高秸秆含量土壤力学性质及其与工作部件的相互作用规律研究

With the development of conservation tillage and returning straw to field in China, the objective that many tillage machinery face has been changed. The objective that many tillage machinery treat with has become the soils with high straw content or the mixture of soil and straw. But up to now, the mechanical properties of such mixed soils and the interaction between the soil and tillage machinery have not been investigated in detail. In order to provide the theoretical base for design and application of related tillage machinery, the mechanical properties of high straw content soils will be systematically studied in this project; The parameter system of such high straw content soils will be investigated; The interaction among soil, straw and tillage machinery will be studied with theoretical analysis, computer simulation based on finite element and discrete element method and indoor and outdoor experiments; The effect of structure and working parameters, the properties of soil and straw on the working performance of related tillage machinery will be investigated, and at last, the general principle of design and application of the tillage machinery working on high straw content soils will be summarized.

随着我国秸秆还田和保护性耕作的发展，很多耕作机械所面临的作业对象发展了很大变化，即越来越多的耕作机械所处理的对象是高秸秆含量的土壤或秸秆与土壤的混合物，但迄今为止，对高秸秆含量土壤的力学性质以及这类土壤与耕作机械的相互作用规律还研究得不多。为了给相关的耕作机械的设计与应用提供理论依据，本项目拟开展对高秸秆含量土壤的力学性质的系统研究，寻求这类土壤力学性质的科学描述体系，利用理论分析、基于有限元和离散元法的计算机仿真以及室内和田间试验的方法，研究工作部件-土壤-秸秆间的相互作用规律，探讨工作部件的结构和工作参数、土壤、秸秆的力学性质对工作部件工作性能的影响，最终总结出在高秸秆含量土壤上工作的耕作机械的一般设计和使用原则。

为给在高秸含量土壤条件下工作的机具的设计和使用提供依据，系统地研究了高秸秆含量土壤的力学性质及其与耕作机具的相互作用规律。首先，分析了秸秆对土壤力学性质的影响。结果表明：秸秆-土壤的内聚力随着秸秆量的增加呈现线性增加趋势，而内摩擦角则呈现二次函数增加的趋势；其次，通过大量试验研究了圆盘犁和铧式犁的工作参数对耕作阻力和秸秆运动的影响，结果表明：圆盘犁所受的侧向力、垂直力和牵引力均随耕作深度和速度的增加而增加，但速度引起的力的增加更显著；随着土壤含水率的增加，铧式犁最大应力点从中间部位向犁体后部转移；运用室内和田间试验及基于离散元的仿真方法，研究了土壤-秸秆-旋耕刀的相互作用规律。无论是在侧切刃下方和正切刃内侧，上层的秸秆和土壤颗粒在水平、侧向和垂直方向的运动总是先于下层的土壤颗粒，而秸秆的三向位移都大于土壤的三向位移。对一种新型仿生旋耕刀进行了可行性研究，结果表明：与国标刀相比，新型仿生旋耕刀对秸秆具有一定的粉碎作用，但在受力和功耗方面无明显优势；另外，对土壤失效形式及其影响因素有研究表明含水率与不同土壤失效形式间并无直接关系，而结持度可作为预测或判定土壤失效形式的可靠参数。