基于离散元方法的深松铲参数优化及松土综合效应研究

深松作为保护性耕作关键技术之一,被广泛推广,而深松作业阻力大能耗高是亟待解决的重要问题。对如何兼顾深松节能、增产及土壤疏松综合效应的问题,以及深松作业周期的问题,未见系统研究。针对以上问题,本文采用离散元方法,建立根土复合体仿真模型,采用数值仿真和田间试验相结合的方法,优化深松铲关键参数及深松作业深度和作业速度。进行了田间深松试验,建立了深松铲综合效应的评价模型,对深松铲节能、增产及土壤疏松综合效应进行了分析,明确了适宜的深松作业模式。主要研究内容和研究结论包括:(1)建立了玉米根系及根土复合体仿真模型。通过根系和根土复合体剪切仿真试验,确定了根土复合体模型的关键参数,主要包括根系颗粒剪切模量、临界应力和粘结半径,以及根系与土壤间的静摩擦系数、粘结刚度和临界应力。根据河北涿州轻壤土条件下的标定试验及回归分析,求解得出轻壤土条件下的玉米根系剪切模量、粘结键临界应力和粘结半径最优值,以及根系与土壤之间的静摩擦系数、粘结刚度和临界应力相对最优值。田间深松试验表明,仿真试验与田间试验结果的阻力误差在10%以内,根土复合体模型能较为准确的模拟田间实际土壤。(2)优化了深松铲铲型及结构参数。结果表明,在粘壤土条件下,最优铲型是凿形铲,铲尖入土角相对最优值为21°;在轻壤土条件下,最优铲型为箭形铲,铲尖入土角和张角相对最优值分别是21°和60°。两种土壤条件下,土壤扰动面积和耕作阻力均按照凿形铲、箭形铲和翼形铲的顺序依次增大(P<0.01)。入土角从18°增大到24°时,耕作阻力先减小再增大(P<0.05)。在粘壤土条件下,凿形铲的耕作比阻相对最小;在轻壤土条件下,箭形铲的耕作比阻相对最小。(3)得出了适宜的深松深度和作业速度。明确了深松临界深度和耕作比阻随土质和入土部件深宽比的变化规律。凿形铲和箭形铲的耕作阻力随深松深度增大而增大,而耕作比阻则先减小再增大,作业深度为400mm时,凿形铲和箭形铲的耕作比阻最小。(4)建立了深松铲节能、增产及土壤疏松效果综合效应的评价模型。结果表明,在粘壤土及轻壤土条件下,深松综合效应相对最好的铲型分别是凿形铲和箭形铲。在辽宁彰武粘壤土试验地,深松小区玉米产量较未深松小区分别增产在19.86%～24.82%,凿形铲的油耗较箭形铲和翼形铲分别低57.29%、132.96%。在河北涿州轻壤土条件,深松处理小区的增产幅度在10.79%-14.63%之间,箭形铲作业油耗较翼形铲低68.93%。各深松处理产量增幅无显著差异。深松效果监测结果表明,深松后,土壤疏松效果逐年减弱,深松作业第三年,疏松效果基本消失。