【《农业种植机械减阻装置研究的国内外文献综述》5700字】

农业种植机械减阻装置研究的国内外文献综述1.1国内减阻研究现状截至目前为止，常用的培土装置主要有两种类型；一类是由铧式犁演变而来的曲壁式中耕培土器，培土质量稳定，多用于马铃薯中耕培土；另一类是培土刀式，培土量大，但培土刀抛送土壤过程中容易损伤植株幼苗，多用于烟草中耕培土及马铃薯播种覆土。目前国内对于中耕培土器结构方面的设计和针对培土质量提高的研究相对较多，但针对培土器减阻方面的研究相对较少。甘肃农业大学张绢等人设计了一款犁壁式、培土宽度可调的的马铃薯培土器（如图1.1所示），田间试验结果最大覆土厚度达到11cm，除草率98%，伤苗率1.5%，为山地马铃薯中耕培土器的设计提供一定的技术参考[9,13]。1.铲尖2.铲胸3.铲柄4.左右翼板5.幅宽调节器图1.1马铃薯培土器结构示意图Fig.1.1Structuraldrawingofpotatohiller’scoveringbody黑龙江省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所针对马铃薯中耕培土效果差、一次作业面积小、培土后垄形效果不佳、机械作业压苗现象严重等问题，自主研发了马铃薯专用中耕培土犁，如图1.2所示。开展马铃薯专用中耕培土犁与传统中耕培土犁作业效果对照试验，试验结果表明相对于传统培土犁，垄体土壤质量提高21.7%～33.4%，马铃薯产量提高1.1%～7.3%，商品薯产量提高4.1%～11.2%，青薯产量降低18.7%～28.8%[14]。1.培土板2,3.挡土板4.塑胶弹条5.卡夹6.支杆7.弹簧8.分土板9.折页10.犁刃图1.2培土犁头设计结构图Fig.1.2Designdiagramofplowshare甘肃农业大学张瑞等人设计了一款垄沟马铃薯膜际除草培土机，以电动机作为动力源，降低环境污染；可一次完成松碎土壤、除草、培土等作业工序，除草培土效果良好；工作效率相比人工提高5倍[15]。福建省烟草农业科学研究所林勇等人针对3PT320型中耕培土机机身笨重、田间小地块作业调头困难等问题，改进设计了3PT321型中耕培土机，各项性能参数满足烟草培土作业农艺要求，机身减重24kg，可进行正反转中耕培土作业，操作更加灵活便捷[16]。沈阳农业大学王磊等人针对东北连年耕作导致土壤板结严重、耕作层较浅、深松阻力较大的问题，设计研制的深松培垄施肥联合作业机具，如图1.3所示，可一次完成深松、施肥与培土作业，减少动力消耗，降低了工作阻力，为旱地耕作机具的设计提供了参考[17,18]。1.上悬挂2.机架3.下悬挂4.限深装置5.圆盘刀装置6.深松培垄装置7.施肥开沟装置8.肥料箱图1.3深松培垄施肥联合作业机结构示意图Fig.1.3Structurediagramofdeepscarification-terraceridge-fertilizationcombineintertillmachine河南农业大学张秀丽等人为了提高烟草中耕培土效率，设计了复合切削式烟草中耕培土机，如图1.4所示，送分土犁刀装置破碎土壤后，螺旋培土总成将沟底土壤培到垄顶，护叶装置保护烟草幼苗不被损伤，设有垄距调整装置，可以适应不同垄距的烟草培土作业[19]。1.螺旋培土总成2.送分土犁刀装置3.护叶装置4.限深装置5.垄距调整装置6.机架7.液压传动系统图1.4复合切削式烟草中耕培土机结构图Fig.1.4Structurediagramoftobaccohillingmachineforcompoundcutting目前国内对于马铃薯、烟草等中耕培土器的研究主要集中在结构设计方面，专门针对培土器减阻方面的研究较少。但是有关土壤减阻方面的研究较多，对于我们进行马铃薯中耕培土器减阻的深入研究有很大的理论指导作用。研究人员针对减小触土部件摩擦阻力、提高工作效率与工作质量，采取的技术手段主要有充液、电渗、磁化、表面改形、改性、振动减阻等[20]。（1）充液减阻技术：充液减阻主要分为充液体和充气体。在土壤和触土部件之间添加介质，利用高压气体冲击犁底层，使机具周围土壤发生膨胀剪切失效而产生裂隙，高压气体随裂隙上升而导致土壤被抬升，从而起到降低耕作阻力的作用。福建农林大学的刘明财等针对深松作用过程中深松阻力大、作业幅宽小的问题，基于高压气体提高土壤渗透性理论，设计了一款牵引阻力小、工作效率高的气压劈裂式深松铲，如图1.5所示，试验结果表明可以有效降低深松阻力[21]。图1.5气压式深松铲三维图Fig.1.5Airpressuretypedeeplooseningshovel3dfigure（2）电渗减阻技术：电渗减阻与土壤胶体双电层结构有关，普通土壤带负电荷，电渗过程中，土壤中正离子携带水分向负极运动，在耕作部件与土壤之间形成水膜，使得土壤与耕作部件之间粘附力与摩擦力得到降低。试验结果表明，电渗减阻析出水膜厚度与土壤含水率呈二次关系，土壤含水率在30%~40%范围内，电渗减阻效果最佳[22]。（3）磁化减阻技术：根据土壤磁学理论，磁场处理土壤可以导致土壤物理机械性能改变，粘结力、抗剪强度等减少，使得机具耕作阻力降低。沈阳农业大学张鹰等人通过在培土铲上加装磁性装置制造磁性培土器，并与普通培土器进行工作阻力对照试验，减阻20%左右[23]。沈阳农业大学依艳丽等人进行普通与加装磁化装置的中耕培土器、双铧翻转犁牵引阻力对照试验，分别减阻8~40%与9~32%[24]。（4）仿生减阻技术：研究人员从多方面开展了单元仿生和多元仿生系统研究，取得的研究成果主要分为形态仿生、柔性方式、结构仿生、构形仿生和耦合（协同）仿生等[25]，其中最主要的是形态仿生和结构仿生。形态仿生，特别是仿生非光滑表面仿生，一直是仿生领域研究的热点，我国主要研究蜣螂、穿山甲等土壤动物表面凸凹结构，进行触土部件非光滑表面仿生研究[26,27]。河海大学冯艳艳等人提取河蚌外壳表面棱纹形几何机构，设计仿生疏浚铰刀刀齿，棱纹分布间距10mm情况下减阻效果最高，达到9.32%[28]。东北农业大学陈佳奇等人提取灰巴蜗牛壳体的外凸包结构，设计仿生镇压轮，与传统圆柱镇压轮开展田间镇压阻力对照试验，减阻27.77%[29]。结构仿生，对鼹鼠、金龟子、蝼蛄等土壤动物爪趾曲线进行提取与研究，设计具有仿生曲线的深松铲、推土板等土壤作业机械[30]。郭明卓等人提取穴兔爪趾高效破土曲线，用于仿生深松铲铲柄刃口的设计，最高降低牵引阻力25.3%[31]。贾洪雷等人针对高速作业情况下芯铧式开沟器工作阻力大的问题，提取狗獾犬齿高效贯穿结构，设计研制仿生芯铧式开沟器，各速度情况下相对于普通开沟器减阻8.04%~8.71%[32]。华中农业大学王少伟等人以鼹鼠前爪第3趾为研究对象，设计制造仿生开沟刀，通过对比普通齿形开沟刀和仿生开沟刀的开沟功耗，各沟深情况下降低功耗9.68%~10.95%[33]。（5）表面处理工程技术：采用表面堆焊、熔覆耐磨材料、热喷涂表面处理、激光表面强化处理、高能离子注渗等表面处理工艺，改变耕作部件的物理性质，提高触土部件的耐磨性，修复磨损较轻的土壤耕作部件，减少因磨损失效而导致的耕作部件阻力增加[34]。（6）振动减阻技术：刚性部件切削土壤时，切土、破碎和提升土壤过程是同时进行的，此时的牵引阻力由土壤剪切力、摩擦力、提升力和耕作部件切削力组成，这些力的水平分力组成耕作部件的牵引阻力。振动部件切削土壤时，上述单一工作过程被分为不同阶段完成，产生较有利的切削条件和对土壤破碎较有利的受力状态，且部分工作阻力由振动部件的振动作用所承担，使得总的牵引阻力降低[35]。吉林工业大学殷涌光等人在二维切削减阻研究的代表人物Eggenmuller的基础上研究二维振动切削的减阻原因，以振动铲刃为例，分析二维切削土壤减阻机理[36]。西南石油大学姜中舰等人进行纵向与横向振动减阻机理理论研究，构建减阻效果与振动参数定量数学模型[37]。振动减阻技术按机具结构与工作原理的不同可分为强迫振动和自激振动。强迫振动由拖拉机动力源通过偏心轮、凸轮、曲柄连杆机构等驱动激振装置振动，可以起到较好的减阻效果，但驱动激振装置需要耗费额外动力，造成省力却不省功的结果[38]。中国农业大学李霞等人研制1SZ-460型振动深松机，进行不同作物残茬覆盖下田间对照试验，相比不振动减阻6.9%~17%[39]。石河子大学张思远等人采用曲轴作为振动方式设计受迫振动深松机，进行不同耕深和前进速度情况下深松减阻对照试验，牵引阻力相比不振动减阻19.28%[40]。自激振动与强迫振动有类似的减阻效果，是借助弹性元件（如弹簧、弹齿等）对外部载荷变化而自适应形变响应[41]。引起自激振动的原因主要有土壤地表不平整造成耕作深度变化，发动机振动导致牵引装置振动，土壤力学性质不均匀和土壤杂物导致耕作阻力变化等[42]。沈阳农业大学邱立春等人提出自激振动减阻新理念，对由1SQ-127型深松机研制而成的自激振动深松机进行系统动态特性分析研究，能够解决强迫振动减阻增加系统功耗问题[43]。西北农林科技大学张军昌等人设计了一款入土角可控的自激振动深松机，室内土槽试验结果减阻29.8%，相对于入土角不可控状态下减阻8.9%[44]。石河子大学汤明军等人设计了一款弹簧可更换的自激振动深松机，田间试验结果表明弹簧类型对减阻效果有显著影响，弹簧刚度185.3N/mm时减阻效果达到最大值58.71%[45]。中国农业大学崔涛等人设计了一款弹簧预紧力可调的自激振动深松机，通过调节弹簧预紧力适应不同物理特性的土壤，田间试验结果表明相对于非振动式深松机减阻10.30%~22.65%[46]。1.2国外减阻研究现状（1）充液减阻技术：在国外页岩气的开采作业过程中应用范围较广，利用减阻水压裂液进行体积改造。1997年，美国Mitchell能源科技公司首先应用于Barnett页岩气的开采作业中，起到很好的增产效果[47]。（2）电渗减阻技术：Larson和Clyma在不同土壤参数情况下进行电渗减阻技术研究，研究表明通电电压对于减阻效果有较大影响，电压设置为40V时最大可减小耕作阻力39%[48,49]。（3）仿生减阻技术：美国主要研究鲨鱼等海洋动物皮肤表面盾鳞结构，形态仿生其表面沟槽[50]；德国主要研究荷叶等植物表面形态，进行具有自洁功能的仿生超疏水结构设计[51]。J-Cui等人选择海豹皮肤、鲨鱼皮肤、贝壳表面和鸟类羽毛四种典型仿生沟槽表面进行非光滑表面减阻研究，试验结果表明宽高比不同的沟槽表面适用于不同雷诺兹数流[52]。（4）表面处理工程技术：S.Karoonboonyanan等人通过在刀具上涂覆耐磨材料，可以提高刀具的耐磨性，减少因磨损失效导致的作业功耗增加，提高刀具的使用寿命[53]。R.E.John和S.C.Richard将增强型玻璃纤维塑料应用于农业机械上，取得一定成果[54]。A.S.Kang和G.S.Cheema使用耐磨堆焊技术对旋耕刀具的耐磨性能进行试验研究，实验室和田间试验结果均表明与未经过表面堆焊技术处理的旋耕刀具相比，表面处理过的刀具磨损率均得到显著下降[55]。（5）振动减阻技术：一维切削减阻机理研究的代表学者M.Spektor等人首先研究了沿机具前进方向的振动切削土壤作业机理，将振动装置的振动位移置于土壤弹塑性变形区，使得牵引阻力小于土壤塑性变形的最大阻力，证实了振动减阻的理论可行性，但减阻效果不够显著[56]。二维切削减阻机理研究的代表学者是德国的Eggenmuller，提出振动切削土壤可以分为切削土壤阶段和提升土壤阶段，直观地表达了两个作业阶段机具的牵引阻力均小于不振动情况，但其只阐述了振动减阻的原因，没有进行系统的理论分析[57]。Ibarra等人基于土壤力学基本原理，建立机具工作过程中土壤应力分布与开裂力学模型[58]。Al-jubouri等人提出特定的振动特性参数组合可以有效降低机具的耕作阻力[59]。日本Sakai等人研制四铧振动深松机，发现振动载荷对牵引阻力的减小有显著影响，采取高振幅、低频率可以获得较高的减阻效果，最佳参数组合情况下减阻达40%[60]。Panagiotopoulos、Gupta和Rajput的振动切土试验表明，振动部件的振动频率接近土壤的固有频率时，机具的牵引阻力最小，减阻效果最好[61,62]。综上所述，充液减阻技术因为需要外加空气压缩机或水箱，势必提高整机制造的复杂性，增加整机质量，不适用于云南丘陵山地地形，且在雨季充气体减阻和旱季充液体减阻都会和平常发生很大的变化。电渗作用下产生的电渗水呈碱性，而根据马铃薯种植农艺要求，马铃薯种植以微酸性的土壤为宜，且在干旱板结的土壤条件下，电渗减阻效果较差。磁化减阻技术需要在中耕培土器上增设磁性装置，提高整机制造的复杂性，而且在雨季和旱季磁化减阻会和平常发生较大变化。仿生减阻技术需要提取生物学特征，结构复杂，不易加工。表面处理工程技术目前发展还不够完善，造价较高，对于普通农户而言难以接受。因此本文基于振动减阻原理，开展自激振动式马铃薯中耕培土器的研制与试验工作。参考文献[1]BOYDASMG,UYGANF.Influenceofseedphysicalpropertiesandspeedontheexternalmechanicaldamageindexandin-rowspacinguniformityinanautomaticpotatoplanter[J].TarimBilimleriDergisi,2012,18(2):126―136．[2]刘文政,何进,李洪文,李学强,魏忠彩,刘鹏.基于振动排序的马铃薯微型种薯播种机设计与试验[J].农业机械学报,2019,50(08):70-80+116.[3]WenqinKangetal.LuxuryAbsorptionofPotassiumbyPotatoPlants[J].AmericanJournalofPotatoResearch,2014,91(5):573-578.[4]姚宝刚.现代农业与农业机械化发展[J].农业机械学报,2006(01):79-82+74.[5]张绢,王芬娥,李小强.基于UG的犁壁式马铃薯培土器设计及试验分析[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2012,40(06):230-234.[6]FRASCONIC，FONTANELLIM，ＲAFFAELLIM，etal．Dsignandfullrealizationofphysicalweedcontrol(PWC)automatedmachinewithintheＲHEAproject［C］∥ProceedingsofInternationalConferenceofAgricultureEngineering，Zurich，2014，C0705．[7]王文明,王天元,郭兵,陈旭,周福君.基于振动减阻原理的旋转中耕机关键部件设计与试验[J].农业机械学报,2019,50(03):35-45+135.[8]宋言明,王芬娥.国内外马铃薯机械的发展概况[J].农机化研究,2008(09):224-227.[9]卢肖平.马铃薯主粮化战略的意义、瓶颈与政策建议[J].华中农业大学学报(社会科学版),2015(03):1-7.[10]云南成为我国冬季马铃薯生产最大产区[J].农业机械,2019(01):150.[11]余红斌,张崇良.云南马铃薯全程机械化现状与建议[J].农机科技推广,2019(12):19-20.[12]汪涛,张永华,宁旺云.云南马铃薯机械化生产关键技术探讨[J].湖南农业科学,2013(01):125-128.[13]张绢,魏文轩.基于UG的犁体曲面建模及其仿真分析[J].新疆农机化,2014(04):33-34+36.[14]高中超,刘峰,王秋菊,姜辉,张劲松,姚春雨,高盼.马铃薯专用中耕培土犁的应用及增产效果[J].农业工程学报,2016,32(20):49-54.[15]张瑞.垄沟马铃薯膜际除草培土机的研制[D].甘肃农业大学,2016.[16]林勇,刘盛富,张培坤,陈朝阳,徐恒光,吕谭斌,左连升,陈志厚.YS-3PT321型培土机的改进设计与试验研究[J].安徽农业科学,2012,40(17):9568-9571.[17]林静,王磊,李宝筏,田阳,薄鸿明,马铁.2ZZ-3型深松培垄施肥联合作业机的设计与试验[J].农业工程学报,2016,32(24):9-17.[18]王磊.2ZZ-3型深松培垄施肥联合作业机的设计与试验[D].沈阳农业大学,20