前铲入土角对分层深松土壤扰动的影响研究

前铲入土角是分层深松机设计的关键参数之一。本文以分层深松铲为研究对象,采用数字化土槽试验方法,研究不同前铲入土角对分层深松土壤扰动的影响。结果表明:(1)随着前铲入土角度的增大,分层深松的土壤坑形轮廓宽度随之减小;单铲深松的土壤坑形轮廓宽度大于前铲入土角度不同的分层深松;(2)当前铲入土角为15°时,分层深松铲的深松深度最小,当前铲入土角为31°时,分层深松铲的深松深度稳定性最大;(3)当前铲入土角为15°时,分层深松的土壤蓬松度最大,分层深松的地表平整性最差;当前铲入土角为31°时,分层深松的地表平整性最好。本研究可以为分层深松机前铲入土角的确定提供决策依据。     

深松深度对土壤扰动影响的仿真与试验研究

深松深度是深松作业的重要评价指标之一,可对土壤扰动产生重要影响。为此,以凿型深松铲为研究对象,综合使用离散元仿真和土槽试验方法,利用土壤坑形轮廓宽度、土壤垄形轮廓高度、土壤蓬松度、土壤扰动系数和地表平整度等评价指标,研究不同深松深度对土壤扰动的影响。结果表明:1土壤扰动轮廓截面曲线基本吻合,土壤坑形轮廓宽度和土壤垄形轮廓高度随深松深度的增加而增大;2土壤蓬松度随深松深度的增加逐渐减小,土壤扰动系数随深松深度的增加逐渐增大,且试验和仿真得到的结果一致;3地表平整度随着深松深度的增加而逐渐增大,且试验与仿真结果的趋势一致。本研究可以为深入理解深松土壤扰动过程提供决策依据。     

深松铲入土角对土壤硬度变化影响的试验研究

入土角是深松铲的关键参数之一,其对深松铲的作业性能产生重要影响。本文在模拟大田土壤环境的基础上,以箭形深松铲为对象,研究不同入土角对土壤硬度变化的影响。试验结果表明:(1)在垄形中心线位置,浅层(0~250mm)土壤的硬度变化受入土角影响较小,犁底层下部(250~300mm)土壤的硬度减小程度随入土角增大而提高;(2)入土角对土壤硬度变化及其分布状态产生重要影响,当入土角为23°时,土壤硬度变化系数大于入土角为18°与28°,深松铲对土壤的疏松效果最佳;(3)采用surf函数及cubic插值算法对土壤硬度分布进行可视化,扰动区域土壤的疏松效果及硬度变化趋势与试验结果一致。本研究可以为优化深松铲结构参数、提高深松耕作质量提供决策依据。     

错位布置深松铲距对土壤扰动和耕作阻力的影响

铲距是深松机的关键布置参数,对深松耕作阻力和土壤扰动效果会产生重要影响。为此,借助田间试验的方法,通过分析错位布置深松铲在不同横向和纵向铲距作业下土壤坑形宽度、土壤垄型高度、土壤扰动面积、耕作阻力及比阻等的差异,研究不同布置铲距对土壤扰动和耕作阻力的影响。试验结果表明:前铲的土壤扰动作用大于后铲,前铲的土壤垄型高度和坑形宽度大于后铲;横向与纵向铲距较小时,土壤易堆积且双铲的土壤扰动作用会发生部分抵消;铲距较大时,双铲协同作用较小且力矩较大;二者均导致土壤的坑形宽度变小,垄形高度和耕作阻力变大,降低耕作效果;当横向铲距和纵向铲距布置分别为35cm和30cm时,垄形高度最低、比阻最小,土壤扰动及耕作阻力的综合效果较好。本研究可为深松铲的优化布局提供一定的参考依据。     

基于田间摄像的多参数水稻土深松扰动行为与效应研究

耕作机具的土壤扰动行为密切联系土壤失效机理与耕作效应,是优化耕作系统的重要依据。本研究通过土壤耕作原位综合测试平台开展单铲深松试验,从5个方位录制深松视频,同时配合使用微地貌测试、耕作阻力测试、EDEM仿真、深松扰动剖面土壤紧实度测试和深松理论检验,探究深松铲入土角α和耕深D对水稻土深松扰动过程、土壤失效机理及深松效应的影响。结果表明,摄像法提取的纵向碎土距离R、扰动宽度W及抬土高度H与α和D显著相关,可用于水稻土深松扰动行为的定量表述。摄像法显示水稻土难以脆性断裂,铲两侧发生非对称性土壤剪切失效。土壤沿曲柄攀升,抬土高度H随α增大,随D减小,表明深松铲的设计参数和作业参数同时影响抬土能力。R随对应耕深范围内铲的纵向水平长度L线性增加,W随α线性增加。地表平整度S和扰动宽度W均在耕深20 cm时最大。深松土壤扰动行为的EDEM仿真从微观层面再现了摄像法记录的非对称性失效、侧向挤压失效和深松新月形失效现象,表明该离散元模型用于解析水稻土深松力学的科学性。EDEM仿真进一步显示出应力集中区沿铲尖与铲柄破土刃周期性上下移动,同时也对铲下方底层土造成挤压。深松扰动剖面土壤紧实度等值线图验证了仿真过程中铲尖下方形成的土壤压实带,并直观展示出耕深30 cm时,犁底层土壤因侧向挤压流变形成的沟槽状紧实壁面。本文结合田间原位摄像法的多参数测试研究可为深松铲和耕作系统的优化提供依据。     

基于EDEM的轻型凿式深松铲土壤耕作载荷仿真分析

以轻型凿式深松铲为研究对象,利用EDEM建立其离散元仿真模型,确定深松铲土壤深松作业过程中的耕作载荷组成,并采用单因素试验方法分析了入土深度及作业速度对土壤耕作载荷的影响。结果表明:深松铲土壤耕作阻力主要由前进阻力及垂直阻力组成,土壤耕作阻力及其前进、竖直分量随着作业速度及入土深度的增大而增大,且土壤耕作阻力与两作业参数间皆成抛物线型二次函数关系;同时,土壤耕作阻力的波动状况随入土深度的增大及作业速度的减小而减小。该研究可为深松铲的研究提供一定的依据。     

深松铲减阻性及耕作阻力影响因素研究——基于LS-DYNA

为研究不同触土曲面深松铲的减阻效果及不同工作参数对深松铲耕作阻力的影响,设计了5种典型准线的深松铲结构,并通过ANSYS/LS-DYNA软件对深松铲切削土壤过程进行了仿真,对比分析了不同结构深松铲切削土壤时所受到的阻力,选择出减阻性能最好的深松铲结构。以优选的深松铲作为研究对象,对入土角、工作速度及工作深度等因素进行单因素试验,研究上述因素对耕作阻力的影响。试验结果表明:仿生变曲率深松铲的减阻性能最好,其耕作阻力最小(601 N);入土角为24°时,深松铲耕作阻力最小;耕作阻力随工作速度和工作深度的增加而增大。该文可为深松铲结构的设计以及工作参数的选择提供一定的技术支持。     

保护性耕作拟合曲线型深松铲设计与试验

针对东北地区深松整地作业中,深松铲土壤扰动量和耕作阻力大的问题,以离散元(EDEM)软件仿真分析铲尖对土壤的作用为依据,设计了拟合曲线型深松铲。采用离散元软件模拟深松铲铲尖在土壤中的运动,获得铲尖上方土壤颗粒运动轨迹的拟合曲线和拟合方程,采用线元设计法对线形优化,获得铲柄外形曲线;同时设计了刃部、切削刃角、入土角,并通过铲柄与铲尖的互作效应试验验证了分层的可行性与合理性。土槽对比试验表明,拟合曲线型深松铲有效降低了土壤扰动量和耕作阻力,比折线式深松铲土壤扰动量减少了53.6%,耕作阻力减少了36.23%;比圆弧式深松铲土壤扰动量减少了66.18%,耕作阻力减少了29.18%。田间对比试验表明,拟合曲线型深松铲比折线式深松铲回土面积增加了81.03%,比圆弧式深松铲的回土面积增加了146.95%。土槽和田间试验表明,拟合曲线型深松铲土壤扰动量小、耕作阻力小,满足深松作业的要求。     

深松铲入土深度及铲形对耕作阻力影响

深松作业存在的主要问题是耕作阻力大。深松机中深松铲作为重要部件,其形状和结构参数直接影响着深松作业的牵引阻力及作业质量等。通过推拉力计测量了鸭掌形铲在不同入土深度时的耕作阻力;通过变换不同铲形的耕作试验,测量了现有凿形铲、鸭掌形铲、翼形铲在入土深度为35cm时的耕作阻力。结果表明:牵引阻力随着鸭掌形铲入土深度的增大而增大,因为土壤硬度随着土层深度的增加而增大,所以在10~20cm的土层中对深松铲的阻力较小,深松铲在20~30cm的土层中的阻力有较大增加,在30~40cm的土层中阻力增加幅度最大,其规律符合二次曲线。不同铲形耕作试验表明:铲形不同时,铲尖与土壤接触面积不同,导致深松铲与土壤之间的剪切力和挤压力不同,其牵引阻力与铲尖面积满足对数关系。     

基于EDEM离散元法的深松铲仿真与试验研究

为验证采用离散元法分析深松铲工作过程的可靠性和有效性,本文应用EDEM离散元分析软件研究深松铲的工作过程和耕作阻力,分析不同工作速度、不同耕作深度、不同入土角度条件下深松铲的工作情况;进行深松铲田间试验,并将仿真结果与试验结果进行分析比较。结果表明,仿真分析结果与试验测试结果的变化趋势基本一致,耕作阻力随着工作速度和耕作深度的增大而增大,随着入土角度的增大而减小;数值结果误差在5%~15%之间。证明采用离散元法分析深松铲在土壤中工作过程的可行性。该研究结果为进一步研究农机触土部件的减阻耐磨和优化设计提供参考。     

垄上深松灭茬起垄机的设计与试验

针对现有深松灭茬机深松灭茬作业效果差、阻力大、功耗大及作业效率低等问题,设计了一种五行垄上深松灭茬起垄机。设计深松铲的结构参数为:长度55mm,宽度22mm,高度600mm,圆弧部分入土竖直距离250mm,纵向距离300mm,入土角22°,切削刃角60°,楔刃高度19mm。设计灭茬刀的结构参数为:正切刃滑切角16°、弯折角112°、切削宽度41 mm、刀端点回转半径350mm、弯曲半径35mm、刀刃口厚度5mm,并安装在刀辊上。同时,设计了前端部下边长560mm、上边长390mm、后端部下边长360mm,上边长260mm、罩体长度650mm的起垄部件,与深松铲、灭茬刀辊组成深松灭茬起垄机。田间性能试验结果表明:相比于行业内标准,所有工况下深松灭茬起垄机深松深度稳定性系数平均提高3.15%、灭茬深度稳定性系数平均提高3.69%、灭茬率平均提高10.58%、碎土率平均提高8.26%,其作业后犁底层土壤容重明显降低,成垄高度和宽度满足农艺要求,作业性能与效果优良。     

玉米秸秆还田交互式分层深松铲设计与离散元仿真

在玉米秸秆还田条件下,为了提高深松作业破茬比率,降低土壤扰动与能耗,以物料(土壤、秸秆和根茬)特性、滑切原理和离散元(EDEM)仿真分析深松铲对土壤的作用为依据,设计了交互式分层深松铲。首先,根据物料特性与滑切原理得到前铲结构参数;然后,以前铲仿真过程中回流土壤最大加速度的位置和方向为依据,设计与回流土壤形成滑切交互作用的后铲交互段铲柄,同时设计后铲上下段铲柄,得到后铲结构参数;最后,结合前铲运动速度与土壤颗粒回流至最大加速度的时间确定前后铲处于滑切交互时的间距。将交互式分层深松铲与前铲仿真过程中所选土壤颗粒最大加速度的方向进行对比,验证了设计思路的合理性。离散元仿真对比试验表明,交互式分层深松铲可有效降低土壤扰动;比普通分层深松铲、圆弧型单铲对根茬的平均作用力分别提高了22.14%、26.98%;比非交互式分层深松铲、普通分层深松铲、圆弧型单铲的平均阻力分别减小了14.25%、26.02%、8.71%。交互式分层深松铲破茬比率高、土壤扰动小、能耗低,满足深松作业的要求。     

深松铲对砖红壤扰动行为影响的仿真与试验

针对香蕉地深松作业相关研究较少，深松铲-土壤耦合机理尚未明确等问题，结合海南热区香蕉地砖红壤土的物理特性，利用离散元虚拟仿真试验，堆积生成了耕作层、犁底层和心土层3层土壤模型，建立了滑切深松铲-土壤耕作模型，并通过对比虚拟仿真试验，研究了滑式深松铲和国标深松铲对海南香蕉地土壤的扰动情况。结果表明：在相同的作业条件下，滑式深松铲作用下的土壤颗粒在x、y和z方向的最大运动速度均明显大于国标深松铲对土壤颗粒的作用，且滑式深松铲的扰动轮廓要明显大于国标深松铲作业的扰动轮廓，同时滑式深松铲作用下土壤蓬松度和土壤扰动系数均大于国标深松铲作用产生的深松效果，进一步验证了所设计的滑式深松铲更适用于海南香蕉地的深松作业。     

水稻土深松阻力与土壤扰动效果研究

为探讨机械深松过程的水稻土扰动、土壤结构及能量的效应,利用原位土壤耕作综合测试平台进行精准控制条件的深松试验,采用凿形铲,设置5种耕作深度(10、15、20、25、30 cm),从耕作阻力及比阻、土壤宏观扰动轮廓、土壤破碎体尺度分布指标综合评价水稻土深松作业的效果。结果表明,深松耕作阻力与耕作深度符合二阶函数拟合的递增关系。耕深20 cm时,深松铲对土壤扰动程度最大,地表隆起、开裂和纵向起伏程度最强,此时土壤隆起高度、隆起宽度、横剖面扰动面积、平均土块径均达到最大值,分别为16.3 cm、42.2 cm、0.030 5 m~2、28.77 cm,耕作比阻则相对较低,为62 kN/m~2;然而在耕深超过20 cm之后,深松铲的土壤扰动效果显著降低,地表隆起、开裂和纵向起伏程度减弱,土壤隆起高度、隆起宽度、横剖面扰动面积、平均土块径数值均明显减小,耕深30 cm时分别降至10.3 cm、31.2 cm、0.026 8 m~2、19.12 cm,相比耕深20 cm降幅分别为36.8%、26.1%、12.1%和33.54%,而此时耕作比阻急剧增大至195 kN/m~2,相比耕深20 cm增幅高达214.5%。因此,在水稻土条件下,耕作深度20 cm时能够获得最佳的土壤扰动、土壤结构及耕作能量的综合效应。     

深松铲不同翼铲安装高度时土壤扰动行为仿真与试验

翼铲的安装高度是带翼深松铲的关键结构参数之一,其对深松土壤扰动行为产生重要影响。综合运用EDEM和室内土槽试验,研究了翼铲安装高度(55、75、95、115、135 mm)对深松土壤扰动行为的影响。结果表明:随着翼铲安装高度增加,耕后犁底层土壤扰动面积先增大后减小,在翼铲安装高度为75 mm时最大,水平耕作阻力逐渐减小,深松铲铲尖和犁底层圆弧段所受水平耕作阻力为深松铲水平耕作阻力的主要来源(90%以上),其随翼铲安装高度增大逐渐减小;翼铲安装高度直接影响耕作时不同深度土壤在不同方向的位移,当翼铲安装高度为75 mm时,深松铲纵向中心位置的各层土壤在耕作方向的最大位移相对较小,其犁底层土壤在竖直方向最大位移相对较大,表层和耕作层土壤在竖直方向最大位移相对较小;翼铲安装高度对土壤扰动效果产生重要影响,且离散元仿真能够准确模拟深松土壤的扰动过程,5个翼铲安装高度下土壤膨松度、土壤扰动系数、土壤碎土系数、土壤纵向堆积角的试验值和仿真值的平均误差分别为11.69%、11.54%、14.20%、9.64%。     

基于土壤扰动与牵引阻力的深松铲结构参数优化

针对目前深松铲作业阻力大的问题,以3种深松铲(凿形、箭形、翼形)为研究对象,以深松铲的铲形、入土角α和张角β为试验因素,在辽宁省春玉米垄作区,进行了田间正交试验。检测了深松沟土壤扰动等指标和深松阻力F,计算了深松沟形面积与牵引阻力比值即沟形面积比阻。结果表明,α、β对耕后土壤特性、深松沟形面积和沟形面积比阻没有显著影响。α对阻力F有显著影响,F随α先减小,再增大,当α为21°时阻力最小。铲形对耕后土壤特性、深松沟形面积、阻力F和沟形面积比阻有显著影响,凿形铲、箭形铲和翼形铲作业对土壤扰动面积依次增大,翼形铲的扰动面积分别比凿形铲和箭形铲大49.8%、30.0%,箭形铲扰动面积比凿形铲大15.3%(P0.05);但翼形铲所受阻力分别比箭形铲和凿形铲大123.6%和36.6%,箭形铲比凿形铲所受阻力大63.7%(P0.05)。从凿形铲到翼形铲,沟形面积比阻依次增大,凿形铲的沟形面积比阻分别较箭形铲和翼形铲小42.4%和50.2%(P0.05),箭形铲的沟形面积比阻较翼形铲小5.4%(P0.05)。综合深松铲对土壤扰动疏松效果、牵引阻力及沟形面积比阻分析,入土角α为21°的凿形铲是相对最优的铲形。     

深松土壤扰动行为的离散元仿真与试验

分析深松土壤的扰动行为是深入研究深松铲-土壤互作用规律的基础。采用离散元方法建立深松工作模型,结合高速摄影技术及室内土槽试验,对比分析了不同位置深松土壤的微观运动及宏观扰动行为。结果表明,土壤的扰动范围随土壤与深松铲之间距离的增大而减小;不同位置土壤的扰动范围由大到小依次为:浅层、中层、深层;在深松范围内,土壤的运动速度随土壤与深松铲之间距离的增大而逐渐减小,等速度土壤颗粒的分布曲线与深松铲的铲柄弧线基本吻合;不同深度土层土壤颗粒在不同方向上的平均运动速度为:在x方向上由大到小依次为浅层、中层、深层,在y方向上由大到小依次为中层、浅层、深层,在z方向上由大到小依次为深层、中层、浅层;离散元仿真能够较准确模拟深松土壤的扰动行为,仿真与试验获取的土壤扰动截面轮廓形状基本吻合,土壤膨松度、土壤扰动系数的仿真值与试验值的相对误差分别为13.21%、17.38%;地表土壤纵向堆积角的仿真值与试验值的相对误差为9.42%。     

带翼深松铲的试验研究

通过深松铲在南方砂壤土的深松试验,研究带翼深松铲和不带侧翼深松铲的耕作阻力及深松后的土壤剖面。结果表明,深松铲前进方向的阻力随安装角的增加而加大,由于深松铲侧翼的宽度比铲头宽,使土壤内部形成分层构造,扩大深松铲的松土范围,同时提高土壤的保墒蓄水能力。     

跨行自走式除草机器人设计及仿真分析——基于EDEM

杂草去除是农业生产中不可避免的问题,因此设计了一种跨行自走式除草机器人,能够同时实现行间和株间除草,且行间除草的同时能够起到深松土壤的作用。通过曲柄摇杆机构实现除草刀的摆动,来避开农作物。利用EDEM软件对固定除草深度和速度下不同入土角度的除草过程进行仿真分析,结果表明：相同除草深度和速度下,除草刀具受力随着入土角度的增大而先减小后增大;行间除草刀具选取45°入土角为最优工作参数,株间除草刀具选取60°入土角为最优工作参数;通过仿真计算土壤蓬松度和土壤扰动系数,得到的结果是土壤蓬松度在10%～40%之间、土壤扰动系数大于50%,符合松土壤扰动效果的评价指标。     

分层深松铲的受力分析及碎土效果研究

1分层深松铲简介深松铲是安装在深松机等机具上对土壤进行不翻动的深松作业部件,该部件作业是以疏松耕层底部土壤为目的的旱田耕地作业。该种作业有利于蓄水保墒,促进植物生长。但现在所使用的深松铲都是往前探出的单个铲尖,当一次深松到底部耕层、打破犁底层时,深松作业深度应在30～40cm,作业时一次所切的土垡很厚,深松铲受到的阻力很大,向上挤压土层的力也很大,容易在地表形成大的土块,造成隆起、跑墒等问题。为此,笔者开展了分层深松铲的研究,如图1,在一个深松铲柄上设计出上、下层铲尖。