耕作土壤应力波波速的测定及其在土壤高速切削中的应用

本文研究了用间距为l_2两点瑞利波脉冲响应的互相关或互谱相位求耕作土层应力波速的方法。用此法测定了几种土壤的应力波速,所测结果在土壤高速切削机理研究中得到应用。     

基于光滑粒子流体动力学的土壤高速切削仿真系统开发及试验

应用光滑粒子流体动力学(SPH)理论以及有限单元理论,结合相关软件,研发了基于SPH的土壤高速切削仿真系统。以潜土逆转旋耕为例,应用该系统虚拟定量地研究了土壤高速切削过程,以揭示土壤-机器系统的作用机理。并且通过高速摄影试验验证了仿真系统的正确性。该系统的开发对于耕作机具（如各式旋转耕耘机和犁）的改进和创新设计有重要意义。     

自激振动深松机减阻试验研究

为了研究在土壤深松过程中深松机产生自激振动的原因及振动减阻机理,作者应用机械振动原理和信号测试技术,借助电测仪器与设备对由1SQ-127型全方位深松机所组成的自激振动式深松机系统进行了耕深、土壤阻力以及拖拉机牵引阻力等随机信号的测试及数据处理分析。系统地研究了“拖拉机－深松机－土壤”系统的动态特性,探讨深松机减阻节能的技术途径与方法。     

基于ANSYS/LS-DYNA的螺旋刀辊土壤切削有限元模拟

为揭示秸秆还田耕整机的螺旋刀辊与土壤之间的关系特性,根据螺旋刀辊切削土壤的工作特点,利用ANSYS/LS-DYNA971软件对螺旋刀辊土壤切削过程进行模拟,得出了螺旋刀辊切削土壤的功率消耗、切削阻力的大小以及土壤等效应力的变化规律.模拟结果表明,螺旋刀辊转速为300 r/min,机组行进速度为1.1 m/s 时,单组螺旋刀辊切削土壤的最大功耗为6.4 kW,最大切削阻力为2820.7 N,且土壤最大等效应力发生在横刀刚入土时的内侧面,所得功耗值与经验推导值相符.研究结果为双轴型水田高茬秸秆还田耕整机的系统参数优化设计提供参考.     

逆转旋耕过程中土壤切削的研究

建立了逆转旋耕二面楔切削土壤的剪切模型。对逆转旋耕二面楔切削土壤的负荷、能耗及土壤总应变提出了计算方法，室内土壤切削试验结果表明：计算值与试验值二者的变化规律基本一致     

土方作业动态切削的可视实时仿真

针对液压挖掘机驾驶模拟器土方作业仿真中缺乏时变负载——土壤切削阻力,基于Delta3D视景仿真引擎和多体动力学实时交互软件Vortex搭建了系统软件框架,实现了挖掘机车辆动力学特性的真实模拟,并建立了铲斗与土壤的交互仿真平台。根据挖掘机铲斗的实际作业情况,将土壤假定为刚塑性体,并引入地形倾角、加速力、土壤对铲斗侧面摩擦力等参数,推导并修正了Reece提出的土壤切削基本方程,实现了土方作业中土壤动态切削的可视实时仿真。将模型导入到某驾驶模拟器中,进行3次交互作业,获得了土壤相对于铲斗的切削阻力,并对影响切削阻力的因素进行了分析。仿真平台逼真度高、交互性强,实现了铲斗与土壤交互作业具有物理学行为的拟实模拟,可为操作培训人员和产品开发人员提供可视化和交互性的手段,提高培训效果和产品开发效率。     

土壤容重和含水量对耕作阻力的影响

土壤容重和含水量是影响机具耕作阻力和能量消耗的主要因素。为了研究它们之间的数量关系,在田间将土壤容重和含水量分别在１．１～１．７ｇ／ｃｍ^３和１１％～１９％的范围内取三个水平,进行靴式开沟器耕作阻力的正交试验。用改进的五轮仪测试开沟器的工作阻力和开沟深度,土壤容重和含水量,采用容重环法实行定点测试。试验数据用改进的Ｍａｒｑｕａｒｄｔ法,通过ＴＳＰ统计软件进行回归分析,得到了土壤耕作阻力－容重－含水量数学模型,并具有较高的拟合精度,可以用于分析评价不同土壤容重和含水量条件下拖拉机的牵引效率和能量消耗。     

振动压路机用于不同土壤地面的平顺性评价

实际工况中振动压路机车轮会在各种土壤地面上作业和行驶,为了评价振动式压路机在不同土壤路面上的行驶平顺性,该文针对车轮―不同土壤地面的接触分析,建立了某单钢轮振动压路机非线性动力学模型;描述了振动轮在弹塑性土壤下压实对前车架产生垂直激励力.基于Adam D和Kopf F的弹塑性土壤模型,建立了振动轮在作业时的三自由度振动模型;采用软性土壤地面的Bekker假设,建立了轮胎―变形土壤地面接触模型.对建立的非线性动力学模型进行了仿真,并根据ISO2631-1:1997(E)标准分析与评价了不同路况、工况和速度对驾驶员乘坐舒适性的影响.结果表明,刚性路面不平度等级对振动压路机行驶平顺性有较大影响,路面等级越差,驾驶员的主观感觉越不舒适;路面的变形对驾驶室水平晃动有较大影响,土壤路面越软,驾驶室晃动越大;弹塑性土壤对振动压路机的影响表现在低频工况压实时,车辆平顺性比较差.该研究可为振动式压路机的平顺性设计提供参考.     

北京百花山区自然土壤与耕作土壤的肥力比较以及土壤管理措施

通过对北京百花山地区山地自然土壤和耕作土壤有机质含量、全氮、全磷、速效磷、速效钾及微量元素有效含量的测定分析,得到了该地区山地自然土壤和耕作土壤的肥力特征。该地区山地自然土壤的有机质、全氮、全磷的含量较高,速效钾的水平中等,而速效磷的水平很低,微量元素中铜的含量较高,锰的含量较低,而有效锌的含量极低。自然土壤开垦为耕地后,土壤有机质含量明显降低,全氮的含量变化不明显;由于施肥作用,土壤全磷和速效磷的水平上升,个别耕地速效磷的水平极高,有过量使用磷肥的现象。对该地区山地土壤的开发利用,应坚持生态保护,防止水土流失,适当使用磷肥,注意使用微肥尤其是锌肥,因地制宜,根据不同地形、不同的土壤类型、母质的差异制定合理的利用方案。     

土壤振动压实下动态性能试验研究

该文根据振动压路机的载荷特征，选择典型的土壤介质，在三轴仪上进行静、动态压实试验，将压实过程分为三种不同的变化阶段，并给出不同阶段的土壤性能复刚度，为振动压路机的系统研究提供了依据。     

保护性耕作对土壤风蚀的影响

保护性耕作能够有效减少农田土壤风蚀.通过室内风洞模拟试验,研究秸秆覆盖、留茬和垄作3种保护性耕作措施对黄土高原北部农田土壤风蚀的影响.结果表明:1)秸秆覆盖和留茬能有效降低土壤风蚀速率,秸秆覆盖量为4 210 kg/hm2时土壤风蚀速率最小,与对照相比减少62.8%;垄作在低风速下能够降低土壤风蚀率,垄向与风向垂直时降...     

入土切割对甘蔗切割过程影响的仿真试验

采用ANSYS/LS-DYNA显式动力学仿真软件及反求技术,建立甘蔗-切割器系统仿真模型,进行甘蔗材料参数反求,获得了适用于动力学仿真的甘蔗材料模型,且进行了物理试验验证;通过建立土壤-甘蔗-切割器系统的动力学仿真模型,进行动力学仿真试验,建立相关数学模型,研究了土壤的软、硬程度及切割状态对甘蔗最大切割力及切割破头的影响,结果表明,土壤的软硬程度对甘蔗的最大切割力影响小,对甘蔗轴向剪应力影响大;甘蔗两刀切断比一刀切断的最大切割力小,甘蔗入土切割比非入土切割的最大切割力大,但轴向剪应力小,甘蔗入土一刀切断的平均轴向剪应力比非入土一刀切断的小43.3%,甘蔗入土两刀切断的轴向剪应力比非入土两刀切断的小49%,入土切割是降低甘蔗切割破头的有效途径。     

Influences of tillage operations on soil translocation over sloping land by hoeing tillage

Very few studies have investigated the factors affecting soil displacement and tillage erosion by hoeing tillage. This study adopted a magnetic tracer method to investigate the influences of hoe form and tillage depth on soil translocation over steep hillslopes in Southwest China using a new type of magnetic tracer, i.e., ilmenite powder. Ilmenite powder enhanced the magnetic sensitivity of soil at the end position of tracer distribution, and improved the accuracy and efficiency of tillage translocation measurements. Tillage translocation by wide and perforated hoes was found to be significantly correlated with slope gradient (P < 0.01), however, no significant correlation was found for narrow and bidentate hoe tillage (P > 0.05). Compared with wide hoes, the tillage erosion rates resulting from the use of narrow, perforated and bidentate hoes were reduced by 12.4%, 11.0%, and 16.3%, respectively, indicating that changes in hoe forms resulted in a marked decrease in downslope soil translocation and tillage erosion. Tillage erosion rate decreased by 64% when the tillage depth was reduced from 0.26 to 0.14 m. These results suggest that innovations in hoe form and reductions in tillage depth are important means to manage tillage erosion due to hoeing.     

Spatial analysis of long‐term effects of different tillage practices based on penetration resistance

Measuring penetration resistance (PR) is a common technique for evaluating the effects of field management on soils. This study focuses on the effects of long‐term tillage on the spatial distribution of PR, comparing reduced and conventional tillage (CT) practices. The study site, located in Lower Saxony (Germany), has been subdivided into three plots, with one plot having been managed conventionally, whereas reduced tillage (RT) practices have been applied to the other two. In total, PR was measured at 63 randomly selected points. The PR data were stepwise interpolated using kriging with external drift. Core samples have been taken at 20 additional sites. The results show significant differences in PR between the different tillage practices. Within the conventionally managed plot, PR ranges to 2.3 MPa less in the topsoil than under RT. However, measured saturated hydraulic conductivity and amount of biopores at the depth of 30–35 cm are significantly greater under RT, indicating improved soil properties under RT. Comparisons between the headlands (HL) and the inner field point out the effects of intense field traffic in the HL, where maximum PR values of about 6 MPa have been measured. The spatial prediction of PR values show that long‐term effects of different tillage practices result in clearly structured patterns between CT and RT and the HL. Combining extensive PR measurements and point measurements of additional soil properties supports an adequate interpretation of PR data and can lead to fieldwide derivation of soil functions influenced by field management.     

转变耕作方式对长期旋免耕农田土壤有机碳库的影响

土壤深松是解决长期旋免耕农田耕层浅薄化、亚表层（>15～30 cm）容重增加等问题的有效方法之一,而将长期旋免耕农田进行深松必然导致农业生态系统中土壤有机碳（soil organic carbon,SOC）及碳固定速率的变化。因此,为对比将长期旋免耕转变为深松前后农田土壤有机碳库变化,该研究利用连续12a 的旋耕和免耕长期定位试验以及在此基础上连续6 a旋耕-深松和免耕-深松定位试验,对比了转变耕作方式对农田土壤0～30 cm有机碳含量、周年累积速率及其固碳量的影响。研究结果表明,经过连续12 a的旋耕和免耕处理（2002－2014）,2014年免耕处理土壤0～30 cm有机碳储量比试验初期（2002年）提高38%,旋耕处理降低了30%,而对照常规处理无显著差异。免耕处理土壤0～30 cm有机碳储量比旋耕处理高约2.6倍（2014年）。长期免耕显著提高了土壤0～30 cm的有机碳含量,2002~2014年其土壤0～30 cm固碳量为16.69 t/hm2,但长期旋耕导致土壤0～30 cm SOC含量显著降低,表现为土壤有机碳的净损耗,年损耗速率为?0.75 t/hm2。而长期旋耕后进行深松（旋耕-深松处理）6年其土壤0～30 cm的有机碳含量较原旋耕处理提高32%～67%,且显著提高了土壤固碳量及周年累积速率;免耕-深松土壤0～30 cm的有机碳周年累积速率较免耕处理下降了42%。长期旋耕造成有机碳水平下降的条件下,将旋耕处理转变为深松处理在短期内更有利于促进土壤有机碳的积累,而将长期免耕处理转变为深松措施,降低了土壤有机碳的累积速率和固碳量。     

土壤阻力连续测试设备研制

为解决目前点采样方法获取的土壤压实信息少和信息获取速度慢的不足,该文研制了可快速连续测量土壤阻力（水平方向）以反映土壤压实程度的测试系统。系统包括机械部分、传感器和信息采集3部分。测试系统由拖拉机牵引,工作时连续测试速度1 m/s,土壤阻力信息采样频率为300 Hz,采样数据处理后与GPS定位数据对应存储。实验室试验表明,系统平均测试精度达93.4%。田间试验显示,测试系统性能可靠稳定,具有连续快速获取土壤压实程度信息并反映土壤压实程度空间分布的能力。定义的土壤阻力指数TRI 可以反映土壤的压实程度。     

Longterm effects of soil compaction and tillage on Collembola and straw decomposition in arable soil

Soil core samples were taken from May 1996 to October 1996 at four week intervals to assess the longterm effects of compaction due to soil tillage on Collembola in arable land. Two different tillage systems were studied: conservation tillage (CS) with rotary harrowing to 120 mm depth and conventional tillage (CT) with a mould board plough to 300 mm depth. Soil compaction was achieved by wheeling with graded loads: 0t, 2 × 2.5t and 6 × 5.0t (wheeling frequency × wheel load) in early spring 1995. Litter decomposition rate was investigated by the minicontainer-method, using two different mesh-sizes: 20 μm (excluding mesofauna) and 500 μ (including mesofauna). The substrate used was winter wheat straw, corresponding to the crop cultivated on the field.We recorded 25 species of Collembola. The abundance of Collembola during the growing season was at a minimum in June in both tillage systems. Thereafter, numbers of individuals increased, probably due to better nutrition. Mesaphorura krausbaueri s.l. was eudominant in CS. In CT Folsomia fimetaria and M. krausbaueri s.l. reached high abundances at the end of August. Harvesting and tilling supported population growth in CS, while numbers in CT decreased. The collembolan species showed different preferences in regard to the tillage system and the grade of compaction. During the first 4 weeks of exposure the decomposition rate of straw was highest. The decomposition rate in the minicontainers with 20 μm mesh-size was higher due to better moisture conditions for the microorganisms. After harvest and tilling the decomposition rate increased, especially in the CS-plots, because of aeration and incorporation of residues. Population fluctuation in the minicontainers was caused by migration of Collembola in response to changing moisture conditions. The main species in the minicontainers were large and mobile. Compared to the surrounding soil, species diversity was reduced.     

耕作土壤动力学的三维离散元建模和仿真方案策划

提出了采用基于颗粒接触力学原理的离散元法对耕作土壤动力学问题进行数值模拟的新思路。介绍了若干可供选择的适合不同土壤条件的颗粒作用模型，包括无粘连/粘连干颗粒模型和牛顿流体/非牛顿流体湿颗粒模型，后者是作者与合作者们近年来所致力于的离散元建模方面的新成果。讨论了用离散元法进行土壤动力学仿真的可行性和若干关键技术问题及对策。指出本方案的实施将更新对耕作过程的力学机理的认识，发展土壤动力学理论，促进耕作机械设计的科学化、合理化。     

深松旋耕碎土联合整地机设计与试验

为减少耕作阻力、改善土壤耕层结构、提高碎土率,该文对联合整地机的深松部件、碎土机构进行设计,设计了入土角度可控的自激振动深松铲,并建立了自激振动深松铲的运动学模型和力学模型,确定弹簧行程为15mm、负载为7 500～15 000 N,并确定了弹簧的结构参数。设计了具有二次碎土功能的笼状碎土辊,并依据农艺要求确定了其结构参数。通过室内土槽试验,验证了自激振动深松铲的减阻效果和耕作质量,并对整机的作业质量进行了田间测试。土槽试验结果表明:与对照相比,自激振动深松铲平均减阻9.22%,土壤蓬松度和土壤扰动系数分别为26.16%和77.21%,减阻效果明显,作业效果较好。田间试验结果表明:联合整地机的深松深度稳定系数、旋耕深度稳定系数、地表平整度和植被覆盖率分别为94.92%、92.50%、1.17 cm和93.36%;笼状碎土辊在整个试验过程中未出现土壤粘附和拥堵现象,碎土率为84.18%,加装普通齿状碎土辊机具的碎土率为71.41%,笼状碎土辊的碎土率提高了12.77个百分点,碎土效果明显改善。深松旋耕碎土联合整地机减阻效果明显、整地质量好,可有效改善土壤的耕层结构,降低土壤容重,提高蓄水保墒能力。     

耕作方式对黄绵土无机磷形态的影响

以设置在陇中黄土高原并已经进行了5年的田间定位试验为基础,采用蒋-顾石灰性土壤无机磷分级法,研究了不同耕作方式对黄绵土无机磷形态的影响。结果表明,供试土壤中78.6%的磷以无机磷形式存在,且以Ca-P占绝大多数。无机磷各形态含量排列顺序为:Ca10-P Ca8-P O-PAl-P Fe-PCa2-P。与传统耕作不覆盖(T)相比,免耕秸秆覆盖(NTS)、免耕不覆盖(NT)、传统耕作结合秸秆还田(TS)均可降低土壤中的Ca8-P、O-P和0—5 cm土层中的Ca10-P含量,其中NTS最为明显;NTS处理可提高土壤中的Al-P、Fe-P含量。不同处理中,Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P均以0—5 cm土层中含量最高,且随着土层的增加呈下降趋势;但是Ca10-P 以5—10 cm土层含量最高;各处理O-P在土壤剖面中的变化没有显著差异。