本文選題：秸稈還田　切入點(diǎn)：秸稈位移　出處：《南京農(nóng)業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：秸桿機(jī)械還田具有增加土壤有機(jī)碳含量、減少土壤侵蝕、降低環(huán)境污染、提高秸稈利用率等作用。由于對含秸稈土壤和機(jī)械的相互作用規(guī)律缺乏深刻認(rèn)識,耕作部件的設(shè)計(jì)少有理論上的依據(jù)。因此,研究含秸稈土壤的力學(xué)性質(zhì)及其與耕作機(jī)械的相互作用規(guī)律有利于進(jìn)一步認(rèn)識秸稈-土壤-機(jī)具作用機(jī)理,對耕作部件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義。土壤-機(jī)具的相互作用一般通過土壤運(yùn)動和機(jī)具受力來表征,而因?yàn)榻斩挼拇嬖?本文從秸稈和土壤的運(yùn)動及旋耕/刀受力角度進(jìn)行三者相互作用的研究。為了研究秸桿-土壤-旋耕刀的相互作用,首先探究了秸仟對土壤抗剪強(qiáng)度的影響;然后在室內(nèi)土槽中,選擇IT225旋耕刀進(jìn)行了秸稈-土壤-旋耕刀相互作用的試驗(yàn):基于離散元仿真軟件EDEM建立了秸稈-土壤-旋耕刀相互作用的三維模型并進(jìn)行仿真分析;還進(jìn)行了田間秸稈-土壤-旋耕機(jī)相互作用的試驗(yàn)。主要研究內(nèi)容和結(jié)論包括:1、在土壤直剪實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,利用自制的秸稈-土壤剪切樣本研究了秸稈類型和秸稈量對土壤抗剪強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)室重塑秸桿-土壤剪切樣本能夠代表田間秸稈-土壤樣本進(jìn)行含秸稈土壤抗剪強(qiáng)度的研究。秸稈的加入會增加土壤的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角;且加入的秸稈越多,土壤內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角越大。秸稈-土壤的內(nèi)聚力隨著秸稈量的增加呈現(xiàn)線性增加趨勢,而內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)二次函數(shù)增加的趨勢。麥秸-土壤和稻秸-土壤在秸稈量為0. 63%時具有相同的內(nèi)聚力;在秸稈量為0. 46%時,二者具有相同的內(nèi)摩擦角。隨著秸稈量的增加,麥秸-土壤的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的增加程度大于稻秸-土壤的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角增加程度。2、在室內(nèi)土槽中,從土壤和秸稈的運(yùn)動位移、旋耕刀扭矩及秸稈掩埋率等角度對秸稈-土壤-旋耕刀相互作用進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明:在室內(nèi)土槽試驗(yàn)中使用單一長度秸稈示蹤器可以達(dá)到較好的測量效果。旋耕速比影響土壤和秸稈的位移及秸稈的掩埋率。旋耕速比越大,桔稈和土壤的運(yùn)動位移越大,也將分散在越大的范圍內(nèi)。秸稈的掩埋情況可以作為秸稈垂直運(yùn)動的指標(biāo),越大的旋耕速比下掩埋的秸稈量越多。不管土壤有無秸稈覆蓋,旋耕過程中刀片最大扭矩都隨著旋耕轉(zhuǎn)速的增加而增加。此外同等轉(zhuǎn)速下,有秸稈覆蓋狀態(tài)中旋耕刀最大扭矩比無秸稈覆蓋狀態(tài)中平均大15%左右。3、在EDEM軟件中建立了土壤-旋耕刀相互作用模型和秸稈_土壤-旋耕刀相互作用的仿真模型,并從土壤和桔桿運(yùn)動及旋耕刀受力角度對秸稈、土壤和刀具的相互作用進(jìn)行了分析。首先在秸稈運(yùn)動方面,將仿真的秸稈位移數(shù)據(jù)與試驗(yàn)的秸稈位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。經(jīng)過誤差擬合后的秸稈水平位移和側(cè)向位移的估算值與試驗(yàn)值誤差為8. 7%和9.3 3%。之后利用仿真數(shù)據(jù),分析了位于刀刃不同位置的秸稈在土壤和刀具作用下的細(xì)觀運(yùn)動行為。與旋耕刀刃有直接接觸的秸稈運(yùn)動比較復(fù)雜:位于側(cè)切刃下方的秸稈開始時被側(cè)切刃擠壓隨刀刃一起入土,后從刃口滑出;位于正切刃內(nèi)側(cè)的秸稈在與正切刃的摩擦影響下隨刀刃有微小向下運(yùn)動,后在刀刃切開土壤時沿正切刃邊緣滑出;側(cè)切刃下方的秸桿運(yùn)動位移總是最大,這歸因于側(cè)切刃的滑切作用。距離旋耕刀工作范圍較遠(yuǎn)的秸稈,因受土壤擾動影響而僅有微小的位移。不同位置的秸稈因受力不同,所以運(yùn)動位移相異,故秸稈能夠在耕作過程中分散在土壤表面。在鉛垂方向,緊靠側(cè)切刃及過渡刃周圍的秸稈顆粒在刀刃切土階段能被旋耕入土。4、利用離散元仿真結(jié)果中的土壤運(yùn)動數(shù)據(jù)與土槽試驗(yàn)中的土壤運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比,并對土壤在三個方向的細(xì)觀運(yùn)動行為進(jìn)行了分析和解釋。結(jié)果表明土壤水平位移和側(cè)向位移的仿真與試驗(yàn)的相對誤差分別為24. 9%和15. 3%。土壤水平和側(cè)向位移都隨著轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)增加的趨勢;土壤的水平運(yùn)動位移總是大于同轉(zhuǎn)速下的側(cè)向位移。在旋耕刀切土范圍內(nèi),淺、中、深層土壤運(yùn)動至背離正切刃朝向一側(cè)的比例分別為10. 1%、28.2%、27.0%;有向相反方向運(yùn)動趨勢的淺、中、深層土壤顆粒比例分別為26. 2%、72.1%、48.4%。對于不同層的土壤,淺層土壤位移明顯大于中層和深層土壤位移;中層土壤位移次之;深層土壤位移最小。在水平力作用下,大部分土壤顆粒隨著旋耕刀切土有向后運(yùn)動的行為;土壤在開始時刻的側(cè)向受力和側(cè)向運(yùn)動方向,由顆粒的側(cè)向位置是否偏離側(cè)切刃軸線決定,位于側(cè)切刃軸線左側(cè)的顆粒,則其側(cè)向力向左,反之亦然;土壤在垂直方向先隨著刀具入土向下運(yùn)動,然后滑出刀刃邊界被刀刃拋起。隨著刀刃入土深度增加,土壤受擾動面積增加,土壤被拋起的數(shù)量和高度也逐漸增加。5、利用仿真的旋耕刀扭矩?cái)?shù)據(jù)與室內(nèi)試驗(yàn)的扭矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了對比,并利用旋耕刀受力的仿真數(shù)據(jù)分析了不同轉(zhuǎn)速條件下刀具所受三個方向的分力及其合力的變化情況。研究結(jié)果表明土槽試驗(yàn)測得的扭矩值比仿真得到的扭矩值大,在有秸稈覆蓋狀態(tài)下試驗(yàn)值比仿真值大19.1%,無秸桿狀態(tài)下則大16.3%。耕作過程所受合力、水平力及側(cè)向力都是從幾乎ON開始增至最大值,然后再降至接近ON,垂直力先從ON增至最大值后再降至ON,之后反向也有類似的先升后降的行為。合力、水平力和垂直力的最大值,都隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加:而側(cè)向力隨轉(zhuǎn)速變化無明顯的變化規(guī)律。在旋耕刀剛開始切土?xí)r,有秸稈覆蓋的土壤受到的阻力總比無秸稈覆蓋的土壤所受阻力要大,土壤表面的秸稈是造成切土之初阻力較大的主要原因。6、在南京市江浦農(nóng)場進(jìn)行了秸稈-土壤-旋耕機(jī)相互作用的試驗(yàn)研究,研究主要從秸稈和土壤位移、秸稈掩埋、土塊破碎等角度進(jìn)行,分析了在實(shí)際生產(chǎn)中,秸稈-土壤-旋耕機(jī)的相互作用及轉(zhuǎn)速對三者相互作用的影響。研究結(jié)果表明:秸稈和土壤位移都隨著轉(zhuǎn)速增加而增加,且水平位移大于側(cè)向位移。刀輥轉(zhuǎn)速對秸稈掩埋有正向影響,秸桿掩埋率隨著轉(zhuǎn)速增加而增加。耕后土壤的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角有所增加,說明秸稈的存在使土壤強(qiáng)度增加,這也使得耕作過程需要更多的力。淺層(0-50 mm)土壤在耕后緊實(shí)度明顯降低,中層(50-100 mm) 土壤只在較高轉(zhuǎn)速耕作后緊實(shí)度明顯降低,深層(100-150 mm) 土壤在耕后緊實(shí)度無明顯變化。土塊平均直徑隨刀輥轉(zhuǎn)速增加而顯著減小,而且碎土率隨著轉(zhuǎn)速增加而增加。對比田間試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和仿真得到的土壤和秸稈位移,發(fā)現(xiàn)無論是土壤還是秸稈位移,田間試驗(yàn)值總比室內(nèi)試驗(yàn)值小,主要是因?yàn)樵囼?yàn)的土壤環(huán)境差異。此外,仿真模型能在一定程度上預(yù)測田間土壤和秸稈位移。
[Abstract]:......
【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】：2016
【分類號】：S222.3

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本文編號：1561575