基于离散元法的深松铲铲翼参数优化及试验研究

由于长期采用翻耕旋耕作业,造成耕作层变浅、犁底层变硬等问题。深松作业可以打破坚硬的犁底层,提高土壤的蓄水保墒能力。但深松作业后易形成了―V‖字形的耕层扰动结构,导致地表跑墒严重、深层蓄水不足,削弱了深松作业效果。在深松铲柄上安装铲翼可以改善深松作业后的耕层构造,本文借助离散元法和土槽试验,对深松铲铲翼开展参数优化和试验研究,具体研究内容和结论如下:1、建立离散元耕作模型。通过对关中地区土壤参数的试验,结合已有文献,给出耕土层和犁底层两层的模型参数,建立了双层离散元土壤耕作模型。该模型的建立过程及具体参数可为后来不同地区土壤离散元模型建立提供方法借鉴。确定铲翼的参数及水平,利用Pro/E完成铲翼的虚拟装配,建立边界模型。设置各项仿真运行参数,完成仿真模型的建立。2、离散元仿真试验。仿真试验按铲翼的4因素3水平的完全试验展开,共81组。对土壤模型设置了浅、中、深三层结构,建立了深松作业扰动轮廓耕犁比、起垄高度和起垄宽度三个深松作业评价指标,在此基础上对深松耕作机理进行了全面的分析。结果表明,颗粒受到的平均作用力深层>中层>浅层。铲翼夹角为120°时,对垄高的影响最小,对垄宽的影响最大。在铲翼倾角为45°时,铲翼对垄高的影响最小,对垄宽的影响最大。3、显著性分析。采用SPSS软件分析铲翼参数对耕犁比的显著性影响,结果表明:铲翼长度、铲翼高度、铲翼夹角和铲翼倾角对耕犁比的显著性分别为0.001、0.000、0.549、0.730,表明铲翼长度和铲翼高度对耕犁比的影响显著。不同因素对耕犁比的影响程度大小为:铲翼高度>铲翼长度>铲翼夹角>铲翼倾角。4、土槽试验与仿真试验对比分析。结果表明:不同铲翼高度下,垄高和垄宽均随着铲翼高度的增加而增加;不同铲翼长度下,垄高和垄宽均随着铲翼长度的增加而增加。耕犁比随铲翼高度增加而增加,随铲翼长度增加先增大后减小。得出铲翼的最佳参数为:铲翼长度为15cm,铲翼高度为7.5cm,铲翼夹角为120°,铲翼倾角为45°。即该条件下,耕犁比最小,深松作业后的耕层构造最佳,且垄宽垄高相对合理。试验与仿真的耕层构造变化趋势一致,且垄高垄宽的最大误差在10%以内,表明仿真试验有效。