鎮(zhèn)壓輥是農(nóng)業(yè)機(jī)械中典型的滾動(dòng)觸土部件，用于壓實(shí)土壤。適當(dāng)?shù)膲簩?shí)可以減少土壤中的大孔隙，使種子與土壤緊密接觸，加強(qiáng)毛細(xì)管作用，提高作物產(chǎn)量。傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥材料多為石材、鑄鐵或鋼材，觸土表面在宏觀上是普通光滑的，其作業(yè)過(guò)程中容易粘附土壤，不但增加能耗，降低作業(yè)效率，而且使土壤失墑嚴(yán)重，影響種子發(fā)芽。此外，傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程中會(huì)將一部分土壤推到鎮(zhèn)壓輥前方，形成波浪狀凸起，即“拖堆壅土”現(xiàn)象，不但使鎮(zhèn)壓輥達(dá)不到鎮(zhèn)壓的目的，還要多消耗功，而且會(huì)導(dǎo)致種子間距分布不均，造成作物減產(chǎn)。 鎮(zhèn)壓力的合理選擇與土壤墑情有關(guān)。本研究通過(guò)壓板下陷試驗(yàn)獲得含水量分別為20%d.b.和28%d.b.的土壤在不同鎮(zhèn)壓力下的土壤容重和下陷量。采用Bailey三參數(shù)模型描述應(yīng)力-容重關(guān)系，通過(guò)Matlab最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到2種土壤含水量對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-容重方程。將適宜玉米生長(zhǎng)的容重帶入方程，并經(jīng)過(guò)換算，得到土壤含水量分別為20%d.b.和28%d.b.時(shí)，適宜的鎮(zhèn)壓力范圍為25.25kg~88.48kg和13.95kg~70.26kg，為后續(xù)土槽試驗(yàn)和田間試驗(yàn)提供了依據(jù)，并且不同鎮(zhèn)壓力對(duì)應(yīng)的下陷量可以用來(lái)驗(yàn)證有限元的模擬結(jié)果。 土壤洞穴動(dòng)物臭蜣螂和穿山甲在粘濕土壤環(huán)境中行動(dòng)自如，且身體表面不粘土。研究表明其體表的幾何結(jié)構(gòu)是其防粘減阻的原因之一。本研究根據(jù)臭蜣螂(Coprisochus Motschulsky)腹側(cè)面的幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了9種仿生肋條型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，其中仿生肋條結(jié)構(gòu)采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料，通過(guò)螺紋緊固方式固定在鎮(zhèn)壓輥基體上，鎮(zhèn)壓輥基體采用Q235鋼。用正交試驗(yàn)方案在室內(nèi)土槽進(jìn)行試驗(yàn)研究，以粘附土壤量、牽引阻力、種子粒距變化率和土壤容重為試驗(yàn)指標(biāo)，考察土壤含水量分別為20%d.b.和28%d.b.時(shí)，仿生肋條結(jié)構(gòu)的底面寬度、高寬比(仿生肋條結(jié)構(gòu)的斷面高度/底面寬度)、載荷和面積比(仿生肋條結(jié)構(gòu)在柱面上投影面積之和與鎮(zhèn)壓輥表面積之比)對(duì)仿生肋條型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)性能的影響；根據(jù)穿山甲(Manis Pentadactyla)體表的鱗片結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，其材料與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥一樣，均是Q235鋼，對(duì)比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥與3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥在3種載荷和2種土壤含水量下的作業(yè)效果。通過(guò)優(yōu)化得出效果最佳的仿生肋條型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥和仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，將Q235鋼、UHMWPE材料和搪瓷涂層材料應(yīng)用到優(yōu)化后的仿生肋條型幾何結(jié)構(gòu)和仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)上，考察材料對(duì)兩種類型仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥防粘減阻的影響。 采用有限元軟件ABAQUS建立傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥及土槽試驗(yàn)優(yōu)化得到的采用UHMWPE材料的仿生肋條型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥和采用Q235鋼的仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥與土壤相互作用的模型。模擬結(jié)果中偽應(yīng)變能約占內(nèi)能的0.1%，證明沙漏模式對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略，傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥以及兩種類型仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的牽引阻力和下陷量的模擬值與試驗(yàn)值吻合很好，從而驗(yàn)證了所創(chuàng)建有限元模型的可靠性。從Mises應(yīng)力云圖、鎮(zhèn)壓輥與土壤的接觸面積和X、Y、Z方向的位移云圖三方面對(duì)比3種鎮(zhèn)壓輥的模擬結(jié)果，分析了仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥防粘減阻、防壅土的機(jī)理。 本研究進(jìn)行了田間試驗(yàn)，以牽引阻力、土壤容重、種床土壤含水量的變化趨勢(shì)、株距變化率和出苗率為試驗(yàn)指標(biāo)，考察了使用3種材料的仿生肋條型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥和仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥在3種載荷和2種作業(yè)速度下的田間作業(yè)效果，并與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥對(duì)比，同時(shí)考察了仿生幾何結(jié)構(gòu)材料、仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥類型、作業(yè)速度和載荷對(duì)仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)性能的影響。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：S222.23
【部分圖文】：

而且傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程中會(huì)將一部分土壤推到鎮(zhèn)壓輥前方，形成波浪狀凸起，即“拖堆壅土”現(xiàn)象[12, 13]。不但使鎮(zhèn)壓輥達(dá)不到鎮(zhèn)壓的目的，還會(huì)使鎮(zhèn)壓輥多消耗功來(lái)推移隆起的土壤，而且會(huì)導(dǎo)致種子間距分布不均，進(jìn)而影響植株田間分布均勻性，造成作物減產(chǎn)。所以減輕土壤對(duì)鎮(zhèn)壓輥表面的粘附，避免作業(yè)過(guò)程中的壅土現(xiàn)象，使土壤形成適當(dāng)?shù)耐寥缊?jiān)實(shí)度，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2 鎮(zhèn)壓裝置的發(fā)展概況鎮(zhèn)壓裝置按功能來(lái)說(shuō)，一是主要用于全面鎮(zhèn)壓的鎮(zhèn)壓器，屬于整地機(jī)械；二是主要用于播后鎮(zhèn)壓的鎮(zhèn)壓輪或鎮(zhèn)壓輥，屬于播種機(jī)械中精密播種機(jī)附帶的一部分[11]。1.2.1 鎮(zhèn)壓器鎮(zhèn)壓器的類型主要包括 V 形鎮(zhèn)壓器、網(wǎng)環(huán)形鎮(zhèn)壓器和圓筒形鎮(zhèn)壓器等[11]，如圖 1.1~圖 1.3 所示。

而且傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程中會(huì)將一部分土壤推到鎮(zhèn)壓輥前方，形成波浪狀凸起，即“拖堆壅土”現(xiàn)象[12, 13]。不但使鎮(zhèn)壓輥達(dá)不到鎮(zhèn)壓的目的，還會(huì)使鎮(zhèn)壓輥多消耗功來(lái)推移隆起的土壤，而且會(huì)導(dǎo)致種子間距分布不均，進(jìn)而影響植株田間分布均勻性，造成作物減產(chǎn)。所以減輕土壤對(duì)鎮(zhèn)壓輥表面的粘附，避免作業(yè)過(guò)程中的壅土現(xiàn)象，使土壤形成適當(dāng)?shù)耐寥缊?jiān)實(shí)度，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2 鎮(zhèn)壓裝置的發(fā)展概況鎮(zhèn)壓裝置按功能來(lái)說(shuō)，一是主要用于全面鎮(zhèn)壓的鎮(zhèn)壓器，屬于整地機(jī)械；二是主要用于播后鎮(zhèn)壓的鎮(zhèn)壓輪或鎮(zhèn)壓輥，屬于播種機(jī)械中精密播種機(jī)附帶的一部分[11]。1.2.1 鎮(zhèn)壓器鎮(zhèn)壓器的類型主要包括 V 形鎮(zhèn)壓器、網(wǎng)環(huán)形鎮(zhèn)壓器和圓筒形鎮(zhèn)壓器等[11]，如圖 1.1~圖 1.3 所示。

鎮(zhèn)壓裝置按功能來(lái)說(shuō)，一是主要用于全面鎮(zhèn)壓的鎮(zhèn)壓器，屬于整地機(jī)械；二是主要用于播后鎮(zhèn)壓的鎮(zhèn)壓輪或鎮(zhèn)壓輥，屬于播種機(jī)械中精密播種機(jī)附帶的一部分[11]。1.2.1 鎮(zhèn)壓器鎮(zhèn)壓器的類型主要包括 V 形鎮(zhèn)壓器、網(wǎng)環(huán)形鎮(zhèn)壓器和圓筒形鎮(zhèn)壓器等[11]，如圖 1.1圖 1.3 所示。圖 1.1 V 形鎮(zhèn)壓器 圖 1.2 網(wǎng)環(huán)形鎮(zhèn)壓器
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2873339