基于模型履带板的斜坡最大剪应力计算模型构建与验证

摘 要： 在山地斜坡路面工况下，履带拖拉机行走系对土壤施加的最大剪应力是拖拉机高效行驶的动力基础，由于经典的库伦公式未考虑履带剪切速率、斜坡角度、土壤含水率等实际因素的影响，不能直接应用于履带拖拉机在斜坡路面工况下的行驶力学计算。针对该问题，在不同土壤含水率条件下进行了直剪试验，得到土壤抗剪强度参数随含水率变化的数学模型。采用二次旋转正交组合试验，探究了履带板在不同剪切速率及斜坡角度下对土壤最大剪应力的影响规律，并对经典库伦公式进行修正。验证试验表明，在不同土壤含水率、剪切速率和斜坡角度条件下，最大剪应力试验值与理论值之间的相对误差均lt;5%，表明修正后的库伦公式可准确反映各因素对最大剪应力的影响，可为履带拖拉机在斜坡路面工况下的行驶力学计算、性能分析提供理论依据。

关键词：履带拖拉机；履带板；斜坡；最大剪应力；土壤剪切；库伦公式

中图分类号：S229 文献标识码：A 文章编号：2095-1795（2024）09-0092-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.09.016

0 引言

履带拖拉机在斜坡路面行驶时，履带接地段的土壤由于受到履带的挤压及剪切作用，将产生一定的剪切应力，并在拖拉机行驶方向上产生位移。剪应力的累积为拖拉机行驶提供所需的驱动力，并且不论剪切位移的大小如何变化，在履带与土壤相互作用面上总存在一个最大剪应力，即土壤抗剪强度。

土壤抗剪强度是土壤能产生的用以阻止剪切破坏的最大应力，这种剪切破坏可由摩尔−库伦理论描述，通过库伦公式计算[1-5]。大量研究表明，土壤含水率对土壤的剪切破坏产生一定影响，当含水率增大到一定程度时，土壤由固态或半固态转变为可塑态，其黏附性较大[5-8]。当土壤含水率大于塑限含水率时，土壤将极易黏附于履带表面，使得履带表面变得光滑，从而降低履带对于地面的附着能力，甚至使拖拉机失去行驶能力[9-10]。另一方面，土壤对于履带的黏附作用将增加拖拉机的行驶阻力，严重影响拖拉机的行驶效率，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带有效发挥牵引性能的前提条件，可保障拖拉机正常行驶。测定塑限以下的土壤抗剪强度，对于探究履带拖拉机的各项机械性能意义重大。