圆锥指数法在车辆系统仿真中的应用

为判断土壤的可行驶性，美国陆军工程部队水道试验站提出了一种快速测定法，即圆锥指数法，也有称之为WES法或Vicks－burg法的。尽管该方法有一定的局限性，但由于测试简单、方便易行，因此在美、英、日等国仍被采用。

1.圆锥指数和额定圆锥指数

将一个压头顶角为30°，圆锥投影面积为3.226 cm2的圆锥压头，以3 cm／s的速度压入地面内到车辆影响所及的深度，其所需之力除以锥底面积所得之压力称为圆锥指数CI。

圆锥指数是穿入深度z的函数，深度与穿入阻力的关系曲线称为圆锥指数曲线，如图8.4.3所示。对于一般的中型车辆，推荐测量从地表面15～30 cm深的土层；对于轻型车辆，深度减少7.5 cm；对于重型车辆，深度增加7.5 cm。

图8.4.3　土壤的圆锥指数

车辆有可能在同一车辙重复行驶，包括后轮沿前轮的车辙通过，后车沿前车的车辙通过，使土壤产生重塑，重塑会引起土壤状态的变化，使细粒土壤（如黏土、粉土、壤土等）的强度变弱。因此，需要考虑到这种情况的重塑试验。试验是将土壤装入一个小圆筒中，然后以1.13 kg的重锤，从30.5 cm高度自由落下，冲击100次后，再测取的圆锥指数称为额定圆锥指数RCI，它是车辆最终能否通过的判断值。额定圆锥指数和最初测定的圆锥指数之比称为重塑指数（RI），其关系式为

例如，若最初测定的圆锥指数为70，重塑指数为0.8，则额定圆锥指数为56。

可以看出，最初测定的圆锥指数表示该层土壤的承载能力，而额定圆锥指数表示经过重塑后该土壤的最小承载能力，二者是判断车辆软土通过性的土壤方面的综合参数。

2.车辆圆锥指数

车辆在同一车辙内通过50次所需的最小额定圆锥指数，称之为车辆圆锥指数VCI。若超过50次，则用水来减弱土壤强度；若不足50次，则用夯实等手段加强土壤强度，然后进行测量。车辆圆锥指数是表示通过性的车辆方面的参数，它受车辆质量、行走装置参数的影响。

在求车辆圆锥指数之前，先要确定各种车辆的通过性指数（亦称机动性指数，简写为MI），然后，利用图8.4.4所示的曲线求出VCI。

图8.4.4　车辆圆锥指数曲线

影响MI的因素很多，但主要是发动机、传动系结构型式、车辆形态和离地间隙、行走系的结构型式和几何尺寸等。

对于黏性土壤，轮式车辆的通过性指数MI，WES法中建议用下式计算：

其中，接地压力系数＝；

质量系数：15 876 kg以上为1.1，6 804～15 876 kg为1.0，6 804 kg以下为0.9；(www.xing528.com)

车轮系数＝0.49×轮胎宽度／100；

花纹系数：有防滑链的为1.05，无防滑链的为1.0；

车轮载荷＝总质量／车轮数×454；

间隙系数＝间隙（以cm计）／25.4；

发动机系数：每吨质量7.35 kW以上为1.0，7.35 kW以下为1.05；

传动系数：液力式为1.0，机械式为1.5。

对于履带车辆的通过性指数MI，WES法推荐的经验公式为

其中，质量系数：小于22 680 kg为1.0，22 680～31 751 kg为1.2，31 752～45 359 kg为1.4，大于或等于45 360 kg为1.8；

履带系数：履带宽（以cm计）／254；

履刺系数：履刺高度（以cm计）　＜3.8时为1.0，≥3.8时为1.1；

地隙系数＝最低地隙（以cm计）／25.4；

发动机系数：大于或等于7.35时为1.00，小于7.35时为1.05；

传动系数：液力式为1.00，机械式为1.05。

由于MI在20以上与VCI呈线性关系，因此可用下式直接求VCI，即

VCI＝25.5＋0.456MI

RCI（或CI）反映了地面抵抗垂直载荷的能力，是表征土壤强度的综合指标。而VCI表征车辆所要求的土壤承压能力，它不仅考虑到接地面积，还涉及车辆的其他参数，因而比接地压力更全面地反映了车辆参数的影响。因此，可根据RCI（或CI）和VCI来判断车辆的通过性。

根据计算得到的VCI值，与在野外实测的CI－z曲线图进行比较，即可判定车辆的通过性。例如，若RCI＞VCI，则车辆至少可通过50次；若RCI＜VCI，则车辆不能通过；若RCI＝0.75VCI，则车辆可通过1～2次。