玉米根茬切挖装置的设计与试验研究

发布时间：2016-05-12 08:41

第 1 章绪论

1.1   研究概述
作为经济发展和社会进步的基础，能源有着不可替代的作用，和与日俱增的能源需求相矛盾的是化石燃料日渐枯竭的危机[1]。为了人类社会的持续发展，寻找新能源成为了世界范围内亟待解决的问题[2-5]。 玉米秸秆作为一种极具开发潜力的生物质资源已得到了广泛的应用。例如最早使用秸秆发电的国家—丹麦，其阿维多秸秆发电厂被誉为全球效率最高的热电联供电厂之一[6]，巴西则是最早使用秸秆燃料酒精的国家，而日本主要将秸秆作为未来的燃料使用[7]。我国的国能生物发电集团已经在全国范围内建立了 35 家生物质发电厂，总计输出绿色电力 79.4 亿千瓦时，使得农民从秸秆销售中获利 32 亿元[8]。使用玉米秸秆炭化粉加工制成的蜂窝炭替代液化气及煤炭也得到了推广应用[9,10]。随着根茬收获机械的推广、生物质资源转化技术的提高，玉米秸秆与根茬的潜在价值将会被发掘出来，并逐渐成为替代化石能源的重要生产资料。秸秆资源的合理利用将会给人类社会带来巨大的经济效益和社会效益。 作为一个农业大国，我国有着丰富的农作物根茬与秸秆来源。玉米更是广泛被种植，从西部的新疆到东南沿海各省市，东北地区黑龙江省到南部海南省均可以种植，可以将其分为六个种植区，即南方的丘陵种植区、西北和青藏高原种植区、西南山地种植区、黄淮海玉米种植区、北方春播玉米种植区[11,12]。从时间上来说，玉米种植面积随着时间推移是不断扩大的。自 20 世纪 80 起，虽然中间个别年份有种植面积所减少，但总体种植面积在持续增长。进入新世纪以后，玉米种植面积连续增加，到 2012 年，玉米种植面积达到 3503 万公顷，占粮食作物种植总面积的 21.44%，产量达到 20561.4万吨[13]。 
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1.2   研究现状 我国玉米种植区域广泛，不同地区的耕作模式、种植结构差别较大，常用的玉米根茬处理方式如下：根茬留田腐烂是指收获玉米之后对根茬不做任何处理，在自然条件下任其腐烂。这种原始处理方式对土壤有一定的益处，但也存在一些弊端。研究表明[19-21]，玉米根茬留田处理可以明显增强土壤酶活性，酶活性的增强对提高土壤微生物活性有显著效果，且在玉米生长旺盛时期（播种 60 天）出现最高峰。同时，根茬腐烂之后还可以促进团粒结构形成，改善土壤通透性，增加土壤孔隙度，提升土壤持水保肥能力[22-24]。 虽然根茬留田可以增强土壤酶活性的方式在一定程度上提高了土壤肥力，但是玉米根茬腐烂是一个漫长的过程，受温度、湿度、光照等自然条件影响很大，存在较大的偶然性因素。尤其我国东北地区，玉米收获之后天气转冷，寒冷干燥的天气条件下很难在春播之前腐烂，而在玉米、小麦两季套种的地区，根本没有足够的时间可以让根茬自然腐烂。因此，根茬留田腐烂并不具有普遍的适应性和大范围的推广应用。 (2)根茬焚烧处理 焚烧根茬是指在玉米收获之后将留在地表的茎秆点燃，这种处理方式可以迅速除去地表根茬，但是这种方式仅仅烧掉茎秆外围玉米枯叶，茎秆并未充分燃烧，地表以下的根茬更不可能被烧掉，根茬焚烧不适合作为处理根茬的方法。此外，根茬焚烧弊端在于焚烧对大气的污染[25-28]：燃烧产生大量白色粉末状固体导致空气中的颗粒物含量增加，同时降低空气的能见度，粉末状飘散的白色颗粒物直接影响城市、高速公路、机场等地的能见度。 
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第 2 章   根茬切挖装置的参数研究

本章从玉米根茬及其生长的土壤环境入手，首先分析二者物理学特性，旨在获得根茬、土壤的基本参数，同时考虑现有收获机的参数以及使用要求，由此确立切挖装置的设计依据。在此基础上，建立切茬刀和土壤相互作用的数学模型，分析切茬刀切挖机理。其次根据玉米根茬的质量分布和尺寸范围，确定切挖装置的工作深度和宽度。最后分析切挖装置和拖拉机的配置形式及其相关参数，从而确定切挖装置的整体设计参数。 

2.1   切挖装置的设计依据
玉米根茬与土壤都是根茬切挖装置的作业对象，所以根茬切挖装置的设计与土壤的物理学性质密切相关，研究耕层土壤和根茬的物理学特性对于根茬切挖装置参数的确定至关重要。 耕层土壤包括固相、液相和气相三部分，其中固相主要包括矿物质和有机质，矿物质中包含大小不同的矿物质颗粒，有机质来自于农作物根茬、秸秆残留物、土壤中的微生物以及人工施用的有机肥等[72]。土壤的物理学性质与含水量、外界环境、黏粒数量、有机质含量密切相关，是多个影响因素综合作用的结果，它是一个多相的、非均质的、分散的、颗粒化的以及多孔的复杂系统[73]。 玉米根茬收获机作业时，根茬切挖装置首先要将土壤破碎，破坏其团粒结构，其次将裹带土壤的玉米根茬从土壤中切割分离出来。
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2.2   切茬装置参数分析
玉米收获后留在土壤中的根茬改变了土壤的原有结构，形成了根茬-土壤复合状态。传统的平面铲工作时只能从土壤底部切割根土复合体，而不能将侧面的根茬切断，同时，由于根土复合体的材料特性发生了改变，不同于单纯的土壤或根茬，对传统平面铲的强度提出新的要求。基于传统平面铲切割根土复合体方面的诸多限制，为了在根茬-土壤复合状态下切割根茬，有必要对根茬-土壤复合体的切割机理进行探究。根茬的切挖方式关系到最终的切割效果和机组的功耗，也关系到后期捡拾器能否将根茬顺利捡拾，如果切割后根茬仍然和土壤交织部分太多，势必降低捡拾器作业效率甚至无法捡拾根茬[77,78]。单一从土壤底面切割的方式会给捡拾器带来更大的捡拾阻力，为了便于捡拾以及控制根茬切割的范围，可以采用环切的方式切割根茬，即沿着机组前进方向上，从根茬的两个侧面利用竖刀将根茬与土壤分离，同时底部用平面刀片切割，如图 2.4 所示。但是两把竖刀安装在底面刀片上的切割方式会在一定程度上造成壅土，在实际作业过程中切茬与壅土是相互影响的，综合考虑各因素影响，可以采取单个竖刀与底刀组合或两把竖刀与底面刀结合的切割方式，最大程度上分割根茬与土壤，便于后期捡拾。 
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第 3 章   蝉若虫前足挖掘曲线提取与优化 ....... 31 
3.1   金蝉若虫的生物学特征 ..... 31 
3.2   金蝉若虫前足表观形态 ..... 32 
3.3   前足曲线提取 ....... 33 
3.4   本章总结 ........ 40 
第 4 章   切茬装置模型建立与结构优化 .... 43
4.1   基于 Solidworks 的设计与分析方法 ....... 43 
4.2   切茬装置的模型设计 .......... 45 
4.2.1   牵引部件结构模型 ....... 45 
4.2.2   切茬部件结构模型 ....... 46 
4.3   基于整机模型的优化设计 ......... 48 
4.4   关键部件的有限元分析 ...... 52 
4.4.1   切茬部件的有限元分析 ...... 52 
4.4.2   牵引部件的有限元分析 ...... 55 
4.5   本章总结 ........ 58 
第 5 章   切茬刀性能试验 ....... 59 
5.1   试验设备与方法 .......... 59 
5.1.1   试验准备 ......... 59 
5.1.2   试验因素设计 ........ 61 
5.2   实验结果与分析 .......... 62 
5.3   本章总结 ........ 65 

第 5 章   切茬刀性能试验 

5.1   试验设备与方法 

试验目的主要是测试不同刀片的切土性能，并分析切割速度、刃口倾角、仿生元素对切土阻力和功率消耗的影响。因此采用具有 2.5mm 切齿、5mm 切齿和不具有仿生元素的刀片制备样本。试验需要加工的刀片模型如图 5.1 所示。 试验主要考虑具有仿生元素刀片的切土性能，为了能够良好的表达仿生元素，采用 3D 打印方法加工刀片，刀片材料采用 ABS 工程塑料，该材料强度高，韧性好，能够满足实验要求。刀片加工设备采用 Makerbot Replicator  系列 3D 成型设备。 Makerbot Replicator 是美国 Makerbot 公司研发的桌上型 3D 打印机，实验采用 2014年发布的 Replicator 第五代产品进行样品加工，如图 5.2（a）所示。第五代 Makerbot Replicator 可打印体积上比第四代大 11%，打印精度为 100 微米。刀片样本如图 5.2（b）所示，加工的刀片表面质量良好，仿生齿形表达准确，边角无毛刺。 

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结论

根茬切挖是玉米根茬收获的首要工作，对玉米根茬收获机的收获质量有着较大影响。本文设计了一种新型的玉米根茬切割装置，并对切茬关键部件进行深入的理论分析和试验研究，得到如下结论：
1、通过对玉米根茬的质量分析发现：玉米根茬的质量 90%分布在 0-150mm 根深范围内，0-100mm 范围根茬质量随着根深的增加增幅较大，，100-150mm 质量增加不明显，300mm 以下深度范围内只分布着少量须根；玉米根幅半径在 0-100mm 范围时根茬质量随根幅增加的较快，100mm 之后根茬质量逐渐趋于稳定，根茬 90%的质量集中在根幅半径 100mm 内，根幅半径为 150mm 的范围内约占据根茬总质量的 98%。 
2、根据玉米根茬的形态特征确定了竖刀与底部刀片结合的根茬切割方式，其中底部刀片有效刃口长度应大于 160mm，竖刀刃口长度大于 150mm。通过对刃口某一点受力分析得到：刃口与前进方向的夹角小于 62°时能够保证滑切作用。根据现有的机型的和配套拖拉机的参数，设计根茬切挖装置采取对行切挖的方式，切茬刀间距可以根据行距的不同进行调整。 
3、观察金蝉若虫生物形态发现其前爪拥有优越的切土能力，可以为切茬刀片仿生学设计提供参考。通过矢量化软件处理得到蝉若虫前爪矢量图，提取出切齿曲线，并利用 Origin 对得到的曲线进行拟合得到其参数方程，求出拟合参数方程的最小平方逼近函数，最终确定切齿的刃口斜率分别为 1.11 和-2.7。 
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参考文献(略)

本文编号：44141