旋耕刀滑切角及滑切角方程的研究

详细论述了旋耕刀滑切角及各种滑切角之间的关系,推导了正刃动态滑切角方程,变换该方程的参数,可以得到其它滑切角方程,从而把各种滑切角统一在同一个方程中。     

旋耕弯刀正切刃展开线的计算与模拟

正切刃是旋耕刀的重要组成部分。为保证正切刃的设计要求，获得正确的展开线，按照旋耕刀的生产制造工艺，推导了正切刃的展开线方程。根据方程可计算出展开线上各点的坐标，并能用偏心圆进行拟合，用圆弧替代不规则曲线，便于制造加工和检验。结果表明，用偏心圆模拟正切刃展开线，其误差很小，符合国家标准。     

斜置潜土逆转旋耕抛土仿真及试验

斜置潜土逆转旋耕是一种新的旋耕方式,研究其抛土机理对于优化设计斜置潜土逆转旋耕机有重要意义。该文在 LS-DYNA 平台上建立了斜置逆转旋耕抛土 SPH(smoothed particle hydrodynamics,即光滑粒子流体动力学方法)仿真模型,通过该模型对不同工况下的斜置潜土逆转旋耕抛土模拟仿真,得出了不同参数条件下斜置逆转旋耕时不同层的后抛土率,将相同条件下仿真得到的不同层的后抛土率和室内土槽试验得到的不同层的后抛土率进行了对比分析,验证结果表明,最大仿真误差为 12.50%,最小仿真误差为 0.20%,平均误差为 3.09%。应用校正的仿真模型,以斜置角、前进速度、潜土深度以及刀辊转速作为试验的 4 个因素,并对每个因素取 3 个水平,以后抛土率为试验指标,进行了斜置潜土逆转旋耕抛土虚拟正交试验。采用极差分析法、方差分析法以及回归分析法对试验结果进行了分析,数据分析结果表明,影响后抛土率的主次顺序依次为潜土深度、斜置角、前进速度和刀辊转速,后两者对后抛土率影响不显著,并且得出了潜土深度、斜置角与后抛土率的数学关系模型。根据虚拟试验结果优化了斜置潜土逆转旋耕机物理样机并且进行了田间试验,田间试验结果表明,斜置潜土逆转旋耕成功解决了旋耕机支架和中央传动箱体潜土的难题,并且用 R175 标准旋耕刀达到了 20 cm 的耕深,实现了短刀大深耕。     

玉米根茬铲切刀具的滑切刃曲线优化设计

为获得具有优良切割性能的刀具刃口曲线,采用理论建模和铲切试验相结合的方法,研究了玉米根茬铲切的过程.通过建立玉米根茬切割过程的动力学模型及能耗模型,揭示了最优滑切角与物料摩擦角之间的函数关系;根据玉米根体的结构特征将其划分为5区段,并由各区段物料的摩擦系数获取相应理论最优滑切角;根据切割刃与根茬切割位置的对应关系,设计出具有多级滑切角的刃口形式,并与具有固定滑切角的刃口实施了对比铲切试验.试验表明:多级滑切刃刀具的铲切性能最佳,铲切功耗为14.2 J.     

旋耕埋草机螺旋横刀的数学建模与参数分析

为了研究水田高茬秸秆旋耕翻埋机理,该文对1GMC-70型船式旋耕埋草机刀辊的主要耕作部件—螺旋横刀建立了数学模型,推导了横刀棱边轮廓曲线的静态方程和动态方程,绘制了动态滑切角、动态切土角等主要耕作参数随刀辊位置角的变化规律曲线,对影响高茬秸秆旋耕翻埋效果的主要因素,例如压草角与抛土角等,进行了计算分析。结果发现,该机的良好作业效果,例如耕深稳定性达90.7%、秸秆埋覆率达94.6%、碎土率达90%、耕后地表平整度在20mm以内等,都与横刀设计理念有很大关系,横刀的主要功能不是土壤切削,而是秸秆翻埋。     

楔形减阻旋耕刀设计与试验

为解决旋耕整地作业阻力大、能耗高等问题,该文基于旋耕刀理论受力模型设计了一种楔形减阻旋耕刀。采用Inventor和HyperMesh软件分别创建国标旋耕刀及楔形减阻旋耕刀的三维模型和切削土壤模型,分析了楔形减阻旋耕刀的应力强度,对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的切削阻力。通过田间试验对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的扭矩、功耗与碎土率。结果表明:楔形减阻旋耕刀所受最大应力为29.49 MPa,远小于材料的屈服强度430 MPa,在保证刀身强度的前提下,与国标旋耕刀相比,楔形减阻旋耕刀质量减轻8.3%;平均切削阻力较国标旋耕刀下降10.65%。在相同工况条件下,楔形减阻旋耕刀的平均扭矩为648.916 N·m,较国标旋耕刀下降11.35%;楔形减阻旋耕刀的平均功耗为67.3kW,较国标旋耕刀下降9.29%,碎土率提高4%,耐磨性能与国标旋耕刀持平,能够达到在降低作业功耗的同时,提高耕作质量并保证刀具使用寿命。     

仿鼹鼠足趾排列的旋耕-秸秆粉碎锯齿刀片设计与试验

随着保护性耕作的不断发展,实际作业中对旋耕刀性能要求愈发严格,该文在国标旋耕刀基础上,将正、侧切削刃上设计成锯齿状,然后考察实际作业过程中功耗、受力以及作业质量,检测仿鼹鼠足趾排列的旋耕-秸秆粉碎锯齿刀片的田间作业功耗和作业质量。针对该锯齿刀片和国标旋耕刀片在有秸秆颗粒和无秸秆颗粒下进行仿真分析,对比可知:在有秸秆颗粒下,由于刀具要与秸秆接触并发生挤压和剪切作用,从而导致受力以及扭矩值较大。结合理论分析,利用扭矩传感器对仿生锯齿刀和国标旋耕刀进行田间试验。根据0.5 m×0.5 m地表设置不同质量秸秆,分别为0、0.375和0.75 kg(0%、50%、100%),测定拖拉机输出扭矩以及功耗,并依照国标测试方法测定作业质量。田间试验得到扭矩与仿真变化趋势一致。当地表无秸秆和地表含50%秸秆时,锯齿刀片扭矩分别为404.05和438.33 N·m;国标旋耕刀片上扭矩分别为389.27和443.79 N·m。当地表秸秆质量分数为100%时,锯齿刀和国标旋耕刀片上扭矩分别为557.92和507.34 N·m。耕作后地表秸秆和土壤评价结果显示:不同质量含量秸秆覆盖下,仿生锯齿刀耕作后的秸秆掩埋率、土壤破碎率、长度≤15 cm秸秆比例等方面都优于国标旋耕刀。田间试验和仿真结果都显示当地表覆盖秸秆量为0%和100%时,仿生锯齿刀的扭矩高于国标旋耕刀。虽然仿生锯齿刀只在秸秆覆盖量为50%时扭矩与功耗优于国标旋耕刀,但在3种秸秆覆盖量下仿生锯齿刀的耕后地表质量都明显优于国标旋耕刀。综上考虑,在实际作业中,可适当收集田间秸秆。该研究为实现只应用一种刀片来完成旋耕和秸秆粉碎2种不同作业目标提供了参考。     

旋耕-碎茬仿生刀片田间作业性能的试验研究

为检测旋耕-碎茬仿生刀片的田间作业功耗和作业质量,利用应变片型扭矩传感器对安装仿生刀片的两行耕整机进行田间作业功耗电测试验,依照国标测试方法测定作业质量,并与国标旋耕刀和常用碎茬刀进行了对比。田间试验结果表明:旋耕试验中,旋耕-碎茬仿生刀片的单位切土面积功耗小于国标旋耕刀,且作业质量优于国标旋耕刀;碎茬试验中,仿生刀片单位切土面积功耗小于常用碎茬刀,作业质量较碎茬刀稍差,但依旧满足国标要求。该研究工作为实现只应用一种刀片来完成旋耕和碎茬2种不同作业的目标提供了参考。     

异速对辊式玉米秸秆粉碎还田装置设计与试验

针对玉米秸秆量大、韧性强,导致还田后秸秆粉碎不均匀影响后续整地和播种等问题,该研究提出了一种异速对辊及动态双支撑形式的玉米秸秆粉碎还田方式,并研制了相应的玉米秸秆还田装置,主要由捡拾粉碎单元、对辊滑切支撑单元、支撑板和机壳等组成。在异速动态双支撑条件下,通过对作业过程中玉米秸秆动力学分析和秸秆漏捡面积分析,对捡拾粉碎刀和对辊滑切支撑刀进行设计,建立了影响秸秆粉碎合格率的数学模型。以捡拾粉碎刀转速、L型甩刀折弯角、L型甩刀刃口长度和滑切支撑刀滑切角为因素,秸秆粉碎合格率为试验指标进行Box-Behnken试验。田间试验结果表明:当滑切支撑刀滑切角45°、捡拾粉碎刀转速1 700 r/min、L型甩刀刃口长度45 mm和L型甩刀折弯角40°时,玉米秸秆粉碎合格率为92.58%,与预测值误差5%,满足国家标准要求。该研究提出的秸秆粉碎还田方式和研制的秸秆粉碎装置为玉米秸秆粉碎还田机设计和优化提供新的方案和技术支撑。     

滑剪组合式甘蔗根切装置的设计与试验

针对甘蔗切割过程中存在的宿根破头率高的问题，该研究通过分析甘蔗茎秆与刀具之间的相互作用关系，设计了一种基于“滑切+剪切”相组合的甘蔗根切装置，旨在提高根切作业质量。首先，通过分析传统圆盘式根切器的无支撑切割与滑剪组合式根切器的有支撑切割的作用原理，表明有支撑切割可以有效降低茎秆的弯曲阻力和惯性力，因此一定程度上阻止了茎秆产生较大的变形，有效保证了茎秆的切割质量，而滑切可有效降低切割阻力。并通过建立茎秆的根切受力模型，对根切器关键零部件的参数进行确定，采用等滑切角式刀片曲线进行滑切作业，滑切角和刀片刃口角分别为40°和45°。基于 ANSYS/ Workbench对根切器进行了静力学分析及模态分析，得到刀具的屈服强度为450～650 MPa，大于刀具所受最大应力102 MPa，最大变形量为4.94×10^-5 m，满足使用性能要求。切割电机和喂入电机对应的激振频率分别为 0~6.667 Hz 和 0~11.667 Hz，模态分析结果表明两电机的激振频率远小于根切器的一阶固有频率（60.89 Hz），因此不会引起共振现象，能够保障室内试验的顺利进行。搭建了可调刀盘转速、喂入速度及切割倾角的根切试验台，台架单因素试验结果表明当切割倾角、刀盘转速和喂入速度分别在10°～15°、140～220 r/min、1.1～1.7 m/s时，综合评价值较小，切割质量较优。正交试验方差分析结果表明各因素对综合评价值y均有显著影响；正交试验极差分析表明当切割倾角为15°，刀盘转速180r/min，喂入速度为1.4m/s时为最佳试验水平。经试验验证，此时综合评价值为0.256和0.298，切割质量较优。参考DG/T 117-2021 甘蔗收获机械试验方法对甘蔗破头率进行检验，剪切合格率高达90.4%，破头率降低至10%以下，滑剪组合式甘蔗根切器作业质量满足行业要求。本研究可为新型甘蔗根切器的设计与研制提供理论参考。     

潜土逆旋耕耘研究展望

在分析国内外有关耕耘方式与耕耘技术的基础上,通过对逆旋耕耘已有成果的归纳与总结,提出了潜土逆旋耕耘方式,阐述了这种耕耘方式的性能特点,并指出了存在的问题和发展方向。     

带旋和全旋耕作对稻茬小麦生长和土壤理化性质的影响

为明确带旋耕作在稻茬麦区的适用性，该研究于2018-2020年在水稻秸秆切碎匀铺还田条件下，以全旋（full rotary tillage，FRT）耕作为对照，研究了带旋（strip rotary tillage，SRT）耕作对稻茬麦田土壤理化性质、小麦生长和籽粒产量的影响。结果表明，与FRT相比，SRT在土壤偏干状况下大幅提升了0～10 cm土层贮水量，提升幅度为15%～43%，而在土壤偏湿时提升幅度仅为3%～9%。带旋耕作下土壤温度日变化幅度平缓，且在低温条件下有助于提升5和15 cm土层温度。2 a间5～15 cm土层SRT土壤速效氮与速效钾含量较FRT分别增加12%、55%、41%和17%，差异显著（P<0.05），SRT促进了土壤养分在浅层富集。在2019-2020年，SRT较FRT显著增加了幼苗单株次生根数、单株地上部生物量、植株可溶性糖含量和叶片RuBPCase活性（P<0.05），明显提升了幼苗质量，同时2 a间均提高了开花期和乳熟期单茎叶面积、叶片RuBPCase活性以及开花期和成熟期单茎干物质量。2 a间均以SRT产量最高，比FRT分别增产11%和14%，穗粒数比FRT分别增加16%和5%，差异均达显著水平（P<0.05）。综上，带旋耕作下良好的土壤水、热、肥条件有助于幼苗健壮生长，提升了单茎光合生产能力，促进了幼穗发育和穗粒数形成，但带旋耕作出苗率较全旋耕作低了19.3%，未来还需结合其壮苗优势开展农机农艺配套技术研究。     

热解温度对回转窑玉米秸秆热解产物理化特性的影响

针对北方农业秸秆废弃物产量巨大且无法全部还田导致丢弃和露天焚烧现象激增等问题,该文通过搭建小型回转窑生物质热解装置考察不同热解温度下秸秆热解特性,分析主要产物的产率、元素组成等理化特性指标。结果表明:回转窑内热解温度的增加提高了热解液相产物产率和热解水产率,焦油产率呈先增加后降低趋势。与此同时,热解气总体积逐渐增加,H2含量和CH4含量也有所提高,生物炭产率和热值有所降低。当热解温度从400℃增加至700℃时,焦油产率从12.21%增加至21.70%;当温度进一步增加至800℃时,焦油产率降低至20.13%;相应的焦油热值从400℃时的19 974.0 kJ/kg逐渐增加到800℃时的21 710.0 kJ/kg。高热解温度加快热解过程中的热传递,加剧生物质大分子所含的羟基、羰基等含氧官能团的分解并促进挥发物的产生,进而提高了热解液体产物、热解水和焦油产率。过高的加热温度会加剧挥发分的二次反应,降低焦油产率;更多的含氧杂环结构会随着热解温度提高逐渐分解,因而焦油热值逐渐增加。生物炭产率随着温度增加逐渐降低,生物炭pH值和C/N比均逐渐增加,在兼顾生物炭产率和应用于炭基肥制备所需理化性质的同时需充分考虑热解温度影响。     

旋耕碎土质量的分形描述

建立了旋耕土壤块体大小分布的分形方程,导出了土块分布均值和方差表达式,并用已有的旋耕试验结果验证了方程的正确性。利用该方法分析了前进速度、刀轴回转速度及斜置角对斜置式旋耕的碎土程度的影响。     

不同时期水分对春小麦产量的影响

运用二次正交旋转组合设计方法,以５、６、７月降水量为变量因子,利用防雨棚控制降水环境,研究了不同时期水分对春小麦产量的影响。结果表明,５、６月份（拔节、抽穗期）降水量是小麦产量的限制因子;７月份（灌浆期）降水量对产量影响较小。一般在５、６月份降水较多的情况下,产量较高;而７月份降水较多时产量较低。通过对模型优化分析,提出了两品种小麦适宜综合水分指标为：喜水肥品种龙麦１２号５、６、７月平均降水量为：６１．４、１０７．３、１３７．０ｍｍ;抗旱品种克旱１０号５、６、７月平均降水量为：４４．０、１０６．６、１１７．０ｍｍ。在此条件下,小麦产量可望达２２５ｇ／（６６６．７ｍ２）。     

1GSZ-350型灭茬旋耕联合整地机的设计与试验

为了适应大马力拖拉机对配套农机具的需求,在分析研究中小型单一和组合作业模式整地机的基础上,设计研制出一种集灭茬、旋耕和深松于一体的宽幅联合整地机,并进行了单一和联合作业的试验。试验表明,该机具在作业时能够充分发挥大马力拖拉机的作业效率,减少拖拉机的功率消耗,节能约14.3%;机具配置的灭茬刀、深松铲和旋耕刀排列合理,保墒效果明显,碎土率和灭茬率高达95%。该机属于高效节能型机具,为研究大型农机具提供了参考。     

紫花苜蓿圆捆机卷压过程的应力松弛特性与模型建立

牧草属于粘弹性物料,研究其应力松弛特性对降低圆捆机功耗、提高草捆质量具有重要意义。该文通过搭建圆捆机试验平台,结合各钢辊对草捆径向作用力分析,进行了紫花苜蓿应力松弛试验。采用无线电阻应变仪与ANSYS模拟相结合的方法,获取了卷压过程中捆室上半部分钢辊对草捆的径向作用力。在对应力松弛试验曲线和模型原理分析的基础上,确定了牧草应力松弛行为可采用2个Maxwell元件和1个弹簧元件并联组成的广义麦克斯韦尔模型模拟。利用残数法求得模型中应力松弛时间和平衡应力流变参数,分别为76.92、23.25 s和3.65 k Pa。该研究可为进一步探索喂入量、压缩频率、含水率与物料流变特性等参数间的关系,为节能圆捆机的设计提供理论依据及技术支持。     

加大耕深型正转旋耕机研究设计初探

为满足市场需求,研究开发加大耕深型正转旋耕机,综合运用现行土壤机器动力学和旋耕机设计理论及经验,采用适当加大刀滚直径、降低刀滚转速、设计非标准弯刀、增加刀滚每一切土小区圆周内刀片排列数、减缓机组前进速度、附加牵引切土部件、利用土壤适耕状态等专门措施,并采用增强机械传动系统、增大机架强度刚性的共性措施于设计、制造和使用环节,达到机组合理配套、控制负荷和功耗、保持机组功率平衡、实现目标耕深、满足农艺要求的效果。     

Effect of subsoiling on soil properties and winter wheat grain yield

A 2‐year field experiment was carried out in loessal soil in a semi‐humid climate to explore the integrative influences of subsoiling on soil properties and winter wheat grain yield. Results showed that it was essential to deepen the plough pan in loessal soil. The sharply increased soil penetration resistance (>7 MPa) in plough pan under dry soil condition was especially harmful for plant growth. In rotary tillage treatment, the waterlogging conditions caused by shallow plough pan slightly produced macropores and preferential water flow. Significantly, higher grain yield was obtained in the subsoiling tillage treatment, increased by 21.9% in 2016 and 11.3% in 2017, respectively. Subsoiling tillage improved the resilience of winter wheat under adverse climate conditions. Subsoiling tillage should be popularized in loessal soil with shallow plough pan in semi‐humid climate. This study may provide valuable information on soil sustainable use and management in loessal soil.