7.2.2剛輪輪刺作用下土壤的變形
一、輪刺運動軌跡
輪刺外頂點的運動軌跡可按常規滾輪線求出。
然而刺輪在滾動中，由於輪刺是間隔的，土壤受力也有周期性，事實上輪軸產生不同程度的上下起伏，輪子水平移動速度和滑轉率也有周期性變化。
這樣，輪刺上一點的實際擺線軌跡與式給出的理論值有不同程度的偏離。將輪刺間隔的影響考慮在內時，鄧卓榮等給出輪刺擺線軌跡的一個經驗式如下：
二、輪刺坑孔形狀
給定輪刺形狀與尺寸，在不同工況下，其在地麵上所挖坑孔的形狀依從於輪刺麵上各特性點的擺線軌跡。理論坑孔形狀的一例，在實驗室小土槽試驗中實測所得的坑孔形狀的一例，在滑轉率較小和沉陷量小時，輪刺頂點擺線的扭結點在地麵以下，這時，輪刺的工作麵在進入階段壓入土坑（ADW），輪刺頂點到達最低點後產生一段挑土，接著是輪刺背麵的擠土。輪刺的軌跡、起點、終點、壓土、威土、擠土及接土長度，其隨入土深度、滑轉率、輪刺的驅動麵和背麵傾角等而變化。
從這類理論作圖的結果可以看出一些趨勢：壓土過程終止於輪刺驅動麵到達鉛垂位置，從此開始挑土過程，挑土過程隨輪刺驅動麵傾角的減小和滑轉率的增大而加長，擠土過程中輪刺背麵接土長度從零增加至離地點時達最大，當滑轉率大到這樣的程度，即在輪刺背麵開始離地時，其接地長度的水平距離須小於此時的輪心至開始壓土點的距離。一般來說，刺孔越大，滾動阻力越大，能耗亦越大；輪刺驅動麵在進入階段的壓土起有抵抗沉陷、兼帶一定推力的作用，輪刺工作麵的挑土則完全是無益的能耗；輪刺背麵在出土階段的壓力有一定的抵抗沉陷作用，但主要是增加滾動阻力。在主要依靠船體以獲得支承的機耕船以及主要依靠輪緣以獲得支承的籠輪或剛性刺輪的情況下，一般並不要求輪刺的壓土支承作用；輪刺形狀與參數的設計，以在正常工作沉陷深度滑轉率時，在輪刺到達最低點後，驅動麵不再發生挑土，輪刺背麵在出土前壓土較小和輪刺驅動麵在進入階段壓土較小為目標。對於剛性輪刺，同時兼顧這些要求是有困難的，這時驅動麵角度的設計，首先以避免挑土為主，適當考慮進入階段的壓土容積。
為了達到上述的設計目標，有些研究者提出采用輪刺能保持鉛垂位置進出土壤的漿輪機構，驅動麵由兩個不同角度的直麵組成的折麵葉輪結構，以及不同的輪刺形狀如饅頭形輪刺等多種方案；陳秉聰等（1989）發展了半步行型機構。對於一些小型的輪緣很窄有剛性輪刺的驅動葉輪，其輪刺驅動麵和背麵的角度設計，則往往要同時考慮支承能力。
三、輪刺作用下土壤變形
流動的格式邵躍堅、黃祖永、Salokhe和Gee—Clough等對小土槽中土體側麵上的網格點在輪刺作用下的流動進行了攝影，表明流動格式基本上符合土壤力學原理，但與剛性輪和履帶板有所不同；在沙和塑性粘土的情況下，輪刺前方不出現明顯的滑移剪裂麵，滑移區的大小與土壤輪刺接觸界麵長度有關，通常在輪刺到達刺坑最低點前約18.5度時最大。滑移區的形狀和大小還受到前麵輪刺所形成的刺坑的影響；在輪刺前麵出現土核。
四、剛性刺輪性能
關於剛性刺輪的沉陷量計算，須按具體情況對待。在機耕船情況下，垂直載荷的支承主要由船體承當，這時沉陷量可按常規方法由水田表層土承載能力和船底比壓確定，而輪刺滑轉量的大小對此影響甚微。如果鉛垂載荷主要由驅動輪輪刺承擔，就喪失了機耕船的原意；在機耕船的設計和使用中應避免這種情況。在具有輪緣的情況下，由於輪刺是以一定的間距配置的，最大的沉陷量發生在輪刺起支承作用最小時的輪子轉動位置；這時沉陷量可按剛性輪及其滑移量）預測。隻有無緣輪或輪緣很窄細的情況下，沉陷量才由輪刺支承能力確定。這時輪刺的貫入作用與平板式貫入儀的過程類似。輪刺的靜載沉陷量可從相應土層的貫入曲線得出，其中乙為輪刺滑轉所造成挖掘沉陷，由於滑移量引起的剪切滑移麵上有效正壓力減少的影響後果。
關於單個輪刺的最大推力，可分兩種情況：按太沙基承壓理論或按刀板理論計算的失效區長度小於或大於輪刺坑孔節距，後者失效區範圍受到前孔的影響。
單個輪刺的推力，主要決定於刺頂和輪刺兩個側麵在克服土壤摩擦力與粘聚力以及沿土體失效區破壞中所發揮的強度。在含水量較低、土體趨於產生脆性剪滑破壞的情況下，由土體失效區強度所產生的推力通常按太沙基承壓理論或Hettiaratchi和Reece推土切土理論計算，作為這類式子的一個例子。
當土壤水分含量較高時，土壤呈現塑性而不是脆性破壞，根據Salokhe和Gee-Clongh的實驗結果，這時實測流動區比按太沙基以對數螺旋和直線為界的破壞區域小。這說明需要另外開辟更好的途徑來預測水田土壤的破壞強度，其中包括刺孔節距比土體破壞範圍小的情況在內。
Gee-Clongh提出一個計算無緣葉輪所受土壤反力的方法：在輪刺驅動麵上一點C，圓心相位角為，在圓心相位角從位置間，C點的累積位移可視為由法向累積位移與切向累積位移組成。
輪刺在滾動過程中所形成的水平方向的滾動阻力，在壓土、挑土和擠土過程中不斷變化，其大小須按瞬時接觸態勢和相對作用方向而定，簡單地用刺孔容積大小作為滾動阻力標誌，有時亦能滿足粗略估計的需要。這時對整個刺輪而言。
分析得出的一個趨向量是輪刺驅動麵傾角10-15度時，輪刺壓土容積隻為-7度的30%-75%；挑土容積隨角增加而減少，隨滑轉率S的增加而增加，角為負值時挑土容積為正值時成倍增長；擠土容積隨輪刺背麵傾角A和滑轉率的增加而減少，為-7度時擠土容積較+7度時高一倍。
整個葉輪的滾動阻力為輪刺部分和輪緣部分滾動阻力之和，機耕船滾動阻力為葉輪部分和船身部分滾動阻力之和。根據一些測定的報道，在淺泥腳水田中，拖拉機牽引效率約為50%，機耕船為35.9%-44.5%。在泥腳大於30cm時，拖拉機不能工作，而機耕船牽引效率仍可保持32.9%-36.8%，機耕船在泥腳深為20cm時，滾動阻力係數為0.47-0.69，其中80%由輪刺造成，而此時拖拉機滾動阻力係數約為0.3。