山地履帶拖拉機(jī)坡地等高線作業(yè)土壤壓實(shí)應(yīng)力研究

孫景彬 褚宏麗 劉 琪 雒鵬鑫 楊福增 劉志杰

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站， 陜西楊凌 712100)

0 引言

黃土高原丘陵山區(qū)是我國重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，屬于國家戰(zhàn)略“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展”的中心區(qū)域[1]，非常適合種植小麥、玉米等糧食作物，因此推進(jìn)該地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展對于保障國家糧食安全具有重要意義。近年來，丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展取得了一定的成效，然而機(jī)械化作業(yè)對坡地土壤壓實(shí)效應(yīng)也隨之產(chǎn)生，這將使土壤容重增加、孔隙度降低，不利于作物根系對水分和養(yǎng)分的吸收[2-4]。履帶拖拉機(jī)因具有較小的接觸比壓及較好的越障性能，適宜在該地區(qū)作業(yè)[5]，但是由于坡地角的存在使得拖拉機(jī)重心發(fā)生偏移，造成兩側(cè)履帶下方土壤應(yīng)力分布極不均勻，尤其坡低側(cè)土壤壓實(shí)程度增大，影響坡耕地土壤質(zhì)量。因此，深入研究履帶車輛對坡地土壤內(nèi)部應(yīng)力分布的影響規(guī)律，對于揭示坡地土壤壓實(shí)機(jī)理、有效消減壓實(shí)具有重要意義。

目前，履帶車輛對土壤的壓實(shí)研究主要集中在平地。KELLER等[6]研究了履帶壓實(shí)作用下深度0.3 m范圍土壤中垂直應(yīng)力在履帶長度方向變化情況，得出垂直應(yīng)力分布很不均勻，其最大值約是平均值的3.2倍；LAMANDE等[7-8]分析了同一車輛采用輪式和履帶式行走裝置情況下對土壤的壓實(shí)作用，得到履帶式作用下深度0.35 m處土壤最大垂直應(yīng)力僅僅比輪式減小了約20%，并測定了橡膠履帶與土壤接觸面內(nèi)垂直應(yīng)力在履帶長度方向的分布規(guī)律，在支重輪的軸線處出現(xiàn)峰值；丁肇等[9]通過鉆孔埋設(shè)傳感器的方法研究了履帶式行走機(jī)構(gòu)壓實(shí)作用下土壤應(yīng)力分布均勻性，為行走結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；趙子涵等[10]分析了地面土壤緊實(shí)程度和車輛荷載對垂直應(yīng)力分布的影響，得出緊實(shí)地面上支重輪間履帶幾乎不受力，應(yīng)力分布為非連續(xù)，松軟地面上履帶應(yīng)力分布連續(xù)，支重輪下應(yīng)力均勻度隨荷載增大而升高。栗浩展等[11]分析了金屬履帶行走系對土壤內(nèi)垂直應(yīng)力的影響規(guī)律，得出垂直應(yīng)力在履帶長度方向的分布形狀近似三角形，支重輪軸線位置出現(xiàn)最大應(yīng)力。

綜上所述，目前有關(guān)履帶車輛對土壤壓實(shí)的研究涉及的工況均為平地，主要包括拖拉機(jī)參數(shù)、履帶參數(shù)、土壤參數(shù)等對土壤內(nèi)部垂直、水平應(yīng)力分布均勻性影響規(guī)律的探究，然而對坡地工況下土壤內(nèi)部應(yīng)力傳遞規(guī)律研究尚未報(bào)道。因此，本文針對黃土高原丘陵山區(qū)典型等高線坡地工況，擬通過理論分析、EDEM-RecurDyn耦合仿真試驗(yàn)、土槽及實(shí)地試驗(yàn)相結(jié)合的方法探究山地履帶拖拉機(jī)坡地等高線行駛/作業(yè)工況下，履帶下方土壤內(nèi)部應(yīng)力分布的規(guī)律，以期為有效消減坡地農(nóng)田土壤壓實(shí)效應(yīng)提供理論參考。

1 履帶最大接地比壓與應(yīng)力傳遞理論

1.1 履帶最大接地比壓

履帶平均接地比壓是平地工況下履帶對土壤壓實(shí)效應(yīng)平均情況的反映。坡地工況下，拖拉機(jī)兩側(cè)履帶對坡地土壤的壓實(shí)作用不均勻，因此有必要分析履帶行走機(jī)構(gòu)在坡地條件下接地比壓的具體變化情況。

當(dāng)山地拖拉機(jī)處于坡地角為α的等高線坡地時，其重心橫向偏移會使得坡低側(cè)履帶接地比壓增大，坡高側(cè)的接地比壓減小，加劇坡低側(cè)土壤的壓實(shí)[12]；重心縱向偏移則會影響拖拉機(jī)的牽引附著性能和縱向穩(wěn)定性。參照文獻(xiàn)[13-14]，履帶最大接地比壓σmax為平均接地比壓σ與載荷橫向偏心引起的接地比壓σx以及載荷縱向偏心引起的接地比壓σy的疊加，即

σmax=σ+σx+σy

(1)

其中

σ=(G0+2G1)/(2Lb)

(2)

σx=kMx/(BLb)=kG0ecosα/(BLb)

(3)

k=1+b/B

(4)

式中G0——山地拖拉機(jī)車身的重力，N

G1——山地拖拉機(jī)履帶行走系的重力，N

L——履帶接地長度，mm

b——履帶寬度，mm

k——履帶寬度方向壓力修正系數(shù)

Mx——橫向偏心引起的偏心力矩，N·m

B——山地拖拉機(jī)軌距，mm

e——重心橫向偏移量，mm

由式(3)可知，在土壤參數(shù)、拖拉機(jī)參數(shù)一定的情況下，山地拖拉機(jī)在坡地工況下載荷橫向偏心引起的接地比壓σx與坡地角α緊密相關(guān)。

另外，載荷縱向偏心引起的接地比壓σy受山地拖拉機(jī)縱向偏心距的影響，計(jì)算式為

(5)

式中My——縱向偏心引起的偏心力矩，N·m

e′——山地拖拉機(jī)的縱向偏心距，mm

山地拖拉機(jī)在丘陵山區(qū)坡地行駛和作業(yè)時，極易出現(xiàn)縱向障礙物(田埂、水溝等)，這就對山地拖拉機(jī)的縱向穩(wěn)定性提出更高的要求，因此載荷縱向偏心引起的接地比壓應(yīng)按照式中e′>L/6的工況計(jì)算。并且，坡地等高線作業(yè)過程中，地表的不平度易使作業(yè)耕深發(fā)生突變，從而引起載荷的縱向偏心，導(dǎo)致縱向接地比壓的變化，最終影響到拖拉機(jī)的牽引附著性能，因此在進(jìn)行山地履帶拖拉機(jī)行走系設(shè)計(jì)時亦應(yīng)充分考慮縱向接地比壓。

1.2 履帶應(yīng)力傳遞理論

土壤應(yīng)力傳遞模型的發(fā)展主要是基于Boussinesq方程，提出在均勻彈性體為介質(zhì)條件下應(yīng)力的傳遞規(guī)律[15]。其中，山地履帶拖拉機(jī)與坡地土壤互作過程中應(yīng)力的傳遞分兩個階段：①履帶與土壤互作過程在土壤表面產(chǎn)生接觸應(yīng)力。②接觸應(yīng)力在土壤內(nèi)部進(jìn)行傳遞[16-17]。目前，履帶與土壤接觸應(yīng)力模型分析主要參考KELLER等[16]于2016年首次建立的模型，該模型可以根據(jù)履帶參數(shù)(接地長度、寬度、軸載、支重輪直徑等)來預(yù)測履帶與土壤接觸面的應(yīng)力分布情況。基于Boussinesq應(yīng)力傳遞方程推導(dǎo)的SoilFlex傳遞模型是系統(tǒng)定量土壤內(nèi)部應(yīng)力的模型之一，然后根據(jù)S?hne所建立的應(yīng)力疊加方程計(jì)算土壤內(nèi)部任意點(diǎn)的應(yīng)力，受力分析如圖1所示。圖中，Ai為接觸面A上任意劃分單元；Pi為作用在單元Ai上的垂直載荷，N；Hi為作用在單元Ai上的切向載荷，N；S為接觸面下方土壤內(nèi)的任意點(diǎn)；r為點(diǎn)Ai與點(diǎn)S之間的距離，m；σr,i為點(diǎn)S沿AiS方向的法向應(yīng)力，kPa；θ為表面垂直載荷Pi與法向應(yīng)力σr,i的夾角，(°)；δ為切向載荷Hi與法向應(yīng)力σr,i和z所在平面夾角，(°)。

圖1 土壤內(nèi)任意點(diǎn)的受力分析Fig.1 Stress analysis of any point in soil

把接觸面A分成i個單元，每個單元Ai上作用垂直載荷Pi和切向載荷Hi，則履帶下方土壤內(nèi)任意點(diǎn)S沿AiS方向的法向應(yīng)力σr,i為

(6)

式中ξ——集中系數(shù)

不同的土壤條件ξ取值不同。根據(jù)LAMANDE等[8]的建議，計(jì)算履帶作用下的應(yīng)力時取ξ=6。

進(jìn)而可得土壤內(nèi)任意點(diǎn)S的垂直應(yīng)力σz及水平應(yīng)力σx、σy分別為

(7)

(8)

(9)

可得，坡地角α對履帶與坡地土壤接觸應(yīng)力以及土壤內(nèi)部應(yīng)力傳遞均具有一定的影響，該理論可為后續(xù)實(shí)地試驗(yàn)時土壤應(yīng)力測量傳感器在土層中的埋設(shè)布置方式提供一定的參考。

2 坡地土壤壓實(shí)仿真

為了探究載荷變化對兩側(cè)履帶下方土壤中不同位置土壤顆粒接觸力的影響情況，通過EDEM-RecurDyn耦合的方法進(jìn)行相關(guān)仿真分析。

2.1 履帶-坡地土壤模型建立

基于SolidWorks建立2條橡膠履帶(寬度230 mm，接地長度為1 410 mm)以及山地拖拉機(jī)車架簡化的三維結(jié)構(gòu)模型，保存為.x_t文件，將該文件導(dǎo)入到RecurDyn多體動力學(xué)仿真軟件中，然后基于EDEM-RecurDyn耦合的方法對履帶-坡地土壤相互作用過程進(jìn)行仿真模擬。構(gòu)建的坡地土壤壓實(shí)仿真模型如圖2a所示，模型尺寸為：長1 500 mm、寬1 400 mm、等高線坡度為15°，耦合仿真過程如圖2b所示。

圖2 坡地土壤壓實(shí)仿真Fig.2 Slope soil compaction simulation

2.2 履帶對坡地土壤壓實(shí)過程

坡地工況下兩側(cè)履帶壓實(shí)土壤的過程中，不同深度中土壤顆粒接觸力分布情況如圖3所示。其中，紅色顆粒越多，表示該區(qū)域土壤所受接觸力越大。

圖3 履帶壓實(shí)作用下土壤接觸力分布情況Fig.3 Distribution of soil contact force under crawler compaction1.坡高側(cè)履帶 2.坡低側(cè)履帶

由圖3可知，坡高側(cè)履帶下方的土壤接觸力明顯小于坡低側(cè)，這是由于坡地角的存在導(dǎo)致拖拉機(jī)重力并不是均勻地分布于兩側(cè)履帶上，坡低側(cè)履帶上的受力高于坡高側(cè)，因此，拖拉機(jī)坡地作業(yè)時很有必要進(jìn)行調(diào)平來減少坡低側(cè)土壤的壓實(shí)程度。另外，隨著拖拉機(jī)兩側(cè)履帶與土壤顆粒的進(jìn)一步接觸(圖3)，表層土壤的接觸力會呈輻射狀(圖3d箭頭所示)經(jīng)土壤顆粒的相互作用向更深層傳遞，原因在于壓實(shí)過程中土壤的下陷自然受到其下側(cè)土壤的阻礙作用，并且由于土壤顆粒之間還存在一定的粘結(jié)力，土壤接觸應(yīng)力沿豎直方向傳遞的同時也向側(cè)面?zhèn)鬟f。

2.3 軸載對土壤接觸力傳遞的影響

在EDEM后處理模塊中，履帶下方土壤沿著坡面方向選取3個深度的土壤層(0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm)，在RecurDyn軟件中設(shè)置不同的拖拉機(jī)軸載，耦合仿真結(jié)束后，將3個土壤層中顆粒所受接觸力均值分別導(dǎo)出，最終得到不同軸載對兩側(cè)履帶下不同深度層土壤接觸力的影響如圖4所示。

圖4 拖拉機(jī)軸載對不同深度層土壤顆粒接觸力的影響Fig.4 Influence of tractor axle load on contact force of soil particles at different depths

由圖4可知，隨著山地履帶拖拉機(jī)軸載的增大，3個土壤層中顆粒的接觸力均隨之增大；對于坡低側(cè)履帶下方土壤，軸載從8 kN增大到20 kN，土層0～5 cm中平均接觸力增大了53.1%，土層10～15 cm中平均接觸力增大了45.9%；對于坡高側(cè)履帶下方土壤，軸載由8 kN增大到20 kN，土層0～5 cm中平均接觸力增大了41.8%，土層10～15 cm中平均接觸力增大了38.9%。顯然，坡低側(cè)的土壤接觸力大于坡高側(cè)，并且坡低側(cè)土壤接觸力受軸載影響的程度大于坡高側(cè)。這也是由于坡地角使得拖拉機(jī)的重力在坡高低兩側(cè)履帶的分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致力在土壤顆粒中的傳遞出現(xiàn)顯著差異。由此可見，山地拖拉機(jī)軸載直接影響到坡地土壤的壓實(shí)程度，并且在等高線坡地上極易出現(xiàn)坡低側(cè)過度壓實(shí)的情況。土壤中應(yīng)力分布同時受到土壤參數(shù)和機(jī)組作業(yè)參數(shù)的影響。

3 坡地土壤壓實(shí)土槽與實(shí)地試驗(yàn)

3.1 坡地土壤壓實(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)

搭建如圖5所示的小型坡地靜態(tài)試驗(yàn)平臺(可實(shí)現(xiàn)坡度0°～20°調(diào)節(jié))來開展坡地土壤靜態(tài)壓實(shí)過程中應(yīng)力傳遞規(guī)律的研究。該試驗(yàn)平臺主要由變坡度土槽、土壓力盒、土壓力盒數(shù)據(jù)采集器、標(biāo)準(zhǔn)配重塊、土壤、便攜式計(jì)算機(jī)等組成。

圖5 土壤應(yīng)力傳遞靜態(tài)試驗(yàn)平臺Fig.5 Soil stress transfer static test platform1.標(biāo)準(zhǔn)配重塊 2.土壤 3.變坡度土槽 4.土槽坡度手動調(diào)節(jié)裝置 5.土壓力盒多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集器Ⅰ 6.土壓力盒多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集器Ⅱ 7.便攜式計(jì)算機(jī) 8.土壓力盒數(shù)據(jù)傳輸線 9.土壓力盒 10.姿態(tài)調(diào)整液壓缸

土壤應(yīng)力傳遞動態(tài)試驗(yàn)采用的動力機(jī)為本團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的402P型遙控全向調(diào)平山地履帶拖拉機(jī)，動態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。其中，山地履帶拖拉機(jī)可以通過橫向姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其橫向調(diào)平，以滿足等高線作業(yè)的穩(wěn)定性要求，坡地自適應(yīng)懸掛裝置可以保證牽引農(nóng)具的姿態(tài)實(shí)時調(diào)整，并始終與坡面保持平行，達(dá)到坡地等高線仿形的效果。土壤應(yīng)力通過土壓力盒進(jìn)行采集，采集的信號通過特制專用數(shù)據(jù)傳輸線傳遞至多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)分析處理后實(shí)時顯示至便攜式計(jì)算機(jī)并存儲。通過在山地履帶拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛裝置的鉸接點(diǎn)設(shè)計(jì)并安裝銷軸式傳感器來實(shí)時測定在不同作業(yè)工況(旋耕、犁耕)下的耕作牽引力，經(jīng)Coco90型多通道數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)獲取、處理和保存?zhèn)鞲衅魉杉男盘枺@主要是為了觀測在試驗(yàn)過程中的牽引負(fù)載。

圖6 坡地作業(yè)工況下土壤應(yīng)力傳遞測試系統(tǒng)Fig.6 Soil stress transfer test system under slope working condition1.山地履帶拖拉機(jī) 2.坡地自適應(yīng)懸掛裝置 3.旋耕機(jī) 4.Coco90型多通道數(shù)據(jù)采集儀 5.便攜式計(jì)算機(jī) 6.土壓力盒多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集器Ⅰ 7.土壓力盒多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集器Ⅱ 8.土壓力盒數(shù)據(jù)傳輸線 9.試驗(yàn)坡地 10.兩鏵翻轉(zhuǎn)犁

3.2 土壓力盒埋設(shè)方案

履帶作用下土壤內(nèi)部應(yīng)力采用土壓力盒埋設(shè)法進(jìn)行測量，試驗(yàn)用的土壓力盒(TGH型振弦式，山東科技大學(xué)洛賽爾傳感器技術(shù)有限公司生產(chǎn))準(zhǔn)確度為0.3%FS，重復(fù)性0.2%FS，分辨率為0.01%FS，采集頻率25 次/s，尺寸為108 mm×40 mm。土壓力盒經(jīng)特制的數(shù)據(jù)傳輸線與DQ-8型數(shù)據(jù)采集器連接，通過WM-201E型接口轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)導(dǎo)入便攜式計(jì)算機(jī)。

在西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院專用試驗(yàn)坡地上沿等高線方向，以履帶-土壤接觸面中垂線為基準(zhǔn)，通過在土壤中打孔埋設(shè)的方法將土壓力盒(應(yīng)力取點(diǎn)位置)布置到不同的深度位置處，埋設(shè)方案如圖7所示。其中，水平應(yīng)力測試土壓力盒用于測試履帶對不同深度土壤中產(chǎn)生的水平應(yīng)力，測力點(diǎn)的埋設(shè)深度分別為10、25 cm；側(cè)向應(yīng)力測試土壓力盒用于測試側(cè)向應(yīng)力，測力點(diǎn)埋設(shè)深度分別為10、25、40 cm；垂直應(yīng)力測試土壓力盒用于測試垂直應(yīng)力，測力點(diǎn)埋設(shè)深度分別為5、20、35、50 cm。

圖7 土壓力盒坡地布置方案Fig.7 Layout scheme of soil pressure sensor on sloping land1.山地履帶拖拉機(jī) 2.橡膠履帶 3.水平應(yīng)力測試土壓力盒 4.側(cè)向應(yīng)力測試土壓力盒 5.垂直應(yīng)力測試土壓力盒 6.土壓力盒數(shù)據(jù)采集器 7.便攜式計(jì)算機(jī)

3.3 土槽靜態(tài)試驗(yàn)

山地履帶拖拉機(jī)整機(jī)載荷、土層深度、土壤含水率、初始緊實(shí)度均影響土壤應(yīng)力的傳遞規(guī)律[15]，因此坡地土壤內(nèi)部應(yīng)力傳遞規(guī)律研究主要從上述方面展開。

3.3.1土壤垂直應(yīng)力隨土層深度的變化規(guī)律

在土壤含水率和初始緊實(shí)度一定的條件下，不同深度土壤內(nèi)部的垂直應(yīng)力隨著加載質(zhì)量及坡地角(試驗(yàn)臺傾角)的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 不同深度土層中應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution in soil layers with different depths

由圖8可知，隨著土層深度的增加，土壤中的垂直應(yīng)力是逐漸減小的，并且，不同試驗(yàn)臺傾角下均存在相同的規(guī)律；但是，由圖8b、8c可知，當(dāng)試驗(yàn)臺傾角達(dá)到15°，加載質(zhì)量為210 kg時，土層深度5 cm處土壓力盒所采集到的應(yīng)力小于試驗(yàn)臺傾角處于10°狀態(tài)下應(yīng)力，原因在于加載質(zhì)量繼續(xù)增大時，隨著坡度角的增大，加載物重心高度發(fā)生相應(yīng)的變化，從而影響整個加載物對土層力的作用位置，類似地，在丘陵山區(qū)坡耕地上，隨著坡地角的增加或者牽引負(fù)載的增大，均會導(dǎo)致作業(yè)機(jī)組的重心位置發(fā)生變化，進(jìn)而影響到機(jī)組的穩(wěn)定性和對土壤的壓實(shí)情況。并且，應(yīng)力傳遞性能隨著土層深度增加而逐漸減弱，原因在于土壤在壓實(shí)過程中產(chǎn)生明顯的彈塑性變形，這種變形有過程、有慣性，導(dǎo)致應(yīng)力在傳播中不斷衰減[19]。

3.3.2坡地角對不同方位土壤應(yīng)力的影響

坡地角(試驗(yàn)臺傾角)對不同方位土壤的內(nèi)部垂直應(yīng)力傳遞影響情況如圖9所示。

由圖9可知，同一土層深度，位于加載物正下方土壤應(yīng)力最大，加載物正下方兩側(cè)土壤壓力均小于該值；并且，隨著試驗(yàn)臺傾角增大，順坡低側(cè)土層中應(yīng)力呈逐漸增大的趨勢，反之，順坡高側(cè)土層中的應(yīng)力呈遞減趨勢，原因在于，隨著坡度的增加，加載物的重力沿著坡面向下的分力逐漸增大，使應(yīng)力在坡低側(cè)的土層中聚集并傳遞。

圖9 相同深度不同方位處土壤應(yīng)力分布Fig.9 Soil stress distribution at different positions at the same depth

土壤含水率是影響其作業(yè)性能以及耕作質(zhì)量的重要因素，不適宜作業(yè)的土壤含水率會促使土壤板結(jié)，嚴(yán)重影響作物生長。文獻(xiàn)[18]提出最適宜旋耕和犁耕作業(yè)的土壤含水率為18%～22%。因此，通過單因素試驗(yàn)分析在坡地角(試驗(yàn)臺傾角)和拖拉機(jī)載荷(加載質(zhì)量)、土壤初始緊實(shí)度一定情況下，土壤內(nèi)部不同深度上的應(yīng)力隨含水率(梯度設(shè)定為15%、18%、21%、24%)的變化規(guī)律，設(shè)定加載質(zhì)量160 kg，試驗(yàn)臺傾角15°，土壤初始緊實(shí)度2.0 MPa，結(jié)果如圖10所示。

圖10 含水率對土壤中應(yīng)力分布的影響Fig.10 Influence of water content on stress distribution

由圖10可知，在試驗(yàn)臺傾角、加載質(zhì)量均一定的情況下，土壤含水率15%～24%范圍內(nèi)，隨著含水率的增大，土壤中的應(yīng)力更容易向深度方向傳遞，主要是由于：本文研究的土壤類型為粘壤土，當(dāng)含水率較小時，土壤中水主要是強(qiáng)結(jié)合水，土壤顆粒周圍的結(jié)合水膜很薄，使顆粒間具有較大的分子引力，阻止土壤顆粒的移動，造成壓實(shí)困難；含水率適當(dāng)增大時，土壤中水包括強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水，結(jié)合水膜變厚，土壤顆粒之間的聯(lián)結(jié)力減弱而使土粒易于移動，易被壓實(shí)。因此，在丘陵山地機(jī)械作業(yè)時應(yīng)充分考慮土壤含水率這一因素，合理規(guī)劃拖拉機(jī)下地作業(yè)時間[19-20]，盡可能減小機(jī)械壓實(shí)。

3.3.4土壤初始緊實(shí)度對土壤應(yīng)力傳遞的影響

在土壤含水率18%±1%條件下，設(shè)定4種土壤初始緊實(shí)度(1.0、2.0、3.0、4.0 MPa)，得到不同土層深度土壤應(yīng)力分布如圖11所示。

圖11 土壤初始緊實(shí)度對土壤中應(yīng)力分布的影響Fig.11 Influence of soil initial compaction on stress distribution

由圖11可知，在試驗(yàn)臺傾角、加載質(zhì)量均一定的情況下，土壤緊實(shí)度1.0～4.0 MPa范圍內(nèi)，初始緊實(shí)度越小，土壤應(yīng)力傳遞深度越大，即應(yīng)力越容易通過土壤傳遞到更深的位置，反之，初始緊實(shí)度大的土壤不容易被壓實(shí)。原因在于，土壤的壓實(shí)一般由兩個因素[21-22]決定：①施加的載荷，這取決于農(nóng)業(yè)機(jī)械的軸載。②土壤的機(jī)械強(qiáng)度，這取決于土壤的固有特性(如質(zhì)地和有機(jī)質(zhì))、瞬態(tài)特性(含水率和緊實(shí)度)，土壤含水率一定的情況下，其抗壓強(qiáng)度主要與土壤緊實(shí)度相關(guān)，初始緊實(shí)度越大的土壤中總空隙度越少，越不易被壓縮。因此，山地拖拉機(jī)應(yīng)選擇合適的土壤緊實(shí)度下地作業(yè)，盡可能降低較松軟土壤條件下的機(jī)械壓實(shí)。

3.4 坡地動態(tài)試驗(yàn)

在靜態(tài)試驗(yàn)分析基礎(chǔ)上，對山地履帶拖拉機(jī)等高線行駛、旋耕以及犁耕3種工況下履帶行走機(jī)構(gòu)對坡高、坡低兩側(cè)土壤的動態(tài)壓實(shí)規(guī)律進(jìn)行了分析。

3.4.1行駛速度對垂直應(yīng)力分布的影響

山地履帶拖拉機(jī)未調(diào)平狀態(tài)下，在等高線坡地15°上設(shè)定速度0.5、1.0、1.5 km/h掛接旋耕機(jī)行駛，探究埋設(shè)深度5、20、35、50 cm在履帶長度方向上應(yīng)力變化如圖12所示。

長沙磁浮快線是世界上第三條中低速磁浮商業(yè)運(yùn)營線。作為無更多冗余設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，磁浮列車懸浮系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在設(shè)備高可靠性的基礎(chǔ)上，采用簡單有效的控制算法，以便在不同工況和線路條件下，使懸浮控制系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)良的狀態(tài)，以及增加乘客乘坐舒適性，成為磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)優(yōu)化的首要目標(biāo)。本文通過總結(jié)長沙磁浮快線懸浮控制系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，得到的主要結(jié)論如下：

圖12 履帶行走機(jī)構(gòu)壓實(shí)作用下0.5 m土層深度內(nèi)垂直應(yīng)力沿履帶長度方向的分布Fig.12 Vertical stresses distribution in track length direction at 0.5 m soil depth under compaction of tracked undercarriage

由圖12可知，履帶下方的垂直應(yīng)力在履帶長度方向上的分布不均勻，出現(xiàn)了4個不同的應(yīng)力峰值，履帶與土壤接觸面以及較淺層土壤內(nèi)垂直應(yīng)力的峰值點(diǎn)主要出現(xiàn)在各支重輪下方的軸線處，但是，較深層(50 cm深度左右)土壤垂直應(yīng)力的峰值點(diǎn)出現(xiàn)明顯滯后，大約在支重輪軸線的后方0.2 m處，主要是因?yàn)椋涸谕獠枯d荷作用下，土體中某點(diǎn)的應(yīng)力既受作用力的影響，還受應(yīng)力應(yīng)變傳播速度的影響，并且土壤的變形有過程和慣性，以致應(yīng)力傳遞至較深土壤中需要一定的時間。丁肇[23]研究中得出了近似的結(jié)論：深度0.35 m處的垂直應(yīng)力峰值出現(xiàn)在支重輪軸線的后方0.15 m處。并且，不同土壤深度處的最大應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在拖拉機(jī)驅(qū)動輪下方的支重輪處，原因在于山地拖拉機(jī)的變速箱、驅(qū)動后橋、液壓系統(tǒng)等部件均布置在此處，并且掛接旋耕機(jī)后山地拖拉機(jī)機(jī)組的重心較拖拉機(jī)自身重心有一定的向后偏移量。

隨著土壤深度的增加，垂直應(yīng)力的峰值和平均值均會逐漸減小，原因在于：履帶行走機(jī)構(gòu)作用下土壤中的空氣逸出、水分流散、土粒位移進(jìn)而使得土體法向發(fā)生變形，部分垂直應(yīng)力在傳遞過程中用于實(shí)現(xiàn)上述變形，進(jìn)而導(dǎo)致垂直應(yīng)力不斷衰減。并且，淺層土壤垂直應(yīng)力在履帶行走機(jī)構(gòu)作用下更為敏感，表現(xiàn)為應(yīng)力曲線波動較大，應(yīng)力峰值跳動明顯，深層反之。由圖12可以得出，隨著拖拉機(jī)行駛速度的增大，土壤中垂直應(yīng)力逐漸減小，原因在于土壤變形有一定的過程，且應(yīng)力傳遞情況與應(yīng)力及應(yīng)力的持續(xù)時間有關(guān)，拖拉機(jī)速度增大導(dǎo)致應(yīng)力在土壤中的持續(xù)時間減小。從而導(dǎo)致該區(qū)域的土壤應(yīng)力尚未達(dá)到最大值，拖拉機(jī)已經(jīng)經(jīng)過該區(qū)域[24-25]。

3.4.2車身姿態(tài)對垂直應(yīng)力分布的影響

前述仿真試驗(yàn)結(jié)果已知，坡地等高線工況下，山地履帶拖拉機(jī)姿態(tài)對兩側(cè)履帶下的垂直應(yīng)力影響較為明顯，因此在坡度15°坡地上進(jìn)行車身調(diào)平前和調(diào)平后的行駛試驗(yàn)，通過土壓力盒采集坡低、坡高兩側(cè)履帶正下方5、20、35、50 cm處的垂直應(yīng)力，結(jié)果如圖13所示。

圖13 車身姿態(tài)調(diào)平前后坡高、低兩側(cè)履帶下垂直應(yīng)力分布Fig.13 Vertical stresses distribution under track on both sides of slope before and after tractor attitude leveling

由圖13a、13c可知，山地拖拉機(jī)未調(diào)平狀態(tài)下，坡低側(cè)履帶下的土壤應(yīng)力峰值大于坡高側(cè)，約大了40%。這是坡度導(dǎo)致拖拉機(jī)的重力在兩側(cè)履帶上的分配不均勻造成的。

由圖13a、13b對比可知，圖13c、13d對比可知，山地履帶拖拉機(jī)姿態(tài)調(diào)平后，坡低側(cè)的垂直應(yīng)力峰值明顯減小，坡高側(cè)的垂直應(yīng)力峰值明顯增大，尤其是淺層土壤中(5、20 cm處)應(yīng)力變化的程度最為顯著，原因在于姿態(tài)調(diào)平后山地履帶拖拉機(jī)的重心發(fā)生一定程度的側(cè)向(向坡高側(cè))偏移，使得拖拉機(jī)的重力較為均勻的分布在兩側(cè)履帶上，導(dǎo)致不同土層深度上的應(yīng)力分布均勻性顯著提高；深層土壤中(35、50 cm處)的應(yīng)力變化并不明顯；綜上，山地拖拉機(jī)的橫向調(diào)平，一方面可以有效減小坡低側(cè)土壤中應(yīng)力峰值，提高拖拉機(jī)兩側(cè)履帶下應(yīng)力分布的均勻性，消減坡低側(cè)土壤的壓實(shí)程度，這是減輕山地履帶車輛對坡地土壤壓實(shí)的關(guān)鍵性因素；另一方面，可以有效減小坡低側(cè)履帶的沉陷量，提高拖拉機(jī)的通過、牽引附著性能。

3.4.3行駛速度對水平應(yīng)力分布的影響

山地履帶拖拉機(jī)未調(diào)平狀態(tài)下，在坡度15°等高線坡地上設(shè)定速度0.5、1.0、1.5 km/h掛接旋耕機(jī)行駛，土壓力盒豎直布置于深度10、25、40 cm(應(yīng)力測點(diǎn)深度)處，測得不同深度水平應(yīng)力在履帶長度方向上的分布情況，如圖14所示。

由圖14可知，水平應(yīng)力在履帶長度方向的分布不均勻，在拖拉機(jī)后部驅(qū)動輪下方的支重輪處出現(xiàn)最大值。原因在于，山地履帶拖拉機(jī)行駛時，在驅(qū)動力矩的作用下，履帶與土壤接觸的各個微小部分都會產(chǎn)生土的反作用力，這些反力的水平分力形成拖拉機(jī)前進(jìn)的切線牽引力，試驗(yàn)路面為松軟路面，切線牽引力主要由土的剪切反力產(chǎn)生，履帶接地的最前端的點(diǎn)因與地面剛接觸，剪切變形為0，而后續(xù)各點(diǎn)的剪切變形均比其大，此時水平剪切位移沿著接地長度方向不斷積累，在接地段的最后部達(dá)到最大值。另外，較低速(0.5 km/h)行駛時，淺層土壤中各支重輪前方位置也出現(xiàn)應(yīng)力峰值，主要是由于支重輪對土壤的推力作用所形成。

隨著山地拖拉機(jī)行駛速度的增大，不同土層深度上的水平應(yīng)力均減小，但是水平應(yīng)力隨著行駛速度的減小量明顯小于垂直應(yīng)力；其中淺層(10 cm深度)的減小程度最明顯，深層(40 cm深度)土壤水平應(yīng)力變化不大。原因在于：土壤中的水平應(yīng)力是拖拉機(jī)履帶施加到土壤的垂直載荷和履帶行駛對土壤施加的水平載荷共同作用產(chǎn)生的，由于土壤深層的垂直載荷小，故深層的水平應(yīng)力會更小。并且，在支重輪的軸線所在的豎直平面與土壓力盒測力點(diǎn)所在的豎直平面重合時，垂直載荷所引起的水平應(yīng)力為0，此時土壤中的水平應(yīng)力僅由水平載荷引起，其出現(xiàn)最小值。

3.4.4車身姿態(tài)對兩側(cè)履帶下水平應(yīng)力分布的影響

山地履帶拖拉機(jī)等高線行駛過程中，兩側(cè)履帶下的水平應(yīng)力可以反映拖拉機(jī)的牽引附著性能，因此在坡度15°的坡地上進(jìn)行車身調(diào)平前、后的行駛試驗(yàn)，通過土壓力盒采集坡低側(cè)和坡高側(cè)履帶正下方10、25、40 cm處的水平應(yīng)力，結(jié)果如圖15所示。

圖15 車身姿態(tài)調(diào)平前后坡高、低兩側(cè)履帶下水平應(yīng)力分布Fig.15 Horizontal stresses distribution under track on both sides of slope before and after tractor attitude leveling

對比圖15a、15b，圖15c、15d可知，山地拖拉機(jī)姿態(tài)調(diào)平后，坡低側(cè)的水平應(yīng)力峰值明顯減小，坡高側(cè)的應(yīng)力峰值明顯增大，這是由于土壤中的水平應(yīng)力主要是土壤在水平載荷(履帶的水平推力)下產(chǎn)生的，并且本文所研究的土壤類型為粘壤土，其既不是純粘性土壤，也不屬于摩擦性土壤，而是兩種土壤的混合物，此時履帶的最大水平推力Fmax計(jì)算式為

(10)

式中A′——履帶接地面積，m2

τmax——最大水平應(yīng)力(剪切應(yīng)力)，kPa

C——土壤內(nèi)聚力，N

φ——土壤內(nèi)摩擦角，(°)

由式(10)可知，當(dāng)車身調(diào)平之后，坡低側(cè)最大垂直應(yīng)力σmax減小，因此，在履帶接地面積A′不變的情況下，該側(cè)履帶的最大水平推力Fmax減小，坡高側(cè)與之相反，此時，兩側(cè)履帶下土壤的水平應(yīng)力更為均勻。由此可得，車身的調(diào)平可提高兩側(cè)履帶水平推力一致性，這對于提高拖拉機(jī)的附著性及坡地行駛平穩(wěn)性具有積極作用。

3.4.5車身姿態(tài)對沿坡地側(cè)向應(yīng)力的影響

由于山地履帶拖拉機(jī)坡地等高線行駛時會出現(xiàn)一定程度的側(cè)向滑移，這種履帶的滑移現(xiàn)象會對土壤產(chǎn)生側(cè)向推力，從而導(dǎo)致土壤側(cè)向的壓實(shí)。為了探究車身姿態(tài)對坡高、低兩側(cè)履帶側(cè)下方土壤的壓實(shí)情況，開展了車身調(diào)平前后履帶側(cè)下方土壤應(yīng)力分布的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。

圖16 車身姿態(tài)調(diào)平前后坡高、低兩側(cè)履帶下側(cè)向應(yīng)力分布Fig.16 Lateral stresses distribution under track on both sides of slope before and after tractor attitude leveling

由圖16可知，山地履帶拖拉機(jī)姿態(tài)調(diào)平前，坡低側(cè)履帶下方土壤的側(cè)向應(yīng)力峰值明顯高于坡高側(cè)，姿態(tài)調(diào)平后，兩側(cè)履帶對土壤的側(cè)向應(yīng)力基本趨于相近。原因在于，當(dāng)山地拖拉機(jī)處于等高線坡地時，坡地角的存在使其有發(fā)生橫向側(cè)滑的趨勢，土壤與履帶接觸面處的摩擦力一定程度上可以抑制這種側(cè)滑現(xiàn)象的產(chǎn)生，該摩擦力可以視為一種沿坡面的側(cè)向推力，其所引起的側(cè)向剪切應(yīng)力會在土壤內(nèi)部傳遞，并且摩擦力與土壤的抗剪強(qiáng)度、拖拉機(jī)履帶作用于土壤的正壓力密切相關(guān)。在土壤抗剪強(qiáng)度一定的情況下，拖拉機(jī)車身調(diào)平可使兩側(cè)履帶對土壤的正壓力趨于一致，進(jìn)而提高土壤側(cè)向應(yīng)力均勻性。因此，調(diào)平對降低坡地土壤的側(cè)向壓實(shí)以及拖拉機(jī)側(cè)向滑移率具有積極作用。

3.4.6牽引負(fù)載對垂直和水平應(yīng)力的影響

為了探究牽引負(fù)載對山地履帶拖拉機(jī)履帶下方應(yīng)力(垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力)分布的影響情況，在拖拉機(jī)調(diào)平狀態(tài)下，進(jìn)行了相同耕深下的旋耕和犁耕對照試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。

由圖17a、17b可知，在相同耕作深度12 cm，犁耕和旋耕作業(yè)工況下，垂直應(yīng)力的波形有著很大區(qū)別，原因在于旋耕機(jī)作業(yè)時，載荷沖擊和振動較為明顯，導(dǎo)致履帶下方的垂直應(yīng)力發(fā)生較為頻繁的波動，犁耕作業(yè)時，牽引力會使得拖拉機(jī)組的重心整體向后偏移，導(dǎo)致后側(cè)履帶的接地壓力大于前段，垂直應(yīng)力峰值主要出現(xiàn)在后兩個支重輪位置處。此外，在兩種作業(yè)工況下，水平應(yīng)力的峰值相差不大，但是旋耕作業(yè)時，出現(xiàn)多個峰值，主要是由于旋耕過程中，正轉(zhuǎn)旋耕對拖拉機(jī)有向前的推力，這種推力是動載荷，從而導(dǎo)致履帶對土壤的水平應(yīng)力是動態(tài)變化的過程。

圖17 牽引負(fù)載對垂直、水平應(yīng)力的影響Fig.17 Influence of traction load on vertical and horizontal stress under track

3.4.7履帶張緊力對履帶下垂直和水平應(yīng)力影響

由于山地履帶拖拉機(jī)在橫向姿態(tài)調(diào)平過程中，履帶的包絡(luò)形狀是會發(fā)生變化的，因此為了保證履帶的張緊度，設(shè)計(jì)了基于蓄能器的橡膠履帶隨動張緊裝置，如圖18所示。

圖18 基于蓄能器的橡膠履帶隨動張緊裝置Fig.18 Accumulator-based rubber track follow-up tensioner

為了探究車身調(diào)平過程中，履帶張緊力對拖拉機(jī)附著性能的影響，設(shè)定行駛速度0.5 km/h，懸掛旋耕機(jī)在坡度15°的等高線坡地行駛，測定在3種履帶張緊力(1.2×104、1.0×104、8.0×103kPa)下深度5 cm土層的垂直應(yīng)力和深度10 cm土層水平應(yīng)力的分布，每個張緊力條件下進(jìn)行3組試驗(yàn)取均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖19所示。

圖19 坡低側(cè)履帶張緊力對垂直和水平應(yīng)力的影響Fig.19 Effect of track tension on vertical and horizontal stress distribution at low slope side

由圖19可知，3種履帶張緊力情況下，履帶下的垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力均有類似的變化規(guī)律，隨著履帶張緊力的減小，土壤中垂直應(yīng)力峰值減小明顯，當(dāng)履帶張緊力由1.2×104kPa減至8.0×103kPa，土壤中垂直應(yīng)力的峰值減小了約31%，這說明減小履帶張緊力，可以有效提高垂直應(yīng)力在履帶接地長度方向上的均勻性，原因在于，當(dāng)山地拖拉機(jī)在松軟坡面行駛時，接地履帶分為兩部分(各支重輪之間的履帶和支重輪下的履帶)，本文山地拖拉機(jī)所用履帶為柔性履帶，具有充分的撓性，其與土壤接觸時，各支重輪之間的履帶會受到土壤的反作用力產(chǎn)生一定的撓度變形。當(dāng)張緊力減小時，履帶撓度變形增大，所有支重輪可以更充分地附著于履帶上，減小了因支重輪與履帶未有效接觸所造成的土壤局部應(yīng)力集中，進(jìn)而使得履帶下的土壤應(yīng)力分布更為均勻。隨著張緊力的減小，水平應(yīng)力的減小并不明顯。綜上，雖然減小履帶的張緊力會提高履帶下應(yīng)力分布的均勻性，一定程度上減小土壤的壓實(shí)程度，但是在坡地試驗(yàn)過程中，由于履帶張緊力不夠，出現(xiàn)了輕微的履帶跳齒現(xiàn)象，已經(jīng)影響到拖拉機(jī)在坡地的正常行駛，如果繼續(xù)減小履帶的張緊力，將會導(dǎo)致履帶脫軌等嚴(yán)重后果。因此，在實(shí)際坡地作業(yè)時，要根據(jù)所需的牽引力，在保證正常工作的張緊力條件下，適當(dāng)將其減小，來提高應(yīng)力的均勻性達(dá)到消減土壤壓實(shí)的效果。

4 結(jié)論

(1)對坡地工況下履帶最大接地比壓與應(yīng)力傳遞基本規(guī)律進(jìn)行了分析，得出導(dǎo)致坡地工況兩側(cè)履帶下土壤應(yīng)力分布不均的因素是坡地角，導(dǎo)致履帶長度方向上土壤應(yīng)力分布不均的主要因素是拖拉機(jī)重心位置以及牽引負(fù)載。

(2)EDEM-RecurDyn耦合仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著山地拖拉機(jī)兩側(cè)履帶與土壤顆粒的進(jìn)一步接觸，表層土壤的接觸力會通過土壤顆粒相互作用向更深層傳遞。履帶下方的土壤應(yīng)力由點(diǎn)到面逐漸向四周傳遞。

(3)土槽靜態(tài)壓實(shí)試驗(yàn)和實(shí)地動態(tài)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明：坡地土壤的垂直應(yīng)力隨著深度增加而變小，坡地角嚴(yán)重影響垂直應(yīng)力在土壤深度方向的傳遞，在土壤含水率15%～24%范圍內(nèi)，這種傳遞能力隨著土壤含水率的增大而增大；并隨著土壤初始緊實(shí)度的增大而減小。履帶下的垂直應(yīng)力在各支重輪的軸線處呈現(xiàn)一個應(yīng)力峰值；水平應(yīng)力在各支重輪軸線的前、后方分別出現(xiàn)一個應(yīng)力峰值；適當(dāng)增大作業(yè)速度，可減小土壤內(nèi)部垂直和水平應(yīng)力峰值，當(dāng)拖拉機(jī)速度由0.5 km/h增加到1.5 km/h，垂直應(yīng)力峰值減小了35%，水平應(yīng)力峰值減小了27%；等高線坡地上的車身調(diào)平可以較好地提高兩側(cè)履帶下土壤應(yīng)力均勻性，坡低、坡高兩側(cè)的垂直應(yīng)力峰值分別降低13%和增加18%，坡低、坡高兩側(cè)的水平應(yīng)力峰值分別降低28%和增加23%；履帶張緊力由1.2×104kPa減小到8.0×103kPa時，垂直及水平應(yīng)力峰值分別減小了約31%和22%，即適度減小履帶張緊力可減小土壤壓實(shí)。