深松作业效果试验及评价方法研究

【目的】分析单、双铲深松作业效果及评价方法,为提高耕作质量和减少能源消耗的深松作业提供决策依据。【方法】以箭形深松铲为对象,在模拟大田土壤环境的基础上,利用室内土槽研究了单、双铲深松作业效果及评价方法,提出了土壤硬度变化系数、土壤体积膨松系数、单位松土带宽度耕作阻力系数和土壤相互扰动系数等4个评价指标。【结果】(1)单、双铲深松作业后的平均土垄高度差分别为7.342cm和6.492cm,双铲比单铲的平均土垄高度差减少11.58%,说明双铲深松后的地表平整性优于单铲,且深松铲间距是影响土壤体积膨松程度的主要因素,其对深松后土壤形成的垄形与坑形有重要影响;(2)在土壤扰动区域内,当深松深度为3~17cm时,双铲作业的土壤硬度变化程度较单铲显著,当深度为17~30cm时,单铲作业的土壤硬度变化程度大于双铲;(3)深松单位松土带宽度时,双铲的平均耕作阻力为单铲的0.668倍,较单铲减少69.31N,双铲的能耗较单铲减少33.2%;(4)双铲的土壤相互扰动系数为1.170,深松铲布局方式对土壤扰动有重要影响。【结论】本研究结果有利于深入理解单、双铲的深松作业效果,促进符合节能减阻要求的深松机具的研发及田间作业机器系统的优化选用。     

深松耕作阻力的影响因素分析与减阻策略

【目的】识别深松耕作阻力的关键因素及其影响程度,为深松减阻技术与装备研究奠定基础。【方法】采用7因素3水平正交试验和单因变量方差分析方法,研究深松机铲形(箭形、凿形)、铲距(300,400,500mm)、入土角(18°,23°,28°)、土壤含水率(10%,15%,20%)、土壤坚实度(1 000,1 500,2 000kPa)、耕深(250,300,350mm)及牵引速度(2,3,4km/h)对深松耕作阻力的影响。【结果】铲形、铲距、入土角、土壤含水率、土壤坚实度、耕深、牵引速度的检验概率依次为0.613,0.057,0.056,0.495,0.013,0.001和0.797;不同因素对耕作阻力影响程度的排序为耕深土壤坚实度入土角铲距土壤含水率铲形牵引速度,且耕深、土壤坚实度、入土角、铲距对深松耕作阻力变化影响显著。【结论】为减小深松耕作阻力、提高耕作质量,建议在满足农艺要求的前提下,深松深度的确定应以"耕作层+犁底层"的厚度为主要依据;深松作业间隔年限的确定应将土壤坚实度作为重要评价指标;合理配置深松铲的入土角和铲距有助于减小深松作业阻力和提高作业质量。     

深松铲型式对深松作业的影响

通过试验对比方法,分析不同结构形式的深松铲对深松作业的影响,试验评价指标为土壤坚实度、膨松度和牵引阻力。试验采用国内常见的4种深松铲,分别为凿型深松铲、凿型带翼铲、曲面深松铲和箭型铲,在单因素的基础上,设计出合理的方案。研究结果表明:(1)深松作业可以有效降低土壤坚实度,凿型铲和曲面铲在水平方向影响距离大,在20 cm测点处分别降低土壤坚实度46. 85%、53. 14%;(2)从降低土壤坚实度最大值角度分析,曲面铲作业效果最好,凿型铲次之;(3)曲面深松铲作业在对土壤坚实度影响上具有明显的不对称性,两侧影响幅度不同;(4)深松作业对于深层土壤坚实度影响比浅层土壤大;(5)在相同作业条件下,曲面式深松铲深松作业需要更多的牵引阻力,作业后土壤膨松度最好。     

土壤深松机械结构优化及作业试验

通过对土壤深松作业机具的主要功能部件单体结构的优化和参数设计,改进深松铲入土角、调整优化深松翼铲的对地角度,优化深松翼铲结构、深松功能部件单体组装,解决深松作业阻力大、作业效率低、消耗动力大、油耗高,深松作业质量差、碎土效果差、作业后地表平整度差等问题.通过改进前后作业机具的效果检测,结果表明,改进后机具作业性能得到明...     

凸圆滑切式减阻深松铲尖设计与试验

针对深松作业阻力大、功耗高的问题,基于滑切理论设计了1种具有凸圆弧形滑切刃的深松铲尖,建立了深松作业过程中,铲尖上表面滑切刃与土壤的切削模型,分析了刀片受力情况,并依据滑切产生因素,推导出刀片刃口曲线表达式。田间试验表明:拖拉机前进速度为4.1 km/h,深松铲耕作深度为250 mm时,凸圆弧形滑切刃深松铲牵引阻力较国标深松铲的牵引阻力平均下降12.08%,达到了降低深松作业阻力的目的。     

苏打盐碱地深松铲阻力测量

针对东北苏打盐碱地土壤的理化性状,利用田间机械动力学参数遥测仪,选取深松深、作业速度、深松铲型为试验因素,以作业阻力为试验指标,利用Design Expert软件进行数据分析,测定3种深松铲在不同作业状态下的阻力。结果表明:各因素对作业阻力影响程度由大到小为深松深>作业速度>深松铲型,并且以深松深35 cm、作业速度0.83 m/s的凿式深松铲的作业阻力最小。     

深松机具与耕作阻力

本文分析了影响深松机具牵引阻力的因素。深松作业的牵引阻力与作业速度的平方以及松土深度成正比。铲头形状影响切土、碎土阻力,铲柄形状影响土壤惯性阻力、土壤与铲柄的摩擦阻力及碎土阻力。在粘土地上,园孤形铲柄较前倾直线形铲柄的牵引阻力小,但在沙壤土中,则前倾45度的直线形铲柄较园孤形铲柄的牵引阻力小。因此,应根据土壤类型合理选用深松部件的形状以减小牵引阻力。     

深松铲扰动下天然草地复合土层失效特性的试验研究

为研究深松铲类耕作部件作用下天然草地扰动失效过程,采用草地耕作试验台搭载不同类型和具有不同结构参数的深松铲,在不同作业深度下,进行草地扰动失效试验,对草地土层失效过程、扰动情况、翻垡率、扰动系数、蓬松度,以及耕作部件的作业阻力和沟形面积比阻进行对比分析。试验结果表明:利用深松铲可以打破天然草地形成的“地表干草+植物根茎+土壤”的“夹层式”复合土层结构,对草地土层造成扰动,但其作业效果受作业深度、结构参数以及“夹层式”复合土层结构的影响。深松铲作业后产生的地表翻垡率为5.67%~12.25%,扰动系数为63%~74%,蓬松度为38%~49%。综合所有的扰动失效特性参数,在所试验的深松铲耕作部件中,双翼倾角为150°的双翼形深松铲在草地深松作业时对草地地表扰动和土壤翻垡情况影响较小,对土壤的扰动系数较高,作业效果最佳。     

分层深松铲型配置参数对牵引阻力的影响

分层深松采用前后铲分层作业方式,深松后土壤更松碎,土层不发生改变。文章利用深松铲阻力测试装置,研究分层深松铲型配置参数对牵引阻力影响。结果表明,后铲25 cm深松深度,铲型组合为箭型-凿型时,分层高度差为11.5 cm、铲距为34.5 cm时牵引阻力最小;通过凿型、箭型、双翼型不同铲型组合及单层深松牵引阻力对比分析表明,深松深度相同时,分层深松前后铲型面积和越大阻力越大,分层深松阻力一般大于单层深松;分层深松交换前后铲型试验得出,深度相同时,凿型-双翼型、箭型-双翼型组合阻力分别小于双翼型-凿型、双翼型-箭型组合,而箭型-凿型组合阻力却与凿型-箭型组合十分接近。     

弹性与刚性深松部件对深松机牵引阻力的影响

为了研究弹性与刚性深松部件对牵引阻力的影响,以弹齿式深松铲和刚性深松铲为研究对象,对两种深松铲进行牵引力及振动参数测试,对比振动式深松铲和非振动式深松铲对牵引阻力的影响,通过对两种深松铲的受力分析可知,弹齿式深松铲的牵引阻力比刚性深松铲牵引阻力降低9.95%,深松比阻减小14.52%,有较好的减阻效果。正交试验分析结果表明:当选用弹齿式深松铲、前进速度为1m·s-1、耕深为25cm时,牵引阻力、功耗均出现最小值。弹齿式深松铲适用于耕作层土壤的疏松,而刚齿式深松铲适用于深松犁底层坚硬的土壤。弹齿式深松铲的振动主频率为5.86Hz,刚性深松铲的振动主频率为4.39Hz。说明土壤阻力变化是引起弹齿式深松铲的振动的主要原因。     

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。     

基于离散元法的双翼深松铲耕作行为的仿真分析

分析双翼深松铲耕作行为是探究双翼深松铲耕作机理和优化深松效果的前提。本文采用离散元法建立了双翼深松铲的耕作模型，分析了深松过程中土壤扰动、土壤运动及双翼深松铲的受力情况。结果表明：在双翼深松铲的工作过程中，各层的扰动程度从大到小依次为耕作层、犁底层和心土层；双翼深松铲对土壤的扰动呈“扇形”分布，对土壤的扰动作用主要体现在土壤抬升、土壤的破碎和不同层土壤的混合等方面，犁底层与耕作层的混合程度大于犁底层与心土层；土壤颗粒最大运动速度下各方向数值从大到小依次为z方向、x方向、y方向；双翼深松铲在0.8 m/s耕作速度、300 mm工作深度的工况下，其土壤扰动系数为63.9%，土壤膨松度为11.1%，地表平整度为22.43 mm；双翼深松铲受到的阻力主要来源于土壤对深松铲前进的阻碍作用，双翼深松铲向上抬升土壤也受到了一定的阻力，土壤对双翼深松铲的侧面挤压作用力较小。     

基于LS-DYNA的深松铲阻力仿真

为降低耕作阻力,揭示深松铲与土壤之间的关系特性,根据深松铲切削土壤的工作特点,利用LS-DYNA模拟分析深松铲切削土壤的过程,获得切削土壤的应力变化规律。结果表明,当深松铲以0.49 m/s的初速度切削、深松深度为250 mm时,单个深松铲的最大切削阻力为2 230 N,土壤在1.75 s发生崩裂,达到深松效果。通过试验测试,单个深松铲受力约为2 332.5 N,与仿真误差为4.5%,验证了仿真的合理性,仿真数据结果可以为实际深松过程提供参考。     

振动深松机的改进设计与试验研究

针对1SZ-460型振动深松机样机田间试验中出现的振动发生机构轴承应力过大易破坏,振动机构横梁弯矩大易变形等问题,对该振动深松机关键部件进行研究改进,设计新型振动深松机以满足生产需求。通过分析原样机振动发生机构及执行机构的运动过程,设计简支偏心轴式振动发生机构,优化执行部件和机架;通过分析不同形状深松铲松土效果和土壤耕作阻力,改进了深松铲柄;增加了施肥系统,以此减少机器进地次数及对土壤的压实,提高作物产量。田间试验结果表明：新型振动深松机较不振动深松,降低牵引阻力7%～17%,提高工作效率11.1%～16.2%。该新型振动深松机适于玉米等作物的苗前及苗期深松施肥作业。     

双翼式深松铲的仿生设计及其离散元分析

深松铲是保护性耕作中进行深松的主要工具,其品质直接影响深松的效果.在对双翼式深松铲改型设计的基础上,应用仿生技术研究成果设计出仿生深松铲,并通过Pro/E软件对改型深松铲和仿生深松铲进行三维建模.而后应用离散元软件EDEM 对两种形式深松铲进行仿真分析,得出速度为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 m/s时两种深松铲所受的耕作阻力.离散元分析结果表明,两种深松铲在触土过程中耕作阻力变化趋势相同.虽然仿生深松铲具有较好的土壤脱附和耐磨性能,但平均耕作阻力较之改型深松铲稍大.本研究方法为新型深松铲的优化设计提供了参考.     

深松耕作仿生减阻技术研究

<正>深松可以打破犁底层,使耕作层变厚,增加了土壤的通透性和肥力,提高了蓄水保墒能力,同时扩大了作物的根系发展空间,可在一定程度上增加作物的产量,实现农业可持续发展。然而在深松铲耕作中有些关键技术难题一直未能得到很好的解决,如过大的深松铲耕作阻力等。阻力大必将导致能耗升高,使农业生产成本显著增加,同时,也阻碍深松耕作模式的进一步推广应用。因此,如何降低深松铲的耕作阻力,节能降耗,促进深松耕作模式的推广应用已经成为当前农业耕作机械领域亟待解决的一项重要难题。     

科技文摘

20210301带翼深松铲深松土壤扰动行为仿真与试验//DOI:10.25165/j.ijabe.20211401.5447揭示带翼深松铲深松土壤扰动行为有助于深入理解带翼深松铲与土壤的相互作用规律,进而为带翼深松铲的设计和优化提供基础。该研究综合利用离散元法和室内土槽试验,研究了带翼深松铲对土壤宏观和微观扰动过程的影响。结果表明:翼铲主要对其上方土壤的扰动范围和破碎程度产生影响;带翼深松铲的铲尖段、犁底层圆弧段、耕作层圆弧段、直柄段受到的牵引阻力分别占69.53%、25.22%、4.73%、0.52%;带翼深松铲对不同深度土壤的侧向扰动范围和破碎程度的影响由大到小依次为:耕作层、圆弧段犁底层、铲尖段犁底层;增加翼铲使圆弧段犁底层、耕作层、铲尖段犁底层土壤扰动面积分别增加47.52%、7.74%和4.59%,同时使总牵引阻力增加36%。与不带翼深松铲相比,带翼深松铲耕作后的土壤蓬松度、土壤扰动系数、地表沟槽宽度和犁耕比均不同程度的增加。离散元仿真与土槽试验结果基本一致,表明离散元仿真能够较为准确地模拟带翼深松铲的耕作过程。     

基于EDEM的双翼式深松铲设计与仿真试验

设计了一种由铲柄、铲翼及铲尖组成的双翼式深松铲,建立了基于EDEM离散元仿真模型,分析确定了双翼式深松铲主要工作参数及结构参数并进行仿真试验.结果表明,在试验范围内,双翼式深松铲耕作阻力F随铲翼翻土角γ及起土角α增大而增小,随耕作速度v先减小后增大.当双翼式深松铲铲翼翻土角γ取30°、起土角α取30°、耕作速度v取0.75 m/s时,双翼式深松铲耕作阻力F最小.土槽试验结果表明,双翼式深松铲作业时,土壤沿铲翼后部自动向内及后方迁移,土壤原地翻转,不堆积在侧边地表且两侧扰动小.     

深松铲耕作阻力的离散元法仿真分析与田间试验

目深松铲的设计制造是一个复杂的过程,本研究基于离散元法对深松铲与土壤的相互作用过程进行了研究。基于传统离散元理论,考虑到土壤颗粒间液桥力作用,建立了土壤颗粒以及深松铲模型。将深松铲在耕速为1 m/s,耕深为180 mm,220 mm和260 mm的条件下进行了离散元法仿真,并获取了耕作阻力曲线。仿真得到的耕作阻力与田间试验结果能较好的吻合,在三个耕作深度下的相对误差分别为2.96%,14.95%以及7.15%。结果证明离散元法能较好的分析深松铲的工作过程,并且对今后进一步优化深松铲的结构有重要意义。     

弧形深松铲工作过程和松土效果的离散元法仿真分析

采用离散元法仿真分析不同弧形深松铲在不同工作速度(0.5、0.8、1.0 m/s),不同深松深度(200、300、400 mm)条件下的的深松过程。以吉林长春地区的壤土作为研究对象,基于耕层与犁底层土壤的不同物理属性,分层建立土壤模型,分析犁底层土壤颗粒的破碎情况及深松铲的受力情况,同时将田间试验结果与仿真结果进行对比分析发现,二者基本一致。结果表明,后掠角为50°的弧形深松铲在深松过程中所受的阻力最小,土壤黏结颗粒被破坏的个数最多,犁底层土壤被翻转到耕层的土壤颗粒个数最少,使用性能最佳,可达到松土而不翻土的效果,提高土壤蓄水保墒的能力,初步证明,采用离散元法仿真分析深松铲工作过程和松土效果具有可行性。