土壤的物理机械性质及其对车辆行驶性能的影响

1、毕 业 论 文题目：土壤的物理机械性质及其对车辆行驶性能的影响作作者者：学学 号号：学院学院( (系系) )：专专业业：指导教师指导教师：评评 阅阅 人人： 大学中文摘要I土壤的物理机械性质及其对车辆行驶性能的影响中文摘要关键词关键词：土壤的物理机械性质土壤的物理机械性质土壤的物理机械性质，车轮与地面相对滑动车轮与地面相对滑动车轮与地面相对滑动，轮式车辆的轮式车辆的轮式车辆的牵引力牵引力牵引力 土壤是工程机械的作业对象，又是其支承基础。土壤的物理机械性质直接影响工程机械的作业阻力、运行阻力，牵引性能及运行通过性。实际土壤是不同粒度土粒的混合物。不同粒度土粒的相对含量直接影响土壤的性质。 在车轮

2、向前滚动的过程中，除了直观的向前运行的滚动之外，在车轮与地面的接触区内的各个接触点还存在着不同程度的相对滑动。通过轮与地接触面的摩擦产生驱动力，以及车轮在各接触点的径向变形的差异是产生车轮与地面相对滑动的基本原因。车轮与地面之间的相对滑动不仅影响车轮的运行速度，而且影响轮胎的磨损、能量消耗及整机的作业效率。驱动轮滚动过程中，即使 1，即从驱动轮整体而言，它作纯滚动，则轮一地接触区内其余各点，轮与地之间仍存在着相对滑动，存在滑动摩擦。轮一地接触区内各单元面积的滑动摩擦力之总和就构成了牵引力。英文摘要IIPhysical and mechanical properties of the soil

3、and its effect on vehicle performanceAbstractKey Words: PhysicalPhysicalPhysical andandand mechanicalmechanicalmechanical propertiespropertiesproperties ofofof thethethe soilsoilsoil ， RelativeRelativeRelative slidingslidingsliding wheelwheelwheel andandand thethethe groundgroundground , , , Wheeled

4、WheeledWheeled vehiclevehiclevehicle tractiontractiontractionSoil is the object of construction machinery operations, but also the supporting base. Physical and mechanical properties of the soil directly affects the operation of construction machinery resistance, running resistance, traction perform

5、ance and run through sex. Actual soil is a mixture of different size soil particles. The relative content of different size soil particles directly affect the nature of the soil.In the process of rolling the wheel forward, in addition to intuitive operation of rolling forward, the wheel contact with

6、 the ground in each region there is still a point of contact varying degrees of relative sliding.Access through the wheel and the driving force of the friction surface, and the wheels at all contact points between the radial deformation of the wheel and the ground is to produce the basic reason for

7、the relative sliding.Wheels and the ground not only affect the relative slide between the wheel speed, but also affect tire wear, energy consumption and the machines operating efficiency.Wheel rolling process, even if = 1, from the wheel the whole, it is for pure rolling, the wheel of a point of con

8、tact with the rest of the region, between the wheel and the ground, there are still sliding, there is sliding friction.Round access to the region of a unit area of the sliding friction of the totality of traction.长安大学 08 级本科地面力学论文1目 录 中文摘要中文摘要.IABSTRACT.II1. 土壤的物理机械性质土壤的物理机械性质.31.1. 土壤的粒度组成.3 1.2. 土

9、壤的含水量与塑性.3 1.3.土壤的密度与重度.4 1.4.土壤的孔隙率与孔比.5 1.5.土壤的粘着性. .6 1.6.土壤的松散系数. .6sK 1.7.土壤的粘聚力 c 与内摩擦角. .7 1.8.土壤的变形系数与变形模量. .71C1E 1.9.土壤的密实度.8 1.10.土的分类.10 2. 车轮对地面的相对运动车轮对地面的相对运动.102.1. 车轮对地面的相对运动分析车轮对地面的相对运动分析.10 2.2.2.2. 轮式行走机构的滚动阻力轮式行走机构的滚动阻力.14 2.2.1.滚动摩擦系数与滚动阻力系数 f 的理论计算f.142.2.2. .影响滚动阻力的因素 .15 2.3.

10、2.3.车轮滚动时的牵引力分析车轮滚动时的牵引力分析. 16长安大学 08 级本科地面力学论文23.总结语总结语.18参考文献参考文献.19长安大学 08 级本科地面力学论文31. 土壤的物理机械性质土壤的物理机械性质 土壤是工程机械的作业对象，又是其支承基础。土壤的物理机械性质直接影响工程机械的作业阻力、运行阻力，牵引性能及运行通过性。1.1.土壤的粒度组成土壤的粒度组成工程中所研究的土壤系指各种大小的土壤颗粒任意组合而构成的堆积物。土壤通常由土壤颗粒、水和空气三相物质构成。若土粒间的空隙全部被水充满，形成饱和土，即为两相土壤；若土粒间的空隙无水，形成千土，也是两相土壤。土壤各相的相对含量决

11、定了土壤的状态与性质。 2实际土壤是不同粒度土粒的混合物。不同粒度土粒的相对含量直接影响土壤的性质。为了研究土壤的性质，常常要确定土壤的粒度组成，即进行颗粒分析试验。工程中实用的颗粒分析试验方法有筛分法和比重计法。筛分法适用于粒径大于 0.1mm 以上的土壤；比重汁法适用于粒径小于 01mm 的土壤。如果土壤中同时含有大于和小于01mm 的土粒时，两种方法并用。土壤中各级粒度分组搭配情况，用其含量(以重量计)的百分数表示，称为土壤的颗粒级配。颗粒不均匀，称为级配良好；颗粒较均匀，则级配不好。颗粒分布均匀程度用不均匀系数 K 表示：限定粒径，土壤中小于该粒径的颗粒占总土重的 60% 有效粒径，土

12、壤中小于该粒径的颗粒占总土重的 10 10d K 值愈大，说明颗粒愈不均匀。当 K5 时称为不均匀土壤。1.2.土壤的含水量与塑性土壤的含水量与塑性土壤的含水量 w 是土壤中所含水的质量 m2 与土壤颗粒的质量 m1 之比： %10012mmW1060KKK 60d长安大学 08 级本科地面力学论文4土壤在外力作用下变形。当外力解除后，土壤保持其变形形状的能力称为它的塑性。粘性土是可塑性土壤，而砂和砾石则为非塑性土壤。含水量对土壤的塑性有重要影响。当含水量大于一定界限时，粘性土会呈现某种流动状态。这一极限含水量称为粘性土的流动界限(液限)或称为塑性上限。当含水量小于某一界限时，则粘性土壤会失去

13、压延性而变成硬性的固体状态，这一极限含水量称为粘性土的压延界限(塑限)或称为塑性下限。土壤含水量的流动界限采用下述方法测定：质量为 76g，锥顶角为 30的圆锥体，在其重力作用下，经 5s 后沉入土壤中的深度达 10mm 时，这一含水量即作为被测试土壤的流动界限。 2土壤含水量的压延界限的测定方法为：当土壤的块体被压延展成厚 3mm 的薄带时，土壤薄带开始产生碎裂，则这时的含水量即作为被测试土壤的压延界限。随着含水量的不同，粘性土壤具有不同的物理状态；当含水量小于塑性下限时pW为硬性土壤；当含水量大于塑性上限(即流动界限)时，则为流动性土壤；当含水量lW处于之间时，则属于塑性土壤。称为塑性土壤

14、的塑性指数。按塑性lpWW plWW pI指数可将塑性土壤分为表 1-1 所示的类别。 pI 各类土的塑性指数范围表各类土的塑性指数范围表 （表 1-1）粘土亚粘土亚砂土砂土土的种类（高塑粘土）（塑性土）（低塑性土）（非塑性土） 塑性指数pI1717717331.3.土壤的密度与重度土壤的密度与重度土壤的自然密度是土壤在自然状态(具有自然含水量)下，土壤的质量与体积00m之比0V)/(3000mkgVm长安大学 08 级本科地面力学论文5土壤的干密度是土壤颗粒的质量与土壤总体积之比：d1m0V301/ mkgVmd土壤的自然重度是土壤在自然状态(具有自然含水量)下，单位体积土壤所受的重力0g3

15、000/mKNVgmg土壤的重度与土壤的矿物成分、孔隙率、含水量等因素有关，一般，30/2015mkNg详见表 1-71.4.土壤的孔隙率与孔隙比土壤的孔隙率与孔隙比土壤的空隙率 n 是土壤颗粒间的空隙体积与土壤总体积之比：vV0V0VVnv土壤的孔隙比 e 是土壤中的空隙体积与土壤颗粒体积之比:vVsVsvVVe 孔隙率 n 或孔隙比 e 反映了土壤的密实程度，n 与 f 之间的关系为： 1een长安大学 08 级本科地面力学论文6或 ene11.5.土壤的粘着性土壤的粘着性土壤的粘着性是指土壤粘附在其它物体上的能力。粘着性是大部分塑性土壤在含砂质土较少，且又有适当的含水量时所共有的特性。当

16、粘性土壤的含水量增加到一定程度后，土壤开始具有粘附在不同物体上的能力，这一含水量即称为粘着界限。HW是表示土壤粘着性的指标。评价粘着性的另一指标是比粘着力。比粘着力是HWHpHp使单位面积的金属片与土壤脱离所需的力。对于粘土，=78MPa，对于亚粘土，Hp=57MPa。 Hp土壤的粘着性对于铲土运输机械的运用有重要影响。当土壤粘附在工作机构上时，将使铲掘阻力增大，减少工作装置的实际容量。11.6.土壤的松散系数土壤的松散系数sK土壤的松散系数是同一质量的土壤挖松后的体积与其自然密实状态下的体积wV之比：0V0VVKws因为是指刚刚挖松后的土壤体积，所以又称为初始松散系数。挖松的土壤经过自wVs

17、K重、风、雨作用若干时间后，其密实度增大，此时的松散系数称为残余松散系数。各种土壤的松散系数列入表 1-6。长安大学 08 级本科地面力学论文71.7.1.7.土壤的粘聚力土壤的粘聚力 c c 与内摩擦角与内摩擦角 土壤的粘聚力 c 取决于土壤的物理性质和化学性质，尤其与土壤含水量有密切关摹。含水量过高或过低都会使 c 值降低。不同的土壤，与最大粘聚力相对应的含水量也不同。为了使工程机械发挥较好的牵引性能，应使机器在含水量适中的土壤上进行作业。 粘土的粘聚力较大，砂土的粘聚力几乎为零。各种土壤的粘聚力 c 列于表 l 一 7中。土壤的内摩擦是由于土壤颗粒表面粗糙，相互嵌锁而引起的。内摩擦角是表

18、征土壤内摩擦性质的参数。内摩擦角的正切值称为内摩擦系数。各种土壤的内摩擦角列于表 17、表 18 中。1长安大学 08 级本科地面力学论文81.8.1.8.土壤的变形系数土壤的变形系数与变形模量与变形模量1C1E 当土壤受垂直载荷作用时，土壤主要产生压缩变形。例如运行轮与地面的相互作用情况：车轮对土壤作用的法向接触应力与土壤的总变形量 x 之间存在着某种函数关系。根据将圆形平板压入土壤中的试验证明：PaxCn1式中 土壤的总变形系数()；1C3mN n -幂指数(取决于土壤的含水量：当时，n0；w(07 08)sww时， n=0.5； 时，n=1） 。swsWW7 . 04 . 0 当工程机械

19、在典型的土壤条件下()工作，且(025MPa 时，土sWW)6 . 04 . 0(壤的压缩变形规律可近似为：)(1PaxC 由上述可知：土壤的总变形系数可表示土壤的抗压能力，反映了土壤的机械强度。表示土壤机械强度的另一指标是土壤的变形模量。实验研究证明与有下述关系：1E1C1EPaDCE11式中 D进行上壤抗压强度试验时所采用圆形压板的直径。长安大学 08 级本科地面力学论文9 可表示在垂直载荷作用下土壤抵抗压缩变形的能力。它与材料力学中的弹性模量相1E似，但又有区别：是由土壤压缩的总变形量(弹性变形和塑性变形的总和)来确定的；同1E一种土坏，随着含水量、密实度的变化，值发生变化；而材料力学中

20、的弹性模量由材料1E的弹性变形确定，对某种材料而言其值为常数。1.9.1.9.土壤的密实度土壤的密实度土壤的密实度是表示土质密实程度的一项机械特性。土壤的密实程度可以用土壤的密度、孔隙比等物理特性来表示。目前最常用的指数有以下两种：(1）圆锥指数圆锥指数是将顶角为 30的圆锥压头以大约 1。83m/min 的速度压入土壤内至一定深度时，单位圆锥投影面积上所需的力即称为圆锥指数。圆锥指数通常是随着压入深度而变化的，所以也可以用圆锥指数随压深而变化的关系曲线来表示土壤的机械特性，该曲线称为圆锥线图(图 l 一 2)。测定圆锥指数的仪器称为圆锥贯入计。圆锥贯入计的种类很多，其结构、原理大致相同。其具

21、体结构不再赘述。 冲击指数冲击指数是将一面积为 l的圆形平压头，在每次 10J 冲击功之作用下，将压头压入土壤3cm中达 10cm 深度时所需的冲击次数称为冲击指数。测定冲击指数的仪器称为动载贯入汁或称为冲击器。动载贯入计的种类很多，图 13 是前长安大学 08 级本科地面力学论文10苏联道尔尼冲击器的构造原理图。圆锥指数、冲击指数在研究机器和上壤相互作用的机器地面力学中被广泛地用来作为表示土壤条件的指标，例如用来表示地面的通过性能(土壤的可行驶性)、土壤的可切削性等。表 12 为应用冲击指数进行土壤分级的例子。1.10.1.10.土的分类土的分类为了正确评价土的物理机械性质，必须对土进行分类

22、。分类方法很多，我们学的主要是粒径级配分类法（三角坐标土分类法） 。12.2.车轮对地面的相对运动车轮对地面的相对运动2.1.2.1.车轮对地面的相对运动分析车轮对地面的相对运动分析在车轮向前滚动的过程中，除了直观的向前运行的滚动之外，在车轮与地面的接触区内的各个接触点还存在着不同程度的相对滑动。通过轮与地接触面的摩擦产生驱动力，以长安大学 08 级本科地面力学论文11及车轮在各接触点的径向变形的差异是产生车轮与地面相对滑动的基本原因。车轮与地面之间的相对滑动不仅影响车轮的运行速度，而且影响轮胎的磨损、能量消耗及整机的作业效率。车轮滚动时，轮胎与地面相互作用的三种典型情况为：轮胎与地面同时变形

23、(见图23)；仅轮胎变形，而滚动表面不变形(见图 24)；仅滚动表面变形，而轮胎基本上不变形(见图 25)。三种典型情况下的轮胎与地面的相对滑动是不同的。(1)第一种轮胎与地面相互作用情况下的相对运动分析第一种轮胎与地面相互作用情况下的相对运动分析当车轮在可变形的地面上滚动时，轮胎与地面同时变形。这种轮与地相互作用情况较为复杂。但是这种相互作用情况在工程机械的运行中也是最常发生的情况。设车轮沿水平路面匀速滚动，车轮的角速度和车轮的实际运行速度 V 皆为常数，而且认为车轮作纯滚动。相对运动分析原理如图 23 所示。中心与均在过车轮中心 o2o3o的垂线上，其半径 R1、R2 可按下式计算：xhr

24、R101yhrR102式中: 轮胎的自由半径；0r 加载区的土壤总变形量xh 卸载区的土壤弹性变形量yh1.支承区内任一点 处的相对运动分析在点处车轮与地面的相对运动速度发生在该点的接触面切线方向。此时轮上的点相对于地面的运动速度为，轮上的点相对于轮轴 o 点的速度为。是点相对1V3V3V于 o 点的圆周速度。3wV 3coscos31wVV长安大学 08 级本科地面力学论文12式中v 滚动表面上的点相对于车轮的运动速度等于车轮的实际速度 V，但其方向向后，滚动表面上的点相对于车轮的速度沿速度方向的分量为。1V4Vcos4VV 车轮与地面在点的相对运动速度为：coscos41VwVVV当时，车

25、轮相对于地面向后滑动，即发生滑转。0V当时，车轮相对于地面无滑动，即为纯滚动。0V当时，车轮相对于地面向前滑动，即发生滑移。0V当点位置变化时，、角及值发生变化，接触区内各点的发生变化。V的V变化情况如图 23(b)所示。2任意接触点的滑移系数与车轮的滑移系数s 为了评估接触区内各接触点的相对滑动的方便，定义，称为任意接触SVV41/s点处的滑移系数。当时，点即点，也就是0 的接触点。此时01o。称为车轮的滑移系数。由图 23 和上述定义可知：0 4coscos41VwVVVVVwroc1式中 动力半径cr 车轮在中心支承点处相对于1oV1o地面的运动速度。由可以评价接触区内各点的轮对地的相对

26、滑动情况：长安大学 08 级本科地面力学论文13（滑转）1s（纯滚动）1s（滑移）1s同理，时，车轮做纯滚动；当时，车11轮滑转；当时，车轮滑移。1因接触点不同，不同，仅可作评价各接触点相对滑动的指标。评价整个车轮的滑动情况应采用车轮的滑移系数。可得：coscoscrcos1crVVVrVccos1cos 综上所述，若已知时，不仅可判明车轮的宏观运动状态，而且可进一步分析各接触点的滑动情况。（2 2）轮胎变形，地面为刚性的相对运动分析轮胎变形，地面为刚性的相对运动分析当车轮沿不变形的地面滚动时，仅轮胎发生变形，运动分析原理如图 24(a)所示。此时，车轮的角速度、运行速度 V 均为常数，路面坡

27、度为零。图 2 一 4(a)所示的轮与地面的相互作用情况，可认为是轮胎与地面同时变形情况的特例，即、0coscT21RR可得： cos3cwTV ， 21coscwTV VwTVc2cos ， 21cosVwTVVc2coss 21cosVV 长安大学 08 级本科地面力学论文14 VV1cos2在轮胎与地面接触区内的轮对地的相对滑动速度的分布情况如图 24(b)所示。V（3 3）轮胎不变形、地面变形的相对运动分轮胎不变形、地面变形的相对运动分析析当车轮沿松软的地面滚动时，可近似地认为轮胎不变形，仅地面变形。这种轮胎与地面相互作用的情况，仍可视为轮胎与地面同时变形的一个特例。此时， 。若设0T

28、Tc车轮角速度，运行速度 V 为常数，路面坡度为零。其运动分析原理如图 25(a)所示。 03wTV 031wTVV cos0VwTV VwTcos0 VwT0 cos VV1 VVcos1长安大学 08 级本科地面力学论文152.2.2.2.轮式行走机构的滚动阻力轮式行走机构的滚动阻力 车辆的从动轮和驱动轮在变形路面上滚动时，都受到地面对轮胎的一个滚动阻力矩的作用。fKSRM 52.2.1.滚动摩擦系数滚动摩擦系数与滚动阻力系数与滚动阻力系数 f f 的理论计算的理论计算f由图 2-13 与经验公式可得，滚动阻力矩可表示为：KKffGM0TTffcf2.2.2.影响滚动阻力的因素影响滚动阻力

29、的因素（1）土壤变形模量和胎内气压对滚动1EP阻力系数的影响由图 218 可以看出： 1. 当125MPa 时，增大，使 f 增大，1EP而且愈小，则 f 增大愈明显。这是由于轮与地1E相互作用时，增大则轮胎变形相应减小，而土P壤变形相对增大的结果。滚动阻力反映了轮地变形的能量损失，轮与地变形所消耗的能量中，主要部分为地面变形所消耗，因此，当较1E小、且较大时，土壤变形加剧、滚动阻力系数必然增大。P 2当=920MPa 时，f 较小且增大，所产生的 f 减小不明显。当大于某定1EPP值后；f 趋于稳定。这一现象说明轮一地相互作用时滚动阻力主要取决于上壤变形。因较大时，土壤变形小，所以 f 较小

30、。而且车轮变形随着增大而减小，所以 f 呈下降趋1EP势。长安大学 08 级本科地面力学论文16 3.当125MPa 时，采用为 0203MPa 的低压胎是有利的。1EP(2)土壤相对含水量 ww。对滚动阻力系数的影响图 219 表示了轮式行走机构采用一种 120020轮胎，在各种胎内气压的条件-下，滚动阻力系数对亚粘土的相对含水量 ww。的函数图象。由图 219可知：滚动阻力系数随土壤含水量的增高而增大，其原因在于轮辙形成过程中土壤变形更迅速，变形量相对增大的缘故。图中的数据表明，轮胎气压低时，提高土壤含水量对 f 值的影响较轮胎气压高时为小。这一实验结果再次说明采用低压胎是有利的。(3)驱动轮的相对牵引力对滚动阻力系数的影响图 220 是轮式行走机构装用一种 140020 轮胎时滚动阻力系数 f 与相对牵引力的函数关系。图中的与分别是轮式行走机构第一、二次通过在碾实地基上铺的RP1f2f30cm 厚的疏松粘土层时的曲线