水稻土条件的旋耕机性能测试及小麦响应研究

论文摘要

我国的水稻土分布很广,占全国耕地面积的1/5。稻麦轮作是南方水稻土的普遍种植制度,该制度需要对水稻收获后的板结土壤进行适当的旋耕处理,以利于小麦种植。本文一方面通过测定旋耕扭矩来明确旋耕机在水稻土条件下的动态性能；另一方面将旋耕机耕作获得的不同土壤破碎与小麦生长相结合,为水稻土条件下的小麦增产增收提供理论依据。本文首先构建了旋耕扭矩测试系统,包括测试系统的整体设计方案,扭矩传感器的制作,硬件和Labview软件的选择,测试系统主要实现刀辊转速的测量和旋耕扭矩数据的采集。在户外开展旋耕机田间扭矩测试实验,主要是针对秋季稻茬田和春季麦茬田,通过改变旋耕机的前进速度,刀辊转速和耕深来获得不同工况下的扭矩以及不同土壤状态下的旋耕土壤破碎,实验结果表明扭矩的大小和土壤的破碎度与旋耕机选择的工作参数和土壤的物理状态有明显的关系。为进一步研究水稻土条件下的旋耕机性能和旋耕机的能耗问题提供了理论依据。通过旋耕机的单刀实验描述了旋耕扭矩的产生过程,旋耕扭矩并不是通过旋耕刀入土角度的简单叠加,需要考虑刀具与刀具之间的相互影响。小麦响应研究主要分析了不同土壤破碎度下小麦根系的动态变化过程,通过Pro/E软件从二维和三维方面分析了小麦根系的几何拓扑结构,分形维数和分形丰度随着小麦的生长呈上升趋势。通过比较二维和三维的分形情况,发现三维分形维数和三维分形丰度的变化范围都大于二维的,因此否定了二维分形可以代替三维分形的这种说法。对于不同土壤耕作破碎与小麦生长之间的关系本文提供了一组描述指标,运用Pro/E软件的造型功能对实测小麦根系的空间坐标数据进行3D重构,计算表征小麦根系与土壤结构关系的指标,进而使用这些指标分析比较旋耕和免耕两种耕作处理下的根土关系动态变化。运用这些指标可以对耕作引起的土壤破碎与小麦根系关系的动力学演变过程进行跟踪和定量,从而有利于阐释不同土壤破碎度及小麦生长的相关机制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 本课题研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 旋耕机国外研究状况
• 1.2.2 旋耕机国内研究状况
• 1.2.3 旋耕性能研究状况
• 1.3 工作假说与研究内容
• 1.3.1 工作假说
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 研究方法和手段
• 参考文献
• 第二章 田间旋耕测试系统开发
• 2.1 旋耕试验台
• 2.2 测试系统总体设计方案
• 2.3 应变扭矩传感器设计
• 2.3.1 应变扭矩测量原理
• 2.3.2 扭矩测量原理
• 2.3.3 弹性轴的设计
• 2.3.3.1 弹性轴的材料的选择和计算
• 2.3.3.2 确定弹性轴的长度
• 2.3.4 应变片的选用和黏贴工艺
• 2.3.4.1 电阻应变片的选择
• 2.3.4.2 应变片的黏贴工艺
• 2.3.5 贴片轴的保护
• 2.4 测试系统的硬件设计
• 2.4.1 集流环的选用
• 2.4.2 电桥盒
• 2.4.3 电阻应变仪
• 2.4.4 数据采集卡
• 2.4.5 电源的配置
• 2.5 数据采集系统的设计
• 2.5.1 硬件驱动程序
• 2.5.2 软件设计
• 2.5.2.1 接近开光转速测量模块的设计
• 2.5.2.2 扭矩数据的采集和存储
• 2.6 扭矩传感器的标定
• 2.7 本章小结
• 参考文献
• 第三章 旋耕扭矩的田间实验测试
• 3.1 扭矩田间试验
• 3.1.1 实验地点和时间
• 3.1.2 实验设计
• 3.1.3 扭矩实验结果
• 3.1.3.1 扭矩数据统计方法
• 3.1.3.2 旋耕扭矩结果统计
• 3.1.3.3 扭矩的定量描述结果
• 3.1.4 各种工况下的旋耕机功耗
• 3.2 旋耕扭矩的单刀实验
• 3.3 评估旋耕碎土质量
• 3.3.1 碎土取样方法
• 3.3.2 碎土评价指标
• 3.3.3 旋耕实验破碎结果
• 3.3.4 春季麦连田破碎实验结果
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 基于PRO/E小麦根系的分形和小麦生物学指标研究
• 4.1 根系分形维数研究进展
• 4.2 分形维数对根系特性的表征意义
• 4.3 根系分形实验
• 4.3.1 材料与方法
• 4.3.2 基于Pro/E的小麦根系分形技术
• 4.3.3 小麦分形实验结果
• 4.4 小麦的生物学特性
• 4.4.1 实验设计
• 4.4.2 不同施氮量和不同密度的小麦生物学特性
• 4.4.3 不同旋耕破碎度下的小麦生物学特性
• 4.4.4 不同耕作对小麦生物学特性的影响
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 基于PRO/E的土壤结构与小麦根系关系模拟与分析
• 5.1 根土系统参数
• 5.2 PRo/E造型和计算
• 5.3 小麦根系动态响应的大田实验
• 5.3.1 材料与方法
• 5.3.2 结果和分析
• 5.3.2.1 第一季小麦根土系统参数的比较结果
• 5.3.2.2 第二季小麦根土系统参数的比较结果
• 5.3 本章结论
• 参考文献
• 第六章 结论和展望
• 6.1 研究结果
• 6.2 展望
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录