我國(guó)是油菜生產(chǎn)大國(guó),油菜種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一。傳統(tǒng)油菜種植以人工為主,該種植方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高,對(duì)油菜機(jī)械化耕整地與直播要求迫切。長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)冬油菜的主產(chǎn)區(qū)且主要為稻油輪作的種植模式,油菜播種時(shí)要求種床廂面兩側(cè)具備用于排水的畦溝,但該區(qū)域雨水充沛,土壤黏重板結(jié)、含水量波動(dòng)大,地表秸稈量多,解決耕整地作業(yè)部件的降附減阻、良好的通過(guò)性與廂面作業(yè)質(zhì)量是稻油輪作區(qū)油菜機(jī)械化種植的關(guān)鍵技術(shù)難題,本文以油菜直播機(jī)開(kāi)溝耕整地對(duì)復(fù)雜作業(yè)地表的適應(yīng)性和低耗高效的作業(yè)質(zhì)量為目標(biāo),開(kāi)展油菜直播機(jī)開(kāi)溝耕整部件設(shè)計(jì)及其工作機(jī)理研究,主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)開(kāi)展了稻油輪作區(qū)土壤、水稻秸稈物理機(jī)械特性參數(shù)測(cè)試研究。測(cè)試結(jié)果表明,試驗(yàn)田塊的平均耕層深度均在15cm以內(nèi),犁底層厚度在10cm左右,土壤平均堅(jiān)實(shí)度為238.6?1627.2kPa,土壤質(zhì)地均為黏重型土壤,土壤的塑限和液限含水率范圍分別為25.1%~28.7%、34.2%~39.1%;稻茬田水稻秸稈量為0.98?1.24g/m~2、平均留茬高度為20.7?45.7cm,水稻秸稈含水率為29.6%?66.8%。明確了常年采取單一的旋耕耕作模式,致使土壤耕層深度淺、犁底層厚度大、土壤堅(jiān)實(shí)度大,機(jī)具在土壤含水率高于25%左右的工況條件作業(yè)時(shí),易出現(xiàn)下陷、粘附現(xiàn)象,且油菜適播期時(shí)水稻秸稈量大、韌性強(qiáng),切斷、翻埋秸稈需要較大作用力;分析了稻油輪作區(qū)油菜直播機(jī)作業(yè)條件對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)溝耕整部件工作性能的影響,明確了適用于稻油輪作區(qū)作業(yè)的油菜直播機(jī)開(kāi)溝耕整部件作業(yè)質(zhì)量的影響要素及其設(shè)計(jì)依據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。(2)開(kāi)展了油菜直播機(jī)開(kāi)溝耕整地部件設(shè)計(jì)與分析。針對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)前茬水稻秸稈量大、土壤黏重板結(jié)等油菜播種復(fù)雜作業(yè)工況,提出主動(dòng)式犁耕與被動(dòng)式碎土、平整、開(kāi)畦溝、開(kāi)種溝的聯(lián)合開(kāi)溝耕整工藝方案。設(shè)計(jì)了一種犁體曲面對(duì)稱的開(kāi)畦溝前犁、一種利用船型犁壁切削擠壓土壤原理形成畦溝的組合式船型開(kāi)溝器、一種依靠耙型架體自身仿形的齒耙型種溝開(kāi)溝器以及驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)犁與被動(dòng)式碎土輥組合式耕整地部件。具體包括:(1)依據(jù)犁體導(dǎo)曲線為平滑圓弧曲線時(shí)具有較好切削、減阻特性的原理,分析確定了開(kāi)畦溝前犁主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為犁體最大元線角為45°,最小元線角為40°,起土角為60°;(2)分別構(gòu)建了船型切削刃口切削土壤力學(xué)模型和犁體整形曲面擠壓土壤力學(xué)模型,研究得出整形曲面各區(qū)段的起土角δ較小時(shí),具有較好減阻特性。由此確定組合式船型開(kāi)溝器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為刃口曲線起始滑切角為23°、終止滑切角為45°、切削刃口開(kāi)度為255mm、整形曲面最大元線角為67°、最小元線角為64.98°,整形曲面導(dǎo)曲線開(kāi)度為72mm、長(zhǎng)度為216mm;(3)通過(guò)解析耙型運(yùn)動(dòng)仿形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程,以及種溝滑刀切削土壤機(jī)制,確定了耙型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各連接部位和種溝滑刀的主要結(jié)構(gòu)參數(shù);(4)建立了對(duì)置驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)犁組與土壤作用的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型,并解析了其主要工作、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)作業(yè)性能的影響關(guān)系,確定了驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)犁組作業(yè)深度為130?180mm,工作偏角為27°,工作轉(zhuǎn)速為65~188r/min,速比系數(shù)為1.12?3.24;(5)分析了船型觸土曲面與土壤擠壓作用的互作機(jī)制,研究得出當(dāng)對(duì)置驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)犁組中間區(qū)域?qū)挾葹?50mm時(shí),開(kāi)畦溝部件作業(yè)后可有效保證畦溝和種床廂面質(zhì)量。(3)開(kāi)展了油菜直播機(jī)開(kāi)溝耕整地部件作業(yè)性能測(cè)試與分析。針對(duì)實(shí)際作業(yè)的地表,分別測(cè)試土壤含水率為24.67%、30.40%、37.61%,與之對(duì)應(yīng)的平均土壤堅(jiān)實(shí)度為848.44kPa、647.58kPa、506.84kPa的3種工況條件下,開(kāi)展了開(kāi)畦溝前犁、組合式船型開(kāi)溝器、驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)犁與被動(dòng)式碎土輥組合式耕整地等部件作業(yè)質(zhì)量試驗(yàn)。應(yīng)用激光正交測(cè)試方法和現(xiàn)代化功耗測(cè)試系統(tǒng),測(cè)繪開(kāi)溝耕整地部件作業(yè)后地表斷面,并測(cè)定其作業(yè)功耗。試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)開(kāi)畦溝前犁與組合式船型開(kāi)溝器通過(guò)性良好,可開(kāi)出平均溝深為241.6~308.4mm,平均溝寬為328.6~386.8mm的梯形溝,溝寬、溝深穩(wěn)定性系數(shù)均達(dá)85%以上,滿足油菜播種開(kāi)畦溝農(nóng)藝要求;(2)驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)犁組在3種工況下作業(yè)穩(wěn)定,通過(guò)兩側(cè)限深輪和碎土輥共同作用可達(dá)到較好的耕深穩(wěn)定性,其耕深穩(wěn)定性系數(shù)均在85%以上,對(duì)秸稈埋覆率均高于80%;(3)對(duì)比結(jié)果表明被動(dòng)式碎土輥碎土率較低,且在特別黏重的地表,被動(dòng)式碎土輥無(wú)法實(shí)現(xiàn)碎土功能,齒耙型種溝開(kāi)畦溝難以在被動(dòng)式碎土輥?zhàn)鳂I(yè)后的黏重地表穩(wěn)定作業(yè);(4)開(kāi)畦溝部件牽引阻力測(cè)試結(jié)果表明,組合式船型開(kāi)溝器為主要受載部件,其牽引功耗占總牽引功耗的66.1%~72.1%;(5)正交試驗(yàn)表明,耕深對(duì)整機(jī)功耗和秸稈埋覆率均有極顯著影響,機(jī)組前進(jìn)速度對(duì)整機(jī)功耗影響顯著,驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)犁組工作轉(zhuǎn)速對(duì)秸稈埋覆蓋率影響顯著。研究得出整機(jī)較優(yōu)工作參數(shù)為:耕深深度為180mm,機(jī)組前進(jìn)速度為3.5km/h,驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)犁工作轉(zhuǎn)速為160r/min時(shí),整機(jī)功耗為24.37kW,秸稈埋覆率為92.78%,碎土率為66.74%,廂面平整度為24.18mm,土壤對(duì)犁溝平均填埋率為92.3%,滿足油菜播種農(nóng)藝要求。(4)基于微分幾何理論和EDEM仿真技術(shù),開(kāi)展了開(kāi)溝部件主要觸土曲面(整形曲面)的減阻特性研究。主要包括:(1)建立了適用于不同導(dǎo)曲線型組合式船型開(kāi)溝器的整形曲面宏觀參數(shù)方程,依據(jù)微分幾何理論計(jì)算了導(dǎo)曲線為直線、拋物線、指數(shù)線的整形曲面第一、第二基本形式及其相應(yīng)的內(nèi)蘊(yùn)幾何量E、L、M,明確了內(nèi)蘊(yùn)幾何量為影響不同導(dǎo)曲線型整形曲面內(nèi)在幾何性質(zhì)的主要因素;(2)建立了整形曲面與土壤作用的EDEM仿真模型,通過(guò)開(kāi)展阻力特性仿真試驗(yàn)解析了牽引阻力與整形曲面內(nèi)蘊(yùn)幾何量之間的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明,內(nèi)蘊(yùn)幾何量E的變化速率反映了牽引阻力隨速度變化的快慢程度;內(nèi)蘊(yùn)幾何量L的大小反映了牽引阻力的大小;內(nèi)蘊(yùn)幾何量M的波動(dòng)反映了牽引阻力隨速度變化的波動(dòng)程度。在作業(yè)速度為0.6?1.4m/s、元線角最大變化量為0?10°范圍內(nèi),整形曲面為拋物線型的犁體具有較好減阻特性;(3)以減阻特性相對(duì)較好的拋物線型犁體為試驗(yàn)對(duì)象開(kāi)展了參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn),研究得出當(dāng)機(jī)組作業(yè)速度為1.4m/s時(shí),整形曲面的最大元線角為66.3°和元線角最大變化量為3.9°時(shí),牽引阻力最小為515.20N。(5)結(jié)合反轉(zhuǎn)旋耕相比傳統(tǒng)正轉(zhuǎn)旋耕和被動(dòng)式碎土平整部件可增加切土速度、提高碎土、平整質(zhì)量的特點(diǎn),考慮被動(dòng)式碎土、平整部件對(duì)復(fù)雜工況適應(yīng)性差的不足,提出了主動(dòng)式犁耕與反轉(zhuǎn)旋耕結(jié)合被動(dòng)開(kāi)畦、開(kāi)種溝的聯(lián)合開(kāi)溝耕整地方案,開(kāi)展了油菜直播機(jī)耕整地部件改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究,研究結(jié)果主要包括:(1)建立了反轉(zhuǎn)旋耕切削、拋送土壤的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型,分析了影響反轉(zhuǎn)旋耕刀切削土垡厚度和拋送土壤軌跡的影響因素,確定反轉(zhuǎn)旋耕裝置工作轉(zhuǎn)速為220~270r/min,機(jī)組作業(yè)速度為1.2~1.7m/s,旋耕刀輥?lái)敹伺c主機(jī)架的間距為120mm;(2)建立了驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)犁與反轉(zhuǎn)旋耕組合式耕整地部件與土壤作用的EDEM離散元仿真模型,仿真結(jié)果表明,當(dāng)驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)犁組耕深一定時(shí),機(jī)具作業(yè)時(shí)可保證反旋裝置兩側(cè)壅土量相對(duì)均勻。增大反轉(zhuǎn)旋耕裝置耕深會(huì)增加壅土量且增大機(jī)具牽引阻力,但可顯著提高機(jī)具作業(yè)后的廂面平整質(zhì)量。當(dāng)反轉(zhuǎn)旋耕裝置耕深一定時(shí),增大反轉(zhuǎn)旋耕裝置工作轉(zhuǎn)速、降低機(jī)具作業(yè)速度,可有效減少作業(yè)時(shí)的壅土量,降低機(jī)具牽引阻力,提高機(jī)具作業(yè)穩(wěn)定性和廂面平整質(zhì)量。仿真試驗(yàn)得出機(jī)具較優(yōu)工作參數(shù)為:驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)犁組耕深為180mm、驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)犁組轉(zhuǎn)速為180r/min、反轉(zhuǎn)旋耕裝置耕深為120mm、反轉(zhuǎn)旋耕裝置轉(zhuǎn)速為270r/min、作業(yè)速度為1.2m/s;(3)田間試驗(yàn)表明,在較優(yōu)工作參數(shù)條件下,整機(jī)通過(guò)性良好、工作性能穩(wěn)定,機(jī)具耕深穩(wěn)定性和開(kāi)溝穩(wěn)定性系數(shù)均在90%以上,秸稈埋覆率為92.36%,平均廂面平整度為20.3mm,平均碎土率為86.5%,齒耙型種溝開(kāi)溝器在旋耕后地表能穩(wěn)定作業(yè),開(kāi)溝器橫向和縱向開(kāi)溝溝寬、溝深穩(wěn)定性系數(shù)均達(dá)80%以上,且橫向和縱向溝寬、溝深穩(wěn)定性系數(shù)差值均在10%以內(nèi),可保證沿種床廂面橫向、縱向開(kāi)出種溝溝型穩(wěn)定性,作業(yè)效果滿足油菜播種農(nóng)藝要求。創(chuàng)新點(diǎn)1:提出了一種具備開(kāi)畦溝功能的組合式船型開(kāi)溝器,運(yùn)用微分幾何理論和EDEM仿真方法,明確了其主要觸土曲面的減阻特性;創(chuàng)新點(diǎn)2:提出了一種對(duì)置驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)犁與反轉(zhuǎn)旋耕組合式耕整地部件,適用于稻油輪作區(qū)復(fù)雜地表的油菜播種對(duì)種床廂面質(zhì)量的要求。
【學(xué)位單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S223.2
【部分圖文】：

（c）阿瑪松 ED 精量播種機(jī)組合式開(kāi)溝裝置 （d）凱斯 TM800 型播種機(jī)種肥分施開(kāi)溝裝置圖 1.1 國(guó)外播種機(jī)種肥開(kāi)溝部件Fig.1.1 Foreign ditching equipment of seeders除各種形式的開(kāi)溝器外，鏵式犁類開(kāi)溝部件在農(nóng)田開(kāi)排水溝領(lǐng)域得到了更的應(yīng)用。在鏵式犁類開(kāi)溝部件的研究方面，國(guó)外已有很悠久的歷史。1750國(guó)學(xué)者 Bailey 提出螺旋犁面土垡翻轉(zhuǎn)理論；1788 年美國(guó)學(xué)者 Jefferson 提出定規(guī)則移動(dòng)一條直元線來(lái)描述犁體曲面形狀的方法；1832 年意大利學(xué)mbrusehini 和 Ridolphi 將土垡抽象成矩形斷面的長(zhǎng)土條，土垡在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中不變形的剛體，提出了滾垡型犁體的假象翻垡過(guò)程；在上世紀(jì) 30 年代，蘇者從土垡受彎時(shí)容積壓縮、受扭時(shí)剪切變形引起的內(nèi)外摩擦力，以及受到剪切壞和提升所造成的能耗，提出計(jì)算犁體曲面比阻的理論關(guān)系式；1932 年美者 Nichols 用一個(gè)弓弧掃描形成粘重草地犁，用兩個(gè)弓弧形掃描出熟地犁的區(qū)和碎土區(qū)（Nichols，1932）；1937 年美國(guó)學(xué)者 Wicha 將犁曲面阻力看成

（a）大平原 T1-300 型深松聯(lián)合耕整機(jī) （b）雷肯 Solitair 8 播種機(jī)圖 1.2 國(guó)外聯(lián)合耕整機(jī)械Fig.1.2 Foreign trailed tillage machine1.2.2.2 國(guó)內(nèi)耕整地技術(shù)我國(guó)不同地域的耕地面積和土壤類型差異性較大，傳統(tǒng)的旋耕、犁耕和大型聯(lián)合耕整機(jī)械均在不同區(qū)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中，大型的聯(lián)合耕整機(jī)具主要應(yīng)用于我國(guó)北方旱作地區(qū)，我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的土壤耕整作業(yè)主要以旋耕、犁耕為主。旋耕機(jī)具由于其較好的碎土、平整能力，廣泛應(yīng)用于播種前的耕整地作業(yè)。國(guó)內(nèi)主要使用臥式旋耕機(jī)具。針對(duì)臥式旋耕技術(shù)，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了大量的研究。1995 年陳鈞等通過(guò)對(duì)比分析日本 FT803 型旋耕刀與我國(guó) IT245 旋耕刀的曲面形狀，得出旋耕刀的滑切角、起土角、偏切角為影響刀面形狀和作業(yè)功耗的主要因素（陳鈞等，1995）；2003 熊元芳研制了 1GMS-69 型水田埋草旋耕機(jī)，旋耕裝

油菜直播機(jī)開(kāi)溝耕整地部件設(shè)計(jì)及其工作機(jī)理的力學(xué)模型，探明觸土曲面內(nèi)在幾何性質(zhì)與牽引阻力之間的關(guān)系，探尋采用水平直元線原理形成的犁體曲面減阻設(shè)計(jì)理論依據(jù)。1.4.4 研究方法與技術(shù)路線本文研究技術(shù)路線如圖 1.3 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2826261