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气爆松土注肥方法及装备研究

奚小波  
【摘要】:果树林木为多年生植物,由于定植后无法翻耕,致使土壤板结严重,不利于根系生长发展;同时现有开沟施肥机械耕作阻力大、易伤树木根系,且肥料集中施加在沟槽内,扩散不均,不利于果树根系均衡吸收。为解决上述问题,本文提出了气爆松土注肥方法,以理论分析与试验相结合的方法,系统研究了气爆松土的作用机理,研究了气爆注肥的扩散效果,优化了气爆钻杆注肥关键部件,并研制了气爆松土注肥机。本文完成的主要工作和取得的成果如下:(1)基于圆孔扩张力学模型,分析了气爆土体应力关系,研究了气爆作用土体破坏形式及发生条件;介绍了 MurdochLC 土体裂隙扩展模型,指出MurdochLC模型为土体裂隙在二维平面内扩展的局限性,提出了建立全土层气爆土体裂隙扩展模型见解;建立了气爆松土土体扰动的评价方法。(2)建立钻杆钻土土力学模型,以最小钻土阻力为目标优化钻杆构型,优化后的钻头锥角为60°、钻杆圆柱半径为12.5mm;利用FLUENT数值仿真,以出流效果为目标优化钻杆出流孔结构,优化后的出流孔数量为4、直径为7 mm、结构为倒圆锥形、锥角为60°。(3)利用平面正冲击波理论建立基于气压泄露衰减的全土层裂隙扩展数学模型,开展气爆松土土体裂隙及扰动试验,研究了气爆参数(气爆深度H及气爆压力P)对土体裂隙扩展的影响规律,建立了基于土体裂隙迹线方程的全土层土体扰动模型,并优化了气爆参数,为整机设计提供理论依据。气爆作用在全土层内的土体扰动区域为抛物体,抛物体底面圆半径为裂隙迹线在土表面的截距,抛物体体高为裂隙迹线扩展的最大深度。当H小于25 cm时,土体以张拉破坏为主,气爆起劈力为0.17 MPa,土体扰动系数为50%;当H大于25 cm时,土体以剪切破坏为主,气爆起劈力为0.39 MPa,土体扰动系数大于50%。H为30 cm、P为1 MPa左右适宜,气爆劈裂深至49 cm,土体扰动系数达79.5%,松土效果显著。(4)开展了气爆松土注肥试验,研究了气爆参数对土壤坚实度下降率(SCDR)的变化规律,揭示了气爆参数、液肥浓度对注肥扩散分布的影响规律。气爆后的SCDR呈圆环带分布,离气爆中心越近区域的SCDR越大,其松土效果越好。P对SCDR的影响显著,且P越大,测试域内的SCDR在径向与纵向范围内均整体提高,在H为30 cm条件下,当P达到0.8 MPa时,测试域的SCDR大于20%,且作用域深及土层以下45 cm处,松土效果显著。H对SCDR的影响表现为:当H25 cm时,土面易抬升,随着H的减小,SCDR越大,当H为10 cm时,测试域的SCDR均高于45%,土体扰动域的松土效果较好;当H25 cm时,随着H的增大,因土体所受自应力增大,H为30cm时的整体松土效果较好。在注肥前气爆松土可促进液肥扩散,P越大,土壤孔隙度越大,越利于液肥扩散流动。气爆注肥深度H决定了液肥在土内的扩散形势,当H≤2时cm时,液肥易从土面溢出,造成肥料浪费;当H20 cm,液肥集中域范围随深度的增大而减小,且深度越深,受土体自应力作用,液肥趋于径向流动扩散。液肥浓度决定了其扩散半径的大小,浓度较高时,液肥与土壤的粘阻力较大,液肥流动性较弱,扩散半径较小,扩散效果较差;浓度较低时,液肥在土内的入渗率较快,扩散性一般,总体上液肥浓度为300 g/L时的扩散效果较好。(5)研制了气爆松土注肥机,并进行了田间试验。采用液力辅助气铲激振的钻杆结构,建立了液力辅助气铲钻土的力学模型,优化了气铲选型及液压元件,实现钻杆的快速钻土及回升;采用基于PLC控制的多旋钮开关操作系统,实现了机具的手动、自动控制作业,一键操作可完成钻杆钻土、气爆松土、液肥注射、钻杆回升四步操作,简单快捷。田间试验表明,气爆作用在土体内产生裂隙并扩散,30cm钻深、0.8MPa气爆压力下的土体最大裂隙宽约3~4 mm,裂隙扩展扰动半径约40 cm;土壤坚实度降幅明显,水平半径40 cm范围内的平均降幅可达40.5%;土壤在气爆下发生扰动,扰动系数达72.17%,优于铲式深松,深松效果显著;机具作业性能可靠,作业效率至少0.048 hm2/h,因农艺要求不同,机具的作业效率将有所提高。


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