受控条件下秸秆—土壤—圆盘犁交互作用机理

【摘要】：秸秆、土壤和圆盘犁之间的相互作用机理是当今农业工程领域的一个重要研究方向。传统耕地作业过程中,主要面临秸秆、土壤和圆盘犁之间交互作用与影响、土壤对农机具的高阻抗性以及能源消耗等问题。提高耕作机械和土壤处理机械能源利用效率,降低其能源消耗是国内外广泛关注的热点问题。同时在中国,水田环境下秸秆、土壤和农机具相互作用机理研究也还处于起步阶段。 本课题研究了圆盘耕犁在3种不同耕作速度(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。试验在一个覆盖了水稻和小麦秸秆的156m2的土槽进行。在整个试验过程中,土壤的水分含量和密度保持恒定不变。研究结果总结如下： 1、在3种不同的加载速率(15mm min-1,20mm min-1和25mm min-1)和3个内部测量点(N1居上、N2居中、N3居下)分别对稻麦秸秆的机械特性,如剪切强度、特定剪切能量、弯曲强度和切削力等,进行了测定。试验结果表明,装载速率越高,两种秸秆在第3个内部测量点的剪切强度、特定剪切能量和切削力越大。水稻秸秆的剪切强度、特定剪切能量和切削力也明显比小麦秸秆大。同时,当装载速率增加时,水稻和小麦秸秆的弯曲强度和弹性模量将会降低。 2、研究发现,当耕作机具的耕深在15cm和耕速2.47msd时,随着圆盘犁工作速度增加,其耕作阻力、垂直力和侧面力都呈上升趋势。 3、研究发现,随着速度和深度的增大,秸秆的埋藏深度也随之增加。最小尺寸的秸秆埋藏最深,最大尺寸的秸秆埋藏最浅。土体扰动区域也随着耕深和耕速的增加而增加。 4、试验结果表明,圆盘犁耕作速度的增加会导致稻麦秸秆横向和纵向运动的增加,反之将导致秸秆横向和纵向运动的减少。较高的耕速和耕深将会产生更强的土体扰动,较低的耕速和耕深会降低土体的横向和纵向运动。 5、研究过程中,建立了土壤的离散元模型,通过EDEM软件仿真了圆盘犁的工作情况。仿真中利用秸秆的非线性运动模型、土壤颗粒和耦合圆盘犁来分析粘土的结合特性。牵伸力通过标定过的灵敏模态参数来衡量。试验结果表明,耕作过程改变了土壤和秸秆的初始表面形态。随着耕作的连续进行,一部分土壤颗粒被分开,秸秆也从初始位置运动到最终位置。当耕速从1.25ms。上升到2.47ms-1时,土壤颗粒的运动和秸秆的运动也变都得更加剧烈。 6、为了减少圆盘犁的工作阻力,降低土壤和秸秆的运动,需要将耕速保持在一个较低的水平。较大的耕深能够改善土壤的容积密度,有利于种子的发芽。 【关键词】：秸秆 机械特性 土壤耕作 圆盘犁 DEM模型
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S233.1
【目录】：

• 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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