土壤软路面是农业车辆的载体,土壤结构及其表面不平度与车辆振动密切关系。耕作土壤表面形貌的分布特点,及其与耕作方式之间的关系研究,对田间耕作及管理有重要的意义;土壤软路面—车辆系统的振动传递规律的研究,揭示土壤软路面结构对振动的影响作用及规律,对农用车辆的振动检测、振动仿真以及减振设计等都有重要的意义,并为减少农业机械部件的振动疲劳损耗,增加农业机械的通过性提供理论依据。土壤软路面表面不平度能否直接作为车辆的输入激励?土壤的表面不平度、有效不平度以及车辙不平度之间是怎样的关系?为了弄清土壤、轮胎、车辆载荷等因素对车辆—地面系统振动的影响作用,本文完成的主要工作以及取得的研究结论归纳如下:1.测量了土壤基本物理和力学参数。测量得到土壤的密度为1.22 g/cm3,含水率为22.35%等物理特性。设计土壤应力应变测试仪,通过计算与统计分析得出:土壤在压实和恢复过程中具有不同的弹性模量。松软土壤的压缩刚度大约为3.613×104～7.5 34×104 N,压实土壤的恢复刚度为 7.080×105～16.520×105 N。土壤的恢复刚度大约为压缩刚度的20倍。2.设计制作了土壤表面形貌静态测试仪——平面针尺式地表不平度测试仪。静态测量可保证土壤形貌不受车辆本身振动因素的影响。使用平面针尺式地表不平度测试仪,测量了犁地、旋耕地、耙地后的不同土壤形貌。统计分析几种耕作方式下土壤原始不平度的幅频特性。以空间频率来表示,结果表明:犁地曲线的波峰集中在0.049～0.098 m-1,旋耕地曲线波峰集中在0.293～0.882 m-1,耙地曲线波峰集中在0.342～0.587 m-1,由此看出:犁地曲线每米范围内能量变化次数最小,对应曲线的波长最大。耙地和旋耕地最大幅值间的跨度较小,对应曲线的波长较小。3.建立了土壤表面形貌的三维重构模型。统计分析几种耕作方式下土壤原始不平度的分形特征。结果发现:犁地、旋耕地、耙地后的土壤表面形貌具有明显的分形特征。无标度区间基本都在5～59 cm范围内。犁地曲线分形维数平均值为1.8322。旋耕地曲线分形维数平均值为1.7783。耙地曲线分形维数平均值为1.7968。由分形维数的大小来看,犁地曲线的分形维数最大,耙地次之,旋耕地最小。分形维数表达了土壤表面形貌曲线的空间变化程度,犁地的分形维数最大,其表面形貌结构最复杂,凹凸起伏程度最明显。利用耕作土壤的分形特点,对测试数据做了测量尺度检测,结果发现:在分形的无标度区间内,测量尺度只对分形曲线在双对数坐标中的截距形成影响。应用分数布朗插值原理,对表面形貌进行了二维和三维重构。4.利用单自由度模态理论,对土壤、轮胎的物理参数和模态参数进行了分析。通过锤击试验,获得在一个轮迹面积下松软土壤的等效质量为7.16kg,压缩刚度为4.650×104N,阻尼系数为16.08,固有频率为85.84 Hz;压实土壤的等效质量为54.91kg,恢复刚度为1.077×106N,阻尼系数为2107.40,固有频率为140.07Hz;轮胎质量约为25.00 kg,刚度为1.450×108N,阻尼系数为722.61,固有频率为2408.07 Hz。5.建立简化的两自由度振动模型,利用模态分析理论及试验,获得振动系统的模态参数。得到压实土壤—静止车辆振动系统的两阶模态自然频率分别为116.06Hz和2907.10Hz。通过锤击试验,表明此时,高阶自然频率为系统的主导频率。应用模态理论,分析松软土壤与行驶车辆系统,在车体自身为2500kg的重力载荷下,振动系统的自然频率分别为4.30Hz和4505.60Hz。分析压实土壤与行驶车辆振动系统的自然频率分别为20.46Hz和1649.10Hz。通过试验获得行驶车辆的振动加速度响应信号的振动频率范围为2.58～55.64Hz,表明此时,低阶自然频率为行驶车辆振动系统的主导频率。理论分析土壤—行驶车辆受迫振动的最大振幅即为压实土壤的恢复形变量,压缩形变量与恢复形变量之差为土壤的下陷位移,土壤原始不平度的幅值与车辙不平度的幅值之差即为下陷位移。由此建立车辙不平度模型。基于以上对受迫振动的频率和振幅的构造,建立土壤有效不平度模型,试验验证表明,有效不平度振动方程中的频率主要由松软土壤压缩振动过程的物理和模态参数决定;振幅主要由压实土壤恢复振动过程的物理参数决定。