正反转旋耕后土壤和秸秆位移试验分析

土壤和秸秆在耕作后的位移变化是保护性耕作和秸秆还田重要组成部分。为分析和比较耕作后两者的位移变化,针对正、反转旋耕2种作业方式以及180、230、280 r/min 3种转速设置重复性试验。试验中按刀辊轴向布置标记铝块和横、纵向秸秆,运用示踪法(以点代面)思想,即根据标记的铝块和秸秆前后坐标变化值来代替机具在幅宽范围内土壤和纵、横向秸秆的位移变化。将得到的标记点位置进行标定,并在二维CAD中绘制出标记点在二维地表的形态,该形态与旋耕刀在刀轴上排列相似。2种耕作方式的地表形态和位移对比分析表明:正转旋耕的秸秆埋覆率要高于反旋,反转旋耕破碎率要优于正旋;土壤在耕作后分布较均匀,横、纵向秸秆在正反旋作业后均出现聚集现象,正旋作业更为明显;土壤以及地表秸秆位移反旋作业大于正旋作业,但随着机具转速增加,反旋作业位移呈递减,正旋作业位移呈递增。基于以上因素考虑,可以根据实际作业需要来改变耕作方式、转速以及刀具在刀辊上螺旋线形状来满足不同农艺要求。     

水稻秸秆深埋整秆还田装置设计与试验

针对目前我国水稻秸秆还田机械普遍存在的耕作深度浅、秸秆还田深度不满足农艺要求、旋耕部件缠草严重等问题,运用旋耕理论和数值计算分析方法设计了水稻秸秆深埋整秆还田装置。根据实际情况对土壤颗粒进行假设,运用离散元法建立土壤颗粒力学模型,应用EDEM软件进行整秆还田仿真虚拟试验,仿真结果表明,耕深在20 cm时,土壤表层覆盖率为93.87%。通过土槽台架试验得到:在作业速度为1.25 km/h、刀辊转速为237 r/min时,耕深可达到22 cm,地表以下15~20 cm翻埋的秸秆占秸秆总量的80%,秸秆还田率为91.63%,同时刀辊轴不缠草。试验结果表明,秸秆还田深度达到水整地环节的要求,秸秆还田率较高。通过虚拟仿真和台架试验相互验证,证明新型整秆还田装置一次作业可实现切土、碎土、埋草、压草及覆土的功能,满足农艺要求。     

新型秸秆还田犁翻旋耕复式作业机结构设计

为了解决目前稻麦秸秆还田作业机具作业效果不理想、秸秆埋覆深度浅及保墒蓄水能力差等问题,将秸秆犁翻旋耕技术与保护性耕作要求相结合,设计了一种能够发挥犁翻旋耕等多种耕作方式优势的可调深复式耕整作业机,可一次性地完成犁翻、旋耕及深松等多项作业。为此,重点介绍整机结构及其工作原理,确定了机具关键部件的结构形式和主要参数。试验结果表明:该机具在工作时性能稳定、秸秆埋覆粉碎效果好、作业效率高、通用性强,能够满足多种条件下的稻麦秸秆还田复式作业要求。     

高茬黏重稻茬田油菜直播埋茬防堵深施肥复合装置研究

针对长江中下游稻油轮作区油菜直播作业时,因土壤黏重板结,地表前茬水稻留茬高、留存秸秆量大,导致旋耕部件易缠绕,秸秆埋覆率低,致使深施肥铲易挂草壅堵,作业厢面拖堆不平,难以实现深施肥作业。本文设计一种适应高茬黏重稻茬田的油菜直播埋茬防堵深施肥复合作业装置,确定埋茬防堵部件深旋弯刀、浅旋弯刀、防堵直刀和深施肥铲的结构参数及刀片和深施肥铲排列安装方式。利用EDEM仿真分析了机具作业后的秸秆埋覆、空间分布及颗粒肥料深施后的分布深度,结果表明：作业速度为2.5 km/h、耕作深度为150 mm、埋茬防堵部件刀辊转速为345 r/min时,秸秆埋覆率为86.53%、施肥深度为83～106 mm。开展了油菜直播机4种田间作业工况验证试验,结果表明：埋茬防堵深施肥复合作业装置田间作业性能良好,实现了肥料深施,秸秆埋覆率为86.69%～90.35%、厢面平整度为16.48～22.65 mm、施肥深度为87.4～109.5 mm、碎土率为81.24%～92.13%。     

秸秆-土壤-旋耕刀系统中秸秆位移仿真分析

秸秆-土壤-旋耕刀之间的相互作用机理对于分析耕作过程有着重要作用。为研究秸秆-土壤-旋耕刀的宏观及微观相互作用,对系统中的秸秆位移进行了仿真分析。首先建立了秸秆-土壤-旋耕刀相互作用的三维离散元模型;其次,对仿真结果与室内土槽实验结果进行对比分析,在土槽实验中采用示踪器方法测量秸秆位移;仿真中导出每个时刻的秸秆位置用来描述秸秆仿真位移;最后,利用仿真数据对秸秆位移进行三维分析。实验和仿真都在恒定前进速度0.222 m/s和耕深100 mm及4种转速(77、100、123、146 r/min)下进行。实验与仿真结果皆显示秸秆位移随着转速增加呈现增加的趋势;秸秆的水平运动位移总是大于同转速下的侧向位移;高转速下的实验与仿真位移误差约为40%,低转速下为70%。利用拟合的误差方程和仿真值可以估算秸秆的水平和侧向位移值,估算值与实验值误差为8.7%和9.3%。通过追踪不同位置的秸秆颗粒发现:初始位置不同的秸秆颗粒具有不同的运动:位于正切刃内侧的秸秆在刀刃切开土壤时,沿正切刃边缘滑出;而位于侧切刃下方的秸秆在开始时被侧切刃挤压随刀刃一起运动,而后随土壤一起被抛起;远离旋耕刀工作范围的秸秆,则因受土壤扰动影响而仅有微小的位移。紧靠侧切刃及过渡刃周围的秸秆颗粒在考察时间段内被直接旋耕入土。可以利用秸秆的垂直方向受力情况,优化旋耕刀刃口曲线提高秸秆在旋耕过程中直接入土的比例;还可以整合秸秆水平和侧向位移及分布,寻找最优工作参数使秸秆在3个方向都能均匀分散,从而提高秸秆分布均匀度。     

组合式灭茬、苗带旋耕整地机设计与试验

为解决高寒垄作地区保护性耕作残茬处理的问题,结合中国北方旱作农业的特点,设计一种与60～75 kW拖拉机配套使用的组合式灭茬、苗带旋耕整地机。该机采用垄上灭茬—垄中带状旋耕—耕后回土镇压的耕作方法,能够一次完成灭茬、旋耕、碎土、埋茬和镇压等多项作业。阐述整机结构及工作原理,对关键工作部件进行设计和运动分析。并以作业速度、旋耕深度和刀轴转速为影响因素,对其工作性能进行试验研究。田间试验结果表明:刀轴转速466 r/min、作业速度1.3 m/s、旋耕深度26 cm,得到较优工作参数,此时根茬粉碎率为93.68%,符合保护性耕作要求内容。     

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。     

水稻秸秆双轴深埋还田机设计与试验

针对北方寒地稻田在秸秆还田作业时,传统单轴机具难以适应覆有大量秸秆的湿黏土壤条件,作业质量难以满足实际作业需求的问题,设计了一种前轴正旋、后轴反旋的新型水稻秸秆双轴深埋还田机。结合实际农艺要求及土壤运动过程确定前后刀轴中心水平距离650 mm、竖直距离100 mm,并对整机进行配置。运用EDEM仿真软件模拟还田机工作过程,以前进速度、前轴转速、后轴转速为试验因素,以秸秆还田率和机具功耗为评价指标进行正交试验,建立秸秆还田率及机具功耗回归方程。利用Design-Expert分析软件得到最优参数组合,根据仿真优化结果及实际加工需求确定最优工作参数为：前进速度1.5 km/h、前轴转速274.2 r/min、后轴转速219.4 r/min,为后续田间试验提供理论支撑。田间试验结果表明,在留茬高度为15～20 cm、地表秸秆覆盖量为468～578 g/m²、拖拉机前进作业速度为低速1挡(1.5 km/h)时,水稻秸秆双轴深埋还田机还田率为88.7%～91.2%、地面平整度为1.8～2.4 cm、碎土率为97.7%～98.8%、耕深为16.6～19.5 cm,各项指标均满足...     

水稻秸秆激荡滑切与撕裂两级切割粉碎装置设计与试验

针对东北稻区秸秆还田作业中存在的粉碎效果差、秸秆腐解速率慢的问题,提出了适合该区域秸秆翻埋还田秸秆粉碎状态,为5~10cm撕裂状态。结合预达到粉碎后秸秆形态及现有机具使用情况,设计了具有激荡滑切和撕裂两个阶段并与联合收获机装配的秸秆粉碎装置,通过理论分析对粉碎过程关键参数进行了设计。单因素试验表明：秸秆含水率从69.77%减少到29.34%时,秸秆因受干物质含量和弯曲强度改变影响,秸秆粉碎长度合格率和破碎率分别下降6.44、9.55个百分点,抛撒幅宽有先增加后减少趋势;秸秆粉碎长度合格率和破碎率随收获速度增加有较大幅度降低,抛撒幅宽减少0.22m;粉碎刀轴转速从2100r/min提高至2850r/min时,秸秆粉碎长度合格率和破碎率都有显著提高,抛撒幅宽也有较大幅度增加;两级定刀直线间隔变大,秸秆粉碎长度合格率和破碎率有小幅度增加,抛撒幅宽减小0.11m。正交试验表明：秸秆粉碎长度合格率和破碎率受收获速度和粉碎刀轴转速影响规律基本一致,收获速度和粉碎刀轴转速对秸秆粉碎长度合格率和破碎率影响更显著（P<0.05）;粉碎刀轴转速和两级定刀直线间隔对抛撒幅宽影响较显著（P<0.05）。设计的装置对东北稻区秸秆还田关键技术问题具有重要意义和应用价值。     

驱动圆盘犁与双刃型旋耕刀组合式耕整机设计与试验

针对传统旋耕式耕整机在稻-油或稻-稻-油水旱轮作的油菜种植模式下进行耕整地作业易存在整机通过性、适应性差,旋耕装置作业碎土率低、刀辊易缠草、秸秆埋覆性能差等问题,设计了一种驱动圆盘犁与双刃型旋耕刀组合式耕整机。提出先主动犁耕后双刃旋耕、两侧开畦沟的工作方式,分析确定了驱动圆盘犁组主要结构参数以及驱动圆盘犁组-开畦沟前犁布局方式;分析确定了一种应用于驱动圆盘犁与双刃型旋耕刀组合式耕整机的双刃型旋耕装置关键结构参数。依据滑切原理确定了具有长刃部和短刃部的双刃型旋耕刀片关键结构参数;根据驱动圆盘犁组结构布局确定了双刃型旋耕装置为双头螺旋线排列方式。利用离散元仿真方法分析了整机的秸秆埋覆性能以及对土壤耕层交换的影响,结果表明整机作业平均秸秆埋覆率为94.69%,且整机作业后土壤耕层混合均匀。在秸秆留茬量不同的两种工况下进行田间性能试验,田间性能试验表明,驱动圆盘犁与双刃型旋耕刀组合式耕整机作业后平均秸秆埋覆率为96.45%,平均碎土率为95.30%,犁组不堵塞,刀辊不易缠草,机组通过性好;田间播种试验表明,整机播种后油菜出苗均匀,整机作业各项指标均满足稻茬地油菜直播种床整备要求。     

基于有效落种空间的甘蔗横向种植机开沟器设计与试验

针对甘蔗横向种植对落种质量要求高的问题,基于有效落种空间形成条件,设计了一种组合式甘蔗横向种植开沟器,主要由防漏犁、旋耕部件和开沟犁构成。通过分析落种运动与土壤运动规律,确定影响落种效果的因素以及各关键部件的结构参数。以旋耕转速、工作深度和前进速度为试验因素,以有效落种深度、旋耕功耗和开沟阻力为试验指标开展田间正交试验,探究作业参数对开沟器性能的影响规律。试验结果表明,工作深度对有效落种深度、旋耕功耗和开沟阻力有极显著影响;旋耕转速对旋耕功耗有极显著影响;前进速度对旋耕功耗有显著性影响。使用较优作业参数组合进行验证性试验的结果表明,在旋耕转速为200 r/min、工作深度为30 cm和前进速度为1.20 m/s时,有效落种深度为29.9 cm,落种深度稳定性系数为97.6%,覆土厚度为8.8 cm,浮土厚度为3.4 cm,旋耕功耗为34.0 kW,单侧开沟阻力为14.1 kN,开沟器性能指标满足甘蔗横向种植的落种要求。     

稻油轮作区铲锹式油菜直播种床整备机设计与试验

针对长江中下游稻油轮作区土壤黏重板结、秸秆量大等问题,油菜直播种床整备采用传统旋耕方式常导致耕层浅、埋茬效果不足和平整度较低的实际问题,本文结合油菜种植农艺要求,设计了主动铲锹切土、抛土,并集成被动式开畦沟、碎土、平整厢面装置,实现适宜油菜直播的土壤翻耕、碎土、秸秆埋覆、平整等功能的铲锹式种床整备机;根据铲锹入土角、耕深、切土节距等要求,建立了曲柄连杆机构运动学模型,基于Matlab软件分析得出曲柄连杆机构结构参数;根据铲尖运动轨迹、切土节距、沟底凸起高度等要求,确定了左右交错式铲锹和螺旋式的曲柄排列方式,开展了机组运行参数的匹配设计,得出了机组前进速度vm为0.4~0.5m/s、曲柄转速n为240r/min;同时开展了土壤被铲锹抛出后运动过程分析,确定了罩壳安装参数;建立了基于离散元方法的耕作部件-土壤-秸秆相互作用仿真模型,应用EDEM 与ADAMS软件耦合分析了机具的秸秆埋覆性能,仿真结果表明,平均秸秆埋覆率为91.64%,可实现秸秆深埋还田。田间试验表明,在高茬水稻秸秆工况下,铲锹式种床整备机的平均作业耕深为215.3mm,与传统旋耕方式相比,平均耕深提高99.2mm;秸秆埋覆率为89.43%,相比传统旋耕方式的埋覆率提升了27.61个百分点,且机组无缠绕和堵塞,通过性好,整机作业质量达到稻茬地油菜直播种床整备的要求。     

基于复合指标与测试技术的旋耕秸秆还田质量评价研究

秸秆还田是土壤培肥与丰产增效的重要技术途径,对农业可持续发展具有重要的现实意义.但目前针对秸秆还田作业质量的测试评价研究仍十分有限,尤其缺乏耕整作业后的秸秆在土壤各层空间分布效果的综合定量评价.以生产环节的旋耕秸秆还田质量评价为例,利用2D数字图像法、3D逆向工程技术和Matlab计算模块等现代信息技术构建了一套秸秆还...     

免耕播种机侧向清秸覆秸秸秆比例回收装置设计与试验

为解决中国麦玉豆主产区在利用秸秆促进作物绿色增产增效、保护耕地的同时,轻简化回收多余秸秆促进其资源化利用等问题,基于原茬地免耕精量播种机侧向清秸覆秸原理,设计了一种秸秆比例回收装置,借助秸秆被免耕播种机播前清理具有的机械能使其沿导流板滑移至机械能耗尽,弹齿“顺势”将其抛送至挤压装置进行回收。应用高速摄像技术探明了秸秆侧向抛撒运动规律,通过理论分析确定了影响装置工作性能的关键结构与作业参数及其取值范围,并采用三因素五水平二次回归正交旋转中心组合试验方法,以作业速度、滚筒转速和弹齿偏角为试验因素,以秸秆回收比率和含杂率为评价指标,实施参数组合优化试验,结果表明：在参数组合为作业速度5.4～7.2 km/h、滚筒转速95 r/min、弹齿偏角49°时,秸秆回收比率大于94%、含杂率小于5%。研究结果为研制原茬地免耕播种秸秆覆盖还田同步比例回收复式作业机提供了理论和技术支持。     

秸秆深埋还田仿生开沟装置优化与试验

为解决秸秆深埋还田工作中开沟深度不够、深埋率低、开沟阻力大等问题,对自行研制的气力式秸秆深埋还田机的开沟装置进行了优化设计。提出一种仿螳螂前端足曲线的秸秆开沟刀参数优化设计,利用阿基米德等进螺线设计的侧切刃具有滑切能力,可切割土壤完成开沟作业。利用Matlab对螳螂前端足进行二值化、膨胀、边缘坐标处理得到仿生开沟刀,使用离散元软件EDEM对设计出的仿生开沟刀和普通开沟刀进行仿真对比,并对仿真结果进行土槽试验验证。试验分析结果表明,相比于普通开沟刀,仿真开沟刀在开沟过程中可减少9.48%的阻力。利用Design-Expert 8.0软件的二次正交旋转组合试验设计结合响应面法,分别建立秸秆深埋率和工作效率与机具前进速度、秸秆深埋深度和秸秆覆盖量的回归数学模型。通过分析表明,各因素对秸秆深埋率的影响由大到小依次为：秸秆覆盖量、秸秆深埋深度、机具前进速度;各因素对工作效率的影响由大到小依次为：机具前进速度、秸秆深埋深度、秸秆覆盖量;交互作用中,秸秆深埋深度和秸秆覆盖量、机具前进速度与秸秆覆盖量对工作效率影响显著。经过优化求解,在深埋率权重为0.7、工作效率权重为0.3的情况下得到开沟装置最佳工作参数,在机具前进速度为1.63m/s、秸秆深埋深度为27.97cm、秸秆覆盖量为340.54kg/hm2时,秸秆深埋率为90.491%,工作效率为5.4hm2/h。     

基于离散元法的旋耕过程土壤运动行为分析

土壤与耕作部件间的相互作用规律是设计和选用土壤耕作部件的基础。研究土壤和耕作部件间的相互作用规律就是要研究耕作部件对土壤产生的作用和它们之间的作用力,首先必须探讨耕作部件工作时土壤运动规律和施加于土壤的作用力。为此本文建立基于离散元方法的旋耕工作模型;对比分析实验与仿真的土壤位移:在土槽实验中采用示踪块方法测量土壤位移,仿真中通过追踪表层土壤颗粒的运动获得仿真位移;利用实验和仿真数据对土壤位移和运动机理进行分析。结果表明:土壤水平和侧向位移都随着转速增加呈现增加的趋势;土壤的水平运动位移总是大于同转速下的侧向位移。浅层土壤颗粒的运动位移最大,中层土壤次之,深层土壤最小。较深位置的土壤,距离旋转中心越近的土壤颗粒水平位移和侧向位移越大。在旋耕刀切土范围内的土壤,有向相反方向运动趋势的浅、中、深层颗粒比例分别为26.2%、72.1%、48.4%。在水平力作用下,大部分土壤颗粒随着旋耕刀切土有向后运动的行为;土壤在开始时刻的侧向受力和侧向运动方向,由颗粒的侧向位置是否偏离侧切刃轴线决定,位于侧切刃轴线左侧的颗粒,则其侧向力向左,反之亦然;土壤在垂直方向先随着刀具入土向下运动,然后滑出刀刃边界被抛起。本文建立的仿真模型得到的土壤水平位移和侧向位移与相应实验值的误差为24.9%和15.3%。本文运用离散元法进行旋耕过程中土壤宏观和细观运动行为的分析,有助于理解旋耕刀与土壤的相互作用机理,为旋耕机械的设计与优化提供理论依据。