大豆垄上耦合仿生镇压轮动力学分析与参数优化

针对现存大豆垄作耕作模式中播种作业后镇压强度差,进而导致土壤水分散失快、土壤温度低、出苗率低等问题,对前期所设计的耦合仿生镇压轮进一步优化设计,并应用于大豆垄上镇压作业,以此来提高镇压轮的作业性能与作业效果。根据对耦合仿生镇压轮的动力学分析得到,影响镇压轮作业性能的因素为镇压轮载重、镇压轮宽度、土壤参数。在土壤参数为自然条件下,以作业速度、镇压轮载重、镇压轮宽度为试验因素,土壤硬度、土壤温度、出苗率为评价指标对耦合仿生镇压轮实施三因素五水平正交旋转组合试验,试验结果表明作业速度为4.38 km/h、镇压轮载重为42.5 kg、镇压轮宽度为21.35 mm时,土壤硬度为369.5 kPa,土壤温度为14.9℃,出苗率为96.7%;对比试验结果表明,相对于传统刚性镇压轮,优化后的耦合仿生镇压轮作业后土壤硬度提高6.42%、土壤温度提高9.56%、出苗率提高3.64%,因此优化设计的耦合仿生镇压轮作业性能与作业效果较优。     

仿生多面体型几何结构镇压辊的设计与试验

针对传统镇压辊粘附土壤、阻力大和壅土问题,基于穿山甲体表鳞片的多边形几何结构,分别设计了正12面体、正15面体和正18面体3种仿生多面体型几何结构镇压辊,制造材料选用Q235。以粘附土壤量、牵引阻力、种子粒距变化率、土壤容重为指标,在室内土槽考察了土壤干基含水率分别为20%和28%时3种仿生几何结构镇压辊在载荷分别为300、500、700N下的镇压效果,并与传统镇压辊对比。结果表明:正12面体仿生镇压辊的种子粒距变化率最低,比传统镇压辊降低了33.19%,即防壅土效果最好,但它却没达到减粘降阻的效果。分别将超高分子量聚乙烯、搪瓷涂层这两种疏水材料分别用于正12面体仿生几何结构镇压辊,通过与传统镇压辊的对比试验证实,采用疏水材料的这两种仿生镇压辊均能达到减粘降阻的效果,镇压辊表面采用超高分子量聚乙烯时粘附土壤量最少,与传统镇压辊相比降低了33.22%;镇压辊表面喷涂搪瓷涂层时阻力最低,与传统镇压辊相比降低了17.87%。该研究结果可为农业机械触土部件表面减粘降阻及防壅土的仿生设计提供参考。     

仿生镇压辊压实性能的有限元分析与试验验证

前期土槽试验结果表明,与传统镇压辊相比,采用Q235制成的正12面体仿生镇压辊的防壅土效果显著,但无法起到减粘降阻的效果。为此,采用有限元方法,从Mises应力云图、接触面积和位移云图3方面对比了正12面体仿生镇压辊和传统镇压辊的压实效果。结果表明:正12面体仿生镇压辊作用于土壤的Mises应力比传统镇压辊增加了40.07%,有利于种子与土壤紧密接触;正12面体仿生镇压辊与土壤的接触面积比传统镇压辊高3.10%,意味着正12面体仿生镇压辊起不到防粘的作用;正12面体仿生镇压辊对应土壤模型节点在X方向的位移比传统镇压辊降低5.88%,证实正12面体仿生镇压辊能起到一定的防壅土作用;两种镇压辊对土壤造成的Y方向的扰动范围及位移变化量相差不大,表明两种镇压辊压后土壤容重接近;正12面体仿生镇压辊造成土壤Z方向位移变化的最大值比传统镇压辊高出5.04%,意味着正12面体仿生镇压辊消耗的功要略高于传统镇压辊,与土槽试验结果吻合。研究结果可为农业机械触土部件压实性能的有限元分析提供数值模拟方法。     

丘陵地区刚性镇压轮性能仿真与试验

东北丘陵地区镇压作业时,不同地形及地势土壤含水率差异较大,若要实现较优的镇压效果,需要与之相对应的载荷和前进速度相配合。为了寻找丘陵地区刚性镇压轮作业的最优水平组合,首先在基于准静态原则的镇压与土壤机理模型基础中加入速度变量建立动态镇压与土壤的机理模型,寻求土壤含水率、载荷、前进速度与土壤下陷量、作业阻力的关系,然后基于SPH算法在LS-DYNA软件中构建刚性镇压轮与土壤的三维仿真模型,模拟刚性镇压轮与土壤相互作用的动态过程。将数值模拟方法与中心面复合响应试验方案相结合进行仿真试验,仿真试验获得土壤含水率、载荷、前进速度与土壤下陷量、作业阻力的数学回归模型,在此基础上,采用R语言中的蚁群算法对数学回归模型进行多目标优化,获得Pareto最优解集,并从中选出含水率（12±0.1）%、（14±0.1）%、（16±0.1）%、（18±0.1）%、（20±0.1）%对应的5组最优解。进行土槽试验对最优解进行验证,试验结果与预测结果误差均小于12%,表明了试验优化结果的可靠性,同时也验证了仿真的可行性。     

2BDB-6(110)型大豆仿生智能耕播机设计与试验

针对中国东北地区春季播种时耕种层地温回升较慢和土壤水分不足,严重阻碍大豆发育的问题,设计了2BDB-6(110)型大豆仿生智能耕播机,该机一次进地可同时完成浅松、碎土、播种、扶垄和镇压等作业,在完成播种施肥作业的同时,有效提升耕种层土壤温度和含水率。本文运用逆向工程和曲线拟合等方法,设计出具有减粘降阻功效的仿野兔爪趾浅松铲和仿穿山甲鳞片扶垄铲;运用STC89C52单片机设计了具有镇压力实时监控功能的镇压力自动调节系统。通过田间单因素对比试验,发现仿生浅松扶垄耕整机构可提高一定深度范围内的土壤温度,与传统耕整机构相比可降低作业阻力13%~20%;镇压力自动调节系统可显著提高镇压作业稳定性,提高平均土壤含水率(0~100 mm)1.36%;通过参数优化试验得出耕播联合作业最佳参数组合为浅松深度20 cm,镇压强度48 k Pa;通过对比验证试验发现,浅松、扶垄耕播联合作业与传统播种作业模式相比,可分别提升10、20、30 cm深度土壤温度0.7、1.3、0.9℃,提升平均土壤含水率(0~100 mm)0.47%,缩短大豆出苗时间0.52 d,提高大豆产量2.05%。     

2BDB-6(110)大豆仿生智能耕播机设计与试验

针对中国东北地区春季播种时耕种层地温回升较慢和土壤水分不足,严重阻碍大豆发育的问题,计了2BDB-6(110)大豆仿生智能耕播机,该机一次进地可同时完成浅松、碎土、播种、扶垄和镇压等作业,在完成播种施肥作业的同时,有效提升耕种层土壤温度和含水率。本文运用逆向工程和曲线拟合等方法,设计出具有减粘降阻功效的仿野兔爪趾浅松铲和仿穿山甲鳞片扶垄铲;运用STC89C52单片机设计了具有镇压力实时监控功能的镇压力自动调节系统。通过田间单因素对比试验,发现仿生浅松扶垄耕整机构可提高一定深度范围内的土壤温度,与传统耕整机构相比可降低作业阻力13%～20%;镇压力自动调节系统可显著提高镇压作业稳定性,提高平均土壤含水率(0～100mm)1.36%;通过参数优化试验得出耕播联合作业最佳参数组合为浅松深度20cm,镇压强度48k Pa;通过对比验证试验,发现浅松、扶垄耕播联合作业与传统播种作业模式相比可分别提升10、20、30cm深度土壤温度0.7、1.3、0.9℃,提升平均土壤含水率(0～100mm)0.47%,缩短大豆出苗时间0.52 d,提高大豆产量2.05%。     

基于微分几何与EDEM的船型开畦沟装置触土曲面优化

针对长江中下游地区油菜种植时土壤黏重板结、含水率波动大、播种作业需开畦沟避免渍害的农艺要求,考虑开沟犁体的触土曲面复杂、难以通过高速数字化土槽及田间试验方法寻求其减阻设计方法和理论依据的问题,采用微分几何理论并结合EDEM仿真方法,开展了驱动圆盘犁对置组合式耕整机开畦沟装置主要触土曲面结构优化研究。通过对主要触土曲面(开畦沟前犁犁体曲面、船式开沟犁整形曲面)牵引阻力分析和曲面参数分析,确定了触土曲面主要结构参数范围。根据微分几何理论,分别建立了能量化描述不同导曲线类型(直线、抛物线、指数曲线)犁体曲面形状变化差异的微分内蕴几何量E、L、M表达式。阻力特性仿真试验结果表明:在作业速度为0. 9～1. 5 m/s、曲面结构参数一定时,导曲线为抛物线型的开畦沟前犁和船式开沟犁具有较好的减阻特性,其平均牵引阻力相比直线型犁体分别低15. 09%、16. 92%,相比指数线型犁体分别低32. 59%、31. 58%。触土曲面的内蕴几何量E、L、M可分别反映犁体阻力随速度的增长速率、犁体牵引阻力大小、犁体阻力随速度的波动程度。当设计犁体的导曲线形状使曲面内蕴几何量E的变化率较小、L为单调减函数、M的波动较小时,犁体具有较好的减阻性能。参数优化仿真试验表明:在作业速度为1. 2 m/s、抛物线型开畦沟前犁宽度为92 mm、船式开沟犁整形曲面最大元线角为66°时,开畦沟装置牵引阻力最小,为1 042. 52 N。田间试验表明:经参数优化的组合式船型开畦沟装置在作业速度为0. 9、1. 2、1. 5 m/s时测试的平均牵引阻力分别为956. 77、1 101. 33、1 564. 85 N,与仿真试验结果误差在7%以内,作业效果满足油菜播种开畦沟的农艺要求。     

仿生镇压辊减粘降阻的有限元分析与试验验证

利用ABAQUS软件建立了传统镇压辊和仿生镇压辊与土壤相互作用的三维有限元模型。模拟结果中伪应变能约占内能的0.1%,传统镇压辊和仿生镇压辊的牵引阻力的模拟值和试验值相对误差分别为11.47%和2.38%,模拟值和试验值吻合较好,验证了模型的可靠性。从Mises应力云图、镇压辊与土壤接触面积和位移云图3方面对2种镇压辊的模拟结果进行了对比。结果表明:仿生镇压辊与土壤的接触应力显著大于传统镇压辊,更利于将土壤表层的土块压碎;仿生镇压辊与土壤的接触面积比传统镇压辊降低了79.05%,有利于降低土壤与仿生镇压辊表面的粘附力,且土槽试验结果得到仿生镇压辊的粘附土壤量比传统镇压辊降低52.78%;仿生镇压辊表面的肋条结构能在一定程度上约束土壤流动,避免了壅土现象的产生;2种镇压辊的下陷量相差很小,压实阻力基本相同,但仿生镇压辊更利于压实表层土壤;传统镇压辊造成土壤沿镇压辊宽度方向的位移扰动量大于仿生镇压辊,需要消耗更多的功。土槽试验结果表明:与传统镇压辊相比,仿生镇压辊的阻力降低了28.66%。     

仿生几何结构表面深松铲铲尖设计与试验

深松铲在西南红壤坡耕地作业过程中,由于土壤黏附性强且板结严重,造成土壤过度扰动和耕作阻力过大的问题.采用工程仿生的技术方法,将具有减阻优异特性的克氏原螯虾和砂鱼蜥体表作为仿生原型,以深松铲铲尖为研究对象,设计仿生凸包、微刺—凸包、仿生鳞片、微刺—鳞片和微刺—凸包—鳞片混合表面5种仿生几何结构表面.通过室内土槽试验,考察...     

仿生凸包起垄刀表面特征参数优化设计

起垄机在作业时发现起垄刀粘附严重,为了解决在黏性土壤环境下起垄刀粘附问题,以土壤动物蜣螂头部表面非光滑凸包结构为仿生对象,通过白光干涉仪获得凸包微观结构的特征参数完成仿生起垄刀设计。基于EDEM仿真分析仿生凸包起垄刀的减粘脱附效果,探索凸包减粘机理,通过田间试验验证仿真分析的有效性。试验结果表明：仿生凸包起垄刀减粘脱附效果由小到大依次为Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ,试验结果与EDEM仿真中得到的结果相一致,验证了仿真的可靠性。其中,仿生起垄刀Ⅱ的减粘性能最好,在18.73%、22.91%、26.87%含水率下的平均粘附量相对于原型刀具分别减少了12.45%、24.64%、6.19%。研究结果可为起垄机减粘脱附仿生设计提供可行的研究方法。     

Wind erosion of light soil in the wheel tracks of a farm tractor

It is estimated that about 17·5% of arable land in the Wielkopolska region of Poland is subject to strong and very strong wind erosion. Mechanization of field work and the basic effects of tractor wheels on the soil are considered to be one of the main causes of this. An investigation was made of the effect of the tractor forward speed and unit wheel load of the tractor and trailer set on the increase of soil surface density, its aggregate structure and susceptibility to wind erosion. Measurements of wheel slip, speed and wheel deformations were based on a recently developed method in which a cine-camera was used, while wind erosion in the track was determined with a specially designed test stand equipped with an air fan and Allnier probe. It was found that compaction of dry soil, at a tractor wheel load of about 117 kPa, decreased wind erosion resistance, whereas compaction of wet soil increased its resistance.     

节水灌溉的土壤水分控制标准问题研究

农田土壤水分散失是在二个表面上进行的，一是土壤表面称之为蒸发，另外是作物表面称之为蒸腾。两者均与土壤水分呈线性相关，即随着土壤水分增大而增大。但土壤水分与光合速率关系研究表明，当土壤水分低于６５～６９％田持时，随着土壤水分增大光合速率增大，若土壤水分高于６５～６９％田持时，随着土壤水分增大光合速率降低。光合作用对土壤水分有一阈值反应。这一阈值可考虑为节水灌溉的田间土壤水分控制标准     

雷州半岛西瓜最佳灌溉模式初步研究

通过利用先进的土壤水分测量仪,对雷州半岛春季西瓜种植期间逐日的土壤含水量进行连续测量,初步弄清了砖红壤的水分迁移变化规律,在此基础上进行了西瓜最佳灌溉模式的初步研究,利用土壤含水量的测量结果来控制灌溉次数和每次灌溉水量,研究结果表明．在无需增加节水机具等投入的情况下,采用合理的灌溉模式比一般常规灌溉模式节水25．2％．如果能对每次灌溉水量进行有效控制和适当缩小西瓜种植穴的直径,节水效率还可进一步提高。     

季节性冻土的水热作用机制研究——以古尔班通古特沙漠南缘为例

【目的】阐明新疆干旱区冻融土壤的水热耦合关系,建立在冻结融化过程中土壤水热耦合模型。【方法】以土壤水动力学、冻土物理学和统计学为理论基础,利用土壤水分与温度测量系统对不同土层深度土壤的温度和湿度进行测量,比较土壤含水率和温度随时间与深度的变化情况,研究了新疆典型干旱区细土平原区与沙漠交错带的冻融土壤水热迁移规律,分析不同土层深度土壤在冻结期、融化期的水热变化特征。【结果】土壤冻结融化过程中,各层土壤的液态含水率、温度均与环境温度的变化趋势基本一致,但随着土层深度增加,土壤温度和含水率的变化趋势均在逐渐减弱;深层土壤的液态含水率在冻结融化过程中基本不随环境温度升降发生变化,浅层5、20 cm土层的温度和含水率之间具有耦合效应。【结论】季节性冻土的水分和温度之间具有耦合效应。     

不同施肥处理红壤水肥耦合效应的研究

对湖南红壤地区不同施肥处理氮磷钾(NPK)、氮磷(NP)、氮(N)、空白(CK)和有机肥氮磷钾配施(NPKOM)小区中硝态氮、铵态氮、速效磷3种速效养分与土壤水分的耦合作用进行了研究,结果表明,未施有机肥的氮磷钾(NPK)、氮磷(NP)、氮(N)、空白(CK)4个处理土壤中硝态氮、铵态氮和速效磷与土壤含水率均呈极显著负相关关系(n=112;P0.01);有机肥与氮磷钾配施处理(NPKOM)土壤中硝态氮、铵态氮和速效磷3种速效养分与土壤含水率也呈极显著的负相关性(n=40;P0.01)。研究区土壤水分和速效养分存在着较好的耦合作用;而增施有机肥可以改善土壤的团粒结构和理化性质,更有利于水肥的耦合作用。     

秸秆覆盖条件下滨海盐渍土水盐分布及蒸发特征

为了揭示秸秆覆盖滨海盐渍土水盐调控机理,通过室内模拟实验研究了不同秸秆覆盖量(0、0.3、0.6、0.9和1.2 kg/m²分别由CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D表示)对土壤水盐运移和蒸发强度的影响。结果表明,秸秆覆盖可有效提高表层及土壤剖面含水率,且增墒效果随秸秆覆盖量的增加而增加:试验期间秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D剖面平均含水率比CK依次高了41.2%、52.3%、65.7%和58.5%;秸秆覆盖可抑制表层土壤盐分积聚并有效调控土壤剖面盐分分布,秸秆覆盖量越大表层积盐量越低,土壤剖面盐分分布越趋于均衡:试验结束时,CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D表层0~2 cm土壤电导率比3~5 cm电导率分别高了246.3%、242.8%、138.4%、40.5%和47.6%;土壤蒸发强度和累积蒸发量随着秸秆覆盖量的增加而降低:试验期间CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D处理平均蒸发强度依次为1.79×10^-3、1.64×10^-3、0.93×10^-3、1.35×10^-3和0.76×10^-3mm/min,累积蒸发量分别为17.79、20.30、14.20、14.57和10.27 mm,且蒸发初期秸秆覆盖对蒸发强度和累积蒸发量的抑制作用更明显。     

土壤中硝态氮的空间变异研究

对10 m×10 m面积内的100个土壤样点取样分析其硝态氮含量,用地质统计学中的区域化变量理论和半方差函数分析,研究结果表明2种含水率土壤中硝态氮含量在一定范围内均具有空间变异性,属于中等程度变异;硝态氮含量的半方差随着取样间距的增加而增加,最后趋于稳定,存在着空间变异结构,对其进行拟合,确定其变异程度及空间相关尺度。     

新型锐角开沟器的设计及数值模拟

针对锐角开沟器土壤扰动大的问题,根据旗鱼头部轮廓曲线设计了3种新型锐角开沟器(仿生旗鱼型、圆弧型和斜线型开沟器)。选择土壤含水率(12±1)%、2种开沟深度(30、90 mm),利用离散元法(DEM)对3种开沟器的工作阻力和土壤扰动进行仿真分析,并进行土槽试验。试验与仿真结果对比表明:各项误差值均在合理范围内,验证了EDEM软件模拟开沟器作业的可行性和准确性。最后选定在开沟深度60mm时,3种类型开沟器、3种土壤含水率为因素进行9种工况下的仿真分析。结果表明:在一定深度情况下,3种开沟器的工作阻力均随含水率的增加而增大;而在含水率变化的情况下,开沟器对土壤扰动(扰动宽度、回土深度)变化不明显。仿生旗鱼型开沟器所受工作阻力和对土壤扰动最小。通过离散元仿真和试验分析,为开沟器的设计提供一种可行的方法,并可为开沟器的设计与优化提供理论依据。     

宁夏引黄灌区单种玉米的水分利用效率研究

针对宁夏引黄灌区严峻的缺水问题，利用玉米的宽窄行种植方式。结合起垄、覆膜、中耕等节水措施，探讨了4种单种玉米种植方式的节水效果和玉米前期推迟灌水的可行性及后期水分胁迫条件下的保水效果。结果表明：垄作沟灌和隔行沟灌可节水34％～35％；覆膜具有较好的增温保水效果。增产幅度在25．4％左右。收支相减，仍有增产效果；隔行沟灌较常规栽培增产幅度在11．8％左右。达到了既增产又节水的目的。在控水条件下，分析了垄背与垄沟、膜内与膜外、宽沟与窄沟的土壤水分差异，提出了玉米推迟灌头水的土壤水分指标，并阐述了后期控水对单种玉米产量及土壤水分的影响。