【摘要】：稻-油和稻-麥兩熟制模式是長江中下游地區(qū)的主要種植模式,其特點為土壤粘重板結(jié),秸稈留茬高,密度大,且前茬作物收獲后,為了搶農(nóng)時,秸稈還田難度大。該工況下作業(yè)時,傳統(tǒng)旋耕機存在作業(yè)質(zhì)量不理想和刀軸易纏繞的問題;帶螺旋橫刀的秸稈還田耕整機雖解決了傳統(tǒng)旋耕機存在的問題,但旱地作業(yè)功耗大,更適用于水田作業(yè)。針對以上問題,本文研究了水稻莖稈切割特性;基于此研究,設(shè)計了滑切-剪切組合式秸稈還田刀片,并研制了六頭螺旋秸稈還田耕整機;基于圓錐貫入阻力和單軸無側(cè)限壓縮方法標(biāo)定了粘濕水稻土離散元參數(shù);建立了土壤-整機-秸稈的離散元模型,分析了土壤顆粒位移、秸稈位移和刀片受力;改進優(yōu)化了六頭螺旋秸稈還田耕整機刀輥,并通過田間試驗對改進優(yōu)化后整機進行了驗證。主要研究結(jié)論包括:(1)無刀片支撐單根水稻莖稈切割時,滑切角60°下單位截面積切割力峰值雖然較小,但切割功耗較大,而滑切角45°下單位截面積切割功耗最小,且與滑切角60°時的單位截面積切割力峰值無顯著性差異,因此,滑切角選取45°左右適宜。有刀片支撐單根水稻莖稈切割時,滑切角30°下單位截面積切割力峰值最小值較滑切角45°、60°下單位截面積切割力峰值最小值大30.9%,且隨著切割速度的增加,該差值逐漸減小,單位截面積切割功耗最小值較滑切角45°、60°下單位截面積切割功耗最小值低31.7%,因此,滑切角選取30°左右適宜。利用快速切割試驗裝置對上述關(guān)于無刀片支撐時滑切角選擇的合理性進行驗證,結(jié)果表明,無刀片支撐切割時滑切角的選擇是合理的。(2)設(shè)計了一種滑切-剪切組合式秸稈還田刀片;依據(jù)刀片切割秸稈過程和前期對滑切角與切割功耗關(guān)系的研究,參考國家標(biāo)準,以滿足長江中下游兩熟制地區(qū)水稻、小麥和油菜播種農(nóng)藝要求的前提下降低作業(yè)功耗為目的,確定了滑切-剪切組合式秸稈還田刀片關(guān)鍵參數(shù)初始值;建立了土壤離散元模型,以刀輥消耗功率為評價指標(biāo),對離散元模型主要參數(shù)土壤-土壤恢復(fù)系數(shù)、土壤-土壤靜摩擦系數(shù)和土壤-土壤滾動摩擦系數(shù)進行標(biāo)定;基于標(biāo)定后土壤離散元模型,對滑切-剪切組合式秸稈還田刀片關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化仿真分析,得到了最佳關(guān)鍵參數(shù)值。田間試驗結(jié)果表明,安裝有滑切-剪切組合式秸稈還田刀片的耕整機碎土率、秸稈粉碎率、秸稈掩埋率、平整度和功耗平均值分別為86.5%、85.0%、87.5%、2.8cm和31.1kW,滿足國家標(biāo)準和長江中下游兩熟制地區(qū)水稻、小麥和油菜播種農(nóng)藝要求;與傳統(tǒng)旋耕刀片對比試驗結(jié)果顯示,滑切-剪切組合式秸稈還田刀片秸稈粉碎率提高2.1%,功耗降低3.7%,驗證了設(shè)計目的,滿足設(shè)計要求。(3)設(shè)計了一種等滑切角二次切刀和六頭螺旋秸稈還田耕整機刀輥;分析計算了切土節(jié)距、作業(yè)耕深和溝底凸起高度,從而確定了刀輥轉(zhuǎn)速、耕深和旋耕速比等作業(yè)參數(shù)的范圍。田間試驗結(jié)果顯示,各因素對秸稈掩埋率和秸稈粉碎率的影響顯著性由大到小分別為耕深、作業(yè)速度、刀輥轉(zhuǎn)速和刀輥轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、耕深,對碎土率和功耗的影響顯著性由大到小分別為刀輥轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、耕深和刀輥轉(zhuǎn)速、耕深、作業(yè)速度;各因素交互作用對秸稈掩埋率和秸稈粉碎率的影響較碎土率和功耗大,其中,秸稈掩埋率隨耕深和作業(yè)速度的增大均呈先增大后減小的趨勢,在耕深為14.7cm、作業(yè)速度為0.71m/s時達到最大值;秸稈粉碎率隨耕深和作業(yè)速度的增加也呈先增大后減小的趨勢,在耕深為14.2cm、作業(yè)速度為0.74m/s時達到最大值。對應(yīng)用響應(yīng)面法分析得到的最優(yōu)參數(shù)組合進行田間試驗驗證,結(jié)果為功耗31.9kW,秸稈掩埋率93.1%,秸稈粉碎率87.5%,碎土率78.3%,與軟件預(yù)測值誤差分別為4.7%、1.4%、1.9%和2.6%。與課題組前期研制的水旱兩用秸稈還田耕整機進行對比試驗,結(jié)果顯示,水旱兩用秸稈還田耕整機秸稈掩埋率和功耗較六頭螺旋秸稈還田耕整機高8.8%和2.3%,但秸稈粉碎率和碎土率較后者分別低3.0%和6.1%。(4)提出了一種基于貫入阻力和單軸無側(cè)限壓縮的粘濕水稻土離散元參數(shù)標(biāo)定方法,標(biāo)定結(jié)果如下,基于圓錐貫入仿真與試驗得到滿足要求的標(biāo)定參數(shù)組合共11組,經(jīng)過單軸無側(cè)限壓縮仿真與試驗得到其中誤差最小的參數(shù)組合為顆粒半徑4.4mm,靜摩擦系數(shù)0.48,表面能27J·m~(-2)。基于上述標(biāo)定參數(shù)建立了土壤-整機-秸稈離散元模型,仿真分析發(fā)現(xiàn),上層土壤顆粒既有向前拋撒,也有向后拋撒,而中層和底層土壤顆粒以向后拋撒為主;由于刀片的螺旋線排列方式,刀輥對土壤具有軸推作用,因此,土壤顆粒具有向螺旋線旋向方向的運動趨勢;對于垂直位移,上層土壤顆粒具有向下的運動趨勢,中層和底層土壤顆粒具有向上的運動趨勢,所以,六頭螺旋秸稈還田耕整機有利于土壤的混合。秸稈既有向前的拋撒可能,也有向后的拋撒可能,并具有向整機兩側(cè)的運動趨勢;向下運動位移,即掩埋深度,平均值為9.9cm。刀片受力分析顯示,一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),旋耕刀片和等滑切角二次切刀受力均呈先增大后減小的變化規(guī)律,且在最大耕深處達到最大值。三個方向中,Y軸方向受力最大,X軸方向受力最小�；讷@取的刀片受力情況,以左刀輥為研究對象,建立了六頭螺旋秸稈還田耕整機刀輥有限元模型;應(yīng)用有限元軟件ANSYS Workbench進行仿真,得到了刀輥作業(yè)時的應(yīng)力、應(yīng)變和總變形云圖;分析各云圖可得,刀輥作業(yè)時最大應(yīng)力為83.9MPa,發(fā)生在刀座與刀軸焊接處;最大變形量為0.93mm,發(fā)生在旋耕刀片正切刃處,其余變形較小,滿足使用要求。田間試驗結(jié)果表明,仿真測得上層、中層、下層土壤顆粒的橫向位移、縱向位移、垂直位移與試驗測量值誤差分別為4.9%、2.8%、6.4%,5.4%、2.8%、6.5%和8.5%、10.0%、29.9%。橫向擺放秸稈的橫向位移和縱向位移既有正值也有負值,但垂直位移均為正值;縱向擺放秸稈的橫向位移有正有負,即既有拋向整機前方的,也有拋向整機后方的,但以拋向整機后方秸稈居多,縱向位移和垂直位移均為正值,即秸稈有向整機內(nèi)側(cè)和土壤下方的運動趨勢;傾斜擺放秸稈的橫向位移、縱向位移和垂直位移均為正值,即右刀輥作業(yè)區(qū)秸稈具有向整機內(nèi)側(cè)、后方和下方的運動趨勢。(5)對已設(shè)計六頭螺旋秸稈還田耕整機刀輥進行改進優(yōu)化設(shè)計,改進目的為避免刀輥在含水率較大的粘重板結(jié)土壤中作業(yè)時易夾土的現(xiàn)象發(fā)生,改進的主要措施是調(diào)整等滑切角二次切刀與前一時刻入土的相鄰秸稈還田刀片之間的夾角,通過分析調(diào)整為55°;田間試驗結(jié)果顯示,改進后刀輥在低轉(zhuǎn)速作業(yè)時未出現(xiàn)夾土現(xiàn)象,從而驗證了改進的合理性。對比田間試驗結(jié)果表明,六頭螺旋秸稈還田耕整機解決了傳統(tǒng)旋耕機在水旱輪作模式粘重板結(jié)土壤環(huán)境下秸稈還田作業(yè)質(zhì)量不理想和易纏繞的問題,且功耗較傳統(tǒng)旋耕機和帶螺旋橫刀的水旱兩用秸稈還田耕整機低。六頭螺旋秸稈還田耕整機在水稻茬田和麥茬田旱耕作業(yè)試驗結(jié)果顯示,水稻茬田作業(yè)碎土率和秸稈粉碎率較麥茬田低,但秸稈掩埋率較麥茬田高;此外,兩種田塊試驗結(jié)果對比分析也可得出,碎土率、秸稈粉碎率和秸稈掩埋率不僅與秸稈還田耕整機作業(yè)參數(shù)有關(guān),而且與秸稈和土壤特性也有著密不可分的關(guān)系。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S224.29
【圖文】：

垂直切割分別低10%和20%（Igathinathaneetal2010）。為了優(yōu)化刀片設(shè)計，Sunil K.Mathanker 等人研究了切割速度和刀片傾斜角對切割能量的影響，試驗裝置如圖1.1 所示。結(jié)果表明：切割比能隨切割速度的增加而增加；當(dāng)傾斜角為60°、切割速度為7.9m/s時，平均比能最低，是0.26J/mm；當(dāng)?shù)镀瑸橹钡镀�、切割速度�?6.4m/s 時，平均比能最高，是1.24J/mm；比能與秸稈直徑、秸稈橫截面積呈較好的相關(guān)性；當(dāng)傾斜角為30°、平均切割速度為11.3m/s、秸稈直徑從11mm到17mm變化時，切割能量在4.5J到15J范圍內(nèi)（Sunilet al 2015）。圖 1.1 能源甘蔗切割試驗裝置Fig. 1.1 Energycane cutting test deviceM.NazariGaledar等人通過試驗研究分析了含水率和位置對苜蓿秸稈力學(xué)性能的影響。試驗在4 種含水率（10%、20%、40%和80%）和3 個位置（頂部、中部和底部）下進行，其中，剪切強度測試裝置如圖1.2 所示。結(jié)果表明：當(dāng)含水率低于40%時，秸稈不同位置對最大直徑、最小直徑、厚度、橫截面積和極矩?zé)o顯著影響；不同含水率下，秸稈頂部、中部、底部的抗拉強度分別為 9.24~26.35MPa、16.31~32.74MPa 和28.88~43.82MPa；最大剪切強度

M.NazariGaledar等人通過試驗研究分析了含水率和位置對苜蓿秸稈力學(xué)性能的影響。試驗在4 種含水率（10%、20%、40%和80%）和3 個位置（頂部、中部和底部）下進行，其中，剪切強度測試裝置如圖1.2 所示。結(jié)果表明：當(dāng)含水率低于40%時，秸稈不同位置對最大直徑、最小直徑、厚度、橫截面積和極矩?zé)o顯著影響；不同含水率下，秸稈頂部、中部、底部的抗拉強度分別為 9.24~26.35MPa、16.31~32.74MPa 和28.88~43.82MPa；最大剪切強度和剪切能量分別

【參考文獻】

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10 李永磊;宋建農(nóng);康小軍;董向前;姜洪U

本文編號：2714460