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《中国农业大学》 2017年
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滨海盐碱土打孔灌沙技术及关键部件研究

张翼夫  
【摘要】:土壤盐碱化是世界干旱、半干旱农业区突出的生态环境问题。盐碱化导致土壤结构黏滞、通气性差、毛细作用强,这将引起作物的生理干旱,影响其生长发育。工程措施能够有效促进土壤排盐,抑制盐分上返,是盐碱土改良利用的重要措施之一,但存在着工程量大、生产成本高、难以大规模应用的不足。本课题针对滨海盐碱土盐分高、质地黏重、渗透性差的特点,提出打孔灌沙排盐降渍的技术方案,并研发适用于滨海盐碱土区的打孔灌沙装备。主要研究成果如下:(1)以天津滨海盐碱土为研究对象,通过野外小区漫灌试验,研究打孔灌沙对盐碱土水盐运移规律的影响。试验结果表明,打孔深度≥10cm的打孔灌沙处理能够显著提高表层0~30 cm土壤脱盐总量50.7%~176.5%。同时,结合试验区农艺种植规范,推荐10 cm打孔深度、30孔/m2打孔密度作为合适的打孔灌沙实施方案。(2)针对滨海盐碱土壤的力学特点,基于土壤冲击挤密原理和极限平衡原理,建立打孔部件冲击负载模型。研究发现,土壤密度、黏聚力、内摩擦角、打孔部件构型参数以及冲击速度是影响盐碱土冲击效果的重要因素。同时,通过数值分析和多目标规划,确定打孔部件潜头类型为内凹弧型,其参数为:锥角45°,内凹弧顶点切线夹角32°。基于打孔部件冲击负载模型,建立了盐碱土冲击打孔临界动能模型。研究发现,打孔深度越大,所需临界动能越大,而在相同的打孔深度下,打孔部件质量越大,临界动能越小。盐碱土田间冲击试验进一步验证了临界动能模型的可行性。(3)针对现有垂直打孔装置精度要求高、冲击大、易磨损,对机组工作速度依赖性强的特点,设计一种柔性随动式五杆打孔机构。通过建立五杆打孔机构运动学模型,提出关键部件设计的约束条件,结合工作原理和运动特性,得出机构初始结构参数。借助模拟退火优化算法,优化机构参数:机架AB长度420 mm、曲柄AC长度75 mm、长杆CE长度630 mm、连杆ED长度270 mm、支撑臂BD长度224 mm、打孔针EP长度150 mm、机架AB的角度111°、支撑臂BD的初始角位移280°。成孔效果计算机仿真表明,优化后在机组最佳前进速度下,打孔针倾斜角度减小了 24%,同时机组作业速度在3~4.7 km/h范围内,倾斜角度未超过4.6°,满足设计要求。(4)分析随动装置工作过程,通过支撑臂动力学研究,提出回位弹簧选配条件,结合研究区土壤力学特性,得出回位弹簧的选配标准:有效压缩量不小于14 cm,最大压应力不大于370 N。基于打孔环节打孔针偏移特性,提出侧开口打孔针细沙输送的工作原理,并利用响应面优化法,对侧开口打孔针结构参数进行优化设计,最佳参数组合为:侧开口深度7.27 mm,侧开口高度41.67 mm,潜头切面宽度12.70 mm。通过设计整机传动、随动装置和输沙装置,形成打孔灌沙样机,并进行田间性能试验。打孔效果试验表明:样机在3~5 km/h工作速度下,打孔灌沙密度为25~41孔/m2,打孔深度均匀,变异系数小于6%,成孔倾斜角均值在1.6°~3.4°之间。灌沙试验结果表明,设计的打孔灌沙样机成孔灌沙比例均值为77.1%,基本能够完成灌沙环节,同时灌沙效果有待提高。
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S156.4

【参考文献】
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