土壤-马铃薯块茎-根系团聚体动态破裂特性及其与挖掘铲耦合作用机理研究

Setting potatoes as one of leading food crops was proposed by Chinese government, however, its harvest mechanization degree is relatively low, meanwhile, bigger traction resistance and higher injury rate are found during the harvest process, it demands the breakthrough of dynamic fracture flow mechanism of soil-tuber-root system and harvest soil dynamics，which will be further studied through a method that combines computer simulation and field testing, and considering the differences of shapes and mechanical property of potato tubers, roots and soils in this project. The physical and mechanical properties of potato tuber, roots and soils are studied through experiment. The discrete element and the finite element method are applied to establish the simulation model of soil-tuber-root system based on fractal theory and solid modeling technology. On thsi basis, the system dynamic simulation model is established, and the dynamic fracture flow mechanism of soil-tuber-root system is revealed through simulation experiment field experiment with high-speed photography. The one-factor and multi-factor simulation experiment are did to reveal the influence rules of the digging shovel’s shape and its parameters on traction resistance and injury rate with regression analysis, and analyze resistance-time response, which can ascertain the coupled mechanism of the kinetics between digging shovel and soil-tuber-root system. The successful implementation of this project will provide the theory basis for studying and manufacturing potato harvest machine with the high-performance, and provides reference for soil dynamics analysis on harvest of other root and tuber crop.

我国提出马铃薯主粮化战略，但目前收获机械化程度相对较低，并且存在牵引阻力大、伤薯率高等问题，亟待从土壤-块茎-根系团聚体动态破裂流动机理及收获土壤动力学研究获得突破，项目综合考虑马铃薯块茎、根系及周边土壤形态和力学特性差异的影响，利用仿真模拟和田间试验相结合的方法对其进行深入研究。通过试验获得块茎、根系及土壤物理力学特性参数；基于分形理论与实体建模技术，采用有限元和离散元相结合的方法建立稳态土壤-块茎-根系团聚体仿真模型。在此基础上，建立系统动力学仿真模型，通过仿真模拟和田间试验高速摄影技术，揭示挖掘铲作用下土壤-块茎-根系团聚体动态破裂流动机理。通过单因素、多因素仿真试验及回归分析，揭示铲形与参数对牵引阻力及伤薯率的影响规律，分析牵引阻力的时间历程响应，探明挖掘铲与土壤-块茎-根系团聚体动力学耦合作用机理。为研制高性能马铃薯收获机械奠定基础，也为其他块茎类作物收获土壤动力学分析提供借鉴。

项目综合考虑马铃薯块茎、根系及周边土壤形态和力学特性差异的影响，利用仿真模拟和田间试验相结合的方法开展土壤-马铃薯块茎-根系团聚体动态破裂特性及其与挖掘铲耦合作用的研究。. 首先，以东北地区普遍种植的五种马铃薯早熟品种以及建平县马铃薯试验基地土壤为研究对象，对马铃薯块茎、 根系及土壤物理力学特性进行了测试分析。得出了富金、早大白、尤金、荷兰十五和费乌瑞它五个品种的结薯个数分布范围及块茎大小分布范围；得出各品种块茎分布宽度大致相同，集中在20-30mm，早大白、荷兰十五、费乌瑞它结薯深度分布在14—16cm，富金结薯深度分布在16—18cm，尤金的结薯深度分布在18—20cm； 对早大白、荷兰十五及富金进行了根系参数测试，得出了各级根系的直径、分布位置及轴向和径向偏转角，为块茎-根系模型的构建奠定了基础。测试得出试验田土壤质地为砂壤土，密度约为1.54 g/cm3，含水率为15.22%，为系统仿真模型的建立奠定基础。. 其次，提出了一种基于分形理论和数据结构的马铃薯块茎-根系模型构建方法，实现了块茎-根系模型的构建，在此基础上，建立了挖掘铲-土壤-块茎根系系统可视化仿真模型，模拟仿真及田间试验得出挖掘铲水平方向工作阻力随着作业速度的增加而增加，垂直方向工作阻力随着作业速度的增加先增大后减少，速度为0.38m/s时最小。. 第三，模拟仿真分析得出在挖掘铲作用下，土壤首先获得水平前进方向上的速度，接着产生侧向速度，土壤除了向前运动，同时向两侧运动，当挖掘铲离土壤时，大部分土壤颗粒从后方抛出。. 最后，应用逆向工程技术研制了一种基于野猪拱嘴的仿生挖掘铲，模拟仿真和田间试验得出，仿生挖掘铲的降阻效果明显，与平面铲相比，平均减阻率为21.3%；仿生挖掘铲的碎土能力比平面铲高出10.5%，破土、碎土能力更强。 . 本项目取得的研究成果为研制高性能马铃薯收获机械奠定基础，也为其他块茎类作物收获土壤动力学分析提供借鉴。