农业工程概论

1,讲稿,教材：农业工程概论，张伟主编，中国农业出版社，1997年，第一版。主要参考书：1.农业物料学，周祖锷主编，农业出版社，1994年；2.农业生物环境工程，崔引安主编，农业出版社，1994年；3.农产品加工机械与贮藏，沈再春主编，农业出版社，1995年；4.农业系统工程，朱永达主编，农业出版社，1993年。,农业工程概论,2,绪论,一农业工程与农业的发展1.农业的发展（时代的划分）：从2000多年以前19世纪中叶：原始农业（古代农业）；19世纪中叶20世纪40年代（二战结束）：传统农业（近代农业）；20世纪40年代至今：现代农业。,3,原始农业，完全靠刀耕火种；传统农业，有了引水灌溉和施用农家肥；现代农业，有了工业产品的武装（化肥、农药、机械）。国外之所以称为“近代农业”，是因为那时也有了少量的半机械化、机械化农具。2、农业工程的发展：1889年，美国人伯格首先发明了底盘与蒸汽机底盘相似的拖拉机“巴加”号拖拉机，由芝加哥的查特煤气机械公司试制成功。1892年，美国衣阿华州的约翰M弗罗利奇，在辛辛那提市制造出第一台作为农用牵引机的内燃发动机式拖拉机，这是一台真正实用的拖拉机，是著名的约翰迪尔式拖拉机前身。,4,5,6,1892年的拖拉机,7,8,1904年，加利福尼亚的工程师霍尔特设计了界上第一台履带式拖拉机，1907年，霍尔特创办的拖拉机制造公司制造出世界上最早的以汽油内燃机为动力的履带式拖拉机。这种拖拉机是当时最成功的拖拉机，并成为数年后英国研制世界上第一种坦克时所参考的样车。轮式拖拉机的发明，最初是在钢轮外加一层橡胶保护层，汽车轮胎诞生后，人们先后给拖拉机使用了实心和充气胎。但汽车轮胎并不完全适用于拖拉机，一是汽车轮胎的沟纹过于浅细。二是人们发现拖拉机在轮胎气不足时反而比气很足时的软地行驶性能更好。1932年，美国的菲尔斯当轮胎和橡胶公司生产出一种大尺寸的高花纹低压充气橡胶轮胎。这是第一种真正适用于农用拖拉机轮胎。,9,1908年产的履带拖拉机（25HP）,10,1908年产的履带拖拉机（L20）,11,1912年的履带拖拉机（Holt30）,12,1914年的履带拖拉机（Holt30）,13,1917年产的履带拖拉机（40HP）,14,1917年Holt产的实验性履带拖拉机,15,1918年产的履带拖拉机（Holt45）,16,1928年产的毛毛虫（Caterpillar）L20履带拖拉机,17,1929年产的履带拖拉机（毛毛虫60）,18,1977年毛毛虫D10,19,1913年的金属轮拖拉机,20,1932年的橡胶轮胎拖拉机,21,22,20世纪3050年代，发达国家已经实现了机械化。然后农业工程向更高层次发展：即设施农业（打破了季节性、地域性的限制）农副产品加工、贮运农业环境与资源保护（保护性耕作）精确农业。,23,温室最早起源于中国，据前汉书召信臣传记载，距今2000多年前的西汉时，当时的皇都西安已在生有暗火的屋子里种植葱、韭一类蔬菜，可在冬季为皇宫提供新鲜蔬菜。这是世界上最早的温室。发展到清代，温室的形式和栽培技术已较成熟，除用于种植黄瓜等多种蔬菜外，还生产许多名贵花卉。在欧洲，公元1世纪罗马帝国已使用一种用云母片装配的温床，促成水果早熟和为宫廷生产黄瓜。1599年，在荷兰建成一栋栽培热带植物的温室，这是欧洲最早的温室之一。直到19世纪，温室才在欧洲普及开来，当时有许多博物学家从热带地区把多种植物新种带回北方寒冷的家乡，同时玻璃制造技术发达也使建造框架式的日光温室成为可能。,24,18361841年，英国德温公爵的园丁领班帕克顿在备德贝郡查兹沃斯府邸建了一具大型温室，在铁、木框架上共镶有7000多平方米的玻璃。1851年，在英国举办世界上首次万国博览会时，帕克斯顿以他建造的温室为蓝本，为博览会的主展馆设计了著名的“水晶宫”。在现代的大型温室中，已经配有带热风或湿冷风的混风设备，并采用喷灌、滴灌和地下灌溉等技术，有的还使用无土栽培法。有的温室还装备有电脑控制系统，以变化的光照强度为中心，随时调节室温和空气中二氧化碳浓度，或辅以湿度、风速、温度场乃至营养液中无机盐含量的调节，从而为作物创造适合生长的最佳环境。,25,26,27,28,中国农产品加工业的历史源远流长。早在战国、西周、西汉的文献资料中，对粮食制饴，葡萄酿酒，煎蔗为糖，大豆生产豆腐、酱油，牛奶制作奶酒等食品技术就有记载。,29,1976年在河南新郑裴李岗出土的石磨盘。据考证，为7000年前的新石器时期早期，比仰韶文化还要早。,30,在沈阳“老龙口”出土的正面为“阴阳鱼”造型的石磨群。是山西商人孟子敬于清代康熙元年（1662年），在沈阳小东门外建的制酒作坊的遗物。,31,32,5000年前（神农氏）的榨油工具,33,风力车、石磨等,34,晋代的水磨,35,36,37,38,公元前5000多年，中国就有了石磨,39,龙骨提水车，又叫翻车。是东汉灵帝（公元168-189年）毕岗创造的，直到20世纪50年代末，在江南农村还能见到。,40,筒车,41,井车,42,保护性耕作是以保水保土为核心的少耕免耕、残茬覆盖、生物覆盖和作物轮作相结合的技术体系，起源于20世纪30年代的美国基本概念:用大量秸秆残茬覆盖地表，将耕作减少到只要能保证种子发芽即可，并主要用农药来控制杂草和病虫害的一种耕作技术,保护性耕作的起源与发展,43,保护性耕作的四项关键技术,免耕播种技术深松技术秸秆残茬覆盖处理技术杂草控制技术。,44,1、免耕法能够形成小气候优势2、保护性耕作改善土壤结构，保蓄更多水分，提高土壤水分利用效率,增加作物产量3、作物根茬覆盖能固定表土，阻止土粒、沙尘的移动，防止土壤风蚀,有效扼制沙尘暴的发生4、少免耕法减少机具在田间的耕作次数、降低成本，提高燃油利用率与经济效益,保护性耕作的意义,45,46,大型多梁牵引式免耕播种机,47,48,49,“精确农业”(PrecisionAgriculture)技术研究发展的驱动力，是在所有耕地中发现的作物生长环境和收获产量实际分布的空间差异性。精确种植的基本技术至少要具备以下四项功能：随时间或(及)空间变化采集数据；根据数据绘制数据电子地图，即田间状态图，并加工、处理，形成管理设计(或作业执行电子地图，即对策图)；精确控制田间作业；对精确种植的农业效果、经济效益及环境效益进行评估。,50,精确种植的技术包括以下内容：全球定位系统GPS、地理信息系统GIS、计算机控制器、传感器及遥感系统RS、变量投入设备、绘制电子地图及数据处理加工软件、专家系统ES及决策支持系统DSS等软件及硬件。GISGeographicalInfromationSystem，地理信息系统；GPSG1obalPositioningSystem，全球定位系统：RSSRemoteSensingSystem，遥感系统；SSSimulationSystem，模拟系统；ESExpertSystem，专家系统；DSSDecisionSupportSystem决策支持系统；ICSIntelligenceContro1System，智能控制系统,51,52,53,二农业工程学科的性质与任务1、学科的发展：1896年，美国内布拉斯加大学农学院，开设“农业工程概论”课程；1907年，在美国的麦迪逊，成立美国农业工程学会（AmericaSocietyofAgriculturalEngineering.ASAE）；随后，在以后的10多年里，美国、加拿大的许多大学都成立了“农业工程系”。农业工程系一般由工程学院和农学院共同领导，起初分两个科目：1.农业工程（农业工程科学）2.农业机械化（农业工程技术）,54,学科的发展：机械应用与管理耕作土壤动力学农业物料的工程性质农田水利学农村能源农村电气化农副产品加工农业系统工程（计算机模拟、专家系统等）。1996年以前，农业工程学科包括9个本科专业：1.农业机械化；2.农业建筑与环境工程；3.农业电气化与自动化；,55,4.农田水利工程；5.土地规划与利用；6.农村能源开发与利用；7.农产品贮运与加工；8.水产品贮藏与加工；9.冷冻冷藏工程。1996年以后合并为4个本科专业：1.农业机械化及其自动化；2.农业电气化与自动化；,56,3.农业建筑环境与能源工程；4.农田水利工程。2.性质与任务农业工程学科是应用物理科学、化学和生物科学及工程技术来研究、解决农业生产及其过程的工程科学与工程技术。即：农业工程学科是将农业与工程联系起来，研究生物、生产、生态与物力、化学、管理的边缘学科（性质）。,57,农业工程中国农业百科全书.农业工程卷中指出：“农业工程是改善农业生产手段、生态环境和农村生活设施的各种工程技术、工程管理、工程理论的总称”（任务）。三.农业工程师的素养和农业工程学的研究方法1.必须具备农业生产及生物学基础知识；（生物系统的特点：随时间变化；对环境有自适应性。）2.必须具备工程理论和工程训练，掌握系统分析方法；（能力）,58,农业工程属于应用学科：要会综合，会做科学试验；（综合、实践创新）本课程的目的：,提供,有关农业工程的基本概念、常识、基本方法；进一步深入了解各方面内容的必要线索。,59,世界农业科技变革趋势,1、由“平面式”向“立体式”发展2、由“石油型”向“生态型”发展3、由“自然式”向“设施式”发展4、由“机械化”向“自动化”发展5、由“农场式”向“公园式”发展6、由“化学化”向“生物化”发展7由“单向性”向”综合性”发展,60,我国农业战略布局,沿海地区和大中城市郊区要大力发展高效农业。中部粮食主产区要抓住主销区腾出部分粮食市场的机遇，扩大优质粮食生产，提高粮食的综合效益和市场竞争力。西部地区要发展特色农业、旱作农业和生态农业。,61,第一章农业物料的工程性质,1研究的意义,农业物料一般指：动植物产品、加工成品、半成品、以及与农业作业有关的土壤、肥料、农药等。（即：产品和作业对象）意义：有利于正确的设计工艺与设备；质量的评估。,2农业物料的形态特征,一、尺寸和形状尺寸和形状,62,（一）圆形和球形,圆度,式中：圆度表示与理想圆的接近程度；r指各棱角的曲率半径；R值最大内接圆的半径。（P6图1-1）,63,64,对于类球体：,球度=,di,dc,式中：di指类球体的最大投影面积图形的最大内切圆直径dc指类球体的最大投影面积图形的最小外接圆直径,对于椭球：,球度,=,=,=,65,=,=,（二）尺寸的表示,（1）粒径（非类球物料）,66,测定计算平均粒径的简易方法：,粗颗粒的平均粒径（可以一粒一粒的分拣）,按表1-2的算法会存在d3d2d1d7d4d5气体；水的导热系数为0.06W/mK。果蔬的导热系数：,肉类：=0.0798+0.00517M（当温度为060，含水率6080%时）,（三）导温系数（热扩散系数，）：反映导热过程中物料导热能力和储热能力间的关系，是衡量物料受热后温度传导能力的重要参数。,122,（单位：m2/s）,三、农业物料热特性的应用（一）设计烘干和冷却工艺参数和规范供热和升温与比热有关物料层的厚度和加热均匀度与导热系数有关热特性跟温度和水分的关系等（二）品质检验：如牛奶比热C=0.93若偏离过大即为掺假或变质。,123,5农业物料的电磁辐射特性,不同的物料对不同波有不同的反射、折射、绕射（衍射）、散射和吸收作用，能引起内部组织和结构的变化。,124,一、农业物料的可见光特性（约为0.40.77m）（一）反射特性：,I0和IR分别表示射向物料总辐射强度和反射回的辐射强度（即单位面积上的光通量，W/m2）。（P27.图1-31）,125,126,不同物料或同物料的不同发育阶段其R不相同。,（二）光透射特性透射率：T=IT/I0100%实际应用中，常采用吸光度,127,能够同时反映物料的外表特征和内部密度等。,（三）延迟发光特性物料经过照射，使叶绿素分子离子化，产生自由电子，使最低能级的叶绿素放出延迟光然后，逐渐衰减（P27.图1-32）。,128,二、农业物料的其它光辐射特性（红外光：0.771000m；紫外光：0.040.39m）,红外线辐射有显著的热效应和较强的穿透力。红外辐射特性（R、T、A等）与物料的厚度、结构、密度、水分以及照射条件有关。,129,远红外探测器，可探测森林火灾、作物长势和预报病虫害等。紫外线辐射（0.040.39m），有激发光现（不同物质发出不同颜色的荧光），用于分拣、鉴定纯度等。,用近红外光谱分析法，可以快速、准确测定物料的品质和成分；,生物受适当强度的紫外光照射，可促进维生素D的转化，有利于健康；过强的紫外线能消毒杀菌，但有害于健康。,130,三、农业物料的其它电磁辐射特性（一）微波（0.10.01m）辐射特性(R、T、A等)比短波显著。1、原理：通过极性水分子振荡，导致细胞膜破裂和细胞间的氢键松弛破坏而难以存活；但有时可能激活细胞，增加种子发芽率等。,（二）X射线和放射性辐射波1、原理：穿透力强，使水和其它物质电离，从而影响新陈代谢,131,2、用途：推迟果菜完熟期；推迟蘑菇破膜开伞；诱变育种；杀菌保鲜（大蒜）。四、电磁辐射的应用（见P29.表1-10）,132,133,134,6农业物料的电特性和磁特性一、生物电受精蛋两端电位差,植株受伤部分和完整部分间存在电位差，且伤势严重，则电位升高。,135,(0和C0为真空介电常数和电容。表示提高电容量的能力),(表示物料在交流电场中吸收电能转化为热能的能力),二、介电特性介电常数：=D/E(D电通量密度；E电场强度),介质损耗角正切：,136,137,充满理想电解质的电容器没有能量消耗，其电流Ic超前电压V为900。由于有了损耗，使电流I与电压V的相位角减小，损耗角增加。（通常）在任何给定频率下，电介质可用理想电容和电阻R组成的并联电路表示（见上图）。总电流I与外加电压V之间的角度称为相位角，cos称为功率系数，在很小时，tgcos。,138,图1-34稻谷介电常数与含水率的关系,139,三、电阻率（m）,（水分传感器原理）,a、b为物料特性常数=f(品种、密度、温度等),西瓜电阻率与含糖量的关系，P31.图1-35,140,141,四、磁特性用磁化水灌溉，可以增强根系的吸水性、有利于叶茎的生长。磁化的主要表现（作用）：作物增产。例如，在播前612天，将小麦种子在3060mT（毫特斯拉）磁感应强度下进行处理数秒，能够提高净光合速率。,142,减少耕翻作业的能耗。在犁铧处安装强磁性源，可以使阻力11.3%；阻力波动小（波动系数由6.95%到1.99%）。增强土粒凝聚性。土壤磁化率与有机质的关系：X=28.6+14.6Om(%)，相关系数r=0.902；,磁化率=磁化强度/磁感应强度，磁感应强度磁性物质中单位体积的磁矩。,143,、电阻率,等）与含水量的关系。,（二）物料干燥利用介电损耗原理。采用高频（1150MHz）或超高频(微波)（9152450MHz）加热更加优越，如：含水量17%的蘑菇经微波处理5分钟，水分便可降到5%一下，而在一般烘房内则需68小时。,利用电特性（电导率,五、农业物料电特性在农业工程中的应用,（一）含水率测定,144,微波加热的原理,利用材料对电磁波的吸收进行加热，主要有高频波（10kHz300MHz)；微波(300MHz300000MHz)两种电磁波。,水分、蛋白质、糖类、脂肪等都属于电解质，在电磁场中都会发生极化反应。尤其是水分，是极性分子，在自由状态下，分子呈杂乱排列，不显电性，而在交变电场中，这些极性分子会随着电磁场方向的变化而转动，当这种变化频率增加，水分子极化运动加快，因此产生摩擦热。家用微波频率2450MHz，也就是说水分子在1s内发生1800的转动24.5亿次。,145,水分子在微波长中极化运动示意图,146,（三）质量评定测：,细胞组织材料的阻抗与电流频率,147,148,用于：,（四）种子处理,149,7农业土壤的工程性质周礼中指出：“万物自生焉则曰土，以人所耕而树艺焉则曰壤”。古书说文解字对土的定义：“土者，地之吐生物者也”。并进一步解释：“二象地之上，地之中”。即土壤位于岩石上，地面以下的大地表层；“”是“物出之形”，表示土壤能够生长植物。两者合起来就是“土”。本节主要内容：土壤的形成；土壤的组成；土壤的性质；土壤盐碱化及其危害。,150,一、自然土与农业土壤的形成（一）自然土的形成：岩石母质微生物植物,五大自然成土因素：母质、气候、生物、地形、时间。,自然土（5层）：,151,（二）农业土壤的形成,二、土壤孔隙度、土壤水和空气,土壤为三相体（见下图）：,152,（一）土壤孔隙度土壤孔隙,153,土壤要求：总孔隙度为30-60%，非毛管孔隙10%；毛管孔隙（含非活性孔隙）非毛管孔隙=241。,土壤孔隙比：,154,（二）土壤水：气态水孔隙中的水汽；吸湿水土壤颗粒表面由空气中吸取的水分子（约20个水分子厚，密度为1.22.4，冰点为78）。薄膜水包容在吸湿水外面的水膜，最大含量为吸湿水的24倍。外层膜状水可以被作物利用，但移动缓慢。毛管水重力水,155,156,三、土壤含水率和土壤状态见P34.表1-12；P35.图1-38。含水量：由小大状态：固体塑体流体力学特性：小大小,（三）土壤空气：相对湿度大，氧气少，CO2多（是空气中的5120倍）。土壤空气增多，微生物活动旺盛（尤其温度较高时），有利于有机质分解。,157,四、土壤的强度与破坏土壤强度不引起屈服应变和破坏的最大应力。外力拉、压、剪、穿透等,破坏断裂、压缩、塑流等,土壤强度是变化的，不是定值。质地、含水量的不同；由于孔隙的存在，难以准确地衡量有效截面积。,158,159,（一）抗剪强度（S）据摩尔库伦经验公式：S=C+tg(类似于物料摩擦力公式：F=+fP),160,式中：C粘结力；正应力；内摩擦角；粘附力。（二）承压强度（支承能力）,式中：P载荷压强；Z下陷深度；n与土壤性质有关的常数；K考虑到K与承载面积有关，故分为两部分：,161,其中，Kc内聚变形模量，与面积有关；K摩擦变形模量，与面积无关；b矩形支承面的短边或圆形半径。土壤下塑限开始表现可塑性时的含水量（犁地的含水量应在下塑限以下）土壤上塑限失去可塑性，开始流动时的含水量。,两者之间的含水量范围称为可塑性范围，两者之差称为塑性值。,塑性值大的土壤，可塑性强。,五、土壤结持度在不同水分下，土粒在外力作用下的难移动度。,162,土壤结持度与含水量有关水分影响土粒的粘结力和粘附力（P37.图1-43）。,163,土壤的状态从干燥泥浆；其结持性依次为：坚固、酥软、可塑、粘韧、浓浆、薄浆。通常为了减小机具的摩擦阻力（摩擦阻力约占总阻力的50%，而当作业速度达到14.5km/h时只占8%），常采取以下措施：增加刃口的锐度；,涂聚四氟乙烯和尿素树脂等；电渗法：施以直流电场，使阴阳离子向不同方向迁移；,164,六、土壤压实,式中：A压缩系数；P压力；CP0=1时的孔隙比，即单位压力下的e0。P37.图1-44，表示干、湿土的P-e变化趋势。,在酥软结持状态下作业。（另外，还有磁化犁、仿生犁等）,165,166,图1-45，表示含水量对压实程度的影响，在压,力一定的情况下，一般当含水量为饱和含水量的8085%时，最易压实。,压实的后果：透水、透气性，蒸发；有机质分解慢，对作物供氮不足；耕作阻力，质量；影响产量。,167,减少压实的