受控條件下秸稈—土壤—圓盤犁交互作用機(jī)理

【摘要】：秸稈、土壤和圓盤犁之間的相互作用機(jī)理是當(dāng)今農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。傳統(tǒng)耕地作業(yè)過(guò)程中,主要面臨秸稈、土壤和圓盤犁之間交互作用與影響、土壤對(duì)農(nóng)機(jī)具的高阻抗性以及能源消耗等問(wèn)題。提高耕作機(jī)械和土壤處理機(jī)械能源利用效率,降低其能源消耗是國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。同時(shí)在中國(guó),水田環(huán)境下秸稈、土壤和農(nóng)機(jī)具相互作用機(jī)理研究也還處于起步階段。 本課題研究了圓盤耕犁在3種不同耕作速度(1.25ms-1,1.98ms-1和2.47ms-1)和不同耕深(5cm、10cm和15cm)下的工作性能。試驗(yàn)在一個(gè)覆蓋了水稻和小麥秸稈的156m2的土槽進(jìn)行。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,土壤的水分含量和密度保持恒定不變。研究結(jié)果總結(jié)如下： 1、在3種不同的加載速率(15mm min-1,20mm min-1和25mm min-1)和3個(gè)內(nèi)部測(cè)量點(diǎn)(N1居上、N2居中、N3居下)分別對(duì)稻麥秸稈的機(jī)械特性,如剪切強(qiáng)度、特定剪切能量、彎曲強(qiáng)度和切削力等,進(jìn)行了測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果表明,裝載速率越高,兩種秸稈在第3個(gè)內(nèi)部測(cè)量點(diǎn)的剪切強(qiáng)度、特定剪切能量和切削力越大。水稻秸稈的剪切強(qiáng)度、特定剪切能量和切削力也明顯比小麥秸稈大。同時(shí),當(dāng)裝載速率增加時(shí),水稻和小麥秸稈的彎曲強(qiáng)度和彈性模量將會(huì)降低。 2、研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)耕作機(jī)具的耕深在15cm和耕速2.47msd時(shí),隨著圓盤犁工作速度增加,其耕作阻力、垂直力和側(cè)面力都呈上升趨勢(shì)。 3、研究發(fā)現(xiàn),隨著速度和深度的增大,秸稈的埋藏深度也隨之增加。最小尺寸的秸稈埋藏最深,最大尺寸的秸稈埋藏最淺。土體擾動(dòng)區(qū)域也隨著耕深和耕速的增加而增加。 4、試驗(yàn)結(jié)果表明,圓盤犁耕作速度的增加會(huì)導(dǎo)致稻麥秸稈橫向和縱向運(yùn)動(dòng)的增加,反之將導(dǎo)致秸稈橫向和縱向運(yùn)動(dòng)的減少。較高的耕速和耕深將會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的土體擾動(dòng),較低的耕速和耕深會(huì)降低土體的橫向和縱向運(yùn)動(dòng)。 5、研究過(guò)程中,建立了土壤的離散元模型,通過(guò)EDEM軟件仿真了圓盤犁的工作情況。仿真中利用秸稈的非線性運(yùn)動(dòng)模型、土壤顆粒和耦合圓盤犁來(lái)分析粘土的結(jié)合特性。牽伸力通過(guò)標(biāo)定過(guò)的靈敏模態(tài)參數(shù)來(lái)衡量。試驗(yàn)結(jié)果表明,耕作過(guò)程改變了土壤和秸稈的初始表面形態(tài)。隨著耕作的連續(xù)進(jìn)行,一部分土壤顆粒被分開,秸稈也從初始位置運(yùn)動(dòng)到最終位置。當(dāng)耕速?gòu)?.25ms。上升到2.47ms-1時(shí),土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)和秸稈的運(yùn)動(dòng)也變都得更加劇烈。 6、為了減少圓盤犁的工作阻力,降低土壤和秸稈的運(yùn)動(dòng),需要將耕速保持在一個(gè)較低的水平。較大的耕深能夠改善土壤的容積密度,有利于種子的發(fā)芽。 【關(guān)鍵詞】：秸稈 機(jī)械特性 土壤耕作 圓盤犁 DEM模型
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：S233.1
【目錄】：

• ABBRIVATIONS7-8
• ABSTRACT8-10
• 摘要10-12
• CHAPTER 1 INTRODUCTION12-48
• 1.1 Back Ground12
• 1.2 Significanoe of research12-15
• 1.3 Review Literature15-34
• 1.3.1 Effect of tillage practices on straw incorporation soil15-16
• 1.3.2 Physical and mechanical properties of soil16-18
• 1.3.3 Horizontal forces of tillage tool18-20
• 1.3.4 Vertical forces of tillage tool20-21
• 1.3.5 Soil disturbance and soil failure geometry by tillage tool21-24
• 1.3.6 Soil bulk density influenced by tillage tool24
• 1.3.7 Soil and straw movement by tillage24-27
• 1.3.8 Relationship of draft and speed27-29
• 1.3.9 Relationship of draft and depth29-30
• 1.3.10 Soil-Bins Indoor and outdoor30-34
• 1.4 Objectives of the research34
• 1.5 Layout of the dissertation34-36
• REFERENCES36-48
• CHAPTER 2 MATERIALS AND METHODS48-74
• 2.1 Mechanical characteristics of straw49-55
• 2.1.1 Experimental method and design49
• 2.1.2 Moisture content of straw49
• 2.1.3 Straw internode preparation49-50
• 2.1.4 Test equipment50-51
• 2.1.5 Fabrication of shear box and loading plate51-52
• 2.1.6 Shear,cutting and bending tests52-55
• 2.1.7 Statistical analysis55
• 2.2 Soil-bin experiments were categorized by two approaches55-72
• 2.2.1 Experimental design55-56
• 2.2.3 Testing facilities and soil-bin preparation56-57
• 2.2.4 Soil Preparation57-58
• 2.2.5 Measurements of scil properties58-59
• 2.2.6 Soil moisture content59
• 2.2.7 Soil bulk density59-60
• 2.2.8 Direct Shear test60-62
• 2.2.9 Assembling of disc tool and transducer placement62
• 2.2.10 Soil cone index62-63
• 2.2.11 Soil disturbance area and furrow profile63
• 2.2.12 Soil and straw movement63-66
• 2.2.13 Burial straw measurements66-68
• 2.2.14 Transducer calibration and data acquisition system68-71
• 2.2.15 Statistically analysis71-72
• REFERENCES72-74
• CHAPTER 3 EFFECT OF LOADING RATES ON MECHANICAL CHARACTERISTICS OFWHEAT AND RICE STRAW74-92
• 3.1 Introduction74-75
• 3.2 Results and discussion75-87
• 3.2.1 Effect of loading rate on shear strength75-79
• 3.2.2 Effect of loading rate on specific shearing energy79-81
• 3.2.3 Effect of loading rate on cutting force of straw81-83
• 3.2.4 Effect of loading rate on bending strength83-84
• 3.2.5 Effect of loading rate on shearing energy84-86
• 3.2.6 Effect of loading rate on young's modulus86-87
• 3.3 Conclusions87-89
• REFERENCES89-92
• CHAPTER 4 STRAW-SOIL-TILLAGE TOOL INTERACTION:A CASE STUDY FOR DISCTOOL92-108
• 4.1 Introduction92-93
• 4.2 Experimental design and statistical analysis93
• 4.3 Result and discussion93-103
• 4.3.1 Forces acting on disc tool93-98
• 4.3.2 Burial straw after disc tillage tool98-101
• 4.3.3 Soil bulk density influenced by disc tool101
• 4.3.5 Soil disturbance area and furrow profile101-103
• 4.4 Conclusions103-104
• REFERENCES104-108
• CHAPTER 5 STRAW AND SOIL MOVEMENT UNDER DIFFERENT WORKING DEPTHSAND SPEEDS OF DISC TOOL108-126
• 5.1 Introduction108-109
• 5.2 Results and Discussions109-123
• 5.2.1 Lateral and longitudinal soil movement at different speeds and depths109-114
• 5.2.2 Lateral and longitudinal straw movement at different speed and depths by disc tillage tool114-123
• 5.4 Conclusions123-124
• REFERENCES124-126
• CHAPTER 6 SIMULATION AND MODELING OF STRAW-SOIL-DISC TOOL THROUGHEDEM126-136
• 6.1 Introduction126-127
• 6.2 Discrete element constitutive model and calculation principles127-129
• 6.3 Result and discussion129-134
• 6.4 Conelusions134-135
• REFERENCES135-136
• CHAPTER 7 ConCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS136-140
• 7.1 Conclusions136-138
• 7.1.1 Mechanical characteristics properties of straw136-137
• 7.1.2 Straw-soil-disc toolinteraction137
• 7.1.3 Soil and straw movement137-138
• 7.1.4 Simulation of straw-soil-disc tool by EDEM138
• 7.2 Recommendations138-140
• PHOTOGRAPHS140-148
• RESEARCH PAPERS148-150
• ACKNOWLEDGEMENTS150-151
• DEDICATION151

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