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液塑相水田土壤粘附特性、流变特性与物理参数相关性研究

液塑相水田土壤粘附特性、流变特性与物理参数相关性研究

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作者：孙伦清浙江大学

学位级别：硕士

水田土壤一般处于塑相或液相状态,与机具的粘附力大,使阻力急剧增加,且易发生打滑,牵引效率低。明确液塑相土壤粘附特性和流动特性的影响因素及其作用规律,是水田机具设计与优化过程中的重要依据。然而,现有研究成果主要集中在固相土壤... 详细信息

水田土壤一般处于塑相或液相状态,与机具的粘附力大,使阻力急剧增加,且易发生打滑,牵引效率低。明确液塑相土壤粘附特性和流动特性的影响因素及其作用规律,是水田机具设计与优化过程中的重要依据。然而,现有研究成果主要集中在固相土壤力学特性、塑相土壤的承载特性,在土壤类型、含水量等对塑相土壤粘附特性、液相流动特性的研究成果缺乏,不能为水田机具设计与优化提供理论支撑。因此,论文对塑相土壤的法向粘附特性、液相土壤的流动特性与土壤物理参数相关性进行了研究,建立插秧机驱动轮-水田土壤耦合离散元模型,优化插秧机驱动轮的尺寸参数与工作参数,主要结论如下:（1）建立了塑相水田土壤粘附特性预测模型。以土壤粘粒含量、含水量、正压力等为因素,以土壤对橡胶、304不锈钢法向粘附力为试验指标,进行三因素三水平正交试验,利用TMS-PRO型质构仪测定了不同类型、不同含水量土壤在不同正压力作用下对橡胶、304不锈钢法向粘附力,建立了塑相土壤粘附力预测模型并试验验证,模型精度较高（R>0.95）,试验结果为水田机具的设计与优化提供了依据。（2）建立了液相水田土壤流动特性预测模型。以土壤粘粒含量、含水量、沉实时间等为因素,以土壤在剪切过程中受到的剪切应力和表观粘度为试验指标,进行三因素三水平正交试验,利用Rheolab QC型旋转流变仪测定了不同类型、不同含水量土壤在沉实不同长短的时间后的剪切应力和表观粘度,建立了液相土壤初始表观粘度预测模型并试验验证,模型精度较高（R=0.9714）。获得了不同剪切速率下土壤受到的剪切应力和表观粘度的变化趋势,对不同类型土壤在不同含水量下的流动行为进行了分析,试验结果为水田机具的设计与优化奠定基础。（3）以土壤弹塑度为指标,使用Edinburgh Elasto-Plastic adhesion（EEPA）模型标定塑相状态土壤颗粒,建立土壤颗粒间表面能、接触塑性变形比、恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数与土壤弹塑度之间的预测模型;以土壤初始表观粘度为指标,使用Hertz-Mindlin with JKR模型标定液相状态土壤,建立土壤颗粒间JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数与液相土壤初始表观粘度之间的预测模型;以土壤法向粘附力为指标,使用Hertz-Mindlin with JKR模型标定土壤与橡胶材料接触模型,建立土壤颗粒与橡胶材料之间JKR表面能、静摩擦系数、滚动摩擦系数、碰撞恢复系数与塑相状态土壤法向粘附力之间的预测模型。分别将该种土壤不同含水量条件下弹性度的测量值、初始表观粘度的估计值和土壤法向粘附力的估计值代入预测模型进行参数寻优,获得了建立塑相土壤模型、液相土壤模型和土壤与橡胶材料接触模型所需的仿真参数,仿真值与估计值之间的误差均处于3.5%以内。（4）采用EDEM软件建立了上层呈液相、下层呈塑相的土壤模型,并与插秧机驱动轮物理模型耦合。以花纹高度、花纹底宽、花纹顶宽、轮叶长、轮叶倾角和前进速度为因素,以驱动轮下陷深度和前进阻力作为试验指标,通过Plackett-Burman试验设计方法设计优选试验,优选出花纹顶宽、轮叶长、轮叶倾角和前进速度4个因素作为插秧机驱动轮优化试验的影响参数。以驱动轮花纹顶宽、轮叶长、轮叶倾角和前进速度为试验因素,以驱动轮下陷深度和前进阻力为指标,进行四因素三水平的旋转正交仿真试验,建立了插秧机驱动轮下陷深度和前进阻力预测模型。

关键词：水田土壤法向粘附特性流动特性土壤参数标定驱动轮优化

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