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《东北农业大学》 2016年
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气压深松特性及技术的试验研究

左胜甲  
【摘要】:我国是一个严重缺少水资源的国家,研究合理的农田耕作技术,提高土壤的蓄水保墒能力,减少水土流失,避免耕地的继续减少,对实现农业的可持续发展具有重要的现实意义。为解决由于不合理的耕作方式而造成的水土流失,我国实施了“保护性耕作”的耕作方式。深松是保护性耕作的重要组成部分,通过疏松土壤,打破耕地犁底层和加深耕作层,能改善土壤的透水、透气性能和团粒结构,使雨水更容易渗入到土壤中,从而有利于作物根系的发育,提高蓄水保墒能力。但传统的深松方式,存在深松作用范围小、深松深度浅、程度不均匀等问题。因此,对新的耕地深松方式的研究十分必要。论文提出了一种新的耕地深松方式—气压深松:通过向耕地土壤中注入高压气体,使土壤在高压气体的作用下产生裂隙,实现对耕地的深松。为了探寻气压深松效果,探索气压深松特性,解明气压深松参数对气压深松效果评价指标的影响。为此,论文从以下七个方面展开研究,主要的研究内容为:对气压深松裂隙生成原理进行分析,分析气压深松裂隙扩展模型、裂隙扩展机理及气压深松裂隙起劈压力。对深松效果的评价指标进行选取确定,选取土壤孔隙度、土面抬升量作为深松效果的评价指标。给出了各评价指标的测试方法,对测试原理及测试手段进行说明与分析,对指标测试装置及气压深松试验装置进行研制。为验证气压深松效果,进行气压深松效果试验,结果表明:高压气体在土壤内部主要产生水平裂隙,水平裂隙的发展使犁底层的孔隙度明显增大,可有效打破犁底层,深松后土壤中空气的含量增加,使土壤体积膨胀、土面抬升,可在不扰动或少扰动耕作层的情况下得到良好的深松效果;气压深松对容重1.6、1.8g/cm3的犁底层同样具有较好的深松效果,深松后耕作层和犁底层的孔隙度均有大幅度提升,并且作用范围较广,可以克服传统深松铲对容重较大的犁底层难以实施深松的问题;气压深松的最大深松作用半径为0.7m,是传统深松铲深松最大作用半径的2~2.5倍,而对犁底层深松作用半径至少为传统深松铲深松作用半径的3倍,并且作用范围内的孔隙度提升率较高且变化幅度较小,说明气压深松具有深松作用范围广、深松均匀、深松程度高等特点,为得到气压深松参数对深松效果评价指标(土壤孔隙度及土面抬升量)影响的显著性,利用正交试验对气压深松参数:深松气压、喷气深度、气枪喷气孔角度及犁底层容重对土壤孔隙度增加率及土面抬升量影响的显著性进行了分析。得出:深松气压、注气点深度、气枪喷气孔角度对土壤孔隙度增加率及土面抬升量影响显著,而容重影响不显著。为分析深松气压对深松效果评价指标(土壤孔隙度及土面抬升量)的影响规律,利用全因素试验分析了不同深松气压下的土壤孔隙度增加率及土面抬升量。分析表明:水平距离对土壤孔隙度增加率及土面抬升量影响显著;孔隙度增加率最大值出现在与喷气孔相同深度的犁底层,说明与气枪喷气孔深度相同的犁底层可得到较好的深松效果,实际作业中应根据犁底层的位置合理的设置气枪喷气孔的喷气深度;对于容重较小的犁底层,深松气压在土壤中横向扩散和竖向扩散并存,孔隙度增加率随气压增大无明显变化规律,随水平距离增大而波动减小且波幅较大;而容重较大的犁底层,深松气压横向扩散趋势增强而竖向扩散趋势减弱,孔隙度增加率随气压增大呈增大趋势,随水平距离增大而波动减小且波幅较小;深松气压增大对容重较小犁底层的孔隙度增加率及土面抬升量引起的差异不明显,而对容重较大的犁底层引起的孔隙度增加率及土面抬升量差异显著;对于容重为1.4,1.6和1.8g/cm3的犁底层,深松气压分别为1.4、1.8和2.2MPa时,孔隙度增加率及土壤空气增加量最大,说明,对于容重为1.4、1.6和1.8g/cm3的犁底层,分别选用1.4、1.8和2.2MPa的深松气压可得到较好的深松效果。为了探寻气压深松时,高压气体扩散规律,利用CFD软件仿真对不同容重犁底层内高压气体扩散规律进行仿真分析。仿真结果显示:对于容重较低的犁底层,高压气体不易于向水平方向扩散,随着容重的增高,高压气体向水平方向扩散的趋势逐渐增强。对气压深松机进行了总体结构设计、关键部件设计及运动学分析,本机由拖拉机牵引,能在不停车的条件下,通过对耕地内部连续注入高压气体,对耕地实现气压深松作业。论文研究成果可为气压深松技术的研究及气压深松机具的研发提供参考依据。
【关键词】:气压深松 深松特性 深松效果 孔隙度增加率 土面抬升量
【学位授予单位】:东北农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S222
【目录】:
  • 摘要10-12
  • Abstract12-15
  • 1 绪论15-23
  • 1.1 研究的目的与意义15-16
  • 1.2 国内外研究现状16-20
  • 1.2.1 国外研究现状17-19
  • 1.2.2 国内研究现状19-20
  • 1.3 高压气体在提高土体渗透性方面的应用20
  • 1.4 研究内容20-22
  • 1.5 技术路线22-23
  • 2 气压深松裂隙扩展机理23-34
  • 2.1 气压深松裂隙生成23-25
  • 2.2 气压深松裂隙扩展25-29
  • 2.2.1 抬升张拉机理25-27
  • 2.2.2 压缩剪切破坏机理27-28
  • 2.2.3 两种机理的适用条件28-29
  • 2.3 气压深松裂隙扩展模型29-31
  • 2.3.1 模型的假设29
  • 2.3.2 高压气体压力分布方程29-30
  • 2.3.3 高压气体渗漏方程30
  • 2.3.4 土体位移方程30-31
  • 2.4 气压深松裂隙起劈压力31-32
  • 2.5 本章小结32-34
  • 3 深松效果评价方法及测试手段34-47
  • 3.1 评价指标的确定34
  • 3.2 评价指标的测试原理及测试方法34-41
  • 3.2.1 土壤孔隙度的测试原理及测试方法34-39
  • 3.2.2 土面抬升量的测试原理及测试方法39-41
  • 3.3 试验装置的制备41-46
  • 3.3.1 耕地土体制备试验装置41-43
  • 3.3.2 气压深松装置43-46
  • 3.4 本章小结46-47
  • 4 气压深松效果及与深松铲深松效果的对比分析47-60
  • 4.1 主要试验参数确定47-48
  • 4.2 试验设计48-49
  • 4.3 试验方法49-51
  • 4.4 试验结果分析51-59
  • 4.4.1 土壤内孔隙度变化51-53
  • 4.4.2 气压深松的效果及特点53-55
  • 4.4.3 土面抬升量55-57
  • 4.4.4 气压深松与深松铲深松效果的比较57-59
  • 4.5 本章小结59-60
  • 5 气压深松特性的试验研究60-94
  • 5.1 深松参数对孔隙度及土面抬升量影响正交试验60-74
  • 5.1.1 试验因素60-61
  • 5.1.2 试验指标61
  • 5.1.3 试验设计61-63
  • 5.1.4 试验结果与分析63-74
  • 5.2 深松气压对孔隙度及土面抬升量的影响试验与分析74-88
  • 5.2.1 试验因素74-75
  • 5.2.2 试验方案设计75
  • 5.2.3 试验结果与分析75-88
  • 5.3 气压深松仿真试验88-92
  • 5.3.1 流体工程软件fluent简介89
  • 5.3.2 多孔介质的定义89
  • 5.3.3 建模和网格划分89-90
  • 5.3.4 边界条件的确定90
  • 5.3.5 仿真求解90
  • 5.3.6 仿真结果分析90-92
  • 5.4 本章小结92-94
  • 6 气压深松机设计94-105
  • 6.1 气压深松机的设计要求94
  • 6.2 总体结构与工作原理94-95
  • 6.2.1 整机结构94
  • 6.2.2 工作原理94-95
  • 6.3 整机参数95-96
  • 6.4 气压控制系统设计96-97
  • 6.5 关键部件设计97-101
  • 6.5.1 间歇机构97-99
  • 6.5.2 高压空气注入装置99-100
  • 6.5.3 滑车止动机构100-101
  • 6.6 机架101
  • 6.7 气枪运动学分析101-104
  • 6.8 本章小结104-105
  • 7 结论和展望105-107
  • 7.1 结论105-106
  • 7.2 创新点106
  • 7.3 展望106-107
  • 致谢107-108
  • 参考文献108-113
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文113

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