水稻土深松阻力与土壤扰动效果研究

为探讨机械深松过程的水稻土扰动、土壤结构及能量的效应,利用原位土壤耕作综合测试平台进行精准控制条件的深松试验,采用凿形铲,设置5种耕作深度(10、15、20、25、30 cm),从耕作阻力及比阻、土壤宏观扰动轮廓、土壤破碎体尺度分布指标综合评价水稻土深松作业的效果。结果表明,深松耕作阻力与耕作深度符合二阶函数拟合的递增关系。耕深20 cm时,深松铲对土壤扰动程度最大,地表隆起、开裂和纵向起伏程度最强,此时土壤隆起高度、隆起宽度、横剖面扰动面积、平均土块径均达到最大值,分别为16.3 cm、42.2 cm、0.030 5 m~2、28.77 cm,耕作比阻则相对较低,为62 kN/m~2;然而在耕深超过20 cm之后,深松铲的土壤扰动效果显著降低,地表隆起、开裂和纵向起伏程度减弱,土壤隆起高度、隆起宽度、横剖面扰动面积、平均土块径数值均明显减小,耕深30 cm时分别降至10.3 cm、31.2 cm、0.026 8 m~2、19.12 cm,相比耕深20 cm降幅分别为36.8%、26.1%、12.1%和33.54%,而此时耕作比阻急剧增大至195 kN/m~2,相比耕深20 cm增幅高达214.5%。因此,在水稻土条件下,耕作深度20 cm时能够获得最佳的土壤扰动、土壤结构及耕作能量的综合效应。     

保护性耕作拟合曲线型深松铲设计与试验

针对东北地区深松整地作业中,深松铲土壤扰动量和耕作阻力大的问题,以离散元(EDEM)软件仿真分析铲尖对土壤的作用为依据,设计了拟合曲线型深松铲。采用离散元软件模拟深松铲铲尖在土壤中的运动,获得铲尖上方土壤颗粒运动轨迹的拟合曲线和拟合方程,采用线元设计法对线形优化,获得铲柄外形曲线;同时设计了刃部、切削刃角、入土角,并通过铲柄与铲尖的互作效应试验验证了分层的可行性与合理性。土槽对比试验表明,拟合曲线型深松铲有效降低了土壤扰动量和耕作阻力,比折线式深松铲土壤扰动量减少了53.6%,耕作阻力减少了36.23%;比圆弧式深松铲土壤扰动量减少了66.18%,耕作阻力减少了29.18%。田间对比试验表明,拟合曲线型深松铲比折线式深松铲回土面积增加了81.03%,比圆弧式深松铲的回土面积增加了146.95%。土槽和田间试验表明,拟合曲线型深松铲土壤扰动量小、耕作阻力小,满足深松作业的要求。     

湿粘水稻土深松过程离散元分析

湿粘水稻土的深耕松对作业机具设计与作业参数的要求不同于旱作制,为探究水稻土条件下土壤深松扰动过程及其内在相互作用机理,本文结合田间实测土壤物理参数,借助离散元EDEM软件,建立适用于粘性水稻土的深松耕作离散元模型。利用粘性水稻土模型对水稻土的机械深松耕作过程进行离散元模拟仿真,并结合田间试验结果对机具耕作阻力、土壤宏观扰动进行对比验证,进一步从仿真的角度揭示深松土壤扰动的微观过程、土壤失效破碎的微观机理。结果表明,该模型下深松耕作阻力平均误差为6.63%,土壤扰动的起垄宽度平均误差为4.39%,起垄高度平均误差为19.22%;DEM仿真对土壤的微观扰动过程分析进一步论证了宏观试验测试结果及假说的正确,并且能够从土颗粒接触力学层面表达土壤扰动的边界生成、土体内部破碎等过程;结合DEM仿真角度提出的反映土体破碎程度指标——断裂系数,与传统试验的指标参数碎土系数对比两者误差为3.46%,该指标更有利于对土壤破碎过程微观机理的表达。     

仿生深松铲结构设计与有限元分析

深松技术是旱地保护性耕作体系中的重要技术措施之一,高效节能是深松技术的发展方向。深松铲所受阻力是深松耕作的主要阻力来源。通过对金龟子和家鼠的足趾结构的研究,设计了一种新型的深松铲结构。结合四川的土壤条件,采用Drucker-Prager模型,利用有限元分析软件Abaqus对深松工艺数值仿真。在20℃常温和23°切削角的条件下,与JB/T 9788-1999深松铲比较,新型深松铲土壤应力分布和土壤扰动轮廓一致,深松铲所受土壤的反作用力减小,在相同前进速度和耕作深度的情况下,功率消耗降低了20.6%。     

土壤耕作阻力测试系统研制及标定

土壤耕作过程中,土壤对耕作部件的阻力是波动、随机的,测定机械阻力大小可对部件设计的合理性及耕作部件动力配套的选择提供帮助。为实时测定深松铲工作的机械阻力,设计了由牵引机具、深松铲、传感器、应变仪、计算机组成的土壤耕作阻力测试系统。通过静态标定,该系统的线性度、线性迟滞和迟滞均小于1%。     

错位布置深松铲距对土壤扰动和耕作阻力的影响

铲距是深松机的关键布置参数,对深松耕作阻力和土壤扰动效果会产生重要影响。为此,借助田间试验的方法,通过分析错位布置深松铲在不同横向和纵向铲距作业下土壤坑形宽度、土壤垄型高度、土壤扰动面积、耕作阻力及比阻等的差异,研究不同布置铲距对土壤扰动和耕作阻力的影响。试验结果表明:前铲的土壤扰动作用大于后铲,前铲的土壤垄型高度和坑形宽度大于后铲;横向与纵向铲距较小时,土壤易堆积且双铲的土壤扰动作用会发生部分抵消;铲距较大时,双铲协同作用较小且力矩较大;二者均导致土壤的坑形宽度变小,垄形高度和耕作阻力变大,降低耕作效果;当横向铲距和纵向铲距布置分别为35cm和30cm时,垄形高度最低、比阻最小,土壤扰动及耕作阻力的综合效果较好。本研究可为深松铲的优化布局提供一定的参考依据。     

基于EDEM的凿式犁铲土壤扰动仿真分析与试验

为探究凿式犁铲（以下简称凿铲）的土壤扰动机理并构建适用于东北地区黏重黑土与耕作部件之间的仿真模型,结合EDEM仿真分析与土槽试验,与深松铲作业效果进行对比,研究凿铲对土壤的微观扰动机理和宏观扰动状态,并建立适宜东北地区土壤的耕作仿真模型。仿真与试验结果表明,深松铲对土壤进行剪切破坏,将耕作层和犁底层抬升、下落,对土壤松而不翻,不破坏原有的耕层土壤结构,土壤膨松度试验值为12.4%,土壤扰动系数试验值为59.4%,纵向截面扰动面积为52.586mm2,俯视视图扰动面积为116.779mm2;凿铲对土壤进行挤压破坏,将犁底层土壤翻耕到地表,破坏原有耕层土壤结构,土壤膨松度试验值为14.1%,土壤扰动系数试验值为64.1%,纵向截面扰动面积为54.128mm2,俯视视图扰动面积为233.061mm2,通过与深松铲作业后数据相比可知,凿铲可以实现更为明显的土壤扰动效果。同时,建立东北地区黏重黑土条件下的离散元土壤耕作模型,选用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion模型作为土壤接触模型,确定仿真模型的各项技术参数,仿真与试验得到的土壤扰动截面轮廓基本拟合,土壤膨松度、土壤扰动系数的仿真值与试验值的相对误差为17%、4.4%,模拟仿真的数据误差范围满足要求,研究可为东北地区的土壤耕作部件离散元模拟仿真分析提供基础数据。     

深松铲不同翼铲安装高度时土壤扰动行为仿真与试验

翼铲的安装高度是带翼深松铲的关键结构参数之一,其对深松土壤扰动行为产生重要影响。综合运用EDEM和室内土槽试验,研究了翼铲安装高度(55、75、95、115、135 mm)对深松土壤扰动行为的影响。结果表明:随着翼铲安装高度增加,耕后犁底层土壤扰动面积先增大后减小,在翼铲安装高度为75 mm时最大,水平耕作阻力逐渐减小,深松铲铲尖和犁底层圆弧段所受水平耕作阻力为深松铲水平耕作阻力的主要来源(90%以上),其随翼铲安装高度增大逐渐减小;翼铲安装高度直接影响耕作时不同深度土壤在不同方向的位移,当翼铲安装高度为75 mm时,深松铲纵向中心位置的各层土壤在耕作方向的最大位移相对较小,其犁底层土壤在竖直方向最大位移相对较大,表层和耕作层土壤在竖直方向最大位移相对较小;翼铲安装高度对土壤扰动效果产生重要影响,且离散元仿真能够准确模拟深松土壤的扰动过程,5个翼铲安装高度下土壤膨松度、土壤扰动系数、土壤碎土系数、土壤纵向堆积角的试验值和仿真值的平均误差分别为11.69%、11.54%、14.20%、9.64%。     

深松铲对砖红壤扰动行为影响的仿真与试验

针对香蕉地深松作业相关研究较少，深松铲-土壤耦合机理尚未明确等问题，结合海南热区香蕉地砖红壤土的物理特性，利用离散元虚拟仿真试验，堆积生成了耕作层、犁底层和心土层3层土壤模型，建立了滑切深松铲-土壤耕作模型，并通过对比虚拟仿真试验，研究了滑式深松铲和国标深松铲对海南香蕉地土壤的扰动情况。结果表明：在相同的作业条件下，滑式深松铲作用下的土壤颗粒在x、y和z方向的最大运动速度均明显大于国标深松铲对土壤颗粒的作用，且滑式深松铲的扰动轮廓要明显大于国标深松铲作业的扰动轮廓，同时滑式深松铲作用下土壤蓬松度和土壤扰动系数均大于国标深松铲作用产生的深松效果，进一步验证了所设计的滑式深松铲更适用于海南香蕉地的深松作业。     

深松铲入土深度及铲形对耕作阻力影响

深松作业存在的主要问题是耕作阻力大。深松机中深松铲作为重要部件,其形状和结构参数直接影响着深松作业的牵引阻力及作业质量等。通过推拉力计测量了鸭掌形铲在不同入土深度时的耕作阻力;通过变换不同铲形的耕作试验,测量了现有凿形铲、鸭掌形铲、翼形铲在入土深度为35cm时的耕作阻力。结果表明:牵引阻力随着鸭掌形铲入土深度的增大而增大,因为土壤硬度随着土层深度的增加而增大,所以在10~20cm的土层中对深松铲的阻力较小,深松铲在20~30cm的土层中的阻力有较大增加,在30~40cm的土层中阻力增加幅度最大,其规律符合二次曲线。不同铲形耕作试验表明:铲形不同时,铲尖与土壤接触面积不同,导致深松铲与土壤之间的剪切力和挤压力不同,其牵引阻力与铲尖面积满足对数关系。     

带翼深松铲的试验研究

通过深松铲在南方砂壤土的深松试验,研究带翼深松铲和不带侧翼深松铲的耕作阻力及深松后的土壤剖面。结果表明,深松铲前进方向的阻力随安装角的增加而加大,由于深松铲侧翼的宽度比铲头宽,使土壤内部形成分层构造,扩大深松铲的松土范围,同时提高土壤的保墒蓄水能力。     

球墨铸铁深松铲尖磨损试验分析

通过对比球墨铸铁与进口铲尖在相同时间、相同工作量下的失重量,探究了两种材质的耐磨性能,验证了球墨铸铁铲尖作为铸钢铲尖替代品的可能性。在相同工作量时,球墨铸铁的耐磨性能与进口铲尖一致。深松技术能提高土壤蓄水保墒的能力,球墨铸铁铲尖作为进口铲尖的替代品,同样能达到深松的效果,使土壤的容重降低并提高土壤的蓄水保墒能力。根据数据显示,深松前土壤含水率为14.29%,深松后土壤含水率为15.30%,深松后土壤平均含水率提高1%,深松前土壤容重为1.92g/cm~3,深松后土壤容重为1.35g/cm~3,深松后土壤容重降低0.57g/cm~3,有利于农作物的生长。     

深松深度对土壤扰动影响的仿真与试验研究

深松深度是深松作业的重要评价指标之一,可对土壤扰动产生重要影响。为此,以凿型深松铲为研究对象,综合使用离散元仿真和土槽试验方法,利用土壤坑形轮廓宽度、土壤垄形轮廓高度、土壤蓬松度、土壤扰动系数和地表平整度等评价指标,研究不同深松深度对土壤扰动的影响。结果表明:1土壤扰动轮廓截面曲线基本吻合,土壤坑形轮廓宽度和土壤垄形轮廓高度随深松深度的增加而增大;2土壤蓬松度随深松深度的增加逐渐减小,土壤扰动系数随深松深度的增加逐渐增大,且试验和仿真得到的结果一致;3地表平整度随着深松深度的增加而逐渐增大,且试验与仿真结果的趋势一致。本研究可以为深入理解深松土壤扰动过程提供决策依据。     

基于离散元法的砖红壤斜柄折翼式深松铲设计与试验

针对深松整地装备应用于海南省热带农业区香蕉地时,存在作业阻力大、松土面积小及地表平整度差等问题,本文基于海南香蕉地砖红壤土的物理特性,设计一种可有效降低作业阻力的斜柄折翼式深松铲.运用离散元法建立3层土壤颗粒虚拟仿真土槽模型,使用Hertz-Mindlin with JKR接触模型进行了斜柄折翼式深松铲与直柄凿式深松铲...     

预破土组合振动深松铲的设计与试验

为了避免在深松铲铲柄上开破土刃口而降低深松铲的强度,本文将破土刃口与铲柄分离开进行独立设计,形成内弧半径为150 mm的专有弧形破土器,承担对土壤的切割作用,减轻深松作业阻力。本文通过田间试验验证了预破土器对深松减阻的效果,确定了预破土器的最佳安装位置,试验结果表明,在振幅5 mm、振频10 Hz、前进速度1.44 km/h、耕深约为500 mm时,预破土组合深松铲比无破土器深松铲的耕作阻力减小12.46%~22.87%,平均减小18.48%,减阻效果明显。预破土器的安装位置需要根据深松深度的要求确定,在本试验的深松深度条件下,3号位置的减阻效果最好。此研究为研制结构简单、减阻高效的深松机具设备提供了理论依据。     

反旋深松联合作业耕整机设计与试验

针对现有深松旋耕联合作业机多为深松部件在前、旋耕部件在后的组合结构,较少考虑各工作部件作业时之间的相互影响,本文基于深松部件、旋耕部件作业之间的交互作用,设计一种用于深耕的反旋深松联合作业耕整机,通过旋耕、深松、镇压多工序实现表层土壤细碎、秸秆埋覆,深层土壤疏松目的。整机以提高作业质量、减少作业阻力为设计目标,运用离散元仿真与正交试验、有限元仿真结合进行整机参数优化。离散元仿真结果表明:机具作业速度v_m为1.8 km/h、刀轴转速n为350 r/min、旋耕刀类型X为IIT195弯刀时,机具作业壅土量为5 283个土壤颗粒,植被覆盖率为98.37%,此时综合作业质量较优;有限元仿真结果验证了深松铲设计强度满足作业要求。以较优参数组合为基础的田间试验结果表明:反旋深松联合作业耕整机旋耕深度、深松深度、地表平整度、土壤膨松度分别为182.8 mm、388.4 mm、18.3 mm、17.22%;旋耕深度稳定性、深松深度稳定性、植被覆盖率均在90%以上,完全满足深层土壤整地需求;与深松旋耕联合整地机相比,反旋深松联合作业耕整机在不影响作业效果前提下,提高了耕深稳定性、植被覆盖率,同时使牵引阻力降低了16.21%,作业稳定性、可靠性较好。     

仿生几何结构表面深松铲铲尖设计与试验

深松铲在西南红壤坡耕地作业过程中,由于土壤黏附性强且板结严重,造成土壤过度扰动和耕作阻力过大的问题.采用工程仿生的技术方法,将具有减阻优异特性的克氏原螯虾和砂鱼蜥体表作为仿生原型,以深松铲铲尖为研究对象,设计仿生凸包、微刺—凸包、仿生鳞片、微刺—鳞片和微刺—凸包—鳞片混合表面5种仿生几何结构表面.通过室内土槽试验,考察...     

带翼振动深松铲运动特性分析及试验研究

为解决目前深松作业机具在南方大粘性、易板结及压实特别严重的土壤特性下,机具耕作阻力大、深松质量不高的问题,对带翼振动深松铲深松机理进行研究。通过对机具深松部件进行运动仿真,对速度、加速度、运动轨迹进行分析表明:铲翼和铲尖的切削和抬升土壤过程同步交替进行;铲尖水平方向速度和加速度幅值很大,主要切削土壤,铲翼垂直速度和加速度幅值很大,主要抬升土壤;铲翼对土壤进行二次的破碎疏松,以较小的耕作阻力有效提高了土壤疏松质量。田间试验结果表明:振动深松后在10~20cm和20~30cm土层的坚实度降低了54.2%和53.7%,不振动深松10~20cm和20~30cm土层的坚实度降低了41.6%和48.8%;特别是在0~1 0 cm土层振动深松使土壤坚实度比深松前降低了7 0.1%,远大于不振动深松的4 2.7%;带翼深松铲振动深松相比不振动深松可以减少3.2%~27.2%的牵引力阻力,减阻效果明显。由此可为带翼深松铲结构优化和提高深松机具在南方的作业性能提供理论参考。