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%。     

分层深松铲前后铲距对土壤扰动行为影响的仿真与试验

前后铲距是分层深松铲的关键参数之一,会对土壤扰动行为产生重要影响。为此,综合运用离散元仿真和数字化土槽试验,研究了前后铲距对土壤宏、微观扰动行为的影响。结果表明:当前后铲距为350mm时,耕作比阻及不同层土壤颗粒在耕作方向上的最大位移相对较小,犁底层土壤颗粒在竖直方向上的最大位移和侧向方向上的最大位移相对较大,耕作层土壤颗粒在竖直方向上的最大位移相对较小;5个不同前后铲距下土壤膨松度、土壤扰动系数、耕作阻力和耕作比阻的试验和仿真结果的平均误差分别为12.41%、13.61%、13.84%、3.34%,离散元仿真能够较为准确地模拟分层深松土壤的扰动过程。     

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%。     

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。     

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。     

保护性耕作技术研究

保护性耕作技术要求播种后,地表保留30%以上秸秆等覆盖物,不使用铧式犁、旋耕机等整地,使用免耕播种机播种,使用深松犁、深松铲几年深松整地一次,不打乱耕层、不破坏土壤结构。保护性耕作技术能减少土壤风蚀、水蚀,提高土壤有机质含量,提高土壤肥力和抗旱能力,是一项先进的农业耕作技术,改变了传统农业耕作方式,可实现农业可持续发展。     

楔形自润滑深松铲的结构设计与减阻试验

深松是实施保护性耕作的基础,在实行保护性耕作的初期更是必不可少的作业环节,能够打破犁底层、降低土壤容重、改善耕层结构。实现深松的主要工具是深松铲,其品质决定了深松效果。针对深松铲在工作过程中耕作阻力较大的问题,设计出一种楔形自润滑深松铲,借助SolidWorks软件进行结构设计及仿真分析,并在实验室进行减阻试验。试验结果表明:在相同试验条件下,楔形自润滑深松铲与传统深松铲对比,耕作阻力降低14.60%~21.17%,减阻率的平均值为18.28%,减阻效果明显。     

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。     

基于离散元法的砖红壤斜柄折翼式深松铲设计与试验

针对深松整地装备应用于海南省热带农业区香蕉地时,存在作业阻力大、松土面积小及地表平整度差等问题,本文基于海南香蕉地砖红壤土的物理特性,设计一种可有效降低作业阻力的斜柄折翼式深松铲.运用离散元法建立3层土壤颗粒虚拟仿真土槽模型,使用Hertz-Mindlin with JKR接触模型进行了斜柄折翼式深松铲与直柄凿式深松铲...     

气爆辅助式深松机设计与田间性能试验

为提高深松机作业质量,明确气爆技术在深松作业中的工作效果,设计了气压深松机,优化了深松铲结构,并进行作业效果田间试验.深松机应用气压控制系统将周期性高压气体通过导气管传送至深松铲出气口处,从而完成气压深松作业.以土壤扰动系数、膨松度与碎土率作为评价指标,进行松机作业质量田间试验,结果表明:气压深松机深松作业后,土壤膨松...     

预破土组合振动深松铲的设计与试验

为了避免在深松铲铲柄上开破土刃口而降低深松铲的强度,本文将破土刃口与铲柄分离开进行独立设计,形成内弧半径为150 mm的专有弧形破土器,承担对土壤的切割作用,减轻深松作业阻力.本文通过田间试验验证了预破土器对深松减阻的效果,确定了预破土器的最佳安装位置,试验结果表明,在振幅5 mm、振频10 Hz、前进速度1.44 k...     

多年生苜蓿地切根补播机低阻松土铲设计与试验

为降低多年生苜蓿地改良多用机械松土铲的水平阻力和土壤扰动量,根据食蚁兽爪趾外缘轮廓曲线模型,设计了一种新型仿生松土铲。基于多年生人工苜蓿地土壤特性,利用EDEM软件建立触土部件土壤相互作用离散元模型,以水平阻力和土壤扰动面积为主要评价指标,在不同作业条件下对仿生松土铲和轻型标准深松铲工作过程进行数值模拟,并进行田间验证试验。结果表明,仿生铲平均减阻率为7.64%,仿真值与实测值误差小于9%。为优化翼铲结构参数,以铲翼倾角和铲翼开角为试验因素,以传感器拉力测量值和沟槽宽度为试验指标,采用响应面分析法(RSM),进行二因素五水平旋转正交组合试验,得到各因素与指标之间的回归数学模型。采用粒子群优化(PSO)算法对回归数学模型进行求解,获取了Pareto最优解集,最终选取传感器拉力测量值为8.679 kN、沟槽宽度为144.2 mm,此时翼铲倾角为20°、翼铲开角为105.6°。田间验证试验表明,实测值与预测值相对误差小于6%,说明基于RSM和PSO的多目标参数优化方法具有科学性和可行性。     

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DEM-MBD耦合算法的自激振动深松机仿真分析

自激振动深松机的设计主要采用田间试验及理论分析方法,但田间试验成本高、周期长,同时理论分析尚不具备完整准确的解析解。为提高该类机具的设计效率,保证设计结果的准确性和可靠性,本文在课题组研制的Agri-DEM软件平台上,添加了离散元法（DEM）与多体动力学（MBD）耦合算法,然后利用该算法对自激振动深松单体作业过程进行仿真分析。耦合算法中,采用MBD方法建立了台车-深松机-悬挂架-土壤的系统动力学模型,包括7个活动刚体、1个滑移铰、7个转动铰、1个滑移驱动、1个弹簧力约束和1个阻尼约束,同时利用广义坐标分块算法将系统微分代数方程组转化为微分方程组,并通过亚当斯-莫尔顿校正算法进行积分,求解获得各刚体的运动学参数和动力学参数;采用DEM方法建立了耕作土壤的离散元模型,考虑土壤颗粒的黏附力,提出一种适合于土壤等湿颗粒间的接触力学模型——湿颗粒模型,模型参数通过试凑法确定。对模型进行深松铲的动力学响应分析、弹簧及牵引力动力学响应分析和土壤扰动过程分析,仿真结果表明：土槽台车前进速度为0.5m/s时,机具牵引力周期性变化的区间为-331.06~1492.75N,最大牵引力为1492.75N;深松铲的入土角周期性变化的区间为0~-0.11rad,在高度方向上铲柄质心的变化区间为-400.33~-581.37mm;激振弹簧受载也呈周期性变化,变化区间为2623~-2231N;深松铲铲尖部位抬升土壤,土壤颗粒扰动量在铲尖区域最大,并沿深松铲前进方向和侧向依次递减。仿真结果直观的呈现了自激振动深松机的作业过程及土壤颗粒的运动情况,定性的解释了自激振动深松机的减阻机理。本文添加的DEM-MBD耦合算法,为自激振动深松机工作过程分析和优化设计提供了一种新方法。     

水土保持耕作对黑土玉米氮素利用与温室气体排放影响

为探明不同水土保持耕作技术对东北黑土坡耕地玉米氮素利用和温室气体排放的影响，以大田试验为基础，设置7个耕作处理：等高耕作(Transverse slope planting, TP)、垄向区田(Ridge to the district field, RF)、深松耕(Subsoiling tillage, SF)、等高耕作+深松耕(Transverse slope planting+subsoiling tillage, TP-S)、垄向区田+深松耕(Ridge to the district field+subsoiling tillage, RF-S)、等高耕作+垄向区田(Transverse slope planting+ridge to the district field, TP-R)、常规耕作(Down-slope cultivation, CK),探究水土保持耕作技术对东北黑土坡耕地土壤养分状况、温室气体排放、氮素吸收利用和产量的影响。结果表明：在玉米全生育期内，水土保持耕作处理显著提高了玉米产量、器官氮素转运率以及氮肥利用率，部分水土保持耕作措施也可以显著降低N