双耦合仿生减阻深松铲性能试验研究
发布时间：2021-08-12 19:34
深松铲作为深松耕作的核心部件之一,对深松作业质量和效率起着至关重要的作用,但现有深松铲存在耕作阻力大、表面粘附和磨损严重以及能耗高等问题。本研究针对上述问题运用耦合仿生原理、离散元方法以及金属表面合金化等手段,对深松铲进行结构优化设计和表面合金化处理,旨在降低深松铲的耕作阻力,提高其耐磨性能和防粘附性能。本研究通过对狗獾爪趾曲线和穿山甲鳞片表面结构特征的观察分析,利用三维设计软件建立双耦合仿生减阻深松铲的三维模型,运用离散元法仿真模拟和田间试验验证双耦合仿生减阻深松铲的减阻、防粘附性能。深松部件的表面合金化是一种改善部件表面耐磨性的一种方法,本研究利用等离子喷涂技术在铲体表面喷涂Ni60合金粉末涂层与Ni60+Ce2O3+纳米SiO2混合涂层,通过田间试验对比两种涂层的耐磨性能。本研究的主要内容和结论如下:1)研究了吉林省公主岭市试验田和河北省藁城区试验田的土壤物理特性和力学特性,包括土壤含水率、密度、坚实度、内聚力和内摩擦角;2)通过对狗獾爪趾的观察分析,利用MATLAB软件提取狗獾爪趾的特征曲线,并对曲线进行拟合得到...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
我国耕地的占有比例
第1章绪论1第1章绪论1.1研究背景众所周知，我国是世界上人口最多的国家，对农业的发展也尤为重视。农业的发展需要国家方针政策的扶持、农业方面人才的培养还有农业机械化的发展，其中，促进农业机械的现代化、改善传统农业种植模式和耕作模式尤为重要。近年来，我国的农业技术水平已经得到了很大的提高，但仍旧存在一些不足[1]。据统计，我国2012年~2017年全国耕地由20.27亿亩减少到了20.23亿亩，如图1.1、图1.2所示，这种下降趋势仍在继续。研究表明[3-4]，耕地减少的原因一是因为退耕还林、退耕还草；二是转向了建筑用地，如由于城市蔓延、逆城市化等引起的土壤污染和耕地被占用；三是由于人们过度追求高产量，滥用农业技术手段，导致土壤板结、肥力不足，慢慢地变不成了不可逆转的荒地。图1.1我国耕地的占有比例图1.2我国耕地的变化曲线为了改善这种不合理的农业耕作方式，降低对环境和土地的破坏，美国土壤保护局提出了“保护性耕作”的概念[5]。保护性耕作技术的核心就是对土地进行少耕、免耕，降低机械作业过程中对土壤的扰动，令作物的残渣可以保留在表土层，以促进接下来作物的生长[6-7]。研究人员的长期试验表明，保护性耕作可以提升农业生产效率、优化农业生产流程并充分保护耕地资源[3]。深松技术作为保护性耕作的关键技术之一，近年来已经广泛应用于农业生产中，生产实践表明，土壤深松作业通过加深耕作层，改善土壤透气性、透水性、土壤孔隙等达到了增产的效果[8-10]。李友军、李洪文、晋鹏宇以及何进等[11-14]专家学者通过大量的田间试验证实，深松作业可以降低土壤容重、提高土壤含水率和孔隙率、提高作物根系的活力、提高作物的经济效益等。同时，深松与浅耕相比具有以下几个优点[17]：一、深松作业可以打破坚硬的犁底层?
第1章绪论3等效果[21]。20世纪50年代到80年代初期，国外开始研究少耕或免耕[24]，这对目前国外保护现有的耕地起到了关键的作用。现有的国外深松机械大多数深松效果好，作业宽度大，工作效率和速度也比较快[20]。研究发现，直立形深松铲（如图1.3）耕作作业中牵引阻力要比圆弧形深松铲（如图1.4）的牵引阻力大7%-12%[25]，研究人员便开始对深松铲的受力模型进行分析。1976年Hettiaratchi和Reece等人[26]建立了深松铲水平运动的数学模型，对深松铲的受力和土壤失效时的状态进行了分析。随着研究的深入，研究人员发现深松铲的耕作速度会对水平运动的数学模型产生影响[27-28]。1999年，Mouazen[21]采用Drucker-prager非线性弹塑性本构关系及Mises屈服准则，基于有限元法模拟了低速状态下，四种不同角度的深松铲及其铲柄的受力状况，并与试验结果作了对比分析，认为深松铲柄与水平线夹角为75°、深松铲楔角为15°时的深松部件受力最优。进入21世纪，离散元优化理念的提出和发展，又为深松铲的理论分析和模拟提供了新的方法。2007年，Shmulevich等人[29]在离散元软件中添加土壤模型，并对几种不同的铲型进行了与土壤的作用分析，结果显示，铲尖在作业过程中其前端土壤不断堆积，使得深松铲的工作阻力越来越大，而且土壤堆积过程中还会影响铲在垂直方向的作用力。2013年，Tamas等人对土槽中的土壤颗粒建立了离散元模型，同时考虑了颗粒间的液桥力作用，结果表明，当耕作速度在0.5m/s~2.4m/s时，仿真效果较好。图1.3直立式深松铲柄示意图图1.4圆弧形深松铲柄示意图美国、德国等发达国家的人均耕地比我们国家的人均耕地多，我国人均耕地0.08公顷左右，而美国是我国的6倍，德国是我国的2倍，这促进了其大型农业机械的发展，以下是几种国外的深
【参考文献】：
期刊论文
[1]土地利用的经济生态位分析和耕地保护机制研究[J]. 王玉慧. 工程建设与设计. 2020(02)
[2]推广保护性耕作技术实现农业可持续发展[J]. 王俊飞,唐伟,马雪. 农业与技术. 2020(01)
[3]Q235B钢材考虑应力三轴度和Lode参数影响的断裂模型[J]. 黄学伟,赵威,赵军,王志. 应用基础与工程科学学报. 2019(05)
[4]我国城镇化与耕地资源的时空耦合关系研究——基于2001—2016年的数据[J]. 梁辉,严诗琦,李海云. 湖北经济学院学报. 2019(04)
[5]基于东北地区耕地增减变化的资源环境保护策略[J]. 向雁,陈印军,侯艳林. 科技导报. 2019(12)
[6]凸圆滑切式减阻深松铲尖设计与试验[J]. 王安,马跃进,赵建国,李建昌,郝建军,马志凯,马四龙. 河北农业大学学报. 2019(03)
[7]不同含水率黏重黑土与触土部件互作的离散元仿真参数标定[J]. 李俊伟,佟金,胡斌,王虎彪,毛春昱,马云海. 农业工程学报. 2019(06)
[8]基于离散元法的凸圆刃式深松铲减阻效果仿真分析与试验[J]. 马跃进,王安,赵建国,郝建军,李建昌,马璐萍,赵伟博,吴月. 农业工程学报. 2019(03)
[9]深松犁减黏降阻研究综述[J]. 鲍洋清,许令峰,宋月鹏,刘贤喜. 安徽农业科学. 2018(07)
[10]保护性耕作拟合曲线型深松铲设计与试验[J]. 赵淑红,王加一,陈君执,杨悦乾,谭贺文. 农业机械学报. 2018(02)
博士论文
[1]鼹鼠前足多趾组合结构切土性能研究与仿生旋耕刀设计[D]. 杨玉婉.吉林大学 2019
[2]基于动态仿生的破茬深松联合作业机设计及关键技术研究[D]. 郭明卓.吉林大学 2019
[3]基于离散元方法的深松铲参数优化及松土综合效应研究[D]. 刘俊安.中国农业大学 2018
[4]基于离散元法的深松铲减阻及耕作效果研究[D]. 李博.西北农林科技大学 2016
[5]深松铲减阻耐磨仿生理论与技术[D]. 张金波.吉林大学 2014
[6]振动筛分过程的三维离散元法模拟研究[D]. 赵啦啦.中国矿业大学 2010
[7]典型生物摩擦学结构及仿生[D]. 陈东辉.吉林大学 2007
[8]金龟子形态分析及深松耕作部件仿生设计[D]. 朱凤武.吉林大学 2005
硕士论文
[1]不同材质组分对深松铲铲尖耐磨性影响的试验研究[D]. 于海洋.黑龙江八一农垦大学 2019
[2]深松铲尖表面激光熔覆强化试验研究[D]. 闫勇.黑龙江八一农垦大学 2019
[3]基于DEM的新型仿生深松铲的研制[D]. 鲍洋清.山东农业大学 2018
[4]仿生构形刀具省力机理的研究[D]. 王文轩.安徽大学 2018
[5]深松铲减阻特性的研究[D]. 纪冬冬.中南林业科技大学 2018
[6]颗粒的相互作用与宏观力学性质的关系研究[D]. 李运.西安理工大学 2017
[7]基于软土工程特性的南通地区工程地质条件研究[D]. 孙晓倩.中国矿业大学 2016
[8]四种穿山甲属动物类药材的生药鉴别研究[D]. 吴芝园.南京中医药大学 2015
[9]獾牙齿特性及其仿生应用[D]. 林福东.吉林大学 2014
[10]深松铲减阻技术研究[D]. 张璐.吉林大学 2013
本文编号：3338939
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
我国耕地的占有比例
第1章绪论1第1章绪论1.1研究背景众所周知，我国是世界上人口最多的国家，对农业的发展也尤为重视。农业的发展需要国家方针政策的扶持、农业方面人才的培养还有农业机械化的发展，其中，促进农业机械的现代化、改善传统农业种植模式和耕作模式尤为重要。近年来，我国的农业技术水平已经得到了很大的提高，但仍旧存在一些不足[1]。据统计，我国2012年~2017年全国耕地由20.27亿亩减少到了20.23亿亩，如图1.1、图1.2所示，这种下降趋势仍在继续。研究表明[3-4]，耕地减少的原因一是因为退耕还林、退耕还草；二是转向了建筑用地，如由于城市蔓延、逆城市化等引起的土壤污染和耕地被占用；三是由于人们过度追求高产量，滥用农业技术手段，导致土壤板结、肥力不足，慢慢地变不成了不可逆转的荒地。图1.1我国耕地的占有比例图1.2我国耕地的变化曲线为了改善这种不合理的农业耕作方式，降低对环境和土地的破坏，美国土壤保护局提出了“保护性耕作”的概念[5]。保护性耕作技术的核心就是对土地进行少耕、免耕，降低机械作业过程中对土壤的扰动，令作物的残渣可以保留在表土层，以促进接下来作物的生长[6-7]。研究人员的长期试验表明，保护性耕作可以提升农业生产效率、优化农业生产流程并充分保护耕地资源[3]。深松技术作为保护性耕作的关键技术之一，近年来已经广泛应用于农业生产中，生产实践表明，土壤深松作业通过加深耕作层，改善土壤透气性、透水性、土壤孔隙等达到了增产的效果[8-10]。李友军、李洪文、晋鹏宇以及何进等[11-14]专家学者通过大量的田间试验证实，深松作业可以降低土壤容重、提高土壤含水率和孔隙率、提高作物根系的活力、提高作物的经济效益等。同时，深松与浅耕相比具有以下几个优点[17]：一、深松作业可以打破坚硬的犁底层?
第1章绪论3等效果[21]。20世纪50年代到80年代初期，国外开始研究少耕或免耕[24]，这对目前国外保护现有的耕地起到了关键的作用。现有的国外深松机械大多数深松效果好，作业宽度大，工作效率和速度也比较快[20]。研究发现，直立形深松铲（如图1.3）耕作作业中牵引阻力要比圆弧形深松铲（如图1.4）的牵引阻力大7%-12%[25]，研究人员便开始对深松铲的受力模型进行分析。1976年Hettiaratchi和Reece等人[26]建立了深松铲水平运动的数学模型，对深松铲的受力和土壤失效时的状态进行了分析。随着研究的深入，研究人员发现深松铲的耕作速度会对水平运动的数学模型产生影响[27-28]。1999年，Mouazen[21]采用Drucker-prager非线性弹塑性本构关系及Mises屈服准则，基于有限元法模拟了低速状态下，四种不同角度的深松铲及其铲柄的受力状况，并与试验结果作了对比分析，认为深松铲柄与水平线夹角为75°、深松铲楔角为15°时的深松部件受力最优。进入21世纪，离散元优化理念的提出和发展，又为深松铲的理论分析和模拟提供了新的方法。2007年，Shmulevich等人[29]在离散元软件中添加土壤模型，并对几种不同的铲型进行了与土壤的作用分析，结果显示，铲尖在作业过程中其前端土壤不断堆积，使得深松铲的工作阻力越来越大，而且土壤堆积过程中还会影响铲在垂直方向的作用力。2013年，Tamas等人对土槽中的土壤颗粒建立了离散元模型，同时考虑了颗粒间的液桥力作用，结果表明，当耕作速度在0.5m/s~2.4m/s时，仿真效果较好。图1.3直立式深松铲柄示意图图1.4圆弧形深松铲柄示意图美国、德国等发达国家的人均耕地比我们国家的人均耕地多，我国人均耕地0.08公顷左右，而美国是我国的6倍，德国是我国的2倍，这促进了其大型农业机械的发展，以下是几种国外的深
【参考文献】：
期刊论文
[1]土地利用的经济生态位分析和耕地保护机制研究[J]. 王玉慧. 工程建设与设计. 2020(02)
[2]推广保护性耕作技术实现农业可持续发展[J]. 王俊飞,唐伟,马雪. 农业与技术. 2020(01)
[3]Q235B钢材考虑应力三轴度和Lode参数影响的断裂模型[J]. 黄学伟,赵威,赵军,王志. 应用基础与工程科学学报. 2019(05)
[4]我国城镇化与耕地资源的时空耦合关系研究——基于2001—2016年的数据[J]. 梁辉,严诗琦,李海云. 湖北经济学院学报. 2019(04)
[5]基于东北地区耕地增减变化的资源环境保护策略[J]. 向雁,陈印军,侯艳林. 科技导报. 2019(12)
[6]凸圆滑切式减阻深松铲尖设计与试验[J]. 王安,马跃进,赵建国,李建昌,郝建军,马志凯,马四龙. 河北农业大学学报. 2019(03)
[7]不同含水率黏重黑土与触土部件互作的离散元仿真参数标定[J]. 李俊伟,佟金,胡斌,王虎彪,毛春昱,马云海. 农业工程学报. 2019(06)
[8]基于离散元法的凸圆刃式深松铲减阻效果仿真分析与试验[J]. 马跃进,王安,赵建国,郝建军,李建昌,马璐萍,赵伟博,吴月. 农业工程学报. 2019(03)
[9]深松犁减黏降阻研究综述[J]. 鲍洋清,许令峰,宋月鹏,刘贤喜. 安徽农业科学. 2018(07)
[10]保护性耕作拟合曲线型深松铲设计与试验[J]. 赵淑红,王加一,陈君执,杨悦乾,谭贺文. 农业机械学报. 2018(02)
博士论文
[1]鼹鼠前足多趾组合结构切土性能研究与仿生旋耕刀设计[D]. 杨玉婉.吉林大学 2019
[2]基于动态仿生的破茬深松联合作业机设计及关键技术研究[D]. 郭明卓.吉林大学 2019
[3]基于离散元方法的深松铲参数优化及松土综合效应研究[D]. 刘俊安.中国农业大学 2018
[4]基于离散元法的深松铲减阻及耕作效果研究[D]. 李博.西北农林科技大学 2016
[5]深松铲减阻耐磨仿生理论与技术[D]. 张金波.吉林大学 2014
[6]振动筛分过程的三维离散元法模拟研究[D]. 赵啦啦.中国矿业大学 2010
[7]典型生物摩擦学结构及仿生[D]. 陈东辉.吉林大学 2007
[8]金龟子形态分析及深松耕作部件仿生设计[D]. 朱凤武.吉林大学 2005
硕士论文
[1]不同材质组分对深松铲铲尖耐磨性影响的试验研究[D]. 于海洋.黑龙江八一农垦大学 2019
[2]深松铲尖表面激光熔覆强化试验研究[D]. 闫勇.黑龙江八一农垦大学 2019
[3]基于DEM的新型仿生深松铲的研制[D]. 鲍洋清.山东农业大学 2018
[4]仿生构形刀具省力机理的研究[D]. 王文轩.安徽大学 2018
[5]深松铲减阻特性的研究[D]. 纪冬冬.中南林业科技大学 2018
[6]颗粒的相互作用与宏观力学性质的关系研究[D]. 李运.西安理工大学 2017
[7]基于软土工程特性的南通地区工程地质条件研究[D]. 孙晓倩.中国矿业大学 2016
[8]四种穿山甲属动物类药材的生药鉴别研究[D]. 吴芝园.南京中医药大学 2015
[9]獾牙齿特性及其仿生应用[D]. 林福东.吉林大学 2014
[10]深松铲减阻技术研究[D]. 张璐.吉林大学 2013
本文编号：3338939
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/benkebiyelunwen/3338939.html
