水田是中国重要的耕地之一,面积达30747千公顷,占耕地面积的26%,但作业机具在水田工作阻力大、能耗高一直是水田生产中的突出问题。水田作业机具依托水田作为载体发挥作用,机具阻力主要受水田土壤力学特性的影响,与土壤的质地、含水量、密度等因素密切相关。土壤承载特性包括剪切特性、承压特性以及硬度,是水田作业机具研发的基础,但现有研究缺乏塑相土壤质地、含水量等物理参数与承载特性相关性方面的成果,不能为水田拖拉机等作业机械设计、参数优化提供理论支撑。为了获得水田土壤承载特性与物理参数的相关性,以典型水田土壤质地、含水量、密度为因素,研究各因素及其交互对塑相水田土壤剪切特性、承压特性和土壤硬度的影响规律,主要结果如下:(1)采用比重计法测定了浙江、江苏、安徽多地14个水田土壤的质地,按质地和粘粒梯度优选出其中8种土壤,基本涵盖所有的水田土壤类型,其中粘粒含量在22.3%-40.2%之间,土样的塑限在18.5%-22%之间,液限在49.5%-55.5%之间,为承载特性研究提供土样。(2)水田土壤剪切特性与物理参数相关性研究以土壤剪切特性内聚力和内摩擦角为试验指标,以粘粒含量、含水量和密度作为试验因素,采用三因素五水平二次正交组合进行试验。结果表明:单因素对土壤内聚力的贡献率由高到低依次为粘粒含量、含水量、密度,交互影响由高到低依次为粘粒含量×含水量、粘粒含量×密度、含水量×密度;单因素对土壤内摩擦角的贡献率由高到低依次为含水量、密度、粘粒含量,交互影响由高到低依次为粘粒含量×含水量、含水量×密度、粘粒含量×密度。建立了塑性水田土壤剪切特性参数与土壤物理参数之间的预测模型,与实测值的误差在10%以内。(3)水田土壤承压特性试验研究以土壤承压特性内聚力模量、摩擦模量和沉陷系数作为试验指标,以粘粒含量、含水量和密度作为试验因素,采用三因素五水平二次正交组合进行试验。结果表明:单因素对土壤内聚力模量的贡献率由高到低依次为粘粒含量、含水量和密度;交互作用影响由高到低依次为粘粒含量×含水量、粘粒含量×密度、含水量×密度。单因素对摩擦模量的贡献率由高到低依次为粘粒含量、含水量和密度。交互作用影响由高到低依次为粘粒含量×含水量、粘粒含量×密度、含水量×密度。单因素对沉陷系数的贡献率由高到低依次为粘粒含量、含水量和密度。交互作用影响由高到低依次为粘粒含量×含水量、含水量×密度、粘粒含量×密度。建立了塑性水田土壤承压特性参数与土壤物理参数之间的预测模型,可以通过土壤物理参数,在一定范围内预测土壤剪切承压参数。(4)水田土壤硬度试验研究以土壤硬度作为利用试验指标,粘粒含量、含水量和密度作为试验因素,采用三因素五水平二次正交组合方法进行试验,结果表明单因素对土壤硬度影响的贡献率由高到低依次为密度、粘粒含量、含水量;交互作用影响由高到低依次为粘粒含量×密度、含水量×密度、粘粒含量×含水量。建立了塑性水田土壤硬度与土壤物理参数之间的预测模型,并以原位土壤硬度实测值进行对比,最大误差在10%以内。(5)基于水田土壤承载特性的履带拖拉机工作性能试验研究利用建立的承载特性数学模型,在多体动力学软件Recurdyn中建立水田土壤-履带拖拉机耦合模型进行仿真试验研究,以行驶性能(行走阻力、下陷深度、滑转率)作为试验指标,粘粒含量、含水量、密度、行驶速度作为试验因素,采用四因素五水平二次正交组合方法进行试验。试验结果表明单因素对行驶阻力的贡献率由高到低依次为含水量、行驶速度、密度、粘粒含量,交互作用影响由高到低依次为粘粒含量×密度、粘粒含量×行驶速度、粘粒含量×含水量、含水量×密度、密度行驶×速度、含水量×行驶速度。各因素对下陷深度的贡献率由高到低依次为含水量、密度、粘粒含量、行驶速度,交互作用影响由高到低依次为粘粒含量×含水量、粘粒含量×行驶速度、含水量×行驶速度、密度×行驶速度、粘粒含量×密度、含水量×密度。各因素对滑转率的贡献率由高到低依次为含水量、行驶速度、密度、粘粒含量,交互作用影响由高到低依次为含水量×行驶速度、粘粒含量×行驶速度、粘粒含量×密度、含水量×密度、粘粒含量×含水量、密度×行驶速度。