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。     

水旱两用秸秆还田组合刀辊作业性能试验

为了检测水旱两用秸秆还田组合刀辊的田间作业质量和功率,采用无线遥测技术,利用动力输出轴一体化扭矩传感器,对安装组合刀辊的耕整机进行了田间作业质量和作业功耗优化参数性能测试试验,并与传统旋耕刀辊、螺旋刀辊进行田间作业质量及功耗对比试验。田间试验结果表明:组合刀辊性能检测试验中,水田和旱地植被埋覆率分别为94.3%和96.5%,耕深分别为20.8和20.3 cm,耕深稳定性分别为92.3%和90.6%,耕后地表平整度分别为0.9和1.2 cm,功率消耗分别为27.6和31.2 k W,均达到了设计目标;与其他刀辊对比试验中,组合刀辊作业质量优于螺旋刀辊和传统旋耕刀,作业功耗稍高。该研究可为实现水田和旱地高茬秸秆埋覆还田和土壤耕整提供参考。     

水旱两用秸秆还田耕整机关键部件设计与试验

为增加土壤的有机质含量,改善土壤的团粒结构,同时有效缓解秸秆焚烧难题,针对长江中下游地区麦-稻、油-稻等水旱作物交替种植的特点,设计了一种水旱两用型秸秆还田耕整刀辊。阐述了新刀辊的结构和工作原理,分析并确定了关键部件的结构参数,重点对传统旋耕刀的布置及其破茬理论进行了详细的分析。田间试验结果表明:水旱两用型秸秆还田耕整刀辊旋耕一遍即可实现水田和旱地秸秆埋覆、旋耕碎土、平整地表等多项功能,水田和旱地耕深分别为181.6~200.4和151.2~173.8 mm,耕深稳定性分别为92.4%~94.8%和92.4%~93.4%,耕后地表平整度均小于12 mm,植被埋覆率分别为96.3%~96.4%和90.6%~97%,碎土率为87.3%~89.6%和64.5%~90.2%,作业效果满足水稻播栽对耕整地的农艺要求。     

作业次序对深松旋耕联合作业机作业质量及功耗的影响

该文选用华北平原壤土区常用的深松旋耕联合作业机作为试验设备,分析深松、旋耕作业次序对其作业质量及功耗的影响。运用离散元仿真分析结果表明,旋耕深松作业次序比深松旋耕作业次序的工作紧凑、刀辊受力均匀。随着作业深度的增加,深松旋耕作业次序作用的深层土壤较多。建立以旋耕深度、深松深度为因素,以2种作业次序功耗为指标的回归方程综合分析得出,作业深度较浅时,深松旋耕作业次序功耗、地表平整度、植被覆盖率优于旋耕深松作业次序;作业深度较大时,旋耕深松作业次序功耗明显小于深松旋耕作业次序,且两者作业质量差异不显著。田间试验表明,离散元仿真建立的2种作业次序作业深度与作业功耗的回归方程及测量的地表平整度、土壤膨松度及植被埋覆率基本能真实反映田间作业情况。     

油菜直播组合式埋茬防堵装置设计与试验

针对长江中下游地区油菜机械化种植时土壤黏重板结、前茬秸秆留茬高、残留量大,致使油菜直播机旋耕及深施肥部件易出现秸秆缠绕、壅土堵塞等问题,导致秸秆埋覆率低、种床厢面起伏不平,影响种床质量的生产现状,该研究设计了一种适用于高茬黏重稻茬田的油菜直播机组合式埋茬防堵装置。该装置主要包括埋茬弯刀和双刃旋耕刀,刀片在筒状刀轴上整体呈人字型排布,通过埋茬弯刀和双刃旋耕刀配合作业,可防止旋耕及深施肥部件秸秆缠绕和黏附堵塞,实现黏重土壤细碎、高茬秸秆埋覆和厢面平整。开展理论分析与EDEM仿真,确定了埋茬弯刀回转半径为245 mm,正切面弯折线角为27 °、弯折角为125 °,作业幅宽为75 mm,防堵直刀回转半径为275 mm,刃磨角为15 °。田间对比试验结果表明：装有组合式埋茬防堵装置的油菜直播机在高茬黏重地表作业通过性好,未出现秸秆缠绕和黏土堵塞,厢面平整度为19.19～22.14 mm,相较于普通旋耕装置,秸秆埋覆率至少提高27.19个百分点,埋茬防堵性能良好,种床质量满足油菜直播农艺要求。研究结果可为高茬黏重工况下的种床整备装置开发提供参考。     

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。     

黑土区覆混耕作中玉米秸秆还田对土壤水分入渗性能的影响

覆盖混埋耕作主要通过联合整地机对秸秆进行切碎并均匀混入土壤,对降低风蚀水蚀、提高耕层土壤蓄水能力及构建优质种床具有重要作用。为探究覆混耕作中玉米秸秆对土壤水分入渗性能的影响,该研究利用Design Expert软件,根据Box-Behnken试验原理通过室内土柱模拟试验,以覆混耕作中秸秆混埋深度、秸秆混埋量、秸秆长度为影响因素,以渗水量为指标进行三因素三水平二次回归正交试验。通过建立响应面数学模型,分析了各因素对土壤水分入渗性能的影响,并对影响因素进行了综合优化。试验结果表明:对渗水量影响主次顺序为秸秆混埋深度、秸秆长度、秸秆混埋量;当秸秆混埋深度为20 cm、秸秆混埋量为80%、秸秆长度为9 cm时,渗水量达到最优值0.249 L。利用优化后的参数进行试验验证,土壤渗水量为0.247 L。研究结果可为覆混耕作中联合整地机的作业参数调整提供参考和土壤水分入渗性能研究提供参考。     

我国秸秆资源养分还田利用潜力及技术分析

我国秸秆资源量丰富,且含有大量的养分,将这些养分还田利用,不但可以减少化肥的投入,还可以避免资源浪费,保护生态环境。通过资料收集和数据统计,对我国的秸秆资源状况、空间分布、养分利用潜力及养分还田技术进行了分析。结果显示:2017年我国秸秆资源量约为8.55亿t,秸秆全量还田养分输入量分别为758.66万t(N)、238.84万t(P_2O_5)、1 316.36万t(K_2O),分别可替代当年约34.15%的氮肥、29.95%的磷肥、212.40%的钾肥。根据当年秸秆综合利用情况和养分还田率,还田的养分可替代约19.38%的氮肥、23.28%的磷肥、166.81%的钾肥。相比秸秆全量还田,实际还田养分的可替代化肥率还有较大的提升潜力。此外,秸秆中还含有34 238.94万t的有机碳(未包括棉花秸秆),按30%的转化率计算,将有超过10 000万t的有机碳进入土壤。选取我国秸秆养分量最高的3个区域,对其秸秆养分还田技术进行分析,并提出在东北地区应以秸秆粉碎翻耕或旋耕还田为主,定期进行深翻作业;黄淮海地区应以小麦秸秆粉碎后覆盖以及玉米秸秆粉碎后旋耕或深耕还田为主,增加耕翻深度,及时将秸秆还田,定期进行深翻或深松作业;长江中下游地区应以秸秆粉碎旋耕混埋还田技术为主,严格控制机械切碎长度和旋耕深度。此外,在东北和黄淮海地区应将过腹还田与堆沤还田作为机械化直接还田的重要补充,在长江中下游地区应推广秸秆腐熟还田技术。     

油菜秸秆对置双螺旋埋覆还田装置设计与优化

为提升油菜秸秆还田埋覆均匀性，该研究结合油菜秸秆留茬高、秆茎粗、腐解难的特点，采用粉碎-旋耕-埋覆还田组合工艺，设计油菜秸秆还田对置双螺旋埋覆装置。以埋覆秸秆质量分布变异系数和不同深度秸秆质量占比作为还田均匀性评价指标，采用4因素4水平正交试验，分析对置双螺旋埋覆装置螺旋升角、转速、机具前进速度等参数及秸秆粉碎长度对评价指标的影响。试验结果表明：各因素对埋覆秸秆质量变异系数影响的显著程度从大到小依次为秸秆粉碎长度、螺旋升角、转速、机具前进速度；上层土壤0～50 mm中的秸秆质量占比最高，随着土层深度的加深秸秆质量逐渐减少；当螺旋升角为60°、埋覆辊转速为210 r/min、机具前进速度为0.6 m/s、秸秆长度为6 cm时，≥0～50、≥50～100和≥100～150 mm土层单位体积土壤秸秆含量分别为15.34、11.61和7.9 kg/m³，秸秆质量占比分别为43.97%、33.28%和22.75%，秸秆质量分布变异系数为26.43%，与优化前相比，上层土壤中秸秆质量占比降低2.36个百分点，下层秸秆质量占比提高7.18个百分点，秸秆质量分布变异系数降低12.6个百分点，秸秆还田均匀性和种床质量均有提高。研究结果为提高油菜秸秆还田均匀性提供了新的方法与思路。     

联合整地机匀土旋平刀辊设计与试验

为解决联合整地机破茬翻埋作业后地表平整度低、土壤分布不均匀的问题，该研究设计了分段反螺旋式匀土旋平刀辊，提出田口法结合离散元仿真的刀辊参数设计思路。首先定性分析并确定了影响刀辊轴向运土和抛土的关键因素及水平；然后以作业后地表平整度为优化目标，以沙壤土和黏壤土为噪声因子，利用田口法设计试验并进行离散元仿真，得出适应不同土壤类型的最优参数组合为：刀轴转速300 r/min、螺旋升角70°、旋耕刀型号IT245、刀轴直径80 mm、刀座间距62 mm、旋耕刀双螺旋排布，此时地表平整度仿真值为14.2 mm。以最优参数组合制造样机并进行田间验证试验，作业后地表平整度为11.6 mm、土壤分布均匀度为92.6%、耕深稳定性系数为93.2%、破土率为86.4%，优于小麦种植对耕整地的要求，所设计的刀辊有效。研究结果可为联合整地机刀辊设计提供参考。     

正反转动力式玉米切茬防堵装置设计与试验

针对西南地区免耕播种作业存在秸秆覆盖量大、秸秆整杆覆盖和地块较小的问题,该研究基于有支撑切割原理设计了一种正反转动力式切茬防堵装置.通过参数分析设计了仿生切茬圆盘刀,对防堵装置进行力学和运动学分析揭示其防堵机理.基于离散元法建立防堵装置的数值仿真模型,选取机具前进速度、刀盘间距、正转转速和反转转速为试验因素,以粘结键断...     

不同秸秆还田方式对春玉米产量、水分利用和根系生长的影响

为探究耕作方式和秸秆还田对春玉米产量、土壤水肥及根系分布的影响,通过连续两年设置耕作方式(旋耕、翻耕)与秸秆还田方式(秸秆还田、秸秆不还田)两因素田间定位试验,研究了春玉米产量和水分利用效率、根系及土壤水肥分布的特性。结果表明:旋耕和翻耕处理春玉米产量和水分利用效率差异不显著,但前者显著增加了干旱年份(2015年)0—30cm土层的根长密度、根表面积密度和根干重密度,而后者显著降低了10—30cm土层的土壤容重和紧实度,降低了0—40cm土层的土壤含水量、有效磷和速效钾含量,提高了干旱年份30—60cm和湿润年份(2016年)0—60cm土层的根长密度、根表面积密度和根干重密度;秸秆还田较秸秆不还田处理显著增加了春玉米产量和水分利用效率,增加幅度分别为9.5%和7.3%,促进了干旱年份0—60cm土层的根长密度和湿润年份30—60cm土层的根长密度、根表面积密度和根干重密度的增加,还提高了0—60cm土层的土壤含水量、硝态氮、有效磷和速效钾含量。因此,实施旋耕秸秆还田和翻耕秸秆还田可以改善土壤水肥分布,促进深层根系发育,提高春玉米的产量和水分利用效率。     

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。     

犁翻旋耕复式作业耕整机的设计与试验

为了满足稻麦轮作耕作方式的整地需求,设计研制一款集翻耕、旋耕、秸秆粉碎还田等多道工序的犁翻旋耕复试作业整地机械。根据机器复试作业的特点,设计过程重点考虑犁耕与旋耕作业之间的交互作用,将旋耕机架整体向右侧偏置210 mm,且左、右旋耕刀辊内侧旋耕刀至副减速箱距离均为50 mm。根据实际田间作业情况,应用 EDEM 仿真软件进行虚拟田间作业仿真,仿真结果表明：碎土率为91.4%,地表平整度小于20 mm。在设计与仿真的基础上,进行田间试验,设计一组先犁耕后旋耕作业试验与犁旋耕整机复式作业相对照,田间试验表明：犁旋耕整机作业后,耕宽、耕深、地表平整度分别为1.98 m、21.6 cm、1.87 cm,耕深稳定系数、耕宽稳定系数、碎土率、植被覆盖率均达到90%以上,各项指标均优于二次整地模式,且在油耗、生产率指标上远远优于后者。该研究为复式整地机械的研制及交互性设计提供参考。     

Auswirkung unterschiedlicher Bodenbearbeitung auf die mechanische Belastbarkeit von Ackerböden

Effect of different tillage systems on the mechanical compressibility of arable soils The influence of different tillage systems (Zero-tillage, minimum tillage with rotary tiller and conventional tillage with moldboard plow) on the mechanical compressibility of two soils, a Regosol from loess-colluvium, and a Vertisol from mesocoic clay has been investigated as well as the causes and consequences for penetration resistance and air permeability. In addition the bulk density and the pore size distribution of aggregates have been investigated with regard to a possible explanation for the often described difference in stability in untilled or minimum tilled soils when compared to tilled ones. The results clearly demonstrate the higher mechanical stability of the untilled or minimum tilled soils as compared to tilled soils, which may result in better growing condition for plants. The higher stability is the result of a more vertical oriented pore geometry and stress distribution and can be explained by measured differences in the bulk density and pore size distribution within the aggregates too.     

Incorporation of tracers and dazomet by rotary tillers and a spading machine

Soil fumigant efficacy in forest-tree and ornamental nurseries depends on the tillage tool used for incorporation. Maximum depth and uniformity of incorporation of surface applied materials by three rotary tillers and a spading machine were compared in a loamy sand nursery using ceramic-sphere tracers (1–3 mm diameter) and dazomet (tetrahydro-3,5,dimethyl-2H-1,3,5-thiadiazone-2-thione) micro-granules. Depth of incorporation in the top 30 cm of soil was evaluated by (1) recovery of incorporated spheres in 2 cm increments, (2) biocidal activity in 6 cm increments, and (3) cone resistance by 1.5 cm increments to 45 cm. Uniformity of incorporation was evaluated by sphere recovery and biocidal activity. Depths above which more than 95% of the spheres were recovered for the four implements were: 12.5 cm, Kuhn and Fobro rotary tillers; 17 cm, Northwest rotary tiller; 21 cm, Gramegna spading machine. The spading machine produced a distribution of spheres through the soil profile closest to a uniform distribution compared with that produced by the three rotary tillers. Lettuce seed (Lactuca sativa L.) germination was inhibited in the upper 12 cm in low and high dazomet rate treatments, indicating that all four implements effectively incorporated dazomet into that zone. Maximum depth (24 cm) for total inhibition of germination was observed for the spading machine regardless of chemical rate. Cone index values showed the following maximum penetration: 14 cm, Fobro rotary tiller; 22 cm, Kuhn and Northwest rotary tillers; 27 cm, spading machine. All three measures of depth show a distinct superiority of the spading machine when the chemical fumigant must reach depths greater than 18 cm. Within transects across the width of the implement, variations of sphere counts among 5 cm³ volumes were much larger for the rotary tillers than for the spade machine.     

稻草切碎全量还田抛秧栽培双季稻立苗和生长的影响因素

为实现机械化稻草切碎全量还田条件下抛栽水稻的快速立苗,在大田条件下研究了稻草还田(设稻草全量还田和稻草不还田)以及在稻草全量还田条件下秧龄(早稻设25、30 d,晚稻设20、25、30 d)、抛栽方式(设点抛和人工撒抛)、耕作方式(设机械深耕和机械旋耕)对早、晚稻抛栽立苗及水稻生长的影响。结果表明,相同条件下,稻草全量还田不利于晚稻立苗及根系生长,但对早稻影响较小;晚稻稻草全量还田的秧苗立苗时间比稻草不还田至少延长2 d;抛栽2 d后单株根质量大于稻草不还田;抛栽4 d后稻草全量还田处理水稻叶面积、黄叶比低于稻草不还田处理。相同耕作与抛栽方式下,秧龄越短水稻立苗和根系生长越快,早稻30 d秧龄秧苗立苗时间比25 d至少长2 d;晚稻30 d秧苗立苗时间比20 d秧苗至少长3 d,比25 d秧苗至少长1 d。相同耕作方式及秧龄条件下,早、晚稻点抛后的立苗角度、立苗比例均大于撒抛,且早稻点抛立苗时间比撒抛至少缩短2 d,晚稻至少缩短1 d。相同抛栽方式及秧龄条件下,晚稻深耕立苗时间比旋耕短、根系数量比旋耕多;早、晚稻深耕秧苗的叶面积指数大于旋耕。生产上,在稻草全量还田时,早稻秧龄宜为25 d,晚稻秧龄宜为20～25 d,采用点抛及深耕的方式有利于抛栽稻立苗及生长。     

吉林省西部不同耕作模式下秸秆还田土壤团聚体特征

  【目的】  通过研究不同耕作模式下土壤团聚体特征，探明耕作模式对土壤团聚体质量指标的影响，为解决区域长期传统耕作模式所引起的土壤结构质量下降问题及构建土壤合理耕作层提供科学依据。  【方法】  从2016年10月开始，在吉林省西部松原市宁江区开展田间试验，采用随机区组设计，将耕作结合秸秆还田设置了4个处理，分别为常规耕作 (秸秆清除后进行旋耕，LR)、连续旋耕 (秸秆粉碎还田后进行旋耕，SR)、翻耕–旋耕 (秸秆粉碎还田后，轮流进行翻耕和旋耕，STR)、翻耕–免耕 (秸秆粉碎还田后，轮流进行翻耕和免耕，STN)处理。于2018年10月采集0—20和20—40 cm土层土壤样品，分析了土壤团聚体组成分布、团聚体稳定性及团聚体各粒级有机碳含量。  【结果】  与LR处理相比，秸秆还田可明显改善土壤团聚体结构及稳定性 (P < 0.05)。秸秆还田条件下，STR和STN土壤中大于0.25 mm的机械稳定性团聚体含量比连续旋耕 (SR) 处理显著增加10.6% (P < 0.05)。与LR处理相比，STR和STN处理耕层土壤机械稳定性团聚体几何平均直径 (GMD) 明显提高，而STR和STN处理土壤团聚体分形维数（D）平均降低3.9%，耕层不稳定团粒指数 (E_lt) 也显著降低。STN处理 在0—20 cm土层具有较高的土壤团聚体有机碳含量。  【结论】  秸秆还田下，两种轮耕模式具有更高的团聚体稳定性，且有较小的分形维数，进而具有较好的抗蚀能力，其中翻耕–免耕轮耕模式团聚体稳定性更好，耕层土壤中团聚体有机碳含量更高。因此，翻耕–免耕轮耕模式是吉林省西部地区土壤肥力保育的有效措施和耕作模式。