仿生几何结构表面土壤镇压辊

发布时间：2020-11-06 15:53

　　 镇压辊是农业机械中典型的滚动触土部件，用于压实土壤。适当的压实可以减少土壤中的大孔隙，使种子与土壤紧密接触，加强毛细管作用，提高作物产量。传统镇压辊材料多为石材、铸铁或钢材，触土表面在宏观上是普通光滑的，其作业过程中容易粘附土壤，不但增加能耗，降低作业效率，而且使土壤失墒严重，影响种子发芽。此外，传统镇压辊作业过程中会将一部分土壤推到镇压辊前方，形成波浪状凸起，即“拖堆壅土”现象，不但使镇压辊达不到镇压的目的，还要多消耗功，而且会导致种子间距分布不均，造成作物减产。 镇压力的合理选择与土壤墒情有关。本研究通过压板下陷试验获得含水量分别为20%d.b.和28%d.b.的土壤在不同镇压力下的土壤容重和下陷量。采用Bailey三参数模型描述应力-容重关系，通过Matlab最小二乘法对试验数据进行拟合，得到2种土壤含水量对应的应力-容重方程。将适宜玉米生长的容重带入方程，并经过换算，得到土壤含水量分别为20%d.b.和28%d.b.时，适宜的镇压力范围为25.25kg~88.48kg和13.95kg~70.26kg，为后续土槽试验和田间试验提供了依据，并且不同镇压力对应的下陷量可以用来验证有限元的模拟结果。 土壤洞穴动物臭蜣螂和穿山甲在粘湿土壤环境中行动自如，且身体表面不粘土。研究表明其体表的几何结构是其防粘减阻的原因之一。本研究根据臭蜣螂(Coprisochus Motschulsky)腹侧面的几何结构，设计了9种仿生肋条型几何结构镇压辊，其中仿生肋条结构采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料，通过螺纹紧固方式固定在镇压辊基体上，镇压辊基体采用Q235钢。用正交试验方案在室内土槽进行试验研究，以粘附土壤量、牵引阻力、种子粒距变化率和土壤容重为试验指标，考察土壤含水量分别为20%d.b.和28%d.b.时，仿生肋条结构的底面宽度、高宽比(仿生肋条结构的断面高度/底面宽度)、载荷和面积比(仿生肋条结构在柱面上投影面积之和与镇压辊表面积之比)对仿生肋条型几何结构镇压辊作业性能的影响；根据穿山甲(Manis Pentadactyla)体表的鳞片结构，设计出3种仿生多面体型几何结构镇压辊，其材料与传统镇压辊一样，均是Q235钢，对比传统镇压辊与3种仿生多面体型几何结构镇压辊在3种载荷和2种土壤含水量下的作业效果。通过优化得出效果最佳的仿生肋条型几何结构镇压辊和仿生多面体型几何结构镇压辊，将Q235钢、UHMWPE材料和搪瓷涂层材料应用到优化后的仿生肋条型几何结构和仿生多面体型几何结构上，考察材料对两种类型仿生几何结构镇压辊防粘减阻的影响。 采用有限元软件ABAQUS建立传统镇压辊及土槽试验优化得到的采用UHMWPE材料的仿生肋条型几何结构镇压辊和采用Q235钢的仿生多面体型几何结构镇压辊与土壤相互作用的模型。模拟结果中伪应变能约占内能的0.1%，证明沙漏模式对计算结果的影响可以忽略，传统镇压辊以及两种类型仿生几何结构镇压辊的牵引阻力和下陷量的模拟值与试验值吻合很好，从而验证了所创建有限元模型的可靠性。从Mises应力云图、镇压辊与土壤的接触面积和X、Y、Z方向的位移云图三方面对比3种镇压辊的模拟结果，分析了仿生几何结构镇压辊防粘减阻、防壅土的机理。 本研究进行了田间试验，以牵引阻力、土壤容重、种床土壤含水量的变化趋势、株距变化率和出苗率为试验指标，考察了使用3种材料的仿生肋条型几何结构镇压辊和仿生多面体型几何结构镇压辊在3种载荷和2种作业速度下的田间作业效果，并与传统镇压辊对比，同时考察了仿生几何结构材料、仿生几何结构镇压辊类型、作业速度和载荷对仿生几何结构镇压辊作业性能的影响。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：S222.23
【部分图文】：

而且传统镇压辊作业过程中会将一部分土壤推到镇压辊前方，形成波浪状凸起，即“拖堆壅土”现象[12, 13]。不但使镇压辊达不到镇压的目的，还会使镇压辊多消耗功来推移隆起的土壤，而且会导致种子间距分布不均，进而影响植株田间分布均匀性，造成作物减产。所以减轻土壤对镇压辊表面的粘附，避免作业过程中的壅土现象，使土壤形成适当的土壤坚实度，具有重要的现实意义。1.2 镇压装置的发展概况镇压装置按功能来说，一是主要用于全面镇压的镇压器，属于整地机械；二是主要用于播后镇压的镇压轮或镇压辊，属于播种机械中精密播种机附带的一部分[11]。1.2.1 镇压器镇压器的类型主要包括 V 形镇压器、网环形镇压器和圆筒形镇压器等[11]，如图 1.1~图 1.3 所示。

而且传统镇压辊作业过程中会将一部分土壤推到镇压辊前方，形成波浪状凸起，即“拖堆壅土”现象[12, 13]。不但使镇压辊达不到镇压的目的，还会使镇压辊多消耗功来推移隆起的土壤，而且会导致种子间距分布不均，进而影响植株田间分布均匀性，造成作物减产。所以减轻土壤对镇压辊表面的粘附，避免作业过程中的壅土现象，使土壤形成适当的土壤坚实度，具有重要的现实意义。1.2 镇压装置的发展概况镇压装置按功能来说，一是主要用于全面镇压的镇压器，属于整地机械；二是主要用于播后镇压的镇压轮或镇压辊，属于播种机械中精密播种机附带的一部分[11]。1.2.1 镇压器镇压器的类型主要包括 V 形镇压器、网环形镇压器和圆筒形镇压器等[11]，如图 1.1~图 1.3 所示。

镇压装置按功能来说，一是主要用于全面镇压的镇压器，属于整地机械；二是主要用于播后镇压的镇压轮或镇压辊，属于播种机械中精密播种机附带的一部分[11]。1.2.1 镇压器镇压器的类型主要包括 V 形镇压器、网环形镇压器和圆筒形镇压器等[11]，如图 1.1图 1.3 所示。图 1.1 V 形镇压器 图 1.2 网环形镇压器
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 张克健;;修正的邓肯模型及在有限元分析中的应用[J];兵工学报(坦克装甲车与发动机分册);1982年03期

2 张克健 ,张相麟;履刺效应的有限元分析[J];兵工学报;1982年04期

3 罗红旗;高焕文;;免耕播种机组合镇压器设计研究[J];北京工商大学学报(自然科学版);2008年03期

4 于希臣,孙占祥,郑家明,张鹏,杨洪泽;不同镇压方式对玉米生长发育及产量的影响[J];杂粮作物;2002年05期

5 奚廷孔;张艳新;;土壤样品的采集和处理技术[J];广西农学报;2007年03期

6 高爱民;戴飞;吴劲锋;张锋伟;韩正晟;;基于PLAXIS的苜蓿地土壤压实有限元模拟[J];草地学报;2014年01期

7 丛茜,王文涛,阎备战,任露泉;用表面电渗法减少煤与外物的切向阻力[J];吉林工业大学自然科学学报;2000年04期

8 杨晓东,任露泉;PET柔性内衬减粘脱土模型[J];吉林工业大学自然科学学报;2001年01期

9 丛茜,柴雄梁,杨晓东,金敬福;利用柔性仿生技术减少矿车粘附[J];吉林大学学报(工学版);2005年04期

10 丛茜,王连成,任露泉,王志中,李安琪;鳞片形非光滑表面的仿生设计[J];吉林工业大学学报;1998年02期

本文编号：2873339