的增长,增幅达17.25%～94.76%,黏聚力、黏聚力增长率均与根土面积比、根土体积比呈正相关关系。[结论]尖萼金丝桃根系拉拔特征对边坡土体抗剪强度产生显著的影响,边坡土体抗剪切性能评价指标与根系拉拔特征变化密切相关。     

金沙江干热河谷乡土草本植物根系提高土体抗剪强度及其模型预测

开展金沙江干热河谷乡土草本植物根系提高土体抗剪强度及预测的研究,为该地区生态恢复、边坡防护、水土流失防治等生态工程中植物选择及其固土能力的计算提供依据.采用原位剪切试验测定扭黄茅(Heteropogon contortus)、莎草(Eulaliopsis binata)、芸香草(Cymbopogon distans)、旱茅(Schizachyrium delavayi(Hack.)Bor)等4种乡土草本植物根系及素土的抗剪切强度;用根系拉力计和电子卡尺测定根系的抗拉强度和直径:用Wu和Waldron垂直根模型(WWM)及纤维束根增强模型(FBM)对根系提高土体抗剪能力进行预测.结果表明:1)4种植物根系直径约80％分布在0.1～1mm的范围内,扭黄茅、莎草、旱茅根系的直径和抗拉强度之间成负幂函数关系,芸香草两者间没有相关性.2)扭黄茅、莎草、旱茅、芸香草的根系可将土体的抗剪强度分别提高20.7％、85.3％、84.4％、16.1％.3)用WWM模型预测扭黄茅、早茅、莎草的提高土体抗剪能力,其预测值是实测值的3.59～10.83倍;用FBM模型的预测值是实测值的1.24～2.62倍.旱茅、莎草根系提高土体抗剪强度的能力强于扭黄茅和芸香草,在干热河谷的生态工程中可优先选用;对根系提高土体抗剪强度的预测,FBM模型要优于WWM模型.     

Computer Simulation of Tractor Single-point Drawbar Performance

A computer algorithm has been developed to predict single-point drawbar performance of a tractor taking into account all the necessary variables during field operation. The performance of tractor–implement system with a single-point hitch involves the effect of a number of variables on the whole tractor–implement–soil system. Considering all these, the developed computer algorithm is able to predict the performance of whole operation. This model is capable of determining the maximum pull available in the given field condition and matches the performance of trailed implements, such as a disc harrow and two-axle trailer. The model was able to predict maximum load and slope climbing ability of tractor with single- and two-axle trailers under different conditions. It was predicted by the model that the maximum pull developed by a tractor is limited by gross traction in the soft soil whereas it was limited by the power available from the tractor in hard soil. The longitudinal stability of the tractor taken for analysis varied with hitch point position. Appropriate determination of disc harrow performance was possible using the developed model.     

履齿高度对集矿机牵引性能的影响及参数确定

为研究履齿高度对集矿机在多金属结核矿区稀软底质上的牵引性能的影响,并确定履齿高度,以优化集矿机的行走机构。该文基于稀软底质的剪切位移和应力模型,构建了单履带板、齿与稀软底质的驱动力模型和集矿机的附着力模型,研究了履齿高度参数对集矿机在稀软底质上的牵引性能的影响。结果表明,履齿高度能提高集矿机在稀软底质上的牵引性能:集矿机在稀软底上产生的驱动力随履齿高度增加而快速增加;附着力在齿高小于15cm时随齿高增加快速增加,齿高大于15cm后趋缓。集矿机的齿高应不大于15cm。     

红黏土边坡香根草根土复合体的强度特性

[目的]针对植物护坡效应,探究香根草根系的力学特性及其根土复合体强度特征影响因素,为植物护坡工程设计提供参考依据.[方法]利用模型箱模拟红黏土填筑边坡进行香根草种植,利用根系拉拔试验和原状根土复合体直剪试验等室内试验,研究香根草的力学性能及根土复合体强度特征的影响因素.通过对试验结果进行拟合分析及Spearman相关性...     

基于两种计算模型的油松与元宝枫根系固土效能分析

[目的]定量分析北方常见植物(油松、元宝枫)根系对提高土壤抗剪能力的作用,为更好地评价植物根系固土效能提供理论基础。[方法]选取不同根系面积比(RAR)的油松(Pinus tabulaeformis)根土复合体、元宝枫(Acer truncatum)根土复合体及素土分别进行了不同垂直压力下的直剪试验,得出了油松根土复合体、元宝枫根土复合体及素土的抗剪强度增量。并通过根系的拉伸试验测定了植物根系的抗拉强度,同时使用Wu的根土复合体模型和Pollen的纤维束模型对抗剪强度增量进行模拟并与实际测定的抗剪强度增量进行对比分析。[结果](1)根系主要通过增强土壤的黏聚力来增强土壤的抗剪切强度;(2)植物根系抗拉强度、拔出强度与根系直径都符合幂函数关系,抗拉强度和拔出强度大小存在阈值,根系大于2mm时,根系拔出强度小于根系抗拉强度,小于2mm时则反之;(3)Wu的根土复合体模型高估植物根系固土效果值平均为26.81%,而纤维束模型对根系提高土壤抗剪强度则平均高估9.82%。[结论]相对于Wu模型,纤维束模型对土壤的固土效果的计算更为准确。