滑板气幕减阻效果的计算及其试验验证

提出了滑板在湿软土壤中滑行时,气幕条件下的阻力和减阻率的数学模型。分析了减阻的机理。并利用该数学模型结合作者曾提出的理论进行充气层面积、滑板阻力及减阻率的计算,同时进行试验验证。结果表明,计算与试验结果基本相符,说明这一方法可用以预测上述各参数。同时又提出了提高减阻率的重要途径。     

陕北六道沟流域地形破碎区土壤水分时空分布及其预测

【目的】为深入理解陕北黄土高原土壤水分时间动态特征及空间模式时间稳定性，探索代表点位预测土壤储水量和干层平均状况的可靠性。【方法】在神木六道沟流域选择一典型地形破碎区，自2014年10月至2017年7月开展土壤水分长期跟踪监测。【结果】(1)观测期内，夹心式干层厚度和夹心式干层内土壤含水量分别变化于20～760 cm和6.43%～10.73%之间，表现出夹心式干层随时间发育的复杂性。(2)土壤储水量、干层厚度和干层内土壤含水量斯皮尔曼等级相关系数均值分别为0.94、0.95和0.90，表明研究区土壤储水量及干层空间模式具有强烈的时间稳定性。(3)通过土壤储水量及干层时间稳定性特征分析判定，点位A5、C1和C2分别可作为预测研究区土壤储水量(R²=0.88)、干层厚度(R²=0.74)和干层内土壤含水量(R²=0.56)平均状况的代表点位。相比而言，利用土壤储水量和干层厚度代表点位预测结果精确度更高。【结论】在黄土高原地形破碎区利用代表点位预测土壤水分时空分布的方法是可行的，科学调控土壤水库可在一定程度上缓解土壤干层的形成...     

种层厚度对油麦兼用集排器供种装置充种性能的影响

为研究种层厚度对油麦兼用集排器供种装置充种性能的影响,该文运用EDEM(engineering discrete element method)软件和高速摄像技术,对不同种层调节板倾角和种层厚度的种群运动与供种性能进行了仿真与试验研究。EDEM仿真分析了种层厚度与转速对种群压力、种群与供种机构切向力和充种数量的影响;台架试验研究了种层厚度对充填角和供种性能的影响。结果表明:倾角为60°种层调节板的种群压力较大,充填角和充种性能均较优;种群压力和切向力随纵向距离增加而增加,随横向距离增加而降低;随转速增加,种群压力趋于稳定,切向力随之增加,单个型孔充种数量降低5%。转速为10~50 r/min时,初始充填角、充填角和供种速率均随纵向距离增加和横向距离降低而增加,但充种数量变异系数呈先降后升的趋势。种群压力、切向力、初始充填角、充填角与供种速率均呈极显著正相关,种群压力和切向力与初始充填角和充填角均呈极显著正相关,种层厚度和转速影响充填角分别源于种群压力和切向力。在纵向距离分别为15和20 mm,横向距离为46 mm条件下,油菜、小麦供种速率变异系数和破损率分别均低于1.0%和0.1%。田间试验表明该优化种层厚度条件下的集排器油菜种植密度满足农艺种植要求。该研究明确了种层厚度影响油麦兼用集排器供种装置充种性能的原因,为油麦兼用集排器供种装置种层厚度调节和结构改进提供了参考。     

喷灌压力、喷嘴直径和喷洒历时对土壤入渗性能的影响

选取适宜的允许喷灌强度是避免喷灌条件下水土流失的重要措施之一。通过田间试验,测定了不同喷灌压力与喷嘴直径条件下土壤结皮厚度、表层土壤容重以及土壤入渗性能随喷洒历时的动态变化。试验处理包括2种质地土壤(壤质砂土和粉质黏壤土)、3个喷灌压力(103,138,172 kPa)和3个喷嘴直径(3.97,5.95,7.94 mm)。结果表明,喷灌压力越大,土壤结皮厚度和表层容重越小,土壤稳定入渗率越大。喷嘴直径越大,土壤结皮厚度和表层容重越大,土壤稳定入渗率越小。土壤结皮厚度和表层容重随着喷洒历时的增加显著增大,而土壤稳定入渗率则随之对数减小。喷洒动能强度是一个描述喷洒水滴对土壤入渗率影响的优选参数。研究结果为允许喷灌强度的确定提供科学依据。     

青藏高原永冻土活动层厚度预测指标集的建立及制图

以青藏高原为研究区,采用数字土壤制图方法,进行了少量调查样本支持下的永冻土活动层厚度预测指标集的建立及制图研究。利用土壤和景观环境之间关系,筛选建立了活动层厚度预测指标集:地表昼夜温差、海拔、坡度、坡向、归一化植被指数(NDVI)、母岩。利用样点个体代表性方法实现了该区永冻土活动层厚度分布制图,取得了较高的精度和分辨率,克服了永冻土活动层厚度模拟过程中数学物理模型难以进行空间扩展制图以及半经验模型制图分辨率粗的局限。针对调查样点全局代表性较差以及数量有限的局限,本研究没有采用常规的一次性全样本最优建模方式,而采取多次抽样分别建模方式,获得预测指标集和制图结果。     

不同地表覆盖下冻融土壤入渗能力及入渗参数（英）

为了研究不同地表覆盖下冻融土壤入渗能力的差异和入渗参数的变化规律,进行了一系列裸地、地膜覆盖地和秸秆覆盖地土壤田间入渗试验。研究表明,冻土的入渗能力主要受冻层的控制,冻层是入渗水分的控制界面,土壤冻融特征差异是影响不同地表覆盖下土壤入渗能力大小的主导因素。冻融土壤的水分入渗过程可用三参数考斯加科夫土壤入渗经验模型描述。水分入渗开始 1 min内的累积入渗量大小随着冻层厚度和密实度的增加而减小,随着土壤冻融循环次数增加而增大;入渗能力的衰减率随着冻层厚度和密实度的增加而减小;稳定入渗率大小主要取决于土壤冻结状态和入渗锋面处的水力特性。三入渗参数均与土壤含水率和冻结深度有关,不同地表覆盖下的土壤入渗参数随着冻层深度的增加而减小,随着土壤的消融解冻而增大。该研究成果对农业生产实际和水土保持具有重要的指导意义。     

基于特征集成学习的四川省土壤厚度预测

以四川省土壤厚度预测为例，为农业生产与生态环境评价中土壤厚度空间分布图的编制提供方法支持。对比分析了随机森林、分位数回归森林、支持向量机、集成学习模型对连续型土壤厚度的预测精度，并提出了一种基于特征集成学习的土壤厚度类型预测算法。研究结果表明：①四川省土壤厚度具有较高的空间异质性，控制其空间变化的主要地形因子包括谷底平坦综合指数、高程与地形湿度指数；②四川省土壤厚度预测模型的决定系数为0.32~0.47，均方根误差为0.28~0.41 m；③面向连续型土壤厚度预测的集成模型具有较高的预测精度与稳健性，能够充分集成子模型的优势。特征集成学习能够有效集成并融合了连续型土壤厚度预测与离散型土壤厚度类型预测结果，通过减少方差来提高预测结果的稳健性。     

基于滑板压秆旋切式防堵装置的秸秆摩擦特性研究

结合被动式防堵装置和动力驱动式防堵装置的优缺点,开发了一种新型的滑板压秆旋切式防堵装置。针对秸秆能否顺利通过滑板压秆旋切式防堵装置主要涉及滑板与秸秆的摩擦系数及土壤与秸秆的摩擦系数的问题,该研究以华北一年两熟区主要粮食作物小麦和玉米的秸秆为研究对象,试验对比了Q235钢、不锈钢、木板和塑料4种不同滑板材料及含水率分别为10%、12.5%和15%的3种土壤对秸秆摩擦系数的影响;考虑免耕防堵装置作业时秸秆的状态,秸秆接触角度和秸秆接触部位也作为摩擦系数的影响因素。试验结果表明,滑板材料与玉米和小麦秸秆的摩擦系数分别满足:Q235钢不锈钢=塑料木板,不锈钢Q235钢木板塑料,单因素分析表明滑板材料和秸秆接触角度对滑板与玉米和小麦秸秆之间的摩擦系数影响均显著;含水率12.5%和15%的土壤与玉米秸秆的摩擦系数分别比含水率10%的土壤高0.08和0.09,差异显著,秸秆部位和秸秆接触角度对土壤与玉米和小麦秸秆之间的摩擦系数影响均显著;双因素分析表明,滑板与玉米秸秆的摩擦系数受滑板材料和秸秆部位及滑板材料和接触角度之间交互作用的影响,滑板与小麦秸秆的摩擦系数受秸秆部位和接触角度之间交互作用的影响,土壤与玉米秸秆的摩擦系数受秸秆部位和接触角度之间交互作用的影响;三因素分析表明各因素之间不存在交互作用;处理玉米秸秆时滑板材料宜采用Q235钢,处理小麦秸秆时滑板材料宜采用不锈钢材料。该研究为免耕防堵装置的设计提供了参考。     

地表下纳米碳混合层对土壤入渗过程的影响

以黄绵土为研究对象,将纳米碳在土壤表层以下20cm处均匀混合,研究了不同纳米碳含量(质量含量分别为0,0.001,0.005,0.01g/g),不同纳米碳-土壤混合层厚度(1,2,3,4,5cm)对土壤水力特性的影响,结果表明:(1)土壤表层20cm以下纳米碳层可以增加土壤累积入渗量,当纳米碳含量增加到0.5%时,累积入渗量显著增加。(2)纳米碳层厚度为3cm时累积入渗量明显增大,随纳米碳层厚度继续增加,累积入渗量无显著变化。(3)Philip方程能较好的模拟含有纳米碳层的黄绵土入渗过程,纳米碳含量为0.5%和1%时,吸渗率明显高于对照土壤,纳米碳层厚度为3cm、含量为0.5%为合理施碳厚度与比例。(4)对照土壤不同深度处含水量的变化很小,土层深处含水量亦很高,而含纳米碳层的土壤表层20cm以下的土壤含水量明显变低,当纳米碳层厚度为3-5cm时,效果尤为明显。因此将纳米碳作为土壤改良剂施入地表以下,对于改善黄土高原土质水土流失具有重要意义。     

日光温室墙体蓄放热层温度变化规律研究

墙体的蓄热保温性能决定了日光温室在室外环境作用下的温度变化。该文建立了单一材料墙体的温度变化估算模型,对黏土砖墙、砾石墙、加草黏土墙及夯土墙的温度变化进行了预测;采用CFD方法分析了墙体总厚度相同(0.60 m)和总厚度不同(0.60和0.72m)情况下,复合墙体各方案中蓄热材料层的温度变化特点。单一材料墙体温度变化预测结果显示,导温系数较大的砾石墙内部温度变化较其他墙体传播快;温度波动厚度还与墙内表面温度振幅有关,黏土砖墙内表面振幅从5℃增加到15℃,墙体内部振幅达到0.1℃时的波动厚度从0.42 m增加到0.54 m。此外,由预测的墙体温度变化可以确定单一材料墙体蓄放热层厚度。模型估算的夯土墙温度变化及蓄放热层厚度与已有文献测试值比较,吻合较好。复合墙体温度CFD模拟分析表明,墙总厚度0.60 m不变,蓄热材料层越厚内部温度衰减越快;蓄热材料层厚保持0.36 m,墙总厚度从0.60 m增加到0.72 m时,蓄热材料层温度均值最大升高1.7℃。研究还发现,复合墙体较厚的蓄热材料层比同材料单一材料墙体同厚度处温度衰减快,复合墙体蓄放热层厚度的确定取决于隔热层的位置。单一材料墙体及复合墙体蓄热材料层温度模拟模型可以为日光温室墙体的厚度及组成设计提供理论参考。     

带式烘干机中水产饲料料层厚度对其表面风速场分布的影响

水产饲料在生产过程中经过膨化处理之后的含水率过高,需要进行烘干处理。在饲料烘干过程中,饲料层的厚度是一个重要的参数。料层厚度一方面代表烘干机单位时间内的产能(厚度越大,产能越高),影响烘干机的工作能耗;另一方面,料层厚度影响烘干机中的气流分布,从而对料层表面的风速分布的均匀性产生影响。该文研究料层厚度的变化对料层表面风速分布的影响。首先运用计算流体力学(computationalfluiddynamics,CFD)对3种料层厚度下(20、30、40mm)的烘干机的内部气流分布进行模拟仿真。然后基于实际生产,设计并制造烘干机对3种料层厚度下的烘干机内部气流进行试验验证,并在料层表面9个点利用风速传感器测出风速值,将风速模拟值与试验值进行对比分析。研究结果表明,风速模拟值的分布趋势与风速试验值的分布趋势均一致,且料层厚度的变化影响着烘干机内部的气流分布。当料层厚度为20 mm时,料层表面风速场较不均匀,当料层厚度为40mm时,料层表面的风速分布均匀性较好。该文所做研究为带式烘干机在实际生产中饲料层厚度参数的选择提供了理论指导,降低饲料水分的同时,保持良好的水分均匀性。     

侧深施肥直斜偏置式免耕播种开沟器设计与试验

采用侧深施肥技术,施肥铲作业后播种带两侧土壤高度不一致,易加剧播种机横向偏摆,进而导致播种深度均匀性和播种横向一致性较差。为解决上述问题,该研究设计了一种直斜偏置式免耕播种开沟器。该开沟器主要由切土斜刃、挡土定位板、偏置推土板等组成,作业时滑切土壤并将其推移至肥沟一侧拓宽种沟,避免种子落至肥沟后位置过深,提高播种质量。通过离散元仿真试验,以前进阻力、肥沟回土深度、种沟回土深度为试验指标进行二因素五水平正交旋转组合试验,得到斜刃滑切角为37°、偏置角为15°时开沟器作业性能最好。在最优参数下与双圆盘式、尖角式开沟器进行田间作业性能对比试验,相对于双圆盘式和尖角式开沟器,直斜偏置式开沟器播种深度变异系数分别降低41.12%、19.41%;播种横向变异系数分别降低39.00%、28.41%;前进阻力分别降低7.26%、28.20%;作业后肥沟与种沟回土深度分别提高9.47%、13.68%和33.33%、7.14%。试验结果表明,该开沟器可以减小前进阻力,增加肥沟与种沟回土,提高播种深度均匀性和播种横向一致性,可为播种开沟器的设计提供参考。     

用于机械化栽植的西兰花钵苗力学特性试验

为了降低西兰花钵苗机械化栽植过程中的破损率,避免栽植嘴已经运行到栽植位置而钵苗还未滑到栽植嘴的底部而造成移栽失败,该文采用正交试验的方法,以土钵体积(表示穴盘规格)、苗龄和含水率为试验因素,针对栽植过程农艺要求,进行了不同方案下土钵的抗压强度试验和钵苗沿栽植嘴壁面下滑的运动阻力系数测试。通过建立西兰花土钵与栽植嘴壁面碰撞过程接触力学模型,分析得到为避免土钵破损钵苗和栽植嘴碰撞时不同组合允许的最大相对速度。以栽植作业中避免钵苗破损,同时运动阻力不能过大为目标,采用综合评分法,得到适宜机械化栽植的4个土钵体积、苗龄和含水率组合,进而对这4个组合进行模拟田间栽植试验,得到最优的组合:土钵体积为中(穴盘规格为128),苗龄为2~3片真叶,含水率约为63%。该研究为栽植机构的设计提供依据。     

耙压式除草轮与水田土壤作用的流固耦合仿真分析及验证

为探明水稻机械除草过程中,除草轮的工作阻力大小变化及水田土壤的动态行为,该文利用ANSYS软件的显式动力分析模块LS-DYNA对耙压式除草轮在水田环境下的作业过程进行仿真分析。采用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)多物质耦合算法建立了土壤-水两物质耦合有限元模型;运用流固耦合算法分析除草轮与土壤-水模型的相互作用过程。采用有交互作用的正交试验方法选取土壤种类、水层厚度和除草轮旋转速度3个因素进行仿真试验分析,得到各因素及其一级交互作用对除草轮和土壤-水模型的耦合应力和土壤扰动率的影响规律。利用多目标优化设计方法综合评判仿真试验结果,综合评分结果表明,在不同的土壤工作环境下,除草轮在水层厚度为60mm、转速为160r/min的作业条件下均可获得较优的工作性能。影响除草轮和土壤-水模型耦合应力的因素主次顺序为:土壤种类水层厚度土壤种类×水层厚度土壤种类×除草轮转速除草轮转速水层厚度×除草轮转速。影响土壤扰动率的因素主次顺序为:土壤种类除草轮转速土壤种类×水层厚度土壤种类×除草轮转速水层厚度水层厚度×除草轮转速。为验证仿真结果,进行了田间试验和土槽试验,根据仿真所得耦合应力值推导出除草轮所受土壤反作用力扭矩值,与田间实测值相对误差为8.84%;仿真所得土壤扰动率与土槽试验实测值相对误差为9.86%;仿真所得综合评分结果与试验综合评分结果相对误差为7.02%。仿真分析结果可为轻简式水稻除草机应用在不同稻区的田间作业参数提供参考。     

基于离散元法的凸圆刃式深松铲减阻效果仿真分析与试验

针对深松作业阻力大、能耗高等问题,该文在深松铲铲尖顶部设计了一种能有效减阻降耗的凸圆刃。以安装凸圆刃的凸圆刃式深松铲为研究对象,建立了土壤模型。为提高土壤模型的准确性,选用非线性粘结弹性塑形接触模型(edinburgh elasto-plastic adhesion model,EEPA),对凸圆刃式深松铲进行耕作阻力虚拟仿真。利用插件将颗粒与深松铲接触作用力导出,分析凸圆刃式深松铲应力和形变,校验其结构强度;采用EDEM软件分析不同耕深和速度对深松耕作阻力的影响,并以国标深松铲为比较对象,分析了凸圆刃式深松铲的减阻效果;通过田间试验验证了土壤模型和凸圆刃式深松铲设计的准确性和可行性。田间试验结果表明,与国标深松铲相比,凸圆刃式深松铲耕作阻力平均降低了10.24%。仿真结果与实测值较为接近,数值误差在3%～10%,证明土壤模型基本符合土壤的力学特性,能近似代替真实的土壤环境。该研究证明了采用离散元法分析深松耕作阻力可行性,可为进一步优化深松铲结构提供参考。     

气力式授粉喷气管道参数优化与试验验证

杂交水稻制种气力式辅助授粉时,花粉随气流场运动,喷气管道多个喷孔的气流场叠加,表征气流场特性的射流极角、出孔动压对花粉分布均匀性、传播距离起决定性作用,为探索射流极角、出孔动压与管道参数之间的影响关系,获得较理想的气力授粉管道参数组合。该研究首先分析喷气管道气流场的叠加原理,采用消防烟雾弹发出有色气体经喷气管道的喷孔喷射并拍摄气流场图片,选取喷管直径、喷管壁厚、喷孔直径三因素为影响因子,以射流极角、出孔动压为评价指标,进行三因素五水平的单因素和多因素正交试验,通过对试验结果进行极差分析、矩阵分析,获得各因素对气流场特性的影响规律,找出较理想的因素组合并进行验证试验。结果表明,喷孔直径对射流极角和出孔动压的影响显著,3个因素的影响顺序为喷孔直径、喷管直径、喷管壁厚,较优的因素组合为喷管直径63 mm、喷管壁厚5 mm、喷孔直径12 mm,此时的射流极角为13.38°,出孔动压为31.6 Pa。验证试验表明,优化的因素组合明显提高花粉分布均匀性,花粉分布不均匀度（方差）降为1.33,花粉能形成覆盖母本行呈正态分布特性的单峰分布,能够满足气力辅助授粉对授粉管道的作业要求,研究结果为气力式授粉喷气管道的设计提供参考。     

不同覆砂厚度对土壤水盐运移影响的实验研究

采用室内土柱模拟试验,研究了不同覆砂厚度条件下土壤潜水蒸发及蒸发后盐分(EC)分布特征,并就覆砂厚度对土壤水盐运移的影响进行了分析。结果表明:覆砂厚度对潜水蒸发的抑制率有显著效果,且抑制率随覆砂厚度的增加而升高,如当覆砂厚度1.7 cm时抑制率达到83%,当覆砂增加到3.6 cm和5.7 cm时,抑制率分别为95%和97%;土壤表层覆砂具有显著的抑盐效应,通过覆砂明显的减轻了土壤盐分向上运移和表聚,如当覆砂厚度1.7 cm时,表层盐分抑制率达到83%,当覆砂厚度为3.6 cm与5.7 cm时,盐分抑制率则分别上升到96%和97%。本试验表明,土壤表层覆砂是一种防止土壤水分蒸发,提高土壤保水能力和抑制土壤盐分表聚的有效方法,覆砂厚度达到3.6 cm是一种在新疆北疆绿洲合理覆砂厚度。     

黑土区土壤侵蚀厚度对土地生产力的影响及其评价

为了研究黑土区土壤侵蚀厚度对土地生产力的影响,采用盆栽试验,人为剥离黑土表层0、5、10、15、20、25和30 cm土壤以模拟侵蚀厚度不同的耕层土壤,分析土壤侵蚀厚度对土壤理化性质、大豆生物性状和水分利用效率等指标的影响。并对TOPSIS(technique for order preference by similarity to ideal solution)模型进行改进,用于评价侵蚀厚度不同的土壤的土地生产力。结果表明:土壤全N、碱解N、全P、速效P、有机质含量和土壤田间持水率均随侵蚀厚度的增加而递减,土壤容重随侵蚀厚度的增加而递增。土壤侵蚀厚度对大豆生长有显著影响,随着侵蚀厚度的增加,大豆减产率呈"S型"曲线递增,产量、耗水量呈"Z型"曲线递减,水分利用效率呈指数曲线关系递减。改进的TOPSIS模型对不同侵蚀厚度下土地生产力的评价结果较为理想,计算的土地生产力指数随土壤侵蚀厚度的变化呈"Z型"曲线,与大豆产量的变化趋势相同,且二者呈指数函数关系,决定系数达0.996,均方根误差为0.65。研究结果可为黑土区土壤侵蚀防治提供理论依据。     

降雨入渗作用下秭归向斜核部南段斜坡稳定性评价

[目的]开展降雨条件下湖北省秭归县向斜核部斜坡稳定性评价研究,为政府部门减灾防灾工程提供科学支持,为滑坡灾害的预测和管理提供科学依据。[方法]以耦合了地下水动力学的TRIGRS无限斜坡稳定性计算模型为基础,详细介绍了斜坡稳定性评价的数据处理过程以及参数选取方法。[结果]发生斜坡失稳的区域多位于松散土体中等厚—较厚,地形坡度中等的区域,尤其是土层厚度在7—10m,地形坡度在20°~30°范围内为斜坡失稳高发区。[结论]在土层厚度和地形地貌的双重控制下,短历时强降雨入渗作用导致孔隙水压力增大,这些区域的斜坡土体极易发生滑动,为滑坡危险性较高的多发区域。斜坡稳定性评价结果和滑坡实际分布吻合程度较高,在一定程度上反映出降雨诱发滑坡空间分布关系和分布规律。