土壤耕作研究3.doc

土壤耕作研究39（1996）61-73在高运行速度下的简单耕作工具速度关系草案 里.劳库施瓦哈， 克林勒 农业和生物资源工程部门，萨斯喀彻温大学校园57驱动器 萨斯卡通， 萨斯克 S7N 5A9， 加拿大 在热带和亚热带地区农业工程学会，霍恩海姆大学，70599 斯图加特 ，德国 1996年5月15日 抽象 田间试验用五种不同的刀片在沙壤土和粘土土壤中，以垂直速度高达18每毫秒的速度去确定高草案的速度关系。根据世界粮农组织，这些土壤含C型钙和H型钙。为了确定土壤的力学性能，科研人员进行了相关模型的结果预测。结果表明，该草案至少增加了3到5个临界速度。这个关键的速度范围内进行了比较：一个纵向的传播速度在土壤中形成压力波，这个压力波行成土壤中的土壤颗粒的速度和土壤的破坏速度。显而易见，这些速度与关键性速度范围是相关的。正如先前提出的，当耕作处于临界速度范围内时，土体变形量将减少。因此，检测耕作在临界速度范围内的动态效果是关键。1.介绍该草案要求作为一个功能运行速度的耕作工具，是一个重要的耕作评估标准，实现室外或实验室内测试。早在1908年戴维森和大通银行（1908）就描绘了这种设备，这种设备可以进行草案和速度测定。从那以后，许多调查经进行了。这种测量有两种方法。第一种方法可以用来测量草案和速度，一在田间进行。草案和速方程由回归分析的测量数据得到（契享等人1964年；萨默斯等人，1984年；欧文，1989）年；美国农业工程师学会，农业机械学刊，1992年）。这种方法可以精确地描述观察到的关系，但对于耕作工具为何需要一定草案，它没有给出理论原因。第二种方法采用分析法包括发展模型预测不同条件下的草案。这些结果与其他实验结果进行比较（1956年，佩恩；1961年劳尔和巴斯恩；1972年，维斯莫和鲁斯；1984年，乌帕德亚雅）。 所有这些结果表明，铧式和圆盘犁草案折痕作为速度的平方，而许多其他耕作机具的草案增加了班轮。这些关系显然是典型领域的速度，这是仅用于4每毫秒。超过这个速度，关系式就不同了。亨德里克和鳃尔（1973）总结了许多前苏联的书籍，他们发现，在草案中在某一速度（关键速度）的基础上增加的速度小于临界速度。此外，干扰和土壤变形速度高于临界速度。临界速度范围通常在6到10每毫秒。2.文献回顾与理论耕具在一定的速度下耕作时，压力波便传播到土壤。人们已经提出几个方程来计算的压力波在土壤中的传播速度u。美国测试和材料协会（ASTM，1988）提出了下面的方程，即纵波方程，其中E是杨氏模量，是土壤密度，v是泊松比： 坎德纳（1968）则用一个类似三维模型的公式计算压力波在粘壤中的传播速度: 坎德纳（1968）发现，杨氏模量E是不恒定的，但取决于压力应变和时间。还有其他因素影响压力波在土壤中的传播速度。汉普顿和维特兹（1968）进行了沙质土壤和粘土的实验，并对外报道，在含水多的土壤中波的速度将下降。在粘性土中，播的传播速度要小于在沙质土中的传播速度，这是因为更大的衰减粘土的存在。纳茨和泰勒（1968）调查了粘土土壤样品，并发现增加一个波速，可以减少孔隙体积或者增加抗剪强度。杨等人（1968）发现了一个粘土模型，并与其他实验数据做了比较。在这期间内的压力是有效的，对杨氏模量和粘性有很强的影响。罗斯等人（1989）考察了波速在部分水分饱和的人造土壤中的速度，并证实了水分的强大影响。最后阿兹莫亚（1963）得出结论：耕作工具的草案增加一定的运行速度，因为压力波是耕作工具在有限的速度内引起的。这就是为什么较少的能源采取了土壤，草案增加较低。 压力波的传播速度u，并不等于土壤颗粒的速度，后者随压力波而改变。亨特（1960）提出了一个波在粘性体中传播的的理论。对于一个长度为X（0Xx）和横截面积为A的粘性杆，如果一个质量为m的物体以速度v打击杆的底端，我们便得到了下面的压力波方程，其中a是衰减常数，t是时间，为在点x和时间t处的正常压力： 贝克和班德副理瑟斯（1968）研究了粒子速度和波速之间的关系，并建议下面的方程： 方程（4）对应亨特的方程（3），如果该指数为零的话。如果在粘性杆的末端粒子的速度是质量为m的物体在时间为零时的影响速度，那么，用方程（4）描述波传播速度和粒子速度是可以的。如果这样计算的话，耕作工具表面的正常压力是必须知道的。在第一个近似中，平均正常压力会被用到，要用下面的方程计算，其中F是草案，d是耕作深度，w是耕具的宽度： 必须强调的是，在土壤工具表面正应力是不统一的。池莉和库施瓦哈（1989,1990）用有限元法计算工具表面正应力，并发现最大正压力在耕具的边缘。 卡布塔和潘迪亚（1967）用方程（4）去预测铧式犁和圆盘犁的草案。为了便于计算，粒子速度u默认为耕作速度v。计算结果与实验结果十分吻合。 耕具能量可以被分解为摩擦能量，变形能量，切割能量和加速能量。如果分开测量这些组件将很困难，而且甚至定性检查也很难（布幕尔，1986）。 耕具表面的剪切力取决于摩擦力，这是有好几个因素决定的。尼科尔斯（1931年）研究了金属和土壤间的摩擦力，并宣称水分的作用很大，在摩擦中呈线性增加。斯塔福德和坦那（1983）研究了金属和水在1到5每毫秒速度范围内的摩擦系数，并发现当速度大于2每毫秒时，摩擦力变大。速度大于2每毫秒时，摩擦系数几乎是常数渝苏和德超（1990）发明了一种类似于非牛顿流体的土壤模型，用来预测摩擦系数，并与实验数据进行比较。结果类似于斯塔福德和坦那（1983）的数据。摩擦系数的实验测定包括几个方法论问题（库伦和圭波斯1983年）。正应力通常可以使土壤变形，重新排列土壤颗粒。也就是说，要使土壤变形，除了摩擦力，还需要其他的附加力（及摩擦系数也会被高估）。另外，增加正常压力，可以把水挤出土壤，这样的水会减小摩擦力系数，有效应力但如果这水是下吸，它将提供一个额外的有效应力。最后，在耕作中，工具表面积的大小，会影响工具的速度，还会使正应力分布不均匀。根据其他众多的影响因素和矛盾倾向，这基本是不可能的，目前，速度对摩擦系数的影响是令人满意的。因此，摩擦能量被假设为第一个独立的近似速度。 在作用力的影响下，土壤表现出弹性和塑性，直到土壤变质（圭瓦尔，1986年）。土壤只要被剪切，就会变形，这是因为剪切需要一个剪切应力，这个剪切应力导致变形。剪切实验表明，增长速度提高抗剪强度（1961年，劳尔和巴恩斯；1967年，汉森等人；1981年，蒂诺）。阿兹霍瓦（1963年）发现抗剪切速度增长到3到4每毫秒。在这个速度下，一个很高的“能量集中”出现在工具的前端。这个“能量”不会在土壤中传播（即速度的增长会消减这个能量）。维特乌和斯坦维奇（1969年）发现刀具对土壤的破坏并不突然，但需要一个有限的速度，这个速度被称为消减速度，可以用下面的方程计算出来，其中T是剪切力： 在耕作时，在达到破坏速度之前，土壤将会受到破坏。如果耕具的速度在破坏速度至上，工具将推入原土。在这些情况下，土壤的变形速度远远小于耕具的速度。柯斯达恩（1961年）认为土壤变形是由于时间。因此，可以得出结论，切割和变形的能源需求将增加。超过这个速度范围，剪切和破坏能量将会保持不变，甚至会略微减小。 耕具会使土壤颗粒加速。这个加速能量以速度的平方增加。加速能量的大小依赖于耕作工具（1956年，佩恩；1985年，斯维克和蒲如尔）。这就是为什么，当其他的耕具以线性方式增加时，一些工具草案是以速度的平方形式增加的。因此，本研究的目的在高速下，决定一些简单工具草案，以及处理一些波传播和土壤物理性质的结果。3.材料和方法3.1实验设备 田间试验是在三种不同的试验田上以18每毫秒的速度进行测量草案的。土壤的相关性质都是在实验室规定好的。用低碳钢制造的五个简单的叶片被用来作为测试工具。图2展示了两种工具的基本几何形状：平面和90度斜面。 表1展示了五种工具的规格。所有工具都以90度倾角进行操作（即垂直于土壤表面）。安装配备了4个充气轮工具框架的测试工具以一个穿越梁为指导，以确保在高速下运行稳定和顺利。一个配备了配备了6个称重传感器的压力传感器用来安装在工作帧。它是一种能够测量纵向力和侧向力的测量工具。两个超声波传感用于测量作业深度器。他们被安装在工具的两边。第五个轮用来测量作业深度（1985年，史密斯）。它可以精确地测量作业深度。因此第五个轮被额外的作为测量工具。坎贝尔科学21 X 用于数据采集。3.2土壤测试 采集深度为150毫米的土壤样品，用来确定在三种不同的试验田里的土壤的性质。采用标准方法（1980年，海德）测量土壤的水分含量和容量密度。采用三轴试验去测量机械强度性质（1967年，泰莎基和派克；1974年，科斯蒂；1983年，库伦和圭波斯；1984年，圭珀尔）。额外的土壤样品由萨斯喀彻温大学土壤实验室进行测量，包括有机质含量，PH和其他性质。三个试验田中的土壤性质都列在了表格2中。3.3实验过程 实验室在萨斯卡通附近的三个试验田（大约在50至100公顷）里进行的。试验田1是一个夏季耕作用的沙质土壤田。试验田2也是沙质土，但用来种春大麦。试验田3也用来种春大麦，但是粘土土壤田。 耕具安装在一辆卡车上，以获得高速运转。自动卡车在1.5米每秒下运转时有困难的，因此车速都超过了1.5米每秒。在整个实验过程中，耕作深度都是不变的。每个测试包括50个测量草案，例如垂直力，侧向力，速度和信号等等。在一个实验中，在1.5至18米每秒的速度范围内，测量是在5个随机挑选的位置上进行的。3.4数据评估 每一项测量必须超过15秒，而且速度偏差不得超过2.5%所有不符合这些条件的测量都是无效的。这些数据由尔莫哥洛夫-斯米欧实验进行标准分离测试，因为只有标准分离数据在进一步的统计分析中才是有效的。在这之后，草案的平均值，速度和深度都要被计算。 线性回归分析在实验中用来评估速度对耕作深度有何影响。 当常数k小于0.5每秒每毫米时，有人认为耕作速度与耕作深度无关。如果试验不满足这个条件，那么也会被认为无效。图3显示了在试验田3上用18毫米宽的耕具进行耕作的典型结果。 对于其它的实验结果，速度和草案之间大体呈线性关系，并且相关系数R由“派克统计6.06版”确定。4.结果与讨论4.1草案和速度的关系 图4显示了运用18毫米的平面工具在3个试验田上耕作的结果。表格3显示了在实验中相关的统计分析和土壤的水分含量。这些结果表明，在草案中提高耕作速度会把关键速度范围降至4米每秒以下。 图5显示了所有的耕作工具在试验田3上以50毫米的耕作深度的结果。结果表明，在草案中高速和低速之间存在一个过渡。关键速度范围出现在3米每秒左右。这些结果对所有的工具都是一样的（即耕作深度和工具形状对实验结果没有太大影响）。表4显示了相应的测量数据和相关系数。这些工作工具在其他试验田上获得了相似的结果。在0至50毫米深度的土壤内，含水量为19.5%，而深度为50到150毫米时，含水量为18.0%。4.2与各种理论的比较用来计算播的传播速度，粒子速度和土壤破坏速度的方程早就出现了。据推测，如果耕作速度超过其中的一个，那么，草案和速度之间的关系将会改变。表5计算出的数据是用表一中的速度计算出来的。耕作工具表面应力一般为600KPa（1990年，智和库瓦哈）。人们将这些结果与关键速度范围内的速度进行了比较。计算出来的结果显然比观测到的关键速度范围内的数据要大。这说明，光播的传播速度与关键速度范围没有直接联系。 粒子传播速度可以通过方程4计算出来。这些粒子的速度显然被高估了，因为这几个假设都被验算过了（详见方程3）。如果土壤性质和相关系数可以被准确的计算出来，那么，粒子速度将会低于或者类似于关键速度。 土壤的破坏速度可以被方程6计算出来，计算结果和关键速度差不多。这些结果验证了维特和斯坦科齐的几轮的正确性，即关键速度是存在的，而且，当耕作速度高于这个速度时，草案中增加较小。这表明关键速度与土壤破坏是十分相关的（即破坏速度）。5.结论 草案和速度之间的关系在关键速度范围内变化（即草案增加的速度高于临界速度）。同样可