基于模型履帶板的斜坡最大剪應(yīng)力計算模型構(gòu)建與驗證

摘 要： 在山地斜坡路面工況下，履帶拖拉機(jī)行走系對土壤施加的最大剪應(yīng)力是拖拉機(jī)高效行駛的動力基礎(chǔ)，由于經(jīng)典的庫倫公式未考慮履帶剪切速率、斜坡角度、土壤含水率等實際因素的影響，不能直接應(yīng)用于履帶拖拉機(jī)在斜坡路面工況下的行駛力學(xué)計算。針對該問題，在不同土壤含水率條件下進(jìn)行了直剪試驗，得到土壤抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率變化的數(shù)學(xué)模型。采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗，探究了履帶板在不同剪切速率及斜坡角度下對土壤最大剪應(yīng)力的影響規(guī)律，并對經(jīng)典庫倫公式進(jìn)行修正。驗證試驗表明，在不同土壤含水率、剪切速率和斜坡角度條件下，最大剪應(yīng)力試驗值與理論值之間的相對誤差均lt;5%，表明修正后的庫倫公式可準(zhǔn)確反映各因素對最大剪應(yīng)力的影響，可為履帶拖拉機(jī)在斜坡路面工況下的行駛力學(xué)計算、性能分析提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：履帶拖拉機(jī)；履帶板；斜坡；最大剪應(yīng)力；土壤剪切；庫倫公式

中圖分類號：S229 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）09-0092-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.09.016

0 引言

履帶拖拉機(jī)在斜坡路面行駛時，履帶接地段的土壤由于受到履帶的擠壓及剪切作用，將產(chǎn)生一定的剪切應(yīng)力，并在拖拉機(jī)行駛方向上產(chǎn)生位移。剪應(yīng)力的累積為拖拉機(jī)行駛提供所需的驅(qū)動力，并且不論剪切位移的大小如何變化，在履帶與土壤相互作用面上總存在一個最大剪應(yīng)力，即土壤抗剪強(qiáng)度。

土壤抗剪強(qiáng)度是土壤能產(chǎn)生的用以阻止剪切破壞的最大應(yīng)力，這種剪切破壞可由摩爾?庫倫理論描述，通過庫倫公式計算[1-5]。大量研究表明，土壤含水率對土壤的剪切破壞產(chǎn)生一定影響，當(dāng)含水率增大到一定程度時，土壤由固態(tài)或半固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軕B(tài)，其黏附性較大[5-8]。當(dāng)土壤含水率大于塑限含水率時，土壤將極易黏附于履帶表面，使得履帶表面變得光滑，從而降低履帶對于地面的附著能力，甚至使拖拉機(jī)失去行駛能力[9-10]。另一方面，土壤對于履帶的黏附作用將增加拖拉機(jī)的行駛阻力，嚴(yán)重影響拖拉機(jī)的行駛效率，增大能量消耗[2，11-12]。因此，土壤含水率低于塑限含水率是履帶有效發(fā)揮牽引性能的前提條件，可保障拖拉機(jī)正常行駛。測定塑限以下的土壤抗剪強(qiáng)度，對于探究履帶拖拉機(jī)的各項機(jī)械性能意義重大。