沙槽设计与纵向插草测试研究

为了研究草沙障铺设过程中插入阻力和牵引的大小和影响因素,并为固沙装备铺设系统和牵引动力系统设计提供理论参数,本研究设计并搭建了草沙障插入装置试验平台,对刀盘在沙地中插草过程进行了参数化建模,分析了刀盘各运动状态下的受力因素,并进行了参数化计算和公式推导,建立了不同运动状态下插入阻力和牵引力平衡方程。结果表明,通过单因素和正交试验研究,铺设速度对插入阻力和牵引力大小并无明显影响,但是插入深度和铺设厚度对两者影响显著。建立插入阻力和牵引阻力与插入深度、铺设厚度、铺设速度之间的回归模型,通过分析回归模型和响应面结果最终得出影响插入阻力的因素主次顺序为铺设厚度和插入阻力,影响牵引力的因素主次为插入深度和铺设厚度。将实际测量值与理论模型计算值比较,最后得出相近程度达到98%左右。     

深松参数对双翼深松铲耕作阻力影响的仿真分析

利用离散元建立了双翼深松铲的深松仿真模型，分析了深松参数对双翼深松铲耕作阻力的影响。结果表明，双翼深松铲对土壤的作用主要表现在前进过程中对土壤的切削和抬升2个方面；双翼深松铲主要阻力来源于土壤对其前进的阻碍作用，竖直方向上土壤对深松铲抬升作用的阻碍作用也是深松阻力的重要来源之一，双翼深松铲侧方向上的受力非常小；在深松速度0.4～1.2 m/s与深松深度220～300 mm时，深松速度和深松深度对双翼深松铲前进方向的受力均有较大的影响，随着深松深度和速度的不断增加，前进方向的阻力不断增大；深松深度对双翼深松铲竖直方向的受力有较大影响，竖直方向的受力随着深松深度的增加而变大，而深松速度对双翼深松铲竖直方向的受力基本没有影响。     

无黏性颗粒对竖直推土板阻力影响的连续介质模型

【目的】基于改进库伦被动土压力理论,研究不同运动速度和侵入深度情况下无黏性离散颗粒对竖直推土板的阻力影响规律。【方法】采用改进的带翼刚性竖直推土板进行室内物理力学试验,分析不同侵入深度(2,3和4cm)和推动速度(1,0.5cm/s)下无黏性离散颗粒对竖直推土板阻力的影响规律,采用数值模拟的方法建立相应的离散元模型,分析离散颗粒在推土板作用下剪切带的变化规律。【结果】室内试验表明,侵入深度为2,3,4cm时推土板的计算位移分别为0.15,0.11和0.08m,阻力增量分别为3.4,2.5和4.1N,增长率分别为22.7,22.7和51.3N/m。在相同情况下,推动速度对阻力的影响不明显。数值试验表明,因推土板推移而产生的剪切带与相对水平方向存在一个典型倾角,该倾角随位移变化。根据剪切带的变化规律和惯性数的分布规律,提出了预测推土板所受阻力的数学模型。【结论】实例验证表明,所建立的连续介质模型能很好地预测无黏性离散颗粒对竖直推土板所产生的阻力,且精度较高。     

新疆农田粉土离散元仿真参数标定

【目的】标定新疆地区粉土离散元仿真模型,量化分析农业机械触土部件与土壤的相互作用。【方法】采用EDEM离散元仿真软件,运用斜坡试验标定土壤与触土材料（65 Mn）之间的接触参数,堆积角试验标定土壤与土壤之间的接触参数,以斜坡滚动距离为优化目标进行回归分析。【结果】土壤与65 Mn之间离散元模型参数的一种优化组合为恢复系数0.51,静摩擦系数0.56,动摩擦系数0.08,JKR表面能4.12;以堆积角为优化目标,土壤之间离散元模型参数的一种优化组合为恢复系数0.57,静摩擦系数0.65,动摩擦系数0.23,JKR表面能4.49。滚动距离和堆积角的误差分别为6.05%、1.28%。【结论】在建立的仿真模型条件下,在8、9、10 km/h作业速度下,犁体仿真试验与实际试验的工作阻力相对误差为5.69%、5.95%、6.49%,建立的模型真实可靠。     

基于EDEM的水田平地机打浆机构参数分析研究

【目的】水田平地机在整地过程中可以提高秸秆利用率,实现水田平整。良好的打浆机构参数能减少打浆刀损耗,提高水田起浆浓度。本研究针对打浆机结构,从打浆刀刀面弧度、机具前进速度、刀辊旋转速度进行分析。【方法】利用EDEM离散元软件,构建出秸秆-水层-泥浆-土壤模型,进行多因素水平条件下打浆机构工作过程仿真,通过分析与比较田间试验与仿真试验的前进总阻力与起浆浓度的差值。【结果】拥有刀面弧度为20°的打浆刀在打浆机构旋转速度为140 r/min,机具作业速度为2 km/h的工作条件下,机构的打浆效果最佳。打浆刀前进总阻力的试验结果与仿真结果相对误差为11.64%。【结论】仿真试验的水颗粒占比指数与田间试验的起浆浓度指标折线的起伏规律相匹配,证明离散元仿真的有效性。     

基于响应面法的玉米籽粒离散元参数标定

【目的】离散元法普遍用于模拟农业物料在农业生产过程中的运动状态。离散元模拟的准确度取决于所使用的离散元参数,对颗粒离散元参数进行标定,为其在仿真试验中的应用提供可靠基础。【方法】以玉米籽粒为研究对象,以堆积角为响应值,将采用不同参数组合的仿真试验结果与实体试验结果对比,提出一种基于响应面法的离散元参数标定方法。采用Plackett-Burman试验对玉米籽粒离散元参数进行显著性检验,筛选对响应值影响显著的因素;根据最陡爬坡试验确定显著性因素的最佳水平范围;采用中心组合设计进行3因素5水平响应面优化试验。【结果】玉米泊松比与玉米–玉米静摩擦系数交互作用显著,得到玉米籽粒离散元参数最佳组合为玉米泊松比0.438、玉米–玉米静摩擦系数0.182、玉米–玉米滚动摩擦系数0.051。采用标定好的参数进行仿真试验得到堆积角平均值为26.89°,接近实体试验的堆积角值。【结论】基于响应面法的玉米籽粒离散元参数标定方法是可行的,可以提高玉米籽粒离散元仿真试验的准确性。     

离散元法中所用土壤参数测量及标定方法研究

[目的]针对离散元仿真软件涉及的土壤参数进行测量及标定。[方法]基于Hertz-Mindlin with JKR黏结模型，通过直接测量法测量土壤的固体密度、弹性模量和泊松比，并用堆积角和滑动摩擦角来标定土壤接触参数。通过中心组合试验，采用Design-Expert 8.0.6软件，以土壤休止角、土壤与65Mn钢滑动摩擦角的仿真值与实测值的相对误差为优化目标进行回归分析。[结果]通过分析获得最优的离散元接触参数组合为土壤间恢复系数0.28、静摩擦系数0.49、滚动摩擦系数0.24、土壤表面能0.04 J/m²,土壤与65Mn钢间恢复系数0.59、静摩擦系数0.67、滚动摩擦系数0.13。在所测土壤参数及最优标定参数下，采用离散元仿真模拟探针入土行为，获得探针在8 mm/s的贯入速度下，贯入20、40、60、80和100mm处仿真试验和土槽试验探针阻力相对误差分别为8.59%、9.88%、9.72%、0.15%、6.98%,误差在可接受范围内。[结论]参数测量和标定方法准确可靠性，可为松软土壤的离散元仿真提供参考。     

蓝亚麻蒴果离散元模型仿真参数标定

【目的】对蓝亚麻蒴果离散元模型仿真参数进行标定.【方法】通过查阅文献法、物理试验法测定了蓝亚麻蒴果的基本物理参数(千粒质量、含水率、三轴尺寸、密度、泊松比、剪切模量)和接触力学参数(碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数)的取值或取值范围.以物理试验法测定的各参数为仿真试验参数选择依据,利用Minitable18软件进行Plackett-Burman试验设计,对物理试验法粗测得的参数进行显著性筛选;进一步以实际休止角与仿真试验休止角的相对误差作为评价指标,对显著性参数进行最陡爬坡试验,通过仿真逼近预测法对显著性参数进行寻优.最后,以较优参数组合进行仿真试验验证,测得对应仿真试验休止角,并与实际休止角进行对比.【结果】Plackett-Burman试验结果表明:蓝亚麻蒴果间的滚动摩擦系数对仿真试验蒴果休止角影响显著;由最陡爬坡试验结果可得蓝亚麻蒴果间的滚动摩擦系数为0.18;仿真试验验证结果表明:仿真试验休止角与实际休止角相对误差为0.95%.【结论】应用上述各方法及优化试验来标定蓝亚麻蒴果离散元模型仿真参数是可行的.     

基于EDEM的圆盘弹齿组合式水田平地机圆盘转辊仿真与试验

[目的]水稻秸秆全量还田是一种新的农艺技术措施,传统的翻耕与旋耕机械因出现严重的秸秆缠绕,导致工作阻力剧增,作业质量变差甚至无法正常作业,因此对水田耕整地作业机械提出了新的要求.[方法]针对水稻秸秆全量还田新农艺技术特点,以机具作业速度、圆盘转辊转速、作业深度为试验因素,以工作阻力和工作部件缠草率为试验指标进行试验研究,通过EDEM离散元软件对工作阻力进行模拟仿真,并利用田间动态遥测仪进行田间试验.[结果]各因素对机具前进阻力影响显著性由大到小分别为机具作业速度、圆盘转辊作业深度、转辊转速.[结论]最优作业条件为机具作业速度2 km/h,圆盘转辊作业深度22 cm,转辊转速300 r/min,田间试验前进阻力结果与仿真试验结果的相对误差率为29.69％.     

基于EDEM的圆盘弹齿组合式水田平地机圆盘转辊仿真与试验

[目的]水稻秸秆全量还田是一种新的农艺技术措施,传统的翻耕与旋耕机械因出现严重的秸秆缠绕,导致工作阻力剧增,作业质量变差甚至无法正常作业,因此对水田耕整地作业机械提出了新的要求.[方法]针对水稻秸秆全量还田新农艺技术特点,以机具作业速度、圆盘转辊转速、作业深度为试验因素,以工作阻力和工作部件缠草率为试验指标进行试验研究,通过EDEM离散元软件对工作阻力进行模拟仿真,并利用田间动态遥测仪进行田间试验.[结果]各因素对机具前进阻力影响显著性由大到小分别为机具作业速度、圆盘转辊作业深度、转辊转速.[结论]最优作业条件为机具作业速度2 km/h,圆盘转辊作业深度22 cm,转辊转速300 r/min,田间试验前进阻力结果与仿真试验结果的相对误差率为29.69％.     

液压驱动式圆盘耙设计与仿真试验

【目的】针对长江中下游地区土壤黏重板结、秸秆量大和土壤含水率波动大的作业情况,设计一种液压驱动式圆盘耙。【方法】分析确定圆盘耙结构和作业参数及液压驱动系统的设计,依据机组前进速度确定圆盘耙组转速;分析得出缺口圆盘耙片的运动轨迹及满足功能要求的耙片临界偏角;基于ANSYS/LS-DYNA对圆盘耙片切削土壤过程进行有限元仿真分析。【结果】圆盘耙组转速为60~168 r·min~(-1),耙片临界偏角为23°。仿真结果表明:圆盘耙片刃口切削土壤其耕作阻力呈周期性变化,随切削土壤深度的增加耕作阻力逐渐变大,后趋于稳定;对比被动圆盘耙片与液压驱动圆盘耙片作业效果,液压驱动圆盘耙片抛翻土量大,耕深稳定。田间试验表明:液压驱动式圆盘耙耕深为85~120 mm,耕深稳定性变异系数为9.6%。【结论】液压驱动圆盘耙组作业效果达到设计要求。     

四相曲轴步进式秸秆输送与除杂机理分析及装置研制

为改善成捆长秸秆输送过程中不均匀堆积与硬质颗粒夹杂问题,设计并研制一种四相曲轴步进式秸秆输送与除杂装置。将杂质颗粒简化为互不影响质点,利用动力学分析物料输送过程中夹杂杂质颗粒在筛板上受力与运动形式,利用ADAMS运动仿真分析成捆长秸秆输送与均匀化机理。试验表明,新型输送与除杂装置可实现成捆长秸秆高效输送与均匀化,有效筛分其中夹杂杂质,将筛板上秸秆垂直高度差控制在40 mm内。     

油菜秸秆饲料化潜力及展望

为了研究油菜秸秆饲料化利用技术,综述了国内外近30年对油菜秸秆的研究,发现油菜秸秆粗脂肪和粗蛋白含量较高,饲用潜力大,但油菜秸秆因其木质化程度高、适口性差在实际生产中难以饲喂而存在大量丢弃、焚烧的情况。有关油菜秸秆饲料化技术的研究还存在不足,油菜秸秆饲用的限制因素难以得到解决,因此,今后还需研究如何改善油菜秸秆的适口性以增加动物的采食量,提高油菜秸秆的利用效率。本研究从油菜秸秆的饲用潜力出发,探讨了限制油菜秸秆饲用的因素,综述了目前已有的氨化、青贮、微贮等油菜秸秆饲料化技术,分析了不同技术的优缺点,并进一步提出了未来油菜秸秆饲料化有可能的研究方向。     

从动型旋转齿盘分草装置的设计

【目的】设计1种从动型旋转齿盘分草装置,弥补现有分草装置结构复杂、清除率不高、对秸秆覆盖适应性差等不足。【方法】优化设计1种由从动齿盘和分草栅条组成的分草装置;以秸秆覆盖高度及机具行走速度为影响因子对分草器进行EDEM仿真试验;进行田间通过性及种床带上秸秆清除效果试验。【结果】仿真结果表明该分草装置可以在秸秆覆盖高度100~200 mm时稳定工作,清除率为49.0%~57.5%。随着机具前进速度和秸秆覆盖高度的增加,清除率增大。田间试验结果表明,当作业速度为3 km·h~(–1)时,机具发生2次轻微堵塞,秸秆清除率为50.9%;当作业速度达到5 km·h~(–1)时,机具无堵塞,通过性良好,秸秆清除率为57.5%。【结论】该装置清草效果良好,可以满足小麦田间免耕作业的实际需要。     

典型农作物秸秆组成及燃烧动力学分析

为了探讨我国典型区域典型农作物秸秆的组成及燃烧特性,在典型农作物种植区(河北省和吉林省)选择了三种典型秸秆(小麦秸秆、水稻秸秆和玉米秸秆),对其进行组分分析(工业分析、元素分析、纤维组成),借助差热-热重仪对其燃烧动力学特性进行研究。结果表明:三种秸秆中水稻秸秆灰分和综纤维素含量最高,小麦秸秆中S、Hg含量最高,其他工业分析(水分、挥发分、固定碳)和元素(C、H、O、N)组成均无明显差异。不同升温速率下,三种秸秆的TG和DTG曲线总体趋势相似,两个明显的失重峰分别对应挥发分的析出和燃烧阶段、固定碳燃烧阶段,且前者的失重率远高于后者;同一升温速率下,三种秸秆在低温燃烧区(挥发分析出和燃烧)的最大失重率由高到低依次为小麦秸秆水稻秸秆玉米秸秆,而高温燃烧区(固定碳的燃烧)玉米和水稻秸秆的最大失重率没有明显差别,均高于小麦秸秆。秸秆低温区燃烧和高温区燃烧动力学过程均符合二级燃烧动力学方程。研究表明,三种秸秆具有高挥发分、低灰分(水稻秸秆除外)、低硫的特点;秸秆的燃烧失重主要是挥发分的析出和燃烧,其次是固定碳的燃烧,而水分蒸发贡献量最少;快速失重峰形不仅与秸秆的组成有关,还与挥发分初析温度高低有关;双组分分阶段反应模型能够科学地描述农作物秸秆的燃烧动力学过程。     

全膜双垄沟覆膜机镇压装置与种床土壤动态互作有限元分析

为深入研究全膜双垄沟覆膜机作业时的镇压性能,结合全膜双垄沟种床构建农艺要求,探讨作业机镇压部件与种床土壤间的相互作用规律及影响。利用ABAQUS/Explicit分析软件建立镇压装置轮组与种床土壤相互作用的三维有限元模型,并进行镇压过程数值模拟。仿真结果表明,前进速度为1 m/s时,应力云图结果显示,镇压装置轮组与种床土壤之间的最大接触应力为1.20×10~(-2) MPa,在镇压轮作用下,大垄垄面土壤下沉16.61 mm;经由打孔轮作业所形成的的渗水孔在机具前进方向上偏移6.62 mm,渗水孔平均深度为31.84 mm,相邻渗水孔相距225.75 mm;垄体对镇压轮的最大阻力发生在接触后第1.15 s,且最大土壤阻力为137.156 N;打孔轮在垄沟内运动时所受最大阻力为51.38 N;镇压轮及打孔轮整个过程中受平均土壤阻力大小为104.78和15.02 N。田间验证作业效果对比表明,该三维有限元模型可用于预测镇压装置工作过程中的工作情况。     

玉米秸秆接触物理参数测定与离散元仿真标定

为提高离散元方法模拟玉米秸秆揉碎过程的准确性,试验测定玉米秸秆与揉碎机锤片、玉米秸秆与玉米秸秆的接触参数。以径向堆积角相对误差值为评价指标,应用正交方法标定玉米秸秆离散元仿真需要输入的接触参数。结果表明:玉米秸秆与揉碎机锤片碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别设置为0.663、0.226、0.119;玉米秸秆与玉米秸秆碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别设置为0.485、0.142、0.078,此参数组合为玉米秸秆离散元仿真接触参数的最优方案,仿真结果与试验结果的相对误差为8.127%。     

水稻高秆翻埋快腐还田机研究

为适应东北高寒地区水稻秸秆的机械化还田作业,降低还田作业的牵引阻力、加快秸秆的腐解,设计了具有滑切减阻特性的还田弯刀组成的高秆翻埋装置和使秸秆均匀平铺同时施入秸秆腐解剂的秸秆梳理-腐解剂施入装置。采用旋转正交设计方法设计试验方案,考察机器前进速度、刀辊转速、还田深度三个因素对牵引阻力的影响,建立牵引阻力模型,得到牵引阻力最优的参数组合：机器前进速度为1.4 m/s,刀滚转速210 r/min,还田深度为10 cm。影响阻力的因素主次顺序为：刀辊转速>机器前进速度>还田深度。     

华北平原典型农区秸秆资源与利用——以河北省曲周县为例

采用入户调查、利用统计资料及查阅文献的方法,对河北省曲周县秸秆资源利用现状进行了分析。结果表明,曲周县秸秆资源丰富,2007年秸秆资源量为49.4万t,据估算能产生良好的社会、经济和生态效益;主要秸秆资源是小麦、玉米和棉花秸秆,三者占秸秆总资源量的97.7%;小麦、玉米秸秆主要的利用方式是秸秆还田,其秸秆还田率达96.47%以上,秸秆饲料化利用率较低;棉秆利用还应该进一步优化。根据存在的问题,提出可利用当地丰富的秸秆资源优势发展畜牧养殖业,走秸秆养殖-沼气-肥料高效循环农业生产道路,以高效利用农作物秸秆的建议。