基于離散元法的秸稈--土壤--旋耕刀相互作用機(jī)理研究.pdf

1、秸稈機(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(duì)含秸稈土壤和機(jī)械的相互作用規(guī)律缺乏深刻認(rèn)識(shí)，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(shí)秸稈-土壤-機(jī)具作用機(jī)理，對(duì)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(guò)土壤運(yùn)動(dòng)和機(jī)具受力來(lái)表征，而因?yàn)榻斩挼拇嬖冢疚膹慕斩捄屯寥赖倪\(yùn)動(dòng)及旋耕刀受力角度進(jìn)行三者相互作

2、用的研究。為了研究秸稈-土壤-旋耕刀的相互作用，首先探完了秸稈對(duì)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?jī)?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(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明:

3、實(shí)驗(yàn)室重塑秸稈-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(huì)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(shì)，而內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)二次函數(shù)增加的趨勢(shì)。麥秸-土壤和稻秸-土壤在秸稈量為0.63％時(shí)具有相同的內(nèi)聚力;在秸稈量為0.46％時(shí)，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)

4、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(dòng)位移、旋耕刀扭矩及秸稈掩埋率等角度對(duì)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(zhǎng)度秸稈示蹤器可以達(dá)到較好的測(cè)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，秸稈和土壤的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(wú)秸稈覆蓋，旋耕過(guò)程

5、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(wú)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，并從土壤和秸稈運(yùn)動(dòng)及旋耕刀受力角度對(duì)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(dòng)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(duì)比。經(jīng)過(guò)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％

6、和9.3％。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(dòng)行為。與旋耕刀刀刃有直接接觸的秸稈運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜:位于側(cè)切刃下方的秸稈開(kāi)始時(shí)被側(cè)切刃擠壓隨刀刃一起入土，后從刀口滑出;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(dòng)，后在刀刃切開(kāi)土壤時(shí)沿正切刃邊緣滑出;側(cè)切刃下方的秸稈運(yùn)動(dòng)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(dòng)影響而僅有微小的位移。不同位置的秸稈

7、因受力不同，所以運(yùn)動(dòng)位移相異，故秸稈能夠在耕作過(guò)程中分散在土壤表面。在鉛垂方向，緊靠側(cè)切刃及過(guò)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(dòng)數(shù)據(jù)與土槽試驗(yàn)中的土壤運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，并對(duì)土壤在三個(gè)方向的細(xì)觀運(yùn)動(dòng)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(duì)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(shì);土壤的水平運(yùn)動(dòng)位移總是大于同轉(zhuǎn)速

8、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(dòng)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(dòng)趨勢(shì)的淺、中、深層土壤顆粒比例分別為26.2％、72.1％、48.4％。對(duì)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(dòng)的行為;土壤在開(kāi)始時(shí)刻的側(cè)向受力和側(cè)向運(yùn)動(dòng)方向，由顆粒的側(cè)向位置是否偏離側(cè)切刃軸線

9、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(dòng)，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(dòng)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(duì)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(gè)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(cè)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

10、仿真值大19.1％，無(wú)秸稈狀態(tài)下則大16.3％。耕作過(guò)程所受合力、水平力及側(cè)向力都是從幾乎0N開(kāi)始增至最大值，然后再降至接近0N;垂直力先從0N增至最大值后再降至0N，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(wú)明顯的變化規(guī)律。在旋耕刀剛開(kāi)始切土?xí)r，有秸稈覆蓋的土壤受到的阻力總比無(wú)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

11、南京市江浦農(nóng)場(chǎng)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(duì)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(duì)秸稈掩埋有正向影響，秸稈掩埋率隨著轉(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(shuō)明秸稈的存在使土壤強(qiáng)度增加，這也使得耕作過(guò)程需要更多的力。淺層(0-50 mm