Performance Evaluation of Disc Type Furrow Openers in No-till Paddy Soil Environment.pdf

1、保護(hù)性耕作作為一種高效節(jié)能和低成本的耕作體系可獲得更高的作物產(chǎn)量。然而，由于作物殘留對(duì)后續(xù)播種作業(yè)、特別是在潮濕地區(qū)對(duì)水田作業(yè)機(jī)械的干擾，使得作物殘留的管理嚴(yán)重制約了保護(hù)性耕作的發(fā)展。由于土壤質(zhì)地、氣候條件、土壤發(fā)生和土壤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，水稻田土壤在破壞模式和耕作阻力方面有其特有的復(fù)雜性。圓盤開溝器既是條播機(jī)的開溝裝置、同時(shí)也是播種前切割去除作物殘留的工具。開溝器性能受到各種因素的影響，如圓盤幾何形狀、土壤性質(zhì)以及免耕地塊中作物殘茬的性質(zhì)

2、等。受圓盤幾何形狀和土壤-秸稈條件的影響，開溝器切除作物殘茬的能力尚存在一些問題。因此，在保護(hù)性耕作免耕系統(tǒng)中提高耕作效率仍是迫切需要解決的問題。還需要對(duì)不同開溝器對(duì)稻田土壤免耕直播的適應(yīng)性做全面的評(píng)估。為研究評(píng)估開溝器的性能，開展了三種不同的試驗(yàn)。首先，對(duì)小麥秸稈和水稻秸稈在不同含水率和加載速率時(shí)的機(jī)械性能進(jìn)行了測(cè)定，并設(shè)計(jì)了性能測(cè)定的模糊邏輯算法。其次，試驗(yàn)測(cè)試了四種不同的圓盤式開溝器（缺口形、鋸齒形、單圓盤和雙圓盤）在免耕水稻土開

3、溝時(shí)的牽引阻力以及對(duì)秸稈的切割能力。第三，測(cè)試了三種不同直徑（330、450和600mm）雙圓盤開溝器的性能。在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制了一種室外試驗(yàn)臺(tái)架，用來測(cè)試開溝器的性能。試驗(yàn)臺(tái)架配備了電源、移動(dòng)小車、可調(diào)機(jī)架，以及兩個(gè)負(fù)載傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以測(cè)定作用在開溝器上的水平力和垂直力。田間試驗(yàn)工況分別選擇30、60、90 mm三種耕深和01、0.2、0.3 m/s三種前進(jìn)速度。最后，用EDEM軟件對(duì)各種開溝器的

4、性能用離散元法進(jìn)行仿真。研究的主要結(jié)果如下:
　　1.設(shè)計(jì)了一種在不同含水率和加載速率情況下，評(píng)價(jià)稻麥秸稈剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和楊氏模量等機(jī)械性能的模糊算法。在小麥秸稈含水率為9.5％、15.1％和22.8％、水稻秸稈含水率為22.6％、35.4％和45.6％，以及加載速率為10、20和30mm/min情況下，分別測(cè)定了稻麥秸稈第1、第2、第3節(jié)(IN1，IN2和IN3)節(jié)間位置的機(jī)械性能。結(jié)果表明:在不同的節(jié)間區(qū)域，含水

5、率和加載速率均顯著影響(P＜0.05)秸稈的剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和楊氏模量。麥稈和稻草朝向第三莖節(jié)的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度隨含水率和加載速率的增加變大。而彎曲強(qiáng)度和楊氏模量隨含水率和加載速率的增大而減小。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于馬丹尼(Mamdani)最小-最大27規(guī)則提出模糊評(píng)價(jià)模型。剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和楊氏模量的確定系數(shù)(小麥秸稈:0.96，0.92，0.93和0.75;水稻秸稈:0.94，0.85，0.94和0.80)表明

6、:預(yù)測(cè)小麥秸稈機(jī)械性能的模糊邏輯算法可替代所選擇條件下的試驗(yàn)結(jié)果。
　　2.利用完全隨機(jī)(4×3×3)多因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)不同的圓盤式開溝器進(jìn)行評(píng)估測(cè)試。結(jié)果表明:開溝器類型、工作深度和作業(yè)速度顯著影響(P＜0.05)開溝器受到的水平力和垂直力、以及對(duì)秸稈的切割能力。缺口形、鋸齒形、單圓盤和雙圓盤式開溝器的牽引阻力平均值分別為444.3、421.0、481.3和737.3 N，垂直力平均值分別為1105.3、903.7、923.0和1

7、553.9N，而對(duì)秸稈的切割效率分別為12.44％、46.2％、11.3％和78.5％。雙圓盤開溝器纏草率最低、對(duì)秸稈的切割效率最高，在90 mm的耕作深度時(shí)達(dá)到88.6％，因此雙圓盤開溝器與其它開溝器相比性能最佳。
　　3.為探討圓盤直徑對(duì)雙盤開溝器性能的影響，設(shè)計(jì)了完全隨機(jī)33因子田間試驗(yàn)。結(jié)果表明:圓盤尺寸、工作深度和前進(jìn)速度顯著影響（P＜0.05）開溝器的水平力、垂直力以及對(duì)秸稈的切割性能。直徑為330、450和600mm

8、開溝器的牽引阻力平均值分別為648.9、737.2和784.6N，垂直力分別為904.7、1553.9和1620.4N，秸稈切割效率分別為39.36％、78.47％和65.46％。450mm直徑的圓盤開溝器比600mm直徑圓盤開溝器的秸稈切割效率更高，而300mm直徑的開溝器切割效率最低。450mm直徑的圓盤開溝器在90 mm工作深度時(shí)秸稈切割效率最高(88.6％)，相比于其他開溝器性能最佳。
　　4.綜上所述，直徑為450mm的

9、雙圓盤開溝器(DD450)在免耕水稻土田間工作時(shí)性能良好，其秸稈切割效率高，工作阻力（牽引阻力和垂直力）小。因此，本研究對(duì)于在水稻土條件下為免耕機(jī)械選擇適當(dāng)?shù)拈_溝器以及確定其適用性是非常有用的。
　　5.對(duì)于土壤這樣的顆粒材料，離散元模型能夠很好地模擬其特性和相互作用。將模擬結(jié)果和田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，以便確定在不同工作條件下的適用性。利用EDEM軟件對(duì)缺口形、鋸齒形、單圓盤和雙圓盤開溝器進(jìn)行離散元模擬，應(yīng)用HertzMindl