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。     

秸秆还田深松旋埋联合耕整机设计与试验

深松作业能有效打破犁底层,提高土壤蓄水保墒能力。秸秆还田是秸秆资源利用最为直接有效的方式,将2种保护性耕作方式结合在一起可大大提高作业效率。为了满足深松和秸秆还田同时作业的需求,设计了集土壤深松、破茬碎土、秸秆旋埋、平地等多功能于一体的深松旋埋联合耕整机。该机主要由自激振动深松装置和秸秆还田旋埋刀辊组成,自激振动深松装置可调节预紧力,不仅可以在一定程度上减少深松耕作阻力,还可以在遇到障碍物时有效保护深松铲,深松铲柄的设计利用了滑切原理,可有效切断秸秆和杂草,防止缠绕和堵塞深松铲,对旋埋刀辊进行了重新布置和优化,提高了工作稳定性和破土能力。田间试验表明深松作业可有效减小旋埋刀辊功率;在拖拉机1挡和2挡速度下深松旋埋组合作业总功率分别为单独深松和单独旋埋2项作业之和的85.0%和82.2%;深松旋埋组合作业下深松和旋埋的平均耕深分别为28.9和17.5 cm,耕深稳定性分别为93.5%和87.4%,秸秆埋覆率为92.0%,耕后地表平整度为1.0 cm,深松旋埋联合作业后的各项性能参数均超过质量评定指标,满足农艺要求。     

高茬秸秆还田耕整机功耗检测系统设计与试验

为检测高茬秸秆还田耕整机田间作业功耗,根据功耗检测原理,采用LabVIEW软件,并结合NI数据采集卡、动态扭矩传感器和电感式接近开关等组成的硬件平台,设计了功耗检测系统。标定试验表明,该系统所检测的0~2 000 N·m范围内扭矩:最大绝对误差为5.367 N·m,此时相对误差为0.27%;所检测的转速:最大绝对误差为0.261 r/min,此时相对误差为0.073%。以耕深、刀辊转速、机组前进速度为影响因子设计了田间正交试验,结果表明:影响高茬秸秆还田耕整机作业功率消耗的首要因素为耕深,其次为机组前进速度,刀辊转速对功率消耗的影响较小;在满足耕整质量的前提下,同时考虑耕整机作业效率,其较优作业参数为:刀辊转速330 r/min,耕深185 mm,机组前进速度3.36 km/h,其平均作业功耗为52.52 kW,秸秆埋覆率达到96.2%。研究结果为高茬秸秆还田耕整机的节能降耗、动力合理匹配和结构优化设计等工作提供参考依据。     

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。     

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。     

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。     

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,设计油菜秸秆对置双螺旋埋覆还田装置。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分布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土层土壤中秸秆含量分别为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%,与正交试验的最好结果相比,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...     

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。     

振动横挡阻隔式旋耕防粘结刀辊设计与试验

针对长江中下游水旱轮作区旋耕刀辊作业时土壤粘附严重问题,导致作业质量差、效率低,该研究设计了一种能够实现刀辊内部固有部件防粘与横挡部件脱附的振动横挡阻隔式旋耕防粘刀辊。对振动横挡作用下土壤受力状态及激振装置结构进行分析,确定激振装置结构参数范围;通过对防粘刀辊结构与旋耕刀抛土运动学与动力学分析,设计防粘刀辊结构参数,得到土壤-旋耕刀分离运动学要求,明确影响防粘刀辊脱附性能关键因素为旋耕切土节距、刀辊转速、横挡回转半径。结合离散元仿真以单位时间内横挡与土壤颗粒的接触次数为防粘刀辊脱附性能评价指标进行Box-Behnken试验,确定最优参数组合为旋耕切土节距6.3 cm,刀辊转速260 r/min,横挡回转半径140 mm,此时单位时间内横挡与土壤颗粒的接触次数为127.89。在最优参数组合条件下对激振装置进行优化设计,通过MATLAB分析横挡在激振装置驱动下的运动特性,确定了激振装置结构参数。为验证振动横挡阻隔式旋耕防粘刀辊的适用性和减粘脱附性能,在最优参数组合下进行田间试验。多田块性能试验与旋耕对比试验结果表明：该刀辊适用于小麦机械化种床整备作业,所设计旋耕防粘刀辊土壤粘附量远小于常用旋耕刀辊,耕深稳定性系数、厢面平整度、碎土率、粘附量、轴向分布均匀度和秸秆埋覆率的均值分别为92.02%、15.21 mm、81.81%、2.63kg、10.99%和92.27%,均满足国家标准与农艺要求。研究结果可为长江中下游水旱轮作区旋耕机减粘脱附设计提供理论基础与技术支持。     

基于ANSYS/LS-DYNA的螺旋刀辊土壤切削有限元模拟

为揭示秸秆还田耕整机的螺旋刀辊与土壤之间的关系特性,根据螺旋刀辊切削土壤的工作特点,利用ANSYS/LS-DYNA971软件对螺旋刀辊土壤切削过程进行模拟,得出了螺旋刀辊切削土壤的功率消耗、切削阻力的大小以及土壤等效应力的变化规律.模拟结果表明,螺旋刀辊转速为300 r/min,机组行进速度为1.1 m/s 时,单组螺旋刀辊切削土壤的最大功耗为6.4 kW,最大切削阻力为2820.7 N,且土壤最大等效应力发生在横刀刚入土时的内侧面,所得功耗值与经验推导值相符.研究结果为双轴型水田高茬秸秆还田耕整机的系统参数优化设计提供参考.     

鼹鼠多趾结构特征仿生旋耕刀设计与试验

为减小旋耕刀切土扭矩来降低旋耕机功耗,同时提高旋耕机耕作质量,该文分析了鼹鼠前肢手掌多趾组合结构和趾尖轮廓曲线特征,利用二次高斯方程拟合五个趾尖轮廓曲线(R2 0.95和SSE 0.05),并基于拟合曲线,设计了具有鼹鼠多趾结构特征的仿生旋耕刀。通过田间试验,分析传统型和仿生型旋耕刀在不同机组前进速度、转速和耕深条件下的整机功耗、土壤破碎率和沟底压实情况,得到仿生结构特征对整机田间耕作性能的影响。结果表明,当前进速度从1 km/h增加到5 km/h时,仿生型旋耕刀的整机功耗平均减小16.88%;当转速从254 r/min增加到267 r/min时,仿生型旋耕刀的整机功耗平均减小17.00%;当耕深从80 mm增加到160 mm时,仿生型旋耕刀的整机功耗平均减小21.80%。传统型旋耕刀耕后的沟底有压实现象,且沟脊高而宽,耕作效果不佳;而仿生型旋耕刀可以显著地降低耕后沟底被压实的风险,沟底平整,可进一步减小耕作功耗。2种类型旋耕刀在不同耕作条件下的整机土壤破碎率耕深稳定性、耕宽稳定性、耕后地表植被覆盖率、耕后地表平整度和土壤蓬松度在数值上相差不大,且均满足国标要求。研究结果对实现旋耕刀减阻降耗和改善耕作质量具有一定的启发。     

耕作与施肥措施对江淮地区白土理化性质及水稻产量的影响

针对连续旋耕白土田耕层浅薄、下层土壤黏重紧实、养分分布不均衡等问题,探索适合于白土稻田的耕作与施肥措施,以进一步提高江淮地区白土生产力和水稻产量水平。设置2种耕作方式(旋耕和翻耕)及3种施肥措施(单施化肥、化肥+有机肥、化肥+秸秆还田),通过大田定位试验研究不同耕作方式与施肥措施对白土稻田土壤理化性质、水稳性团聚体分布以及水稻产量的影响。结果表明,相较于旋耕,翻耕降低0—10cm土层土壤养分含量,而使10—20cm土层有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分别提高3.2%～8.8%,4.5%～9.2%,5.2%～8.2%和8.3%～17.7%。增施有机肥或秸秆还田使土壤有机质和速效钾含量较单施化肥处理分别提高1.3%～8.6%和4.1%～21.1%。翻耕方式下10—20cm土层土壤容重较旋耕降低14.4%～19.5%,土壤大团聚体比例在0—10,10—20cm土层则较旋耕分别降低3.0%～5.4%和3.5%～9.7%;在翻耕的基础上增施有机肥或秸秆还田土壤容重较单施化肥降低2.1%～6.6%,大团聚体比例则提高2.8%～8.4%。翻耕有利于水稻产量的提高,较旋耕的增产幅度在11.7%～18.0%,增施有机肥或秸秆还田使水稻产量提高1.7%～7.5%。因此,江淮地区连续多年旋耕的白土田进行适宜翻耕结合秸秆还田或增施有机肥可改善0—20cm土层土壤理化性质,有利于水稻产量的提升。     

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。