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随着保护性耕作技术在中国南方稻麦轮作区的推广与应用以及可持续农业发展的需要,稻茬田少免耕播种技术越来越受到重视。稻麦轮作区域具有田块小而零散不规则、秸秆覆盖量大、土壤含水量大且耕层紧实致密的特点。虽然近年来秸秆捡拾打捆机等秸秆处理设备的应用在一定程度上解决了稻茬田地表秸秆覆盖量大对下季作物的耕、种等工序的影响,但适用于北方的大型少免耕播种机械仍无法适应稻麦轮作系统中土壤粘重、含水率大的作业条件。鉴于此,中小型的带状旋耕播种机以其良好的碎土性能、极少的土壤扰动范围得到了大量的推广与应用。然而,目前国内对带状旋耕播种机进行的优化研究多集中在多功能一体化、防堵单元体设计等方面,极少有人涉及耕作机具与土壤的相互作用机理以及耕作机具的优化设计。鉴于耕作质量对播种质量、种子发育以及作物长势影响的重要性,适用于稻麦轮作区域的带状旋耕播种机耕作机具的优化设计对提高整机作业质量具有极其重要的意义。旋耕刀作为带状旋耕播种机主要耕作部件,其耕作质量受刀具形状、刀轴转速、土壤物理状态等诸多因素的影响,并且旋耕刀具与土壤的相互作用过程十分复杂。鉴于此,本文利用EDEM离散元仿真软件对旋耕刀具与土壤的相互作用机理进行了深入研究,并且通过田间原位试验研究对离散元仿真结果进行了验证,确定了影响旋耕刀耕作质量的关键因素,结合仿真与试验研究结果为小麦带状旋耕播种机设计了一款适用于带状旋耕耕作的旋耕刀具。本文研究具体工作归纳如下:本文对被推荐且已广泛应用的典型旋耕刀具的耕作过程进行了离散元仿真和田间试验研究。研究发现,旋耕刀的耕作过程主要分为三个阶段,第一阶段是切土阶段,刀具切入土壤;第二阶段是刀具与土壤共同运动阶段,被切下的土壤附着在旋耕刀上随刀具一起运动。第三阶段是抛土阶段,刀具将土壤抛向空中,土壤与刀具完全分离。在旋耕耕作过程中,旋耕刀轴转速是影响土壤破碎效果和耕作能耗的主要因素。土壤破碎效果和耕作能耗均随刀轴转速的增加而增加,不同刀具在相同刀轴转速下土壤破碎度和耕作能耗没有显著差异。旋耕刀的抛土特性是影响土壤破碎体回填效果的关键因素。IT225型旋耕刀在耕作过程中抛土现象最为明显,大量的土壤破碎体被抛向种床两侧。在刀轴转速为380和510r/min时,IT225型旋耕刀产生的回填率下降最为明显且远远小于其他几种旋耕刀具。直刃旋耕刀在耕作过程中几乎没有抛土现象,产生的回填率最高,但其创造的土壤破碎体的平均土块径过大,种床内的土壤不能满足播种的需要,因此不适合作为带状旋耕播种机的耕作机具。耕作碎土过程中,土壤的失效模式是影响种床边界整齐程度的关键因素。IT225型和直刃旋耕刀对土壤主要进行切削破碎,形成的土壤失效模式属于剪切失效,刀具在耕作过程中对种床壁进行切削和挤压,因此形成的种床边界整齐且不受刀轴转速的影响。凿型旋耕形成土壤破碎体的过程中,刀尖切入土壤后,刀具对土壤进行抬升并产生土体的自身断裂,形成的土壤失效模式是典型的拉伸失效,种床边界是由土壤断裂时产生的裂纹形成的。鉴于土壤拉伸失效过程中土壤裂纹的不可控性,凿型旋耕刀创造的种床边界不规则,在耕作过程中不能有效的控制土壤扰动范围。基于离散元仿真和田间试验研究结果,本文为带状旋耕播种机开发了基于凿型刀和直刃刀组合的复合型带状旋耕工作部件(MB型刀具)。MB型刀具由安装在刀轴两侧的两把直刃旋耕刀和安装在刀轴中间的两把凿型旋耕刀组成。在耕作过程中,直刃旋耕刀先于凿型旋耕刀切入土壤创造出整齐的种床边界,并且在高速旋转过程中起到阻碍土壤破碎体向种床两侧运动的作用。凿型旋耕刀具有良好的耕作碎土效果,主要用于弥补直刃旋耕刀的不足,因此MB型刀具能够在任意刀轴转速下形成连续且具有足够松碎土壤破碎体的种床。仿真与试验分析表明,在各个刀轴转速下MB型刀具形成的种床边界的整齐程度均高于凿型旋耕刀具,并且随着刀轴转速的增加,其创造的种床整齐程度明显增加,当刀轴转速大于280r/min时,MB型刀具形成的种床边界的整齐程度与IT225型刀具相当。MB型刀具中直刃旋耕刀的加入显著的提高了土壤破碎体的回填效果,在刀轴转速为510r/min时,MB型刀具形成的土壤回填率仍能达到40%以上。田间试验结果表明,MB型耕作机具中安装在两侧的直刃旋耕刀在创造种床壁的过程中对土壤接触表面的挤压和涂抹现象明显,增大了种床壁表面土壤结构被破坏的风险,这不利于作物根系的生长。因此本文采用“变径设计”对MB型刀具进行进行了进一步的优化改进,构建了 GMB型刀具。田间试验以及基于图像的三维建模分析表明,GMB型耕作机具创造的种床壁土壤表面出现在分层现象,地表以下3-6cm层的种床壁表面土壤结构得到了有效的保护,其土壤表面粗糙度明显大于地表以下0-3cm层,GMB型刀具创造的种床壁土壤表面的涂抹现象得到明显改善。这种“变径设计”最大限度的保证了在作物根系生长范围内的种床壁表面土壤结构不被破坏,同时也充分的发挥了直刃旋耕刀对种床边界的控制和限制土壤破碎体向种床两侧抛撒的作用。当刀轴转速大于280r/min时,GMB型刀具产生的土壤破碎效果、回填率和土壤扰动面积均与MB型刀具相当。本文利用田间根系构型数字化仪和Pro-E造型技术实现了不同耕作处理下、不同时期的小麦根系构型分布的可视化,采用小麦根系在不同生长时期的3-D构型以及小麦根系土体空间覆盖率、角度拓展趋势和长度拓展趋势等评价指标对MB型刀具和GMB型刀具的耕作性能进行了对比研究。结果表明,带状旋耕耕作处理对小麦的根系生长趋势具有一定的限制作用,种床壁表面土壤结构破坏越严重其限制作用越明显。GMB型刀具由于采用了“变径设计”对作物根系生长范围内的种床壁表面土壤结构破坏较小,创造的种床对小麦根系生长的限制作用较轻。在距离苗期30天以后,随着土壤结构的恢复和种间竞争的加剧,GMB型刀具创造的种床率先解除了对小麦根系生长趋势的限制。鉴于GMB型刀具创造的种床在边界的整齐度、土壤破碎效果、回填率和耕后土壤结构保护等方面的显著优势,本文推荐在田间秸秆集中收集处理条件下GMB型刀具作为小麦带状旋耕播种机的耕作部件。GMB型刀具是通过对市场上已广泛应用的旋耕刀进行重新排列和组合设计的,并没有改变旋耕刀具的几何形状,因此这种设计在一定程度上节省了刀具的生产应用成本。农机具制造商不需要改变其原有的旋耕刀具生产工艺即可对GMB型刀具进行生产,农民仅需要更换已有的传统的带状旋耕播种机的刀轴便可应用该刀具,这对新型刀具的推广和应用具有极其重要的意义。