秸秆-土壤-旋耕刀系统中秸秆位移仿真分析

【摘要】：秸秆-土壤-旋耕刀之间的相互作用机理对于分析耕作过程有着重要作用。为研究秸秆-土壤-旋耕刀的宏观及微观相互作用,对系统中的秸秆位移进行了仿真分析。首先建立了秸秆-土壤-旋耕刀相互作用的三维离散元模型;其次,对仿真结果与室内土槽实验结果进行对比分析,在土槽实验中采用示踪器方法测量秸秆位移;仿真中导出每个时刻的秸秆位置用来描述秸秆仿真位移;最后,利用仿真数据对秸秆位移进行三维分析。实验和仿真都在恒定前进速度0.222 m/s和耕深100 mm及4种转速(77、100、123、146 r/min)下进行。实验与仿真结果皆显示秸秆位移随着转速增加呈现增加的趋势;秸秆的水平运动位移总是大于同转速下的侧向位移;高转速下的实验与仿真位移误差约为40%,低转速下为70%。利用拟合的误差方程和仿真值可以估算秸秆的水平和侧向位移值,估算值与实验值误差为8.7%和9.3%。通过追踪不同位置的秸秆颗粒发现:初始位置不同的秸秆颗粒具有不同的运动:位于正切刃内侧的秸秆在刀刃切开土壤时,沿正切刃边缘滑出;而位于侧切刃下方的秸秆在开始时被侧切刃挤压随刀刃一起运动,而后随土壤一起被抛起;远离旋耕刀工作范围的秸秆,则因受土壤扰动影响而仅有微小的位移。紧靠侧切刃及过渡刃周围的秸秆颗粒在考察时间段内被直接旋耕入土。可以利用秸秆的垂直方向受力情况,优化旋耕刀刃口曲线提高秸秆在旋耕过程中直接入土的比例;还可以整合秸秆水平和侧向位移及分布,寻找最优工作参数使秸秆在3个方向都能均匀分散,从而提高秸秆分布均匀度。 【作者单位】： 南京农业大学工学院;信德农业大学农业工程学院;
【关键词】： 旋耕刀 秸秆运动 离散元仿真 微观分析
【基金】：国家自然科学基金项目(51275250) 江苏省2013年度普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ13_0282)
【分类号】：S222.3
【正文快照】： 引言中国是世界粮食生产大国,其中小麦是主要粮食作物,其秸秆产量占农作物秸秆总产量的12.7%[1],收获后大量的秸秆遗留在田里。秸秆还田无论是在保护环境、改善土壤结构,还是减轻农民负担方面,都有着不可估量的作用[2-3]。耕作过程的能量消耗几乎占到整个农业生产能耗的一半,

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