基于离散元方法的深松土壤扰动行为研究

机械深松能够有效的改善农田土壤的耕层结构,为农业生产的可持续发展提供基础。本文针对深松耕土壤扰动机理不明的问题,综合利用高速摄影技术、土槽试验、离散元仿真等方法,研究了深松部件与土壤的互作用机理,探明了深松机关键结构参数对土壤扰动行为的影响,为深入理解深松耕土壤的扰动机理,优化深松机结构参数、提高深松作业质量提供依据。1、土壤参数测定与边界模型构建。为建立准确的离散元仿真模型,测定了试验用土(塿土)的质地、含水率等物理特性参数,并构建了不同结构参数深松铲及土壤颗粒的边界模型。2、基于离散元方法的深松土壤扰动机理研究。以箭形深松铲为对象,在分析深松铲-土壤系统互作用过程的基础上,应用高速摄影技术、离散元方法,结合土槽试验分析了深松土壤的扰动机理。结果表明:1)土壤的扰动范围随其与深松铲之间距离的增大而减小,不同位置土壤的扰动范围由大到小为浅层、中层、深层;2)土壤的运动速度随其与深松铲之间距离的增大而减小,不同深度土壤颗粒的运动速度在x、y、z方向上存在较大差异;3)仿真与试验获取的土壤扰动截面轮廓形状基本吻合,土壤蓬松度、土壤扰动系数、地表土壤纵向堆积角度仿真值与试验值的误差分别为13.21%、17.38%、9.42%。3、基于离散元方法的深松铲间土壤运动行为分析。在分析双铲协同作用对土壤扰动过程影响的基础上,应用土槽试验与离散元方法,研究了深松铲间土壤的扰动行为。结果表明:1)土壤的横向、纵向扰动范围随土壤与深松铲之间距离的增大而减小;2)不同位置土壤颗粒的受力及运动速度随其与深松铲之间距离的增大而减小;3)仿真与试验获取的土壤扰动截面轮廓形状基本吻合,土壤蓬松度、土壤扰动系数仿真值与试验值的误差分别为14.45%与12.06%。4、深松机关键结构参数对土壤扰动行为的影响。研究了铲形、入土角、铲距对土壤扰动行为的影响。结果表明:1)当铲形分别为箭形、凿形、翼形时,土壤颗粒受到的平均作用力及扰动宽度由大到小为翼形、箭形、凿形,平均运动速度由大到小为箭形、凿形、翼形的规律;2)当入土角分别为18°、23°、28°时,土壤颗粒受到的平均作用力差异较小,平均运动速度与扰动宽度随入土角的增大而增加;3)当铲距分别为300、400、500 mm时,土壤颗粒受到的平均作用力随铲距增大呈现先增后减的趋势,平均运动速度随铲距的变化差异较大,扰动宽度随铲距的增大而增加,土壤在地表的堆积高度随铲距的增大而减小。