基于離散元法的秸稈--土壤--旋耕刀相互作用機理研究.pdf

1、秸稈機械還田具有增加土壤有機碳含量、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械的相互作用規(guī)律缺乏深刻認識，耕作部件的設計少有理論上的依據(jù)。因此，研究含秸稈土壤的力學性質(zhì)及其與耕作機械的相互作用規(guī)律有利于進一步認識秸稈-土壤-機具作用機理，對耕作部件的設計和優(yōu)化具有重要意義。
　　土壤-機具的相互作用一般通過土壤運動和機具受力來表征，而因為秸稈的存在，本文從秸稈和土壤的運動及旋耕刀受力角度進行三者相互作

2、用的研究。為了研究秸稈-土壤-旋耕刀的相互作用，首先探完了秸稈對土壤抗剪強度的影響;然后在室內(nèi)土槽中，選擇IT225旋耕刀進行了秸稈-土壤-旋耕刀相互作用的試驗;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行仿真分析;還進行了田間秸稈-土壤-旋耕機相互作用的試驗。主要研究內(nèi)容和結(jié)論包括:
　　1、在土壤直剪實驗基礎上，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度的影響。研究結(jié)果表明:

3、實驗室重塑秸稈-土壤剪切樣本能夠代表田間秸稈-土壤樣本進行含秸稈土壤抗剪強度的研究。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)

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-旋耕刀相互作用進行了試驗研究。研究結(jié)果表明:在室內(nèi)土槽試驗中使用單一長度秸稈示蹤器可以達到較好的測量效果。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，秸稈和土壤的運動位移越大，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動的指標，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

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，并從土壤和秸稈運動及旋耕刀受力角度對秸稈、土壤和刀具的相互作用進行了分析。首先在秸稈運動方面，將仿真的秸稈位移數(shù)據(jù)與試驗的秸稈位移數(shù)據(jù)進行了對比。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觀運動行為。與旋耕刀刀刃有直接接觸的秸稈運動比較復雜: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)切刃下方的秸稈運動位移總是最大，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

7、因受力不同，所以運動位移相異，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)果中的土壤運動數(shù)據(jù)與土槽試驗中的土壤運動數(shù)據(jù)進行了對比，并對土壤在三個方向的細觀運動行為進行了分析和解釋。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;土壤的水平運動位移總是大于同轉(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動的行為;土壤在開始時刻的側(cè)向受力和側(cè)向運動方向，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數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗的扭矩數(shù)據(jù)進行了對比，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)下試驗值比

10、仿真值大19.1％，無秸稈狀態(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0N開始增至最大值，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)速變化無明顯的變化規(guī)律。在旋耕刀剛開始切土時，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

11、南京市江浦農(nóng)場進行了秸稈-土壤-旋耕機相互作用的試驗研究，研究主要從秸稈和土壤位移、秸稈掩埋、土塊破碎等角度進行，分析了在實際生產(chǎn)中，秸稈-土壤-旋耕機的相互作用及轉(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，說明秸稈的存在使土壤強度增加，這也使得耕作過程需要更多的力。淺層(0-50 mm