【摘要】：土地耕作對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分重要,長(zhǎng)久以來我國實(shí)行翻耕作業(yè),在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)對(duì)土地造成了破壞,導(dǎo)致風(fēng)蝕、水蝕現(xiàn)象的加劇,并形成了堅(jiān)硬的犁底層。保護(hù)性耕作做為一種少耕免耕技術(shù)開始在世界各國廣泛應(yīng)用,深松技術(shù)是保護(hù)性耕作的重要內(nèi)容,深松鏟是深松機(jī)具上疏松土壤的保護(hù)性耕作部件,然而現(xiàn)階段深松作業(yè)中普遍存在作業(yè)阻力大,耗能嚴(yán)重,以及耕作效果不理想等問題,嚴(yán)重阻礙了深松技術(shù)的推廣�，F(xiàn)階段研究中缺乏合適的深松鏟結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。本研究針對(duì)以上問題,基于離散元法對(duì)深松鏟的工作過程進(jìn)行了研究,本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:(1)依據(jù)田間土壤特點(diǎn),在原有離散元模型的基礎(chǔ)上加入了平行粘結(jié),建立了土壤顆粒的離散元模型。對(duì)田間土壤進(jìn)行分析,由于土壤顆粒間毛管水形成的液橋力對(duì)深松鏟的耕作阻力造成很大的影響,因此,在離散元線性接觸模型的基礎(chǔ)上加入平行粘結(jié)作用,用以反映顆粒間粘結(jié)作用。通過仿真三軸壓縮試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室三軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比從而校正土壤顆粒微觀參數(shù)。采用校正后的土壤對(duì)深松鏟的工作過程進(jìn)行離散元法仿真,仿真分析在耕深為180 mm~260 mm以及耕作速度為1 m·s-1的條件下進(jìn)行,同時(shí),在相同條件下對(duì)深松鏟進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明在該耕作條件下離散元法仿真誤差范圍為2.96%~14.95%,證明離散元法能較準(zhǔn)確反映深松鏟的工作過程。(2)基于棕熊爪趾結(jié)構(gòu),采用仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)了耕深為300 mm的仿生深松鏟,將該仿生深松鏟與國標(biāo)圓弧形深松鏟在相同條件下進(jìn)行對(duì)比,分析了仿生深松鏟的減阻效果,對(duì)仿生深松鏟的減阻原因和深松效果進(jìn)行了分析。研究棕熊爪趾結(jié)構(gòu),提取爪趾曲線作為深松鏟內(nèi)外準(zhǔn)線,在國標(biāo)圓弧形深松鏟的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了仿生深松鏟,對(duì)所設(shè)計(jì)的仿生深松鏟進(jìn)行了有限元強(qiáng)度校核。為分析所設(shè)計(jì)深松鏟的減阻效果,在作業(yè)速度為0.8 m·s-1,耕深分別為220 mm,260 mm和300 mm的條件下與國標(biāo)圓弧形深松鏟進(jìn)行土槽對(duì)比試驗(yàn),同時(shí)進(jìn)行了離散元法仿真對(duì)比,得到仿生深松鏟的減阻效率為10.99%~26.81%,并對(duì)仿生鏟柄與仿生鏟尖各自的減阻效果進(jìn)行了研究,仿生鏟尖的減阻率為3.43%~16.11%,仿生鏟柄的減阻率為7.82%~12.75%�；陔x散元法在土壤擾動(dòng),速度場(chǎng),接觸力場(chǎng)以及平行粘結(jié)場(chǎng)這幾方面對(duì)比了基于棕熊爪趾的仿生深松鏟與國標(biāo)圓弧形深松鏟的耕作效果,表明兩者耕作效果相近,國標(biāo)圓弧形深松鏟耕作阻力較大的原因一是土壤顆粒在深松鏟的推動(dòng)下朝圓心方向運(yùn)動(dòng)造成土壤堆積,二是圓弧形深松鏟對(duì)土壤有較大的提升效果。(3)對(duì)黑熊爪趾的松土過程進(jìn)行分析,將入土角為30°時(shí)的黑熊爪趾曲線用于仿生深松鏟的設(shè)計(jì)。采用三維掃描方法獲取黑熊爪趾結(jié)構(gòu),基于離散元法對(duì)黑熊爪趾在不同入土角(0°~45°),不同作業(yè)深度(3 mm~18 mm)下的作業(yè)阻力,土壤孔隙率變化以及排出土量進(jìn)行研究。研究表明水平阻力隨著入土角的增加線性增長(zhǎng),垂直阻力隨入土角的增加呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。爪趾排出土量隨入土角的增大先緩慢增加隨后減小。作業(yè)阻力,排出土量以及孔隙率變化量隨著工作深度的增加迅速增大。綜合以上各因素,通過耕作綜合評(píng)價(jià)系數(shù)對(duì)黑熊爪趾總的耕作性能進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明當(dāng)爪趾入土角為30°時(shí)耕作效果最好。在此基礎(chǔ)上,提取入土角為30°時(shí)的黑熊爪趾曲線,基于凱斯深松鏟,設(shè)計(jì)了仿生深松鏟,在耕深為350 mm,耕速為0.8m·s-1的條件下基于離散元法對(duì)比了該仿生深松鏟與凱斯深松鏟的耕作性能,耕作綜合評(píng)價(jià)系數(shù)分析結(jié)果表明基于黑熊爪趾的仿生深松鏟的耕作性能是凱斯深松鏟的9.5倍。(4)研究了深松鏟翼對(duì)耕作效果的影響,通過剪切效率對(duì)有翼與無翼深松鏟的耕作效果進(jìn)行評(píng)價(jià)�；陔x散元法在不同入土角(23°~40.5°)和工作深度(225 mm~350 mm)的條件下對(duì)比了有翼深松鏟與無翼深松鏟在水平阻力和土壤擾動(dòng)范圍方面的不同,采用剪切效率對(duì)兩種深松鏟的耕作性能進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明無翼深松鏟剪切效率最高點(diǎn)為當(dāng)入土角為33.5°時(shí),入土角對(duì)于有翼深松鏟的影響不顯著。通過不同工作深度下的研究發(fā)現(xiàn)深松鏟增加雙翼可增大切削效率。有翼與無翼深松鏟在工作深度較淺時(shí)均有較高的切削效率。
【圖文】：

圖1-4 所示為一種自激式振動(dòng)深松機(jī)。王俊發(fā)等（2001）應(yīng)用二次正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法研究了鑿式振動(dòng)深松鏟，并分析了在工作過程中牽引阻力、功耗與前進(jìn)速度、激振頻率和振幅之間的關(guān)系，研究表明振動(dòng)深松可較大地降低牽引阻力，但無法減少總功率消耗，，相反總功耗還會(huì)有所增加，且振幅越高，功率越大。辛麗麗等（2014）研究了振動(dòng)載荷作用下，入土角、振幅、振頻對(duì)耕作阻力的影響，建立了考慮分段土壤作用力的深6

的具體方法是將一定量土樣放置于量筒中（圖 2-1.b），加入粒在水中均勻分布，制成一定量濃度均勻的土懸液（1000 m降，在土粒下降過程中，用密度計(jì)測(cè)出一定量的均勻濃度的同懸液密度，根據(jù)密度計(jì)的讀數(shù)和土粒下沉?xí)r間，計(jì)算出粒樣的百分?jǐn)?shù)。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S222

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本文編號(hào)：2523051