土在水平載荷作用下的應(yīng)力-變形關(guān)系和車輛牽引力的研究

1、地面力學(xué)作業(yè)論文土壤在水平載荷作用下的應(yīng)力-變形關(guān)系和車輛牽引力的研究 作 者: 孟凡皓 指導(dǎo)老師：馬鵬宇 2011年4月23日土在水平載荷作用下的應(yīng)力-變形關(guān)系和車輛牽引力的研究作者：孟凡皓 指導(dǎo)老師：馬鵬宇（長安大學(xué) 交通建設(shè)與裝備 學(xué)號：2506080108 陜西 西安）摘要：簡要敘述了土的主要性質(zhì)，在分析土在水平載荷作用下應(yīng)力分布情況和應(yīng)力-變形關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究了輪式車輛和履帶式車輛牽引力的相關(guān)問題。給出了車輛牽引力的計(jì)算公式，分析了影響車輛牽引力的因素并提出了提高車輛牽引力的有效方法。關(guān)鍵詞：水平載荷 剪切應(yīng)力 附著系數(shù) 車輛牽引力 Abstract: this article b

2、riefly describes the main properties of soil and soil, on the analysis in level load stress distribution and stress - based on the relation of deformation, studies the wheeled vehicles and caterpillar vehicles traction related issues. Given traction calculation formula of vehicles, analyzes the fact

3、ors influence vehicle traction and puts forward the effective method to improve vehicle traction. Keywords: horizontal load shear stress adhesion coefficient Vehicle traction 目錄第一章：緒論41.1引言41.2車輛牽引力研究的背景和意義4第二章:與車輛牽引力有關(guān)的土的特性52.1土的有關(guān)性質(zhì)簡述52.2均布水平載荷作用下土中應(yīng)力分布52.3土體在水平載荷作用下的應(yīng)力變形關(guān)系6第三章：履帶式車輛的牽引力73.1車輛牽引力的

4、產(chǎn)生73.2履帶車輛的附著性能73.3切向牽引力與滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系93.4其它影響履帶車輛牽引力的因素9第四章：輪式車輛的牽引力104.1輪式車輛行走機(jī)構(gòu)動力學(xué)104.2輪式車輛牽引力的計(jì)算方法114.3輪式車輛的附著性能12第五章：提高車輛牽引力的方法簡述135.1提高履帶式車輛牽引力的方法135.2提高輪式車輛牽引力的方法13參考文獻(xiàn)15第一章：緒論1.1引言車輛在地面上行駛要靠土來支撐，要借助土的反力來發(fā)揮推進(jìn)力，還要用推進(jìn)力來牽引作業(yè)機(jī)具進(jìn)行地面作業(yè)。許多工程機(jī)械的作業(yè)對象就是土，所以工程機(jī)械和地面是一個自然的統(tǒng)一體。但是長久以來，人們往往把這個統(tǒng)一體分開，孤立地研究車輛本身，希望通過單純

5、的提高車輛參數(shù)來提高行駛性能，卻很少涉及車輛與地面之間的相互作用問題。例如對于車輛的牽引性能，只是用一些安全系數(shù)很大的參數(shù)來評價。隨著科技的發(fā)展，人民對機(jī)器性能的要求越來越高，許多在安全系數(shù)掩蓋下的未知因素的作用逐漸突出，這就迫使人們?nèi)ド钊胙芯寇囕v和地面之間的相互作用過程和關(guān)系。要提高車輛的牽引性能，必須從根本上改變車的形態(tài)，而不能只于幾何尺寸的變更；必須把車輛和車輛的作用介質(zhì)統(tǒng)一起來研究，而不能單獨(dú)研究任何一個方面。將土的性質(zhì)和車輛牽引力有機(jī)的統(tǒng)一起來進(jìn)行分析研究，是本文時刻注意的一個問題。1.2車輛牽引力研究的背景和意義車輛牽引力作為車輛性能參數(shù)的重要指標(biāo)，對其的研究的重要性不言而喻，其成

6、果具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。過去，人們往往只重視車輛本身的參數(shù)，而忽略了車輛和土壤相互作用之間的關(guān)系。隨著技術(shù)要求的不斷提高，越來越多的人開始關(guān)注車輛的作用介質(zhì)土壤，并把兩者聯(lián)系起來研究，如貝克，Janosi，日本學(xué)者K.Kogure和富一多以及蘇聯(lián)學(xué)者比普利亞等。目前國內(nèi)走在前列的有吉林大學(xué)以及長安大學(xué)等。將車輛與土壤結(jié)合起來研究已經(jīng)受到了越來越多人的重視與認(rèn)可。第二章:與車輛牽引力有關(guān)的土的特性2.1土的有關(guān)性質(zhì)簡述這里所研究的土并不只是土的顆粒，而是松散堆積物的整體。土是由不同的相（固相、液相、氣相）所構(gòu)成的多相體系。土的各相之間的相對含量和相互作用對土的狀態(tài)和性質(zhì)有著明顯的影響。影

7、響車輛牽引力的土的因素有很多。其中最主要的因素之一土的抗剪強(qiáng)度。土的抗剪強(qiáng)度直接影響土在水平載荷作用下的剪切應(yīng)力變形關(guān)系。土的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系可由庫侖定律表示為: 1式中：土的抗剪強(qiáng)度；作用在剪切面上的法相應(yīng)力；土的強(qiáng)度指標(biāo)，內(nèi)摩擦角；土的強(qiáng)度指標(biāo)，黏聚力。由上式可見，土體的破壞不是土體顆粒的破壞，而是土顆粒間聯(lián)結(jié)的破壞。對于砂性土，因?yàn)橥恋酿ぞ哿很小，所以決定其抗剪強(qiáng)度的重要指標(biāo)是內(nèi)摩擦角（由砂土的密實(shí)度，顆粒形狀，大小和顆粒級配等決定）；對于粘性土，其抗剪強(qiáng)度與含水率密切相關(guān)。含水率過高或者過低都會使C值下降從而導(dǎo)致土的抗剪強(qiáng)度下降。因此，為了使車輛發(fā)揮較好的牽引性能，應(yīng)在含水率

8、適中的土體上進(jìn)行作業(yè)。2.2均布水平載荷作用下土中應(yīng)力分布車輛在行走過程中，常常作用于土體上水平分力，在這種情況下，土中的應(yīng)力分布可以簡化成水平線載荷作用下土中應(yīng)力分布的平面課題。2如圖2-1所示，引用彈性理論的結(jié)論，可得：采用極坐標(biāo)時，土體中任一點(diǎn)的應(yīng)力分量為：可見，由水平載荷p引起的應(yīng)力狀態(tài)是沿徑向的簡單壓縮。在直角坐標(biāo)系中，任意一點(diǎn)的應(yīng)力分量為：圖2-1作用于土體表面的水平載荷2.3土體在水平載荷作用下的應(yīng)力變形關(guān)系土體在水平方向承受載荷，就產(chǎn)生在水平方向的力和位移的關(guān)系，即水平載荷作用下的土的應(yīng)力變形關(guān)系。當(dāng)輪胎或者履帶被驅(qū)動時，它們在和地面接觸的面積上產(chǎn)生剪切作用。為了預(yù)測車輛的牽引

9、力和打滑，需要了解土中的剪切應(yīng)力和剪切變形j之間的關(guān)系。車輛在松軟地面上行駛時所能產(chǎn)生的最大牽引力受到土切向抗剪切強(qiáng)度的限制，因此土的剪切特性是影響車輛在松軟地面通過性的重要特性。常見的松軟地面的剪應(yīng)力剪切位移的特性曲線通?？梢苑譃閮蓚€典型的情況3：一類為塑性土，如圖2-2中的曲線A所示，其最大剪應(yīng)力max發(fā)生在當(dāng)土被壓實(shí)一段距離時，此后抗剪切強(qiáng)度保持不變，即其大小與以后的土位移無關(guān)，整個曲線無明顯“駝峰”；另一類為脆性土，如上圖2-2中的曲線B所示，這種土的可以很快達(dá)到，而后立刻開始剪切位移，有駝峰。在位移時，原始的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，新的結(jié)構(gòu)不具有原先的抗剪切強(qiáng)度，因而隨后的值迅速下降。土的類型

10、不同，其相應(yīng)的剪切特性就不同，在地面力學(xué)中最常碰到的土壤與其剪切位移的關(guān)系曲線都類似于圖2-2中的曲線A。常見的塑性土的剪切模型有Janos模型、雙曲模型、純指數(shù)模型等，其中最常用的便是Janosi等人提出的土壤剪切模型。根據(jù)Janosi的塑性土剪切理論，土的剪切力與土的剪切位移成如下關(guān)系： 式中：前面已經(jīng)給出，為土的剪切模量。 K為土的剪切變形模量。第三章：履帶式車輛的牽引力3.1車輛牽引力的產(chǎn)生無論是輪式車輛還是履帶式車輛，它們牽引力的產(chǎn)生都可以簡述為以下四個部分。驅(qū)動輪在驅(qū)動輪扭矩的作用下帶動履帶或者輪胎轉(zhuǎn)動支承車輛的地面要阻止它轉(zhuǎn)動因而產(chǎn)生一個反作用力使車輛前進(jìn)這個反力的水平分力即為車

11、輛的土壤推力，其大小等于車輛的牽引力。在硬路面上，車輛牽引力主要由履帶（或者輪胎）與地面的摩擦產(chǎn)生；在軟路面上，則主要是由土壤的剪切變形產(chǎn)生。3.2履帶車輛的附著性能履帶車輛的附著性能是指履帶車輛提供最大牽引力的能力4。車輛行駛時，在驅(qū)動力的作用下，履帶與土壤接觸的各個微小部分都產(chǎn)生土壤反作用力。所有土壤反力的水平分力，可以用沿著車輛行駛方向作用的切線牽引力來表示。車輛在松軟地面上行駛時，履刺嵌入土內(nèi)，如前所述，切向牽引力主要由土壤的抗剪力產(chǎn)生。設(shè)履帶支撐面為A，土壤的剪應(yīng)力為，則其相應(yīng)的切線牽引力應(yīng)為：對于履帶底盤，每一履帶支撐面積為bL，則上式可以寫為： 又由于大多數(shù)土壤為塑性土壤，因此，

12、由上述Janosi的塑性土剪切理論，可以得出： 為了定量的考察履帶下面剪切位移的產(chǎn)生，首先必須給履帶的滑轉(zhuǎn)率i下定義： 式中：i車輛的滑轉(zhuǎn)率； v履帶的實(shí)際速度； 角速度與節(jié)圓半徑r確定的理論速度； 履帶車輛相對地面的滑轉(zhuǎn)速度。所以，剪切位移j在支承段上沿x坐標(biāo)軸方向各點(diǎn)是不相等的，如圖2-3可得：j可以表示為：圖2-3 土壤剪切位移沿履帶支撐段的變化因此，由式、 可得：式中：A履帶接地面積，A=2bL。由上式可知：當(dāng)一定時，若其他參數(shù)不變，則iL為定值，所以增加L可以使車輛的滑轉(zhuǎn)率i降低。也就是說：當(dāng)履帶接地面積相同時，長而窄的履帶比短而寬的履帶有更大的切線牽引力，長而窄的履帶滑轉(zhuǎn)率小，不易

13、打滑，功率損耗小。3.3切向牽引力與滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系圖2-4 切線牽引力與滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系由上面推到出的公式表示的切向牽引力與滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系，可以用圖2-4來表示。曲線表明，開始階段切線牽引力增加時，滑轉(zhuǎn)率大致與其成比例的增加，但切線牽引力達(dá)到某一數(shù)值后，對切線牽引力的微小增量，滑轉(zhuǎn)率都有一個很大的增量與之對應(yīng)。切線牽引力達(dá)到某一最大值時不再增加，這是由于土壤被剪切破壞的緣故。切向牽引力與滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系曲線稱為滑轉(zhuǎn)曲線，它表示行走機(jī)構(gòu)與地面之間的附著性能。對于兩條滑轉(zhuǎn)曲線，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率相同時，顯然切線牽引力較大者附著性能好；或者在地面能提供相等的切線牽引力時，滑轉(zhuǎn)率較小者附著系數(shù)好。3.4其它影響履帶車輛牽引

14、力的因素履帶車輛的牽引力主要受車輛參數(shù)和土壤的特性影響。除此之外，車輛的工作狀況也對車輛的牽引力有重要的影響，如履帶接地壓力的分布以及履刺的側(cè)壁效應(yīng)就對車輛的牽引力有較大影響。履帶式車輛在行進(jìn)或者工作過程中，履帶接地壓力中心往往產(chǎn)生偏置而使車輛的牽引力降低。大量試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)表明：履帶接地中心偏前或者履帶接地壓力非線性分布，都將使?fàn)恳ο陆?。而接地壓力中心偏后，牽引力則將上升；當(dāng)車輛重心具有橫向偏心距時，整機(jī)的牽引力不受影響，但兩條履帶各自的牽引力不等，有一差值。該差值與偏心距C成正比，與軌距B成反比；但是，接地壓力P的分布規(guī)律對最大牽引力的影響很小。當(dāng)i時，最大牽引力趨于同一數(shù)值。第四章：輪式車

15、輛的牽引力4.1輪式車輛行走機(jī)構(gòu)動力學(xué)為了研究輪式車輛的牽引力，必須分析車輪的運(yùn)動學(xué)5。根據(jù)產(chǎn)生運(yùn)動的力學(xué)原因不同，車輪可以分為從動輪和驅(qū)動輪。從動輪的運(yùn)動是在輪軸上水平推力的作用下產(chǎn)生的；驅(qū)動輪的運(yùn)動是在驅(qū)動力矩的作用下產(chǎn)生的。根據(jù)車輪承受載荷后是否變形，可以將車輪分為剛性輪和彈性輪兩種。在討論車輪運(yùn)動學(xué)時，為了方便起見，常以剛性輪為例。車輪的三種滾動情況如圖4-1所示。車輪與地面相切于點(diǎn)（實(shí)際運(yùn)動時為一條直線），以角速度滾動。這時可能有如下三種滾動情況：圖4-1 剛性車輪的三種滾動情況1)純滾動：車輛相對地面作純滾動時，這時點(diǎn)的速度為零，車輛的直線運(yùn)動速度。這時，點(diǎn)為瞬心點(diǎn)。如4-1（b）

16、所示。2)滾動時帶有滑移：車輛滾動帶有滑移時點(diǎn)的速度不為零，而是有著向前的滑移速度。此時瞬心移向點(diǎn)下方的點(diǎn)，相當(dāng)于一個半徑為的較大的車輪做純滾動。如圖4-1（c）所示。3）滾動時帶有滑轉(zhuǎn)：車輛滾動時帶有滑轉(zhuǎn)時點(diǎn)的速度也不為零，而是有著向后的滑移速度，此時瞬心移向點(diǎn)的上方點(diǎn)，相當(dāng)于一個半徑為的較小的車輪做純滾動。另外，輪式車輛的滑轉(zhuǎn)率定義與履帶式車輛的滑轉(zhuǎn)率非常相似，可以參照前述履帶式車輛的滑轉(zhuǎn)率，這里不再詳述。4.2輪式車輛牽引力的計(jì)算方法輪式車輛的計(jì)算方法有很多6，如貝克方法，圓周剪切計(jì)算法，日本學(xué)者富木一多提出的計(jì)算方法等。這里引用比較常用的貝克方法和Janosi的相關(guān)公式。貝克根據(jù)在車輪

17、和土體間產(chǎn)生的水平剪切的觀點(diǎn)，對剛性驅(qū)動輪作用下土的圖4-2.土的水平剪切和位移剪切變形，做出了簡化分析：即剪切變形j用水平方向的位移表示（見圖4-2）變形j在車輪和地面開始接觸時為零，而在車輪和地面接觸的末端達(dá)到最大值。因此，剪切位移應(yīng)等于滑轉(zhuǎn)速度和相應(yīng)的時間的乘積，即。取x為相應(yīng)剪切位移所走過的距離，為理論行駛速度，所以有：所以，剪切位移為：即剪切位移與行走的距離呈線性關(guān)系。Janosi認(rèn)為，最常遇到的土為塑性土壤，故用Janosi所推薦的剪切應(yīng)力應(yīng)變方程來推導(dǎo)輪式車輛的牽引力，即：其中：式中：b輪寬；土壤的沉陷量。以上兩個方程式中，垂直應(yīng)力被認(rèn)為是在接觸面上均勻分布的，可以看做常數(shù)。此時

18、，車輪產(chǎn)生的最大牽引力為：4.3輪式車輛的附著性能輪式車輛的驅(qū)動輪在地面上滾動時，在驅(qū)動力的作用下，車輪與地的接觸面上個微小單元都產(chǎn)生微觀滑轉(zhuǎn)，亦即地面各微小單元面上都產(chǎn)生抗滑轉(zhuǎn)反力，這些抗滑轉(zhuǎn)反力的水平合力就是切向牽引力。地面對車輪產(chǎn)生抗剪切反力或者切向牽引力的同時，車輪對地面產(chǎn)生相對滑轉(zhuǎn)，滑轉(zhuǎn)程度用滑轉(zhuǎn)率i表示。顯然，當(dāng)切線牽引力一定時，i越小，地面的抗滑轉(zhuǎn)能力就越高，地面的這種抗滑轉(zhuǎn)的能力成為附著性能。土方工程機(jī)械多在土壤地面上工作，因此地面能夠提供的切線牽引力由土壤的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生。施工中常遇到的是塑性土壤，可以按照上述推到的公式進(jìn)行計(jì)算。一般當(dāng)滑轉(zhuǎn)率i=100%時，可產(chǎn)生最大切線牽引力

19、。圖4-3 驅(qū)動輪試驗(yàn)滑轉(zhuǎn)率曲線輪式車輛在運(yùn)輸工況下，多在較好的硬路面上行駛，如瀝青路面。此時切線牽引力主要由路面的摩擦反力提供。由于土壤的復(fù)雜性，滑轉(zhuǎn)率i與牽引力F之間的關(guān)系，即滑轉(zhuǎn)曲線，多由試驗(yàn)取得。需要指出的是，試驗(yàn)時的牽引力F是切線牽引力克服了驅(qū)動輪滾動阻力后可以對外做功的有效牽引力。牽引力F最初隨滑轉(zhuǎn)率i成比例的增長，然后以稍快的速度增長到一個最大值。當(dāng)滑轉(zhuǎn)率繼續(xù)增長時，牽引力下降，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率i到達(dá)100%時，牽引力達(dá)到。到以虛線表示，以示這一個過程是不穩(wěn)定的。圖4-3是驅(qū)動輪在硬質(zhì)地面上試驗(yàn)的滑轉(zhuǎn)率曲線。驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)曲線和輪胎的類型，路面的材料以及路面的狀況（如干濕情況）都有關(guān)系，道路條件對其影響較大。由圖4-3可見，牽引力F有極值出現(xiàn)。第五章：提高車輛牽引力的方法簡述5.1提高履帶式車輛牽引力的方法當(dāng)土體確定時，根據(jù)上述推到的履帶式車輛牽引力的計(jì)算公式可以看出，當(dāng)一種土壤確定后，增加車重w和增加履帶的接地面積都可以有效的使車輛的牽引力增大。另外，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)支重輪間距S和節(jié)距t，選取合適的支重輪半徑r，履帶撓度和支重輪剛度，履