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《中国农业大学》 2017年
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滨海盐碱土打孔灌沙技术及关键部件研究

张翼夫  
【摘要】:土壤盐碱化是世界干旱、半干旱农业区突出的生态环境问题。盐碱化导致土壤结构黏滞、通气性差、毛细作用强,这将引起作物的生理干旱,影响其生长发育。工程措施能够有效促进土壤排盐,抑制盐分上返,是盐碱土改良利用的重要措施之一,但存在着工程量大、生产成本高、难以大规模应用的不足。本课题针对滨海盐碱土盐分高、质地黏重、渗透性差的特点,提出打孔灌沙排盐降渍的技术方案,并研发适用于滨海盐碱土区的打孔灌沙装备。主要研究成果如下:(1)以天津滨海盐碱土为研究对象,通过野外小区漫灌试验,研究打孔灌沙对盐碱土水盐运移规律的影响。试验结果表明,打孔深度≥10cm的打孔灌沙处理能够显著提高表层0~30 cm土壤脱盐总量50.7%~176.5%。同时,结合试验区农艺种植规范,推荐10 cm打孔深度、30孔/m2打孔密度作为合适的打孔灌沙实施方案。(2)针对滨海盐碱土壤的力学特点,基于土壤冲击挤密原理和极限平衡原理,建立打孔部件冲击负载模型。研究发现,土壤密度、黏聚力、内摩擦角、打孔部件构型参数以及冲击速度是影响盐碱土冲击效果的重要因素。同时,通过数值分析和多目标规划,确定打孔部件潜头类型为内凹弧型,其参数为:锥角45°,内凹弧顶点切线夹角32°。基于打孔部件冲击负载模型,建立了盐碱土冲击打孔临界动能模型。研究发现,打孔深度越大,所需临界动能越大,而在相同的打孔深度下,打孔部件质量越大,临界动能越小。盐碱土田间冲击试验进一步验证了临界动能模型的可行性。(3)针对现有垂直打孔装置精度要求高、冲击大、易磨损,对机组工作速度依赖性强的特点,设计一种柔性随动式五杆打孔机构。通过建立五杆打孔机构运动学模型,提出关键部件设计的约束条件,结合工作原理和运动特性,得出机构初始结构参数。借助模拟退火优化算法,优化机构参数:机架AB长度420 mm、曲柄AC长度75 mm、长杆CE长度630 mm、连杆ED长度270 mm、支撑臂BD长度224 mm、打孔针EP长度150 mm、机架AB的角度111°、支撑臂BD的初始角位移280°。成孔效果计算机仿真表明,优化后在机组最佳前进速度下,打孔针倾斜角度减小了 24%,同时机组作业速度在3~4.7 km/h范围内,倾斜角度未超过4.6°,满足设计要求。(4)分析随动装置工作过程,通过支撑臂动力学研究,提出回位弹簧选配条件,结合研究区土壤力学特性,得出回位弹簧的选配标准:有效压缩量不小于14 cm,最大压应力不大于370 N。基于打孔环节打孔针偏移特性,提出侧开口打孔针细沙输送的工作原理,并利用响应面优化法,对侧开口打孔针结构参数进行优化设计,最佳参数组合为:侧开口深度7.27 mm,侧开口高度41.67 mm,潜头切面宽度12.70 mm。通过设计整机传动、随动装置和输沙装置,形成打孔灌沙样机,并进行田间性能试验。打孔效果试验表明:样机在3~5 km/h工作速度下,打孔灌沙密度为25~41孔/m2,打孔深度均匀,变异系数小于6%,成孔倾斜角均值在1.6°~3.4°之间。灌沙试验结果表明,设计的打孔灌沙样机成孔灌沙比例均值为77.1%,基本能够完成灌沙环节,同时灌沙效果有待提高。
【关键词】:漫灌试验 垂直打孔机构 打孔灌沙装备 田间试验
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S156.4
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-12
  • 第一章 绪论12-24
  • 1.1 问题的提出12-13
  • 1.2 盐碱土概况13-15
  • 1.3 国内外盐碱土改良现状15-21
  • 1.4 选题的目的与意义21
  • 1.5 研究内容21-22
  • 1.6 技术路线22-24
  • 第二章 打孔灌沙实施方法及脱盐效果研究24-44
  • 2.1 试验区概况及研究方法24-27
  • 2.2 漫灌条件下水盐运移过程27-31
  • 2.3 打孔灌沙对盐碱土脱盐效果的影响31-36
  • 2.4 不同盐化土壤下打孔灌沙效果试验36-42
  • 2.5 打孔灌沙实施方案分析42-43
  • 2.6 小结43-44
  • 第三章 打孔灌沙装备总体方案设计44-50
  • 3.1 打孔灌沙装备总体设计44-47
  • 3.2 打孔灌沙装备关键技术环节47-48
  • 3.3 打孔灌沙装备关键部件配置48-49
  • 3.4 小结49-50
  • 第四章 盐碱土冲击挤密打孔临界动能研究50-80
  • 4.1 土壤冲击挤密原理50-51
  • 4.2 打孔部件冲击挤密潜入过程的负载模型研究51-64
  • 4.3 构型参数影响潜入负载的数值分析及优化64-72
  • 4.4 盐碱土冲击打孔临界动能分析72-79
  • 4.5 小结79-80
  • 第五章 冲击式垂直打孔机构的设计与优化80-96
  • 5.1 整体结构及目标参数80-81
  • 5.2 五杆打孔机构运动学模型81-83
  • 5.3 关键部件参数设计83-87
  • 5.4 基于退火算法的五杆打孔机构参数优化87-92
  • 5.5 机构成孔效果计算机仿真92-95
  • 5.6 小结95-96
  • 第六章 打孔灌沙整机设计及田间试验96-112
  • 6.1 打孔灌沙整机设计96-107
  • 6.2 田间试验107-111
  • 6.3 小结111-112
  • 第七章 结论与建议112-114
  • 7.1 主要研究结论112-113
  • 7.2 创新内容113
  • 7.3 建议113-114
  • 参考文献114-122
  • 致谢122-124
  • 附录124-132
  • 附录1: 潜头构型参数多目标优化程序124-126
  • 附录2: 五杆打孔机构模拟退火优化程序126-132
  • 作者简历132-133

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