基于离散元法的秸秆—土壤—旋耕刀相互作用机理研究

秸杆机械还田具有增加土壤有机碳含量、减少土壤侵蚀、降低环境污染、提高秸秆利用率等作用。由于对含秸秆土壤和机械的相互作用规律缺乏深刻认识,耕作部件的设计少有理论上的依据。因此,研究含秸秆土壤的力学性质及其与耕作机械的相互作用规律有利于进一步认识秸秆-土壤-机具作用机理,对耕作部件的设计和优化具有重要意义。土壤-机具的相互作用一般通过土壤运动和机具受力来表征,而因为秸秆的存在,本文从秸秆和土壤的运动及旋耕/刀受力角度进行三者相互作用的研究。为了研究秸杆-土壤-旋耕刀的相互作用,首先探究了秸仟对土壤抗剪强度的影响;然后在室内土槽中,选择IT225旋耕刀进行了秸秆-土壤-旋耕刀相互作用的试验:基于离散元仿真软件EDEM建立了秸秆-土壤-旋耕刀相互作用的三维模型并进行仿真分析;还进行了田间秸秆-土壤-旋耕机相互作用的试验。主要研究内容和结论包括:1、在土壤直剪实验基础上,利用自制的秸秆-土壤剪切样本研究了秸秆类型和秸秆量对土壤抗剪强度的影响。研究结果表明:实验室重塑秸杆-土壤剪切样本能够代表田间秸秆-土壤样本进行含秸秆土壤抗剪强度的研究。秸秆的加入会增加土壤的内聚力和内摩擦角;且加入的秸秆越多,土壤内聚力和内摩擦角越大。秸秆-土壤的内聚力随着秸秆量的增加呈现线性增加趋势,而内摩擦角则呈现二次函数增加的趋势。麦秸-土壤和稻秸-土壤在秸秆量为0. 63%时具有相同的内聚力;在秸秆量为0. 46%时,二者具有相同的内摩擦角。随着秸秆量的增加,麦秸-土壤的内聚力和内摩擦角的增加程度大于稻秸-土壤的内聚力和内摩擦角增加程度。2、在室内土槽中,从土壤和秸秆的运动位移、旋耕刀扭矩及秸秆掩埋率等角度对秸秆-土壤-旋耕刀相互作用进行了试验研究。研究结果表明:在室内土槽试验中使用单一长度秸秆示踪器可以达到较好的测量效果。旋耕速比影响土壤和秸秆的位移及秸秆的掩埋率。旋耕速比越大,桔秆和土壤的运动位移越大,也将分散在越大的范围内。秸秆的掩埋情况可以作为秸秆垂直运动的指标,越大的旋耕速比下掩埋的秸秆量越多。不管土壤有无秸秆覆盖,旋耕过程中刀片最大扭矩都随着旋耕转速的增加而增加。此外同等转速下,有秸秆覆盖状态中旋耕刀最大扭矩比无秸秆覆盖状态中平均大15%左右。3、在EDEM软件中建立了土壤-旋耕刀相互作用模型和秸秆_土壤-旋耕刀相互作用的仿真模型,并从土壤和桔杆运动及旋耕刀受力角度对秸秆、土壤和刀具的相互作用进行了分析。首先在秸秆运动方面,将仿真的秸秆位移数据与试验的秸秆位移数据进行了对比。经过误差拟合后的秸秆水平位移和侧向位移的估算值与试验值误差为8. 7%和9.3 3%。之后利用仿真数据,分析了位于刀刃不同位置的秸秆在土壤和刀具作用下的细观运动行为。与旋耕刀刃有直接接触的秸秆运动比较复杂:位于侧切刃下方的秸秆开始时被侧切刃挤压随刀刃一起入土,后从刃口滑出;位于正切刃内侧的秸秆在与正切刃的摩擦影响下随刀刃有微小向下运动,后在刀刃切开土壤时沿正切刃边缘滑出;侧切刃下方的秸杆运动位移总是最大,这归因于侧切刃的滑切作用。距离旋耕刀工作范围较远的秸秆,因受土壤扰动影响而仅有微小的位移。不同位置的秸秆因受力不同,所以运动位移相异,故秸秆能够在耕作过程中分散在土壤表面。在铅垂方向,紧靠侧切刃及过渡刃周围的秸秆颗粒在刀刃切土阶段能被旋耕入土。4、利用离散元仿真结果中的土壤运动数据与土槽试验中的土壤运动数据进行了对比,并对土壤在三个方向的细观运动行为进行了分析和解释。结果表明土壤水平位移和侧向位移的仿真与试验的相对误差分别为24. 9%和15. 3%。土壤水平和侧向位移都随着转速增加呈现增加的趋势;土壤的水平运动位移总是大于同转速下的侧向位移。在旋耕刀切土范围内,浅、中、深层土壤运动至背离正切刃朝向一侧的比例分别为10. 1%、28.2%、27.0%;有向相反方向运动趋势的浅、中、深层土壤颗粒比例分别为26. 2%、72.1%、48.4%。对于不同层的土壤,浅层土壤位移明显大于中层和深层土壤位移;中层土壤位移次之;深层土壤位移最小。在水平力作用下,大部分土壤颗粒随着旋耕刀切土有向后运动的行为;土壤在开始时刻的侧向受力和侧向运动方向,由颗粒的侧向位置是否偏离侧切刃轴线决定,位于侧切刃轴线左侧的颗粒,则其侧向力向左,反之亦然;土壤在垂直方向先随着刀具入土向下运动,然后滑出刀刃边界被刀刃抛起。随着刀刃入土深度增加,土壤受扰动面积增加,土壤被抛起的数量和高度也逐渐增加。5、利用仿真的旋耕刀扭矩数据与室内试验的扭矩数据进行了对比,并利用旋耕刀受力的仿真数据分析了不同转速条件下刀具所受三个方向的分力及其合力的变化情况。研究结果表明土槽试验测得的扭矩值比仿真得到的扭矩值大,在有秸秆覆盖状态下试验值比仿真值大19.1%,无秸杆状态下则大16.3%。耕作过程所受合力、水平力及侧向力都是从几乎ON开始增至最大值,然后再降至接近ON,垂直力先从ON增至最大值后再降至ON,之后反向也有类似的先升后降的行为。合力、水平力和垂直力的最大值,都随着转速的增加而增加:而侧向力随转速变化无明显的变化规律。在旋耕刀刚开始切土时,有秸秆覆盖的土壤受到的阻力总比无秸秆覆盖的土壤所受阻力要大,土壤表面的秸秆是造成切土之初阻力较大的主要原因。6、在南京市江浦农场进行了秸秆-土壤-旋耕机相互作用的试验研究,研究主要从秸秆和土壤位移、秸秆掩埋、土块破碎等角度进行,分析了在实际生产中,秸秆-土壤-旋耕机的相互作用及转速对三者相互作用的影响。研究结果表明:秸秆和土壤位移都随着转速增加而增加,且水平位移大于侧向位移。刀辊转速对秸秆掩埋有正向影响,秸杆掩埋率随着转速增加而增加。耕后土壤的内聚力和内摩擦角有所增加,说明秸秆的存在使土壤强度增加,这也使得耕作过程需要更多的力。浅层(0-50 mm)土壤在耕后紧实度明显降低,中层(50-100 mm) 土壤只在较高转速耕作后紧实度明显降低,深层(100-150 mm) 土壤在耕后紧实度无明显变化。土块平均直径随刀辊转速增加而显著减小,而且碎土率随着转速增加而增加。对比田间试验、室内试验和仿真得到的土壤和秸秆位移,发现无论是土壤还是秸秆位移,田间试验值总比室内试验值小,主要是因为试验的土壤环境差异。此外,仿真模型能在一定程度上预测田间土壤和秸秆位移。