长江中下游地区牵引式土壤工作部件脱土降阻机理研究

目前，仿生技术和保护性耕作技术研究成果的取得和应用主要集中于我国北方，而在长江中下游地区也有着极其广阔的应用前景。本项目立足于长江中下游地区田间作业环境，综合运用农业机械仿生和保护性耕作研究理论和技术，在保证耕作质量的前提下，以降低耕作阻力和土壤粘附为目标，通过对蜣螂、鼹鼠等土壤动物触土器官结构和形态特征的研究，对典型牵引式土壤工作部件-深松部件和施肥开沟部件进行改形设计和仿生优化。结合高速摄像、有限元分析和试验研究结果，揭示仿生结构、土壤参数和运动参数等对仿生深松部件和仿生施肥开沟部件耕作阻力的影响规律，分析此两种仿生部件脱土降阻机理，并在此基础上总结牵引式土壤工作部件的脱土降阻机理，探索牵引式土壤工作部件的仿生设计原理和方法。预期研究成果将拓展仿生技术和保护性耕作技术的应用领域，为长江中下游地区牵引式土壤工作部件的高效节能设计提供参考，在研究内容和方法上具有创新和特色。

本研究项目按照预定的研究计划执行，基本达到了预期研究目标，共发表文章9篇，其中EI 收录4 篇，依托本项目培养研究生4名。本项目得出的主要创新结论如下： (1) 在分析国内外保护性耕作技术研究现状的基础上，总结了目前一年两熟水旱轮作区保护性耕作技术和机具的应用情况，并对该区存在的问题和今后的技术发展方向进行了探讨。.(2) 为获得包含较多细节特征的数据点群，利用逆向工程技术对鼹鼠爪趾表面几何特征数据进行采集；利用最小二乘法对特征轮廓曲线数据进行量化分析，采用6阶多项式方程拟合纵向轮廓曲线，以4阶高斯方程拟合横向轮廓曲线；通过对前足爪趾触土面的几何结构、爪趾表面拟合轮廓曲线曲率和二阶导数的分析，总结出鼹鼠爪趾特征轮廓线变化规律。.(3) 设计了一种铧式开沟犁装置，土槽试验得出犁体牵引阻力、犁耕比阻、功耗在各试验因素下都呈递增趋势，其中沟深对牵引阻力、犁耕比阻影响最显著，台车前进速度、沟深对功耗影响最显著；改进型犁的牵引阻力、犁耕比阻、功耗都仅为原设计的铧式开畦沟前犁装置对应指标的35%~50%，减小50%以上。.(4) 通过EDEM离散元仿真开展了开畦沟犁体曲面参数与作业速度的试验研究，得出牵引阻力随铧刃起土角增大而减小，分别随导曲线开度、直元线起始角、直元线最大角增大而增大，随作业速度的增大而急剧增大。仿真优化得出：铧刃起土角为15°，导曲线开度为190mm，直元线起始角为35°，直元线最大角为40°时，犁体牵引阻力最小为241.11N，比优化前减少11.26%。.(5) 设计出一种新型的仿生深松铲，利用离散元法分析深松铲与土壤接触过程中耕作阻力的变化情况。结果表明，两种深松铲在触土过程中耕作阻力变化趋势相同，但仿生深松铲较之普通改型深松铲所受土壤阻力稍大，其原因为仿生凸起之间易夹含土壤，从而导致从而导致仿生深松铲在与土壤接触的后半阶段，所受土壤阻力较之普通改型深松铲大。.(6) 设计了一套油菜直播机开畦沟装置，并进行了力学模型分析和试验研究。土槽结果得出，沟深、前进速度和土壤坚实度对装置整体、前犁体、后犁体各试验指标显著性影响规律不同，交互项对装置整体、前犁体、后犁体各试验指标影响均不显著；前犁牵引阻力及功耗是后犁对应指标的2.3倍，占装置整体对应指标的70.3%。前后犁配合田间作业沟型稳定、沟底整洁，满足油菜农艺种植要求。