水田高茬秸秆旋耕埋覆机理研究

【摘要】：我国人口在增长,人民生活水平在提高,粮食总量刚性需求越来越大,与粮食总量相对应的农作物秸秆总量也在同步增加。秸秆还田是农业可持续发展的有效途径,既能解决焚烧难题,又能改善土质、提高地力、降低化肥施用量。我国南方地区土地复种指数高,秸秆量大,农时紧迫,雨水多,秸秆当前处理方式以埋覆还田为主。埋覆前先要粉碎,以避免埋覆过程中秸秆缠绕农机具。秸秆粉碎延误农时、增加作业成本,是农民焚烧秸秆的主要原因。为了能够省去秸秆粉碎环节直接埋覆还田,本课题组于2007年开发了1GMC-70型船式旋耕埋草机产品,该产品有一定的市场占有量。本课题主要研究1GMC-70型船式旋耕埋草机刀辊的秸秆埋覆机理,并在此基础上进行结构优化,进一步提高其作业效率和耕作效果。 本文首先对该机核心耕作部件即螺旋横刀建立了数学模型,分析了各结构参数对作业性能的影响。研究发现,螺旋横刀刃口的动态滑切角为25.2°±0.1。,近似为常数,耕作过程中刀辊受力平稳,振动小。螺旋横刀的动态滑切角接近秸秆-旋耕刀之间的摩擦角(26°450)下限,它对秸秆既有砍压作用,又有滑切作用,滑切作用可以让横刀本身保持自洁、不缠草,降低其切土阻力；砍压作用可以将秸秆直接压覆入泥。刀辊埋覆秸秆的方式不是将秸秆切碎并与耕层土壤混合,而是由螺旋横刀将秸秆直接压覆入泥。刀辊在作业过程中切断了易碎秸秆,但柔韧性较大的秸秆仍然保持整株状态。刀辊对秸秆的埋覆效果与切碎程度之间没有相关性。 刀辊中立刀有34把-36把,数量最多,尺寸最小,焊接难度及焊接工作量等都比较大。立刀辅助螺旋横刀完成作业功能,这种辅助作用对刀辊整体耕作性能至关重要。但是本文通过理论分析发现,立刀没有实现其预期的设计功能,并通过田间对比试验验证了这一观点。立刀对后续螺旋横刀有破茬效应,但破茬量不超过后续螺旋横刀切土节距的32.4%,破茬能力不足；立刀对后续横刀切下的土壤垡条有预先切断效应,但只切割了垡条横截面积的40%左右,没有切断垡条。立刀没有发挥作用,整机作业功能基本上都由螺旋横刀实现,功能过于集中,这是造成1GMC-70型船式旋耕埋草机作业效率偏低的主要原因。 秸秆埋覆功能主要由螺旋横刀实现,本文详细分析了螺旋横刀的制造工艺过程。结果表明,现行工艺存在较大的制造误差,该误差对刀辊作业性能有一定影响。螺旋横刀动态滑切角的理论值为25.2。±0.1°,但由于制造工艺误差量较大,耕作过程中螺旋横刀沿刀轴方向按照先后入土顺序,其刃口对地表秸秆的动态滑切角从32.4°逐渐降低至14.70,切削方式由滑切过渡为砍切。砍切方式使螺旋横刀后入土一端丧失了自洁性和不缠草性,这从理论上解释了田间作业过程中螺旋横刀后入土一端经常出现缠草现象的原因。 为发挥立刀对后续螺旋横刀的破茬效应,减轻螺旋横刀切土阻力,本文重新设计了立刀：用国家标准旋耕刀IIT245替代立刀。为了最大限度地发挥旋耕刀IIT245对后续螺旋横刀的破茬效应,本文对旋耕刀IIT245的排布方式进行了理论研究,给出了较优的排布方案。在该排布方案中,旋耕刀IIT245对后续螺旋横刀切土节距的增加量(即破茬量)占切土节距的118.0%-122.7%,起到了完全破茬效果,对后续螺旋横刀切下的垡条也起到了预先完全切断作用。旋耕刀IIT245还存在一定的破茬宽度,总的破茬宽度约占整机耕幅的1/3。用标准旋耕刀IIT245替代立刀,有效减轻了后续螺旋横刀的切土阻力。田间试验表明,新刀辊作业效率提高了5-6倍,原刀辊需要两遍作业才能满足农艺要求,新刀辊耕作一遍即可满足农艺要求,耕深及耕深稳定性、秸秆埋覆率、碎土率、耕后地表平整度等各项作业指标都有明显提高。 本文研究结果为提高旋耕埋草机三化水平(标准化、系列化和通用化)提供了理论参考依据。 【关键词】：水田耕作 高茬秸秆 旋耕埋覆 秸秆还田 旋耕机 旋耕试验
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S222.3
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-13
• 主要符号含义13-14
• 第1章 绪论14-39
• 1.1 课题来源14
• 1.2 研究背景14-21
• 1.2.1 人口和粮食问题14-15
• 1.2.2 气候和淡水资源问题15
• 1.2.3 环境污染问题15-16
• 1.2.4 水田保护性耕作问题16-21
• 1.3 研究目的与意义21-22
• 1.4 水稻种植情况及秸秆处理方式国内外研究现状22-34
• 1.4.1 国外水田种植方式研究22-23
• 1.4.2 国内研究现状23-34
• 1.5 旋耕理论与秸秆切割理论国内外研究现状34-36
• 1.6 研究内容与方法36-39
• 1.6.1 研究内容36-37
• 1.6.2 技术路线37-39
• 第2章 刀辊结构参数分析39-57
• 2.1 引言39
• 2.2 整机结构参数39-41
• 2.3 主要耕作部件结构及功能41-44
• 2.3.1 挡草卡41-42
• 2.3.2 螺旋横刀42
• 2.3.3 弯刀42-43
• 2.3.4 立刀43-44
• 2.4 螺旋横刀结构参数分析44-56
• 2.4.1 螺旋横刀的分析与建模44-46
• 2.4.2 横刀螺旋线的静态方程与动态方程46-48
• 2.4.3 横刀的静态参数分析48-50
• 2.4.4 横刀的动态参数分析50-54
• 2.4.5 参数评价54-56
• 2.5 本章小结56-57
• 第3章 刀辊作业性能分析57-81
• 3.1 引言57
• 3.2 立刀设计功能实现程度分析57-66
• 3.2.1 立刀结构及设计功能57-58
• 3.2.2 立刀功能分析58-59
• 3.2.3 确定立刀破茬、切割垡条等效应最强的刃口线位置59-60
• 3.2.4 立刀的秸秆切碎效应分析60-61
• 3.2.5 立刀的破茬效应和碎土效应分析61-63
• 3.2.6 立刀的垡条切割效应分析63-65
• 3.2.7 立刀排布方式分析65
• 3.2.8 本节小结65-66
• 3.3 螺旋横刀制造工艺误差及影响分析66-77
• 3.3.1 横刀制造工艺分析66-68
• 3.3.2 工艺误差分析68-74
• 3.3.3 工艺分析过程的正确性检验74-75
• 3.3.4 误差量对作业效果的影响75-76
• 3.3.5 本节小结76-77
• 3.4 整机存在的问题77-80
• 3.4.1 旋转半径77
• 3.4.2 作业效率77-78
• 3.4.3 田角余量78-79
• 3.4.4 整机栽头79-80
• 3.5 本章小结80-81
• 第4章 刀辊改进设计81-108
• 4.1 引言81
• 4.2 新刀辊整体结构81-82
• 4.3 螺旋横刀的改进82-83
• 4.4 弯刀的改进83-95
• 4.4.1 确定弯刀最大旋转半径83
• 4.4.2 确定弯刀破茬条件83-85
• 4.4.3 弯刀结构改进85-86
• 4.4.4 计算刀辊切土节距86
• 4.4.5 破茬效应验算86-87
• 4.4.6 计算弯刀刃口滑切角87-94
• 4.4.7 本节小结94-95
• 4.5 旋耕刀IIT245的排布方式研究95-107
• 4.5.1 建立旋耕刀IIT245三维模型95-97
• 4.5.2 旋耕刀IIT245的排布97-104
• 4.5.3 旋耕刀IIT245破茬效应研究104-107
• 4.6 本章小结107-108
• 第5章 试验研究108-128
• 5.1 引言108
• 5.2 试验数据测定及处理方法108-113
• 5.2.1 作业质量评价指标108-110
• 5.2.2 耕前作业条件测量110-112
• 5.2.3 耕作过程中数据测试112
• 5.2.4 补充说明112-113
• 5.3 试验一：冬闲水稻田高茬秸秆旋耕埋覆试验113-116
• 5.4 试验二：油菜整株水田旋耕埋覆试验116-118
• 5.5 试验三：野稗整株水田旋耕埋覆试验118-121
• 5.6 试验四：油菜根茬水田旋耕埋覆试验(改进后刀辊)121-123
• 5.7 试验五：水稻田高茬秸秆旋耕埋覆试验(改进后刀辊)123-125
• 5.8 试验六：旱地高植被整株旋耕埋覆试验(改进后刀辊)125-126
• 5.9 本章小结126-128
• 第6章 结论与建议128-131
• 6.1 主要结论128-129
• 6.2 主要创新点129-130
• 6.3 进一步研究的建议130-131
• 参考文献131-140
• 致谢140-141
• 附录1：攻读博士学位期间主要研究工作141-142
• 专利141
• 学术论文141
• 参与的科研项目141-142
• 附录2：Matlab程序代码142-164
• 第2.4 节 程序代码142-149
• 第3.2 节 程序代码149-155
• 第3.3节 程序代码155-159
• 第4.4节 程序代码159-163
• 第4.5 节 程序代码163-164
• 附录3：田间试验数据汇总164-176
• 1、试验一164-166
• 2、试验二166-167
• 3、试验三167-169
• 4、试验四169-171
• 5、试验五171-175
• 6、试验六175-176

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