高茬秸秆旋耕翻埋功耗检测系统设计与试验研究

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1、高茬秸秆旋耕翻埋功耗检测系统设计与试验研究1．1课题来源第1章绪论国家自然科学基金资助项目(编号：51275196)；公益性行业(农业)科技专项经费资助项目(编号：201203059)；华中农业大学研究生科技创新专项(编号：52902．0900205114)。1．2课题研究意义农作物秸秆是粮食生产过程中形成的主要副产物，其中富含碳、氮、磷、钾及多种微量营养元素，是一种宝贵的生物质资源。我国农作物秸秆资源量大，根据作物产量估算，我国2012年秸秆总量达到约7．96亿吨(中国统计年鉴，2013；表1．1)；进入新世纪以来，虽然加大对秸秆资源的

2、各方面利用，但废弃和焚烧的秸秆仍占有较大的比例，成为我国秸秆利用中存在的突出问题。实践表明，农作物秸秆还田将成为解决秸秆利用出路的主要技术措施和手段；秸秆还田能够把秸秆中的大部分营养元素返还到土壤，是秸秆资源经济有效利用最直接、最有效的途径(戴志刚，2009)。表1-12012年中国主要农作物秸秆量Table1-1TonnageofstrawbycropcategoriesinChinain2012注：【1】数据来源：韩鲁佳等，中国农作物秸秆资源及其利用现状，2002。华中农业大学2014届帧士研冗生学位论文机械化秸秆还田是利用秸秆还田机

3、具，直接将作物收获后残留的秸秆切碎、翻埋入土，使秸秆腐烂分解成底肥；与传统制作作物底肥的方式相比，省去了砍、捆、运、铡、沤、翻、送、撒等复杂工序，实现了施肥方式的重大革新。机械化秸秆还田能够保证作物秸秆及时还田，从而提高劳动效率、节约工时、减轻农民劳动强度，并有利于培肥地力、改良土壤、减少环境污染、提高作物产量，是发展生态农业和实现农业可持续发展的重要措施(丁艳等，2010；EmesgenMetal，2009)。在机械化秸秆还lYt领域，我国学者在借鉴国外相关机具的基础上，研制了玉米、棉花、稻麦等秸秆粉碎还田机、秸秆和根茬粉碎还田机、秸秆

4、整秆还田机、双轴灭茬还田机、反转灭茬还田耕整、联合作业机等多种秸秆还田机械(倪长安等，2008；张明秋等，2007；贾洪雷等，2005；李兵等，2008；陈玉仑等，2009；李永磊等，2013)。近年来，华中农业大学研制了多种高茬秸秆旋耕埋覆复合机具：1GMC--700船式旋耕埋草机、1GMD---2000型水田单辊秸秆还田耕整机、1GMS--2000水田双辊秸秆还田耕整机、1GK--2000型水旱两用单辊秸秆还田耕整机；此类高茬秸秆还田耕整机耕作一遍即可完成秸秆埋覆、旋耕碎土、地表平整等多项作业目标，具有作业效率高、适用范围广、操作简便

5、等优点；且能抢农时、省劳力，在机械化秸秆还田领域显示了很大的优越性(张国忠等，2008；周勇等，2012；夏俊芳等，2012中国专利；余水生等，2012)。高茬秸秆还田耕整机以螺旋刀辊为核心工作部件，功率消耗是考量其综合性能的一个重要技术参数，直接影响到整机的性能。设计时，根据理论定性和类比的方法配备的螺旋刀辊功率，与实际作业功率存在较大误差，因此对螺旋刀辊功耗进行实时、定量试验检测，对于探索螺旋刀辊功率消耗规律、寻找节能降耗途径具有重要意义。随着全球能源危机愈演愈烈，农业机械的功率消耗问题已经成为了研究关注的热点。因南方土壤粘重，虽然高

6、茬秸秆还田耕整机的螺旋刀辊埋草效果和耕整质量好，得到了一些地区较多农户和机手的认可，但目前作业功耗较大，如果能优化结构，降低功耗，该技术将会有更好的推广应用前景。本文在前期研究人员对1GMC--70船式旋耕埋草机的螺旋刀辊室内作业功耗和田间作业功耗的相关研究基础上，以三种宽幅高茬秸秆还田耕整机为平台，以螺旋刀辊为重点，开展高茬秸秆旋耕翻埋功耗检测方法研究和田间试验研究；以期通过设计合理配套的功耗检测系统来实时获取螺旋刀辊田间作业功耗，通过田间试验探寻工作试验参数对螺旋刀辊功耗影响的主次关系及最优组合，为刀辊结构参数优化和耕整机动力合理配套

7、、螺旋刀辊与土壤秸秆作用机理研究、节能减耗提供重要的参考价值。1．3功耗检测原理以横截面绕轴线作相对旋转为主要特征的变形形式，称为扭转；使轴产生扭转变高茬秸秆旋耕翻埋功耗检测系统设计-7试验研冗形的扭力偶矩即为扭矩。根据材料力学知识可知(单辉祖，2004)，在耕整机耕作过程中，螺旋刀辊作业功耗尸与扭矩M和转速刀之间的关系为吼w=坠案竽(1-1)因此，在耕整机的工作过程中，只需测取螺旋刀辊主轴的扭矩和转速，即可计算出螺旋刀辊的作业功率。由于转速相对较易测取，所以，目前主要通过测量扭矩来间接获取功率。佑＼1．Q占1一’r7JlT?B．Ⅺ’夕‘

8、／‘＼产————～y一／B’＼L注：右图为圆轴某处截面图，在距圆心P处的微面积幽上，作用有微剪力在径向顶端为最大值‘。。T缸4：扭转切应力沿截面径向线性变化，图1-1扭矩检测的原理筒图Fig．