旱作耕地气压深松机的设计与研究

摘要

目前，我国大多数耕地由于缺乏合理的耕作方式，经过机具长期的碾压，被过度的压实，因此在离耕地表面15-25cm的土壤普遍存在坚实的犁底层。为了防止水土流失、耕地荒漠化，研究打破犁底层，提高土壤储水能力的深松技术具有很重要的意义。但是传统的深松技术研究主要是以机械切削深松为主，存在深松深度低，深松范围小，深松阻力大等问题。 本文针对传统机械深松所存在的问题，研究利用高压气体冲击劈裂耕地犁底层的气压深松方式。为此，从下面几个方面进行研究： 首先，通过对气压劈裂的裂隙生成机理、扩展原理、起劈气压进行研究分析，建立铲面与土体之间有无高压气体工况下的力学模型，利用气压劈裂机理研究气压式深松铲的劈裂与减阻机理，推导出气压劈裂下的牵引阻力的计算公式，影响牵引阻力的主要因素有注入土壤内部的气压、铲面的长度与宽度、土壤的内聚力、土壤扰动系数、深松铲行进速度。为了保证犁底层受气压深松后的破碎率，进一步研究了铲面振动破碎土体机理。 其次，基于气压劈裂土壤理论，对气压深松机的整体进行结构与方案设计，包括：气压劈裂式深松铲的设计与布局、气压控制系统的设计、铲柄架的设计、激振装置的设计、传动装置的选型计算，建立三维实体模型并进行装配。为了验证设计的可行性与合理性，通过有限元软件对气压劈裂式深松铲、铲柄架、偏心轴等主要部件进行静力学与动力学分析，得到相对应的应力、应变云图以及前六阶的模态振型云图，通过分析均能达到强度要求，避开共振频率。 接着，为了确保所研究的气压深松机能够适应于我国各个地区的耕地土壤，选取了黏性很大的南方耕地土壤作为研究对象，通过ABAQUS分析软件对其进行三轴剪切模拟试验分析；通过对比耕作层土壤与犁底层土壤在各围压作用下的轴向应力与应变关系，表明犁底层的弹性区比耕作层小，达到屈服极限的速率比耕作层大，比起耕作层，更适用高压气体深松产生裂隙。 最后，为了研究高压气流在南方耕地犁底层土壤的扩散分布情况，运用CFD流体分析软件进行气压深松仿真分析可知，对于容重1.8g/cm3，深度为40cm犁底层的气压深松，起劈气压范围为1.6-2.4MPa，最大深松半径可达0.92m；对不同容重的犁底层在在2MPa气压下进行深松仿真对比可知，容重1.4g/cm3犁底层的气体主要沿竖直向扩撒，近侧影响域深松效果明显；容重1.6g/cm3犁底层的气体竖直方向与水平方向扩散并存，深松主要发生在近侧与中部影响域；容重1.8g/cm3犁底层的气体主要沿水平方向扩散，深松效果最好，可达到远侧影响域。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2国内外深松技术的研究现状

1.2.1国外深松机械的研究现状

1.2.2国内深松机械的研究现状

1.3 高压气体在土壤深松渗透应用的现状

1.4 研究内容

1.5 技术路线

1.6 本章小结

第二章 气压深松铲劈裂深松机理及振动碎土分析

2.1气压劈裂在犁底层裂隙生成

2.1.1拉伸破坏失效变形

2.1.2压缩破坏失效变形

2.2高压气体劈裂裂纹的扩展机理

2.2.1抬升张拉机理

2.2.2压缩剪切破坏机理

2.3高压气体劈裂的裂隙扩展模型

2.3.1 假设模型

2.3.2 高压气体分布方程

2.3.3高压气体漏渗方程

2.3.4 土体位移方程

2.4气压劈裂式深松铲的减阻机理分析

2.4.1土壤劈裂减阻机理分析

2.4.2铲面振动提土破碎机理分析

2.6本章小结

第三章 气压深松机的结构设计

3.1设计方案拟定

3.1.1深松方式

3.1.2整机方案的选择

3.2气压深松机的主要设计要求与参数

3.3气压深松机的构成及工作原理

3.3.1气压深松机的构成

3.3.2深松机的工作原理

3.4关键部件的方案设计

3.4.1气压劈裂式深松铲的方案设计

3.4.2气压劈裂式深松铲的布局

3.4.3气压控制系统的设计

3.4.4铲柄架的设计

3.4.5激振箱的设计

3.4.6传动软轴的选择

3.5 本章小结

第四章 气压深松机的主要部件仿真分析

4.1 气压劈裂式深松铲的有限元分析

4.1.1 结构静力学分析

4.1.2结构动力学分析

4.2 铲柄支架的有限元分析

4.2.1结构静力学分析

4.2.2结构动力学分析

4.3偏心轴的有限元分析

4.3.1偏心轴的静力学分析

4.3.2偏心轴动力学分析

4.4本章小结

第五章 耕地土壤力学特性与气压深松仿真分析

5.1耕地土壤力学特性分析

5.1.1土壤的应力及应变

5.1.2土壤失效破坏准则

5.1.3耕作层与犁底层的土壤试样的三轴剪切模拟试验研究

5.2犁底层气压深松仿真试验

5.2.1 流体工程软件Fluent简介

5.2.2 多孔介质的定义

5.2.3黏性阻力系数与惯性阻力系数

5.2.4建立犁底层土壤模型

5.2.5起劈压力范围的确定

5.2.6不同容重的犁底层对气体扩散的影响

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1总结

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间的学术论文和研究成果

致谢