齿盘式棉秆收获机的设计

为提高棉花秸秆机械化回收水平,研究不同参数对棉秆机械化回收的影响,解决棉秆收获机漏拔、拔断率高等突出问题,该文研究设计了一种齿盘式棉秆收获机。齿盘式棉秆收获机由悬挂装置、限深轮、拔秆装置、排秆装置、液压系统组成。该机关键部件为齿盘式拔秆装置,作业时通过齿盘将棉秆起出,随后通过排秆装置将棉秆排至地表。棉秆的漏拔率、拔断率是评价齿盘式棉秆收获机作业性能的主要指标,通过Box-Behnken的中心组合试验方法对齿盘式棉秆收获机的工作参数进行研究,设计了三因素三水平二次回归正交试验,以齿盘的直径、齿盘速比、起拔高度为影响因素,建立响应面三维模型。分析得出各因素对作业质量的影响,同时对影响因素进行综合优化。结果表明:起拔高度、齿盘速比对棉秆拔断率影响显著(P0.01),起拔高度、齿盘直径及齿盘速比对棉秆漏拔率影响显著(P0.01),优化后的最优工作参数组合为起拔高度66.2 mm、齿盘直径627.59 mm、齿盘速比0.57。大田试验结果表明,在工作参数为起拔高度70 mm、齿盘直径630 mm、齿盘速比0.57作业条件下,棉秆拔断率达到1.5%,棉秆漏拔率3.0%,与理论推导值对比误差均小于4%。研究结果可为齿盘式棉秆收获机的结构完善设计和作业参数优化提供参考。     

糖用甜菜物理特性试验分析

摘 要：对收获期"KWS3148"甜菜进行田间状况和物理参数的测定,确定了甜菜种植模式。利用SPSS统计软件,得到了甜菜主要物理几何参数指标的变化区间和频率分布,明确了甜菜在土壤中的相对位置,建立了收获期甜菜的几何物理模型。通过甜菜的起拔力对比测试,得到了土壤自然状态下甜菜所需起拔力为（365±196）N,两侧松土后甜菜所需起拔力为（259±176）N。甜菜的起拔力峰值分别与块根质量、块根截面椭圆的短轴尺寸在0.01水平（双侧）上显著相关,块根质量、块根最大截面尺寸、块根长度在0.01水平（双侧）上双因素显著相关。甜菜起拔力与甜菜品种和土壤的状况相关,与甜菜根系关系不大。试验结果：块根地上高度为（60±24.4）mm,块根横向最大尺寸为（120±28）mm,根块长度为（202±45.3）mm,块根质量为（1198±530）g,甜菜的楔角为（15.3±2.14）度及甜菜的几何模型,可为甜菜的杀秧、收获等机具的设计、研发提供理论基础。     

拉拔作用下护坡植物香根草根系的力学性能

植物根系受拔时存在拔断破坏和拔出破坏两种破坏形式,而关于根系倾角对根系受拔力学性能和破坏形式的影响尚不清楚。该研究以香根草作为研究对象,分析不同直径（0.20～1.40 mm）根系单根抗拉性能。并设置不同受拔倾角（0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°）的根系进行单根抗拔试验,分析不同生长倾角下单根抗拔性能及其破坏形式,以明确植物根系生长倾角对根系受拔时力学性能和破坏形式的影响。结果表明：香根草根系的最大抗拉力和最大抗拔力随根系直径呈幂函数关系增加,而抗拉强度和抗拔强度则随根系直径呈幂函数关系减小。在受拔倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°时,根系受拔力分别为0.48～2.71、0.59～4.16、0.79～4.08、0.95～4.47、1.86～5.39、2.20～6.39和2.95～7.46 N。随着根系受拔倾角的增加,根系最大抗拔力和抗拔强度增加。植物根系破坏形式受到根系直径和受拔倾角影响,根系直径越小越可能出现拔断破坏,而根系受拔倾角越大,受拔发生拔断破坏的根系数目越多,被拔断的临界根径越大。研究结果表明根系直径和受拔倾角明显影响根系力学性能及拔破时的破坏形式,这对深入理解根系固土机理具有重要意义。     

横轴对辊式棉秆起拔装置设计与试验

针对现有棉秆起拔机械作业需对行、漏拔率及拔断率高等问题,该研究设计了横轴对辊式棉秆起拔装置,其主要工作部件为送秆装置与拔秆装置,依据部件作业过程与动力学分析完成了结构参数确定,并获取了作业性能影响因素及其取值范围。以机具前进速度、拨禾杆线速度和拔秆辊转速为影响因子,棉秆漏拔率和拔断率为响应值进行三因素三水平二次回归正交试验,建立了响应面数学模型,并进行了参数优化与验证。结果表明,漏拔率影响因素的显著性顺序为前进速度、拨禾杆线速度和拔秆辊转速,拔断率影响因素的显著性顺序为拔秆辊转速、拨禾杆线速度和前进速度,最优参数组合为前进速度0.68 m/s,拨禾杆线速度1.75 m/s,拔秆辊转速221 r/min,在此参数组合下测得棉秆漏拔率为5.24%,拔断率为3.75%,与理论预测值相对误差均小于4%。研究结果可为棉秆起拔机械设计提供参考。     

基于红外视觉的点源土壤入渗性能自动测量方法改进

土壤入渗性能指标是农业及其他近地表水文等相关研究领域的关键参数，对其进行快速准确的测量对水资源高效利用具有重要的理论及研究意义。为实现地表有覆盖物时土壤入渗性能的自动精准测量，该研究提出了一种利用热红外成像技术对点源土壤入渗性能测量方法的改进方案，设计并构建了对应的测量系统。采用红外热像仪获取地表湿润面积随时间的推进过程，构建了地表湿润面积提取算法，定义了土壤入渗性能曲线的形状基函数，根据水量平衡原理对曲线配位，并建立了土壤入渗性能模型。室内试验设置了土壤类型（粉壤土和砂壤土）、地表坡度（0°、5°和8°）和覆盖度（20%、40%、50%、60%、65%、70%、75%和80%）3个因素；在自然植被覆盖条件下进行了田间验证试验。结果表明，坡度和土壤类型对地表湿润面积识别影响不显著；当轮廓覆盖度小于60%时，采用本文的算法，地表湿润面积识别误差在5%左右，可满足土壤入渗性能的测量要求。室内及田间入渗性能测量试验的水量平衡误差均在2%以下，表明土壤入渗性能测量模型精度较高。该研究提出的方法操作方便，测量精度高，为实现野外地表有覆盖物的复杂环境下原位测量土壤入渗性能提供了可靠途径。     

空载状态下往复式棉秆切割器动力学仿真与试验

为了能够迅速、可靠地确定空载状态下往复式棉秆切割器的切割阻力和功耗等数据从而优化其设计,选择一种以偏置式曲柄连杆机构驱动的往复式棉秆切割器作为仿真与试验研究对象。采用SolidWorks进行了虚拟样机设计,利用ADAMS对空载状态下往复式棉秆切割器进行了动力学仿真研究,依据仿真数据应用响应面方法对切割峰值阻力与机架所受振动力进行了试验分析,确定了割刀平均切割速度为0.8m/s、配重块质量为1.5kg、安装位置滞后于曲柄位置170°时切割峰值阻力与机架所受振动力最小,分别为450和380N。利用研制的往复式棉秆切割试验台,对空载状态下的切割阻力随着割刀平均切割速度的变化进行了试验研究,并与仿真数据进行了对比分析。结果表明,切割峰值阻力的实测值与模拟值相对误差为7%,机架所受振动力的实测值与模拟值相对误差为7.7%,仿真数据可靠,能替代试验数据作为参考依据,为低功耗棉秆切割收获装备的研发提供了一种设计参考。     

平移式喷灌机行走阻力的确定及验证

行走阻力对平移式喷灌机的动力配置具有重要影响,为了确定不同土壤条件下喷灌机的行走阻力,为机组提供合理的动力配置依据。针对黄绵土和塿土2种土壤类型,以土壤含水率和容重为因素,选取表征机组行走阻力的5个土壤力学参数即土壤黏聚变形模数、摩擦变形模数、沉陷指数、黏聚力和内摩擦角为指标,采用二元二次通用旋转组合试验设计,通过平板沉陷试验与直接剪切试验,建立了2种土壤类型含水率、容重与5个参数间的回归模型,从而得出喷灌机所需行走阻力,并以此为依据对喷灌机行走驱动系统进行配置和田间行走试验。结果表明,含水率、容重和二者交互作用对2种土壤的5个参数均有显著影响(P0.05);随着含水率和容重增加,黄绵土黏聚变形模数呈减小趋势而塿土呈先增大后减小趋势,且2种土壤的摩擦变形模数均减小,沉陷指数均呈先减小后增大趋势,黏聚力与内摩擦角均增大。采用上述方法进行的驱动系统配置满足喷灌机动力需求,由5个参数的回归模型所得驱动功率计算值与田间试验功率实测值最大相对误差分别为6.43%、7.73%,模型合理。研究可为平移式喷灌机动力配置提供依据。     

棉秆挤压剥皮剪切力学特性试验

针对棉秆重组材原料疏解剥皮的需要,该文利用自制的棉秆剥皮试验台,以测试剥皮剪切强度为目标,对含水率、取样部位、加载强度3个影响因素进行了中心组合试验,对皮附着长度进行了单因素试验,并将泡水软化棉秆和新鲜棉秆进行了比较.结果表明:取样部位、加载强度对轴向与切向剥皮剪切强度影响显著(P＜0.01);含水率对轴向和切向剥皮剪切强度的影响不显著(P＞0.05),三因素间的交互作用均不显著(P＞0.05);加载强度、取样部位、含水率对棉秆剥皮剪切强度的影响依次由强到弱;切向剥皮方式优于轴向剥皮方式;新鲜棉秆的剥皮剪切强度较小,收获后及时剥皮效果好.该研究可为棉秆疏解剥皮装备的设计提供参考.     

木薯块根拔起力的力学模型和数学模型分析

为了探讨不同块根拔起速度和块根生长状况对块根最大拔起力的影响规律,该文采用物理试验方法、ANSYS/LS-DYNA显式动力学仿真技术及土力学理论分析方法进行物理试验和力学分析,建立了考虑拔起速度影响的木薯块根拔起力的力学模型和数学模型,且对模型进行了试验验证。结果表明,假设木薯块根对土壤的作用为一圆盘和圆盘外延对土壤的共同作用的力学模型合理;圆盘最大拔起力的数学模型精度高,理论值与实测值的相对误差小于16%;木薯块根最大拔起力的数学模型对成圆盘状分布生长的木薯块根拔起力有较高的预测精度,对生长分布较不均匀的木薯块根拔起力的预测精度较低,但理论值与实测值的相对误差也小于27%;木薯块根最大拔起力随拔起速度、块根圆盘直径和圆盘深度的增大而增大;块根圆盘深度对木薯块根的最大拔起力的影响最大,其次是圆盘直径,最后是拔起速度。该文为挖拔式木薯收获机械块根拔起机构系统的设计提供依据。     

土壤-刺槐系统水流阻力对水分胁迫的响应

为探究土壤-刺槐系统水流阻力对水分胁迫的响应情况,通过盆栽试验方法设置8个水分梯度(田间持水量的30%～100%),研究了两年生刺槐在生长季内的蒸腾速率、根水势、叶水势及土壤-刺槐系统水流阻力等的变化。结果表明:(1)刺槐蒸腾速率、根水势及叶水势随水分含量的增加表现出先增大后保持稳定的趋势。蒸腾速率在30%～70%的田间持水量范围随水分含量的增加而迅速增大,根、叶水势在30%～50%的田间持水量范围增长最快,此后基本稳定;(2)土壤阻力、根系总阻力、植物传导阻力及叶-气阻力均随水分含量的增加而减小,均在30%～50%的田间持水量范围减小最快,其在生长季内大小为7月>10月>8月>9月;(3)土壤-刺槐系统总阻力的变化趋势与叶-气阻力相近,是由于叶-气阻力占总阻力的96.0%以上,并对总阻力的调节起主导作用。根据我们的研究结果推测刺槐在大于50%田间持水量范围,可保持健康、可持续生长。     

立辊式玉米收获割台夹持输送装置设计与试验

针对现有立辊式玉米收获机割台夹持输送装置存在的夹持稳定性差、断茎率高等问题,该研究基于立辊式玉米割台摘穗特点,设计了一种夹持输送间隙随植株茎秆粗细自适应调节的夹持输送装置。该装置由分禾机构和夹持输送机构组成,分禾机构保证玉米植株的单株有序喂入,并辅助往复式切割器完成植株根部的切割;夹持输送机构实现切断植株在立辊式割台上的有效夹持和输送。通过对拨禾喂入过程植株的运动分析以及夹持切割和夹持输送过程植株的姿态变化规律分析,确定夹持输送装置有效拨禾段链条长度为500 mm,夹持输送机构轨道长度为1 100 mm,割台最大夹持输送量为3株,夹持轨道间的垂直距离为40 mm,两夹持链条间的夹持间隙可调节范围为16～40 mm。采用响应曲面法分析了收获机前进速度、主动链轮转速、割台倾角和植株喂入角对夹持输送装置作业性能的影响。试验结果表明,当收获机前进速度为2.8 m/s、主动链轮转速1 210 r/min、割台倾角18°、植株喂入角为60°时,果穗总损失率为0.83%,断茎率为0.12%;相比现有普通夹持输送装置,果穗总损失率和断茎率分别由2.80%和0.98%降低到0.83%和0.12%,分别降...     

农作物秸秆切割试验台测控系统的研制与试验

为了准确测量农作物秸秆在切割过程中的力学特性,研究各因素对秸秆切割性能的影响,在已有秸秆切割试验台的基础上,研制了一套基于LabVIEW虚拟仪器的秸秆切割特性测控系统。该系统主要有电动机控制系统、数据采集系统及上位机系统3部分组成,实现了秸秆切割速度、喂入速度的连续可调,切割过程中的主轴扭矩、切割力、切割速度、喂入速度等信号可高速实时采集与显示,并具有数据保存和回放等功能。试验表明,该测控系统能够较好地实现切割速度与喂入速度在0～2 m/s范围内的任意组合以及切割扭矩、切割力和转速在0～10 kHz采集频率下的测量与分析,为切割刀具参数的优化和秸秆收割收获装备的开发提供了理论依据与技术支持。     

棉花秸秆双支撑切割性能试验

针对现有往复式切割器切割收获棉花秸秆过程中存在切割质量差与切割刀片易损坏等问题,该文利用自制的棉花秸秆切割试验台和高速摄影系统,以棉秆单位直径最大切割力和单位面积切割功为目标值,对平均切割速度、切割倾角和切割速比等影响因素进行了棉秆往复式双支撑切割条件下的单因素试验、中心组合试验和验证试验。利用响应面法对中心组合试验数据进行了处理,建立了目标值与各影响因素之间的回归模型,优化了往复式双支撑切割器切割棉花秸秆时的工作参数。试验结果表明,平均切割速度和切割倾角对棉花秸秆单位直径最大切割力和单位面积切割功的影响显著(P0.01),切割速比影响不显著(P0.05),但切割速比对棉秆切割截面的质量具有重要影响;当切割速比为1.25和1.5时棉秆一次切断率为85%,比切割速比为1、1.75和2时高出10%~15%,割茬高度比切割速比为1、1.75和2时低10~30 mm;利用往复式双支撑切割器切割棉花秸秆时的工作参数的最佳组合是:平均切割速度为0.9 m/s、切割倾角为12.7°、切割速比在1.25~1.5之间,该条件下的棉秆切割性能目标值的平均实测值与预测值的误差均小于7%,表明棉花秸秆往复式双支撑切割器工作参数的优化结果可靠。该研究为高效、低耗的棉花秸秆切割收获机械装备及其切割器的研制和使用提供参考。     

新疆典型绿洲棉秆还田对覆膜滴灌棉田残膜分布的影响

为探寻长期膜下滴灌棉田在采取棉秆还田后残膜的分布状况，于2016年棉花采摘后在应用膜下滴灌开始年份分别为2006年、2002年和1998年的3块棉田中采集土壤样品，然后进行棉秆粉碎还田，2017年对3块试验棉田再次进行取样，分析秸秆还田前后0～40 cm土层中残膜面积、质量及棉杆残留量。结果表明：1）秸秆还田前，3块试验田的地膜残留密度随覆膜年限增加逐年增加，棉田土壤处于严重污染状态；2）采取棉秆粉碎还田后，3个取样地块0～40 cm土壤中棉秆分布总体上呈现由上至下先增加后减少并在15～25 cm深度土壤中聚集分布的特点；3）秸秆还田后，3块取样棉田0～15 cm耕作层土壤中残膜面积占比58%以上、残膜质量占比60%以上，该层中面积>5～30 cm2和质量>50～100 mg残膜均增加显著，相对秸秆还田前的土壤残膜分别平均增加20%和10%左右。     

上拉茎掰穗式玉米收获台架试验与分析

针对现有摘穗装置存在的果穗啃伤、籽粒损失严重等问题,该文采用了自上而下的掰穗原理,搭建了上拉茎掰穗式玉米收获试验台,进行了摘穗辊转速、两摘穗辊间隙和摘穗辊与水平面夹角对玉米籽粒损失的影响试验;试验中采用高速摄像系统对玉米摘穗过程进行快速捕捉,有助于后期的综合分析。通过单因素试验和方差分析表明,玉米摘穗辊转速对玉米籽粒损失率有显著的影响,在500~1 000 r/min变化范围内,玉米籽粒损失率的变化先降低再升高,700 r/min时损失最小,籽粒损失范围0.22%~0.39%;两摘穗辊间隙在4~12 mm范围内,玉米籽粒损失总体呈下降趋势,间隙为10 mm时损失最小,玉米籽粒平均损失率0.33%,两摘穗辊间隙对玉米籽粒损失率有显著的影响;摘穗辊与水平面夹角对玉米籽粒损失影响不明显。试验结果表明,采用自上而下的摘穗方式能够有效的降低传统摘穗装置果穗啃伤、籽粒损失严重等问题,实现低损伤摘穗。该研究丰富了玉米摘穗理论,为玉米收获机型的研发提供了参考。     

疏解棉秆的微波干燥动力学及能耗分析

为了研究疏解棉秆微波干燥过程中装载量对干燥时间、干燥速率、干燥效率以及单位能耗的影响,该试验采用微波频率为2 450 MHz,输出功率为1 k W的微波干燥设备,装载量范围在34~200 g的疏解棉秆进行干燥。结果显示:干燥过程经过一个短暂的升速后较长时间处于降速阶段;采用7种常见薄层干燥模型对干燥数据进行非线性拟合,通过比较决定系数、均方根误差、离差平方和,发现Midilli模型是表述疏解棉秆微波干燥的最优模型,干燥系数随着装载量的增加而减小;装载量从34 g增加到200 g时,干燥时间也随之从10 min增加到20 min;疏解棉秆的水分有效扩散系数随着装载量的增加而减小,其平均值介于1.8078×10-8~4.1997×10-8 m2/s,同时基于Arrhenius方程,求得平均活化能为4.82 W/g;装载量在34~200 g时,通过提高装载量能够提高微波干燥效率(7.52%~19.78%),同时降低微波干燥的单位能耗(12.49~35.90 MJ/kg)。研究结果为棉秆的干燥和工业化生产提供参考。     

土壤湿度和机械长度对棉花秸秆分解率的影响

新疆棉花秸秆产量巨大,但是棉花秸秆的木质素和纤维素含量较高,不易被分解,很难作为饲料利用。本文研究了棉花秸秆在不同条件(土壤水分、棉花机械长度)处理下的分解速率。从土壤水分条件来看,棉花秸秆在50%土壤饱和含水量下的分解最为理想,其分解率在100 d后达到54.08%;从棉花秸秆粉碎程度来看,棉花秸秆粉碎越细越有利于其分解,但是3 cm处理100 d后分解率为54.12%,而1 cm处理100 d后分解率只有47.42%,说明棉花秸秆分解需要一定的孔隙度。另外,棉花秸秆分解之后对土壤肥力也有很大影响。此次试验结果可为推广大田试验提供科学依据。     

Decomposition characteristics of cotton stalks from fall to spring as affected by continuous cropping

Knowledge about cotton (Gossypium hirsutum L.) stalk degradation is important for understanding nutrient cycling in soil. The objective of this experiment was to study the effects of continuous cropping on cotton stalk decomposition and nutrient release patterns from fall to spring. Cotton stalks were placed inside nylon mesh bags on 5 October and then buried 15?cm deep in fields that had been continuously cropped to cotton for 1, 10, or 20 yrs. The results showed that the decomposition rates (i.e. mass loss) were significantly greater in the 10- and 20-yr soils than in the 1-yr soil during the first 16 d after burial. The decomposition rates were similar in all three soils between d 16 and 177. However, between d 177 and 193, the decomposition rates were the highest in the 1-yr soil. Overall, stalk mass declined by 35–40% during the 193 d experiment. The largest decreases in stalk mass were in the 1- and 10-yr soils. After 193 d, 95–97% of stalk K had been released compared with 29–34% of stalk P, and 41–48% of stalk N. The duration of continuous cropping had no significant effect on δ¹³C, N, and K release rates. The release rate of stalk P was the greatest in the 20-yr soil followed by the 1-year soil and then the 10-yr soil. In conclusion, the duration of continuous cotton cropping significantly affected the decomposition characteristics of cotton stalks. Additional studies will be done to learn more about how N application and irrigation can be managed in the fall so that (i) undecomposed residue does not interfere with spring sowing and (ii) the nutrients in the stalks are not lost after decomposition.