【摘要】：犁耕阻力、能量消耗、耕地質(zhì)量和所需費用取決于犁體設(shè)計,這是由犁鏵、犁壁及其支撐面參數(shù)確定的。犁耕阻力、秸稈位移及土壤反力對于耕作機具耕作性能評價是非常重要的參數(shù)。本研究探討一種加裝覆草板的鏵式犁的性能,優(yōu)化其使用。通過兩年的田間試驗,研究一個輕型鏵式犁加裝及不裝覆草板時的性能。目前在田間仍需要一定量的秸稈保護(hù)土壤免受風(fēng)和水的侵蝕。然而,除了大量的試驗研究,人們還不能很好地解釋土壤運動、秸稈位移和覆埋、以及土壤和機具參數(shù)之間存在的相互關(guān)系,這主要是由于土壤的產(chǎn)生、質(zhì)地、不確定的氣候條件和作物系統(tǒng)及其相互之間關(guān)系的復(fù)雜性所產(chǎn)生的。本研究包括實驗室試驗和田間試驗。實驗室試驗在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院進(jìn)行,田間實驗在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)江浦實驗農(nóng)場進(jìn)行。在田間試驗中,測試了耕作深度和鏵式犁覆草板的性能,在兩種秸稈量、有無覆草板情況下的犁耕阻力和土壤反力,以及在低速作業(yè)(0.1 m/s)、不同土壤含水率情況下小麥秸稈的位移和覆埋情況。采用有限元法(FEM)建立了應(yīng)力分布的仿真模型,并與兩種秸稈量、有無覆草板時田間試驗的應(yīng)力分布進(jìn)行了比較。田間試驗進(jìn)行了兩年,以便確定不同土壤含水率影響的差異。鏵式犁耕作時存在的一個問題是,機具要同時分別切斷殘茬秸稈和破碎土壤,通過推拉分隔使他們上升和改變位置,以便進(jìn)行翻蓋覆埋。但這種作用對于秸稈的混合效率很低,并影響機具的牽引性能。耕作過程中在鏵式犁上安裝覆草板能夠破碎犁鏵上的部分土垡,在土垡翻轉(zhuǎn)前使秸稈覆埋更加容易。然而,還沒有試驗數(shù)據(jù)能夠很好地說明土壤、耕作部件和覆草板之間的相互關(guān)系。試驗結(jié)果總結(jié)如下:1、犁耕阻力是耕作機具性能的重要參數(shù)。本研究探討了覆草板對鏵式犁耕作性能和系統(tǒng)優(yōu)化的影響。在田間土壤含水率30%左右時,測試了在兩種秸稈量(只有殘茬、無秸稈,大量秸稈)、有無覆草板四種情況下的犁耕阻力和垂直作用于犁上的力(這四種情況是:WTNS —加裝覆草板、田間僅有殘茬無秸稈,WTHS —加裝覆草板、田間有大量秸稈,WTONS —不裝覆草板、田間僅有殘茬無秸稈,WTOHS —不裝覆草板、田間有大量秸稈),并采用有限元法(FEM)模擬了作用在犁上的應(yīng)力分布。結(jié)果表明:在不裝覆草板情況下,田間有大量秸稈比僅有殘茬時的犁耕阻力顯著增大。在有、無覆草板時,鏵式犁在上述不同情況下具有不同的犁耕阻力。耕深為15 cm時,覆草板和田間秸稈情況對于犁耕阻力的綜合影響是:WTHS (2794.88 N) WTNS (2345.69 N),以及 WTOHS (3248.87 N) WTONS (2760.81 N)。作用于犁上的垂直力隨著犁耕深度顯著增大,但與田間秸稈情況和有、無覆草板無關(guān)。覆草板顯著增大犁耕阻力。在田間僅有殘茬情況下,安裝覆草板時土壤位移的范圍為33-60 cm、平均值為48.89 cm,不裝覆草板時土壤位移的范圍為50-70 cm、平均值為64.22 cm。在田間有大量秸稈情況下,安裝覆草板時土壤位移的范圍為38-60 cm、平均值為46.44 cm,不裝覆草板時土壤位移的范圍為45 —60 cm、平均值為49.77 cm。在其他土壤情況下(裸露的土壤以及有直立的秸稈)也發(fā)現(xiàn),安裝覆草板能夠減少土壤的位移(從而有利于秸稈的覆埋)。有限元仿真的結(jié)果與田間試驗相一致,仿真結(jié)果顯示了犁體表面的應(yīng)力分布以及使土壤發(fā)生的失效。仿真結(jié)果表明,作用于犁體上的最大等效應(yīng)力為279.43 MPa,而土壤材料的屈服應(yīng)力為250 MPa。在田間有大量秸稈情況下,鏵式犁上安裝覆草板是十分重要的。2、田間仍需要一定量的秸稈保護(hù)土壤免受風(fēng)和水的侵蝕。為了更好地了解秸稈對土壤的保護(hù)效果,對小麥秸稈位移及覆埋情況與犁耕速度、耕作深度及覆草板之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。田間試驗考察了3種因素的影響,即:犁的類型(有、無安裝覆草板)、秸稈長度(100、150、250 mm)、田間秸稈情況。試驗前制備一定長度的秸稈作為示蹤物測量土壤及秸稈的位移。結(jié)果表明:土壤位移和秸稈位移明顯不同,但二者相互關(guān)聯(lián)。隨著秸稈長度的增加,土壤向前和側(cè)向位移增大,150 mm秸稈的側(cè)向和向前位移小于250 mm的秸稈。由于秸稈的向前和側(cè)向位移,使土壤的位移減小。不論秸稈與土壤怎樣混合,秸稈位移總是明顯大于土壤位移。安裝覆草板時能夠減少土壤位移,但對秸稈位移沒有明顯的影響。長秸稈比短秸稈更難于埋入土壤中,安裝覆草板能夠提高覆埋秸稈的性能。結(jié)果還表明:低速作業(yè)時犁耕的土塊更破碎,秸稈位移更大,更多的秸稈被覆埋。不裝覆草板(WTONS)時,秸稈殘茬覆蓋率可達(dá)54%,而安裝覆草板(WTNS)后,覆蓋率僅為42%。與不裝覆草板的WTONS相比,最小覆蓋率出現(xiàn)在安裝覆草板的WTNS處理中,即與不裝覆草板的犁相比,安裝覆草板后顯著減小了秸稈殘茬覆蓋率。此外,在相同犁耕速度時,長秸稈較短秸稈更有利于土壤破碎;靠近犁鏵部位秸稈的位移比靠近犁體(犁壁)部分的秸稈位移更大。3、犁耕過程中,在鏵式犁上安裝覆草板能夠破碎犁壁上的部分土垡,在土垡翻轉(zhuǎn)前使秸稈覆埋更加容易。通過兩年的田間試驗,研究了輕型鏵式犁有無覆草板、以及受殘茬高度和土壤含水率影響的性能。在兩年的試驗中,測量了犁耕深度、土壤含水率(24%、30%)及土壤反力等對鏵式犁性能的影響。在0.1 m/s耕作速度下,測量了秸稈殘茬位移及覆埋情況、土壤位移及土塊破碎的大小。第一年試驗表明,不論田間僅有殘茬或有大量秸稈,安裝覆草板后犁耕阻力和土壤反力更大。第二年試驗在田間僅有殘茬情況下,也觀察到同樣的現(xiàn)象。土壤反力作用在鏵式犁犁體上。當(dāng)耕深為15 cm、土壤含水率為24%時,在田間有大量秸稈情況下,安裝覆草板(WTHS)鏵式犁的土壤反力為1794.88 N,不裝覆草板(WTOHS)鏵式犁的土壤反力為1248.87 N;在田間僅有殘茬情況下,安裝覆草板(WTNS)鏵式犁的土壤反力為1345.69 N,不裝覆草板(WTONS)鏵式犁的土壤反力為1060.81 N。最小的土壤反力出現(xiàn)在WTONS情況下,而最大土壤反力出現(xiàn)在WTHS情況下。當(dāng)耕深分別為5 cm和10 cm時也觀察到類似現(xiàn)象。這說明,當(dāng)土壤含水率為24%左右時,使用覆草板會增加土壤反力。當(dāng)土壤含水率不同時,安裝覆草板建議在土壤含水率較大時使用。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析高度顯著(P0.01)。試驗結(jié)果還表明,土壤含水率很大時,使用覆草板可以減小犁耕阻力。4、每年全世界產(chǎn)生超過5億噸小麥秸稈,多數(shù)都在田間焚燒,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染、健康問題及交通事故,同時損失了可利用的資源。每1.3 kg的小麥谷物大約產(chǎn)生1kg秸稈。麥秸稈量大,可作為可再生能源加以利用,進(jìn)行氣化、用于燃燒系統(tǒng)。為了在熱化學(xué)轉(zhuǎn)換過程中更好地利用麥秸稈,應(yīng)當(dāng)更好地了解其物理性質(zhì)。通過試驗比較了蘇麥188和揚輻麥2號兩種小麥秸稈的物理性質(zhì)(含水率、破碎尺寸、容重、孔隙度等),還測試了秸稈表面覆蓋率。蘇麥188和揚輻麥2號小麥秸稈含水率范圍分別是18.26%-32.36%和15.54%-28.08%,蘇麥188含水率顯著高于揚輻麥2號(p0.05)。蘇麥188和揚輻麥2號秸稈的破碎尺寸范圍分別是0.8-51.1 mm和3.2 -45.1 mm,揚輻麥2號秸稈破碎尺寸呈正態(tài)分布,而蘇麥188則呈下降趨勢,破碎尺寸越大則其重量百分比越大。蘇麥188秸稈的平均容重范圍70-96.75 kg/m3,而揚輻麥2號則為129.32-167.03 kg/m3,蘇麥188秸稈容重小于揚輻麥2號。蘇麥188和揚輻麥2號秸稈的孔隙度范圍分別是60.1%—62.7%和63.8%-64.2%,孔隙度和平均破碎尺寸之間存在正相關(guān)關(guān)系。上述試驗結(jié)果表明,從同一農(nóng)場取出的蘇麥188和揚輻麥2號兩種小麥秸稈具有不同的物理性質(zhì),這可能是由于氣候條件和肥料使用不同所造成的。
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S222.1
【圖文】：

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【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2791378