水稻根茬-土壤復(fù)合體剪切特性試驗(yàn)

鄭 樂 羅錫文 曾 山 王在滿 劉春波 齊興源

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642； 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510642)

水稻根茬-土壤復(fù)合體剪切特性試驗(yàn)

鄭 樂1,2羅錫文1,2曾 山1,2王在滿1,2劉春波1,2齊興源1,2

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642； 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510642)

為了降低稻茬地少耕免耕過程中的阻力，提高作業(yè)質(zhì)量，同時(shí)為破茬開溝裝置提供設(shè)計(jì)依據(jù)，采用自制的剪切試驗(yàn)裝置在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)水稻根茬- 土壤復(fù)合體進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，對(duì)根茬- 土壤復(fù)合體含水率、土壤容重、根茬- 土壤復(fù)合體的當(dāng)量直徑、剪切位置、剪切速度、切刃刃角、切刀刃口形狀7個(gè)因素進(jìn)行了單因素試驗(yàn)。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取根茬- 土壤復(fù)合體含水率、剪切速度、切刃刃角3個(gè)因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)。單因素試驗(yàn)結(jié)果顯示：極限剪切應(yīng)力與復(fù)合體的含水率呈二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，與土壤容重呈冪函數(shù)關(guān)系，與根茬-土壤復(fù)合體直徑呈二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，與剪切速度呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，剪切位置距離根茬中心越遠(yuǎn)極限剪應(yīng)力越小，切刃刃角越小極限剪切應(yīng)力也越小；在4種形狀的刃口切刀中，凹圓弧切刃的極限剪切應(yīng)力最小。正交試驗(yàn)結(jié)果表明：切割速度450 mm/min、含水率25%、切刃刃角15°時(shí)，極限剪切應(yīng)力最小。

水稻； 保護(hù)性耕作； 根土復(fù)合體； 剪切特性

引言

保護(hù)性耕作技術(shù)，特別是少耕免耕技術(shù)，是一種先進(jìn)的耕作技術(shù)[1-2]，已在世界各地廣泛推廣應(yīng)用[3]，但大多都是在旱地作物生產(chǎn)中應(yīng)用[4-5]，在水稻生產(chǎn)中可否利用少耕免耕技術(shù)，是一個(gè)具有重大意義的科學(xué)問題，尤其在南方雙季稻產(chǎn)區(qū)[6]，早稻收割完后緊接著種植晚稻，農(nóng)時(shí)緊張，因此，研究水稻茬地的保護(hù)性耕作很有必要，在稻茬地進(jìn)行保護(hù)性耕作，首先要研究的是水稻根茬- 土壤復(fù)合體的問題。

目前，關(guān)于根茬- 土壤復(fù)合體的研究較多，相關(guān)研究主要集中在林木或草系植被固土機(jī)理[7-8]、土壤侵蝕[9-10]、荒漠化防治、水土保持等方面[10-12]。但關(guān)于水稻根系結(jié)構(gòu)的研究比較少見，川田信一郎[13]曾進(jìn)行水稻根系在土壤中分布的相關(guān)研究，徐信武[14]通過試驗(yàn)測(cè)得了水稻秸稈的抗拉強(qiáng)度，孫占峰等[15]測(cè)得了水稻秸稈的擠壓、彎曲、破壞等特性，趙湛等[16]對(duì)水稻單莖進(jìn)行了切割試驗(yàn)，趙旭等[17]研究了玉米根土復(fù)合體剪切性能，劉川順等[18]研究了香草根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，但水稻根茬- 土壤復(fù)合體的力學(xué)相關(guān)研究未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文測(cè)量分析水稻根茬的田間分布情況以及根系分叉形態(tài)的相關(guān)參數(shù)、水稻根茬的當(dāng)量直徑與其所包裹的土壤深度等結(jié)構(gòu)特征。水稻根土復(fù)合體的物理性質(zhì)對(duì)其抗剪性質(zhì)有很大影響，包括土壤的組成、容重以及含水率和含根比例[17,19-20]。在稻田中破茬開溝部件對(duì)土壤的作用主要表現(xiàn)為剪切破壞，因此，對(duì)水稻根茬-土壤復(fù)合體(以下簡(jiǎn)稱根土復(fù)合體)進(jìn)行剪切特性的研究是基礎(chǔ)，本文擬通過試驗(yàn)研究獲得在免耕播種時(shí)水稻根土復(fù)合體的最佳作業(yè)部位，從而為降低作業(yè)機(jī)具功耗、減少動(dòng)土量提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 研究區(qū)域自然概況與采樣

研究試驗(yàn)區(qū)位于廣州市增城區(qū)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)，屬于亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，是紅壤土分布區(qū)，土壤的通氣和蓄水性能良好。

試驗(yàn)田長(zhǎng)140 m、寬120 m,測(cè)量?jī)?nèi)容包括土壤密度、含水率和土壤堅(jiān)實(shí)度，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)按照0～50 mm、50～100 mm、100～150 mm、150～200 mm分層取土。土壤含水率和干密度按照GB/T 50123—1999進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)使用TYD-2型數(shù)顯土壤硬度儀測(cè)量土壤硬度。

2 試驗(yàn)裝置、材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置與設(shè)備

試驗(yàn)用儀器包括WD-E型精密微控電子式萬能試驗(yàn)機(jī)(廣州市廣材試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn))，采用1 000 N傳感器， 分辨率 1/120 000，力值精度±0.5%，位移精度±0.3%。試驗(yàn)加載速率5～1 000 mm/min，數(shù)據(jù)采樣速度2個(gè)/s。游標(biāo)卡尺，米尺，人工氣候箱，TYD-2型數(shù)顯土壤硬度儀(浙江托普儀器有限公司生產(chǎn))，自制剪切裝置，試驗(yàn)設(shè)定剪切時(shí)的采樣頻率為40 Hz,起始力為2 N; DHG-9030型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海索譜儀器有限公司)，ALC電子天平(量程：500 g，精度：1 mg，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)。實(shí)驗(yàn)室溫度為28.5℃，濕度為58.5%。

水稻根土復(fù)合體是一種特殊的復(fù)合材料，目前還沒有試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可供依照，本文參考其他材料試驗(yàn)裝置[12,21-23]和試驗(yàn)方法[24-27]，設(shè)計(jì)了一套剪切裝置與萬能材料試機(jī)組成一套試驗(yàn)系統(tǒng)[17,23,28-29]。剪切裝置由剪切底座和剪切刀具兩部分組成，剪切刀具安裝在萬能材料試驗(yàn)機(jī)的上連接頭，剪切底座四周由橡膠海綿圍壓成盒狀，在盒底部與動(dòng)刀對(duì)應(yīng)的位置安裝有與動(dòng)刀對(duì)應(yīng)的定刀，為保證剪切，定刀位于動(dòng)刀正下方，剪切間隙控制在0.05 mm以內(nèi)。由于農(nóng)業(yè)機(jī)械的試驗(yàn)大田環(huán)境的特殊性，想要保證室內(nèi)的測(cè)試條件與真實(shí)工作環(huán)境條件完全相同是比較困難的，為了最大限度地模擬田間環(huán)境，前期采用相關(guān)試驗(yàn)儀器獲取相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)：密度、含水率、溫度、濕度等，各參數(shù)盡量保持與大田環(huán)境一致，同時(shí)采用土壤硬度儀在試驗(yàn)田找點(diǎn)測(cè)量獲取數(shù)據(jù)，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)和自制的剪切設(shè)備調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，先根據(jù)前期獲取的田間土壤硬度調(diào)整橡膠海綿組成的圍壓系統(tǒng)，使之與大田環(huán)境作業(yè)時(shí)的實(shí)際情況一致，動(dòng)刀切割試樣時(shí)，試樣外側(cè)包圍有橡膠和海綿及液體，試樣受到剪切作用后擠壓圍壓系統(tǒng)，使得圍壓系統(tǒng)的壓力同步變化，基本符合根土復(fù)合體在大田環(huán)境下的實(shí)際情況。

圖1 剪切試驗(yàn)裝置Fig.1 Shear test device1.動(dòng)刀支座連接頭 2.動(dòng)刀安裝座 3.動(dòng)剪切刀 4.動(dòng)刀導(dǎo)向支架 5.水稻根茬-土壤復(fù)合體 6.橡膠盒 7.調(diào)節(jié)筒 8.壓力計(jì) 9.壓力滾筒支座 10.試驗(yàn)臺(tái)底座 11.剪切底座 12.定刀導(dǎo)向支架

自制剪切裝置如圖1所示。

剪切試驗(yàn)臺(tái)上的動(dòng)刀為往復(fù)式單面刃切刀，材質(zhì)為45號(hào)鋼，為提高抗磨能力進(jìn)行淬火處理。試驗(yàn)過程中使用的4種刀具包括平刃口切刀、斜刃口切刀、凹圓弧刃口切刀和凸圓弧刃口切刀，如圖2所示。

圖2 剪切刀片零件圖Fig.2 Part drawings of blades

2.2 試驗(yàn)材料的制備

選取的水稻品種為黃花占，是一種感溫型常規(guī)稻品種，早稻和晚稻均采用直播方式種植，播期分別為2015年3月23日和2016年3月29日，水稻收獲后，隨機(jī)挖掘完整的200株水稻植株，裝入網(wǎng)袋后進(jìn)行清洗，對(duì)清洗后的水稻根系長(zhǎng)度和范圍進(jìn)行測(cè)量，如圖3a、3b、3c所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，絕大部分水稻的根系都分布在深度為8～10 cm范圍的土層內(nèi)。同時(shí)采用環(huán)刀法測(cè)試土壤的容重和含水率，試樣獲取后通過地表根茬分蘗數(shù)將試樣分類，在試樣中選取根茬分蘗數(shù)為6-10、11-15、16-20、21-25、26-30、31-35的試樣各20個(gè)，進(jìn)行編號(hào)。為了減少根茬地上部分對(duì)試驗(yàn)的影響，地上部的留茬高度統(tǒng)一為100 mm。

圖3 試樣制備Fig.3 Preparation of test pieces for testing

圖4 生育后期與收獲后根系實(shí)物圖Fig.4 Root pictures at late growth stage and after harvest

水稻根系在不同時(shí)期變化差異非常顯著，尤其與種植后期的田間水分管理密切相關(guān)，由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，從水稻抽穗期開始，植株進(jìn)入快速灌漿期,養(yǎng)分需求增大,由于營(yíng)養(yǎng)脅迫部分根系開始失去活性[30-32]。收獲后水分與溫度導(dǎo)致根系逐漸失去柔韌性變脆腐爛[33-35]，這與田間實(shí)際取樣的情況一致，其具體表現(xiàn)如圖4所示。剪切試驗(yàn)所需的水稻根土復(fù)合體采用田間隨機(jī)取樣方法，取樣時(shí)為了最大限度地模擬機(jī)具作業(yè)時(shí)的試驗(yàn)狀態(tài)，挖取時(shí)按照規(guī)格300 mm×300 mm×200 mm取成立方體，同時(shí)按同規(guī)格挖取無根系素土土樣作為對(duì)照，所取試樣立即使用塑料袋包裹并保存在與生長(zhǎng)環(huán)境相似的試驗(yàn)箱直至試驗(yàn)使用。

2.3 極限剪切應(yīng)力測(cè)定

根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)理論計(jì)算剪應(yīng)力，試驗(yàn)采用直接剪切方式進(jìn)行，極限剪切應(yīng)力計(jì)算式為

式中τs——極限剪切應(yīng)力Fmax——最大剪切力s——切刃面積

經(jīng)計(jì)算切刃面積為1.2×10-4m2。

2.4 試驗(yàn)方法

剪切試驗(yàn)在WD-E型精密微控電子式萬能試驗(yàn)機(jī)和自制剪切試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，在大田作業(yè)環(huán)境中，工作部件的入土能力、入土深度等均需要通過試驗(yàn)獲取相關(guān)設(shè)計(jì)依據(jù)，在結(jié)合農(nóng)藝相關(guān)要求的情況下尋找合適的入土深度以及探求作業(yè)時(shí)所遇到的阻力對(duì)后續(xù)機(jī)具設(shè)計(jì)節(jié)能減阻有著重要意義。為模擬機(jī)械作業(yè)環(huán)節(jié)時(shí)破茬刀具由地表茬地切入根茬土壤內(nèi)部的過程，試驗(yàn)前首先將剪切底座安裝在試驗(yàn)機(jī)底部，將試驗(yàn)用的剪切刀具安裝在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上連接頭，試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)機(jī)上連接頭通過剪切動(dòng)刀，和設(shè)定的加載速度做豎直向下運(yùn)動(dòng)，定刀與動(dòng)刀共同配合作業(yè)直到根土復(fù)合體試樣完全被切開。與計(jì)算機(jī)配套的分析軟件自動(dòng)記載試驗(yàn)過程中剪切刀的位移以及試樣受到的剪切力。設(shè)置采樣頻率20 Hz，單因素試驗(yàn)時(shí)每一水平重復(fù)試驗(yàn)5次，正交試驗(yàn)時(shí)每組重復(fù)3次。為了排除動(dòng)定刀之間發(fā)生摩擦對(duì)試驗(yàn)的影響，當(dāng)施加的載荷大于3 N時(shí)才開始記錄試驗(yàn)曲線。

2.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要研究模擬機(jī)具作業(yè)時(shí)相關(guān)參數(shù)對(duì)稻茬極限剪切應(yīng)力的影響。因影響因素較多，為了減少試驗(yàn)次數(shù)，將試驗(yàn)分為2組，第1組采用單因素試驗(yàn)：水稻根系的形狀呈現(xiàn)紡錘形狀[13]，與水稻根茬中心的距離不同，相當(dāng)于根土復(fù)合體的含根比例也有所不同，因此將距離水稻根茬中心的剪切位置也作為一個(gè)因素, 剪切位置分別為通過水稻根茬中心和距離水稻根茬中心20、40、60、80 mm。選取根土復(fù)合體含水率、土壤容重、根土復(fù)合體的根土混合比例、剪切位置、剪切速度、切刀刃角和切刀形狀等7個(gè)試驗(yàn)因素，為了對(duì)照無根系情況，每組試驗(yàn)均安排了素土對(duì)照試驗(yàn)。試驗(yàn)前如果不破壞根茬復(fù)合體將無法獲取根土混合比例，但是文獻(xiàn)表明[31-32,34-37]，水稻的根系生長(zhǎng)情況與地上部分相關(guān)，每株水稻地上的分蘗數(shù)越多地下根系越發(fā)達(dá)，故選取分蘗數(shù)作為水稻根土混合比例的表征。以根土復(fù)合體當(dāng)量直徑反映分蘗數(shù)。第2組試驗(yàn)?zāi)M機(jī)具田間作業(yè)的實(shí)際情況，將根土復(fù)合體含水率、剪切速度、切刃刃角作為試驗(yàn)因素，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)。

2.5.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

單因素試驗(yàn)選取的因素和水平如表1所示。剪切位置分別為通過水稻根茬中心，以及距離水稻根茬中心20、40、60、80 mm，表1中分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。

表1 單因素試驗(yàn)因素和水平Tab.1 Factors and levels of single factor test

2.5.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮到田間作業(yè)時(shí)水稻根茬的直徑自然生長(zhǎng)無法選擇，剪切位置在機(jī)具具體作業(yè)時(shí)很難保證在某一固定位置，因此這些均不選為試驗(yàn)因素，選取根土復(fù)合體含水率、剪切速度、切刃刃角作為正交試驗(yàn)的因素。正交試驗(yàn)所選的因素與水平見表2。試驗(yàn)時(shí)選取土壤容重為1.4 g/cm3、根土復(fù)合體的平均當(dāng)量直徑為80 mm、采用凹圓弧刃口切刀、剪切位置為水稻根茬中心。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal test

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 根土復(fù)合體含水率

進(jìn)行根土復(fù)合體含水率試驗(yàn)時(shí)，土壤容重為1.4 g/cm3、根土復(fù)合體的平均當(dāng)量直徑為80 mm、切割速度為100 mm/min，采用平刃口切刀，切刃刃角為20°，剪切位置為水稻根茬中心；選取含水率分別為10%、15%、20%、25%。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率達(dá)到30%時(shí)，土壤顆粒的流動(dòng)性太大，無法正常進(jìn)行剪切試驗(yàn)，故舍去30%含水率的試驗(yàn)。

圖5 根土復(fù)合體含水率- 極限剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves of moisture content and ultimate shear stress of root-soil composite

試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，將根土復(fù)合體的含水率與極限剪切應(yīng)力進(jìn)行回歸擬合，二者呈二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，R2=0.928 6。由試驗(yàn)結(jié)果可知，根土復(fù)合體的含水率對(duì)極限剪切應(yīng)力的影響比較顯著，根土復(fù)合體的極限剪切應(yīng)力隨著含水率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在含水率為15%時(shí)達(dá)到峰值，隨著含水率增加極限剪切應(yīng)力呈減小趨勢(shì)。根據(jù)有關(guān)學(xué)者[9,11,28,30]的研究，根土復(fù)合體的抗剪切特性主要由2部分組成，一部分是土壤的粘聚力，另一部分是土壤的內(nèi)摩擦角，胡文利等[38]的研究結(jié)果表明,無論土壤中是否有根系存在，含水率越大，內(nèi)摩擦角越小。含水率較小時(shí)，土壤顆粒之間連接比較松散，尚未形成較為致密的結(jié)構(gòu)，土壤顆粒與根系的接觸也比較松散，根土間的連接較弱。隨著含水率的增加，土粒與水之間形成的結(jié)合水膜作用增強(qiáng)，土體的粘聚力增大。隨著含水率的進(jìn)一步增加，土壤顆粒周圍的水膜變厚，通過水分子膠結(jié)的能力變?nèi)?，土壤顆粒與根系之間的聯(lián)接咬合作用減弱，從而抵抗外界變形的能力減弱。

3.1.2 根土復(fù)合體土壤容重因素試驗(yàn)

進(jìn)行土壤容重試驗(yàn)時(shí)，根土復(fù)合體含水率為20%、根土復(fù)合體的平均當(dāng)量直徑為80 mm、切割速度為100 mm/min，采用平刃口切刀，切刃刃角為20°，剪切位置為水稻根茬中心；選取容重分別為1.0、1.2、1.4、1.6 g/cm3，每組試驗(yàn)重復(fù)10次。

圖6 根土復(fù)合體土壤容重- 極限剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves of bulk density and ultimate shear stress of root-soil composite

由圖6可以看出，隨著土壤容重的增加，水稻根土復(fù)合體的極限剪切應(yīng)力均值不斷增加，呈冪函數(shù)關(guān)系。由于水稻屬于須根系植物，因此水稻須根與包裹須根的土壤之間形成交錯(cuò)的黏合體，土壤的容重越大，土壤顆粒與根茬包裹之間的連接就越緊密，相當(dāng)于復(fù)合體的當(dāng)量密度也變大，因而抵抗外界剪切的能力增強(qiáng)[7,9,11]。

3.1.3 水稻根茬直徑對(duì)極限剪切應(yīng)力的影響

進(jìn)行水稻根茬直徑試驗(yàn)時(shí)，根土復(fù)合體含水率為20%、土壤容重為1.4 g/cm3、切割速度為100 mm/min，選取平刃口切刀，切刃刃角為20°，剪切位置為水稻根茬中心；分別選取直徑為39.85、60.25、79.68、101.42、120.62 mm的水稻根土復(fù)合體進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)10次。

由圖7可以看出，水稻根土復(fù)合體在40～80 mm的范圍內(nèi)時(shí)，極限剪切應(yīng)力的均值增長(zhǎng)比較明顯，呈二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，直徑超過80 mm后，素土極限剪切應(yīng)力均值的增長(zhǎng)速度逐漸變慢。在田間采樣過程中也發(fā)現(xiàn)，地表根茬直徑較小時(shí)，地下根系也比較稀疏，單位體積含根量也較少，根系對(duì)土壤的加筋效應(yīng)就相對(duì)較弱，復(fù)合體抵抗剪切的能力隨之下降。

圖7 根土復(fù)合體直徑- 極限剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves of equivalent diameter and ultimate shear stress of root-soil composite

3.1.4 切割位置對(duì)極限剪切應(yīng)力的影響

進(jìn)行切割位置試驗(yàn)時(shí)，根土復(fù)合體含水率為20%、土壤容重為1.4 g/cm3、切割速度為100 mm/min，選取平刃口切刀，切刃刃角為20°。切割位置及結(jié)果如圖8所示。每組試驗(yàn)重復(fù)10次。

由圖9可以看出，切割位置對(duì)極限剪切應(yīng)力影響顯著，呈二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，由于水稻的根系為須根系，距離水稻根茬中心越近，水稻的根系越密集，相當(dāng)于單位體積內(nèi)的根系比例增加，土體內(nèi)的加筋效應(yīng)增強(qiáng)，水稻根土復(fù)合體抵抗外界剪切的能力增強(qiáng)。同理，距離水稻根茬中心越遠(yuǎn)，單位體積內(nèi)的土體包裹的水稻根系就越少，切割的過程就越接近于素土切割，加筋效應(yīng)就越不明顯。

圖8 切割位置及結(jié)果Fig.8 Cutting location and results

圖9 根土復(fù)合體剪切位置- 極限剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curves of shear position and ultimate shear stress of root-soil composite

3.1.5 剪切速度對(duì)極限剪切應(yīng)力的影響

進(jìn)行剪切速度試驗(yàn)時(shí)，根土復(fù)合體含水率為20%、土壤容重為1.4 g/cm3，采用平刃口切刀，切刃刃角為20°，剪切位置為水稻根茬中心；切割速度分別取10、20、50、100、150、200、300、500 mm/min進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)10次。

圖10 切刀剪切速度- 極限剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.10 Relationship curves of shear velocity and ultimate shear stress

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(圖10)，將剪切速度對(duì)極限剪切應(yīng)力均值進(jìn)行曲線回歸擬合，R2=0.933 8，呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，水稻根土復(fù)合體與剪切刀具的接觸時(shí)間減少，在切割接觸點(diǎn)傳遞變形的時(shí)間也隨時(shí)減小，切割的過程變快，極限剪切應(yīng)力的極值也隨之減小。

3.1.6 切刃刃角對(duì)極限剪切應(yīng)力的影響

進(jìn)行切刃刃角試驗(yàn)時(shí)，根土復(fù)合體含水率為20%、土壤容重為1.4 g/cm3、切割速度為100 mm/min，采用平刃口切切刀，剪切位置通過水稻根茬中心；切刃刃角分別取10°、15°、20°、25°、30°。

試驗(yàn)結(jié)果(圖11)表明，切刃刃角對(duì)極限剪切應(yīng)力影響顯著，剪切刃角增大時(shí)，極限剪切應(yīng)力的均值呈增加趨勢(shì)，剪切刀的刃角越小，刀片越鋒利，相當(dāng)于剪切刀具的切入角度較小，根據(jù)試驗(yàn)觀察，刃角10°時(shí)切割根土復(fù)合體的切面也比較平整，切割位置也較少出現(xiàn)震裂、碎散等現(xiàn)象。刃角越小越容易切開根土復(fù)合體，從而降低了作業(yè)的阻力，但在同樣材質(zhì)和金屬熱處理的情況下，剪切刃角小的刀片容易磨損，不同組成成分的土壤對(duì)切刀刃角磨損的影響也不同，如果在砂性土或者含有小石礫的土壤中作業(yè)，較小切刃刃角的切刀更容易磨損，致使阻力增大或崩刃損壞，影響剪切刀具的使用壽命。如僅以切割質(zhì)量和田間作業(yè)阻力作為衡量指標(biāo)，剪切刀的切刃刃角越小越好。但在實(shí)際的田間作業(yè)過程中，不僅要考慮作業(yè)質(zhì)量還應(yīng)同時(shí)考慮剪切刀具的使用壽命，權(quán)衡作業(yè)效果和作業(yè)成本后合理選用。

圖11 切刃刃角- 極限剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.11 Relationship curves of cutting edge blade angle and ultimate shear stress

3.1.7 切刀形狀對(duì)極限剪切應(yīng)力的影響

進(jìn)行切刀形狀試驗(yàn)時(shí)，根土復(fù)合體含水率為20%、土壤容重為1.4 g/cm3、切割速度為100 mm/min、切刃刃角為15°、剪切位置分別通過水稻根茬中心；選取4種刃型切刀。

試驗(yàn)結(jié)果(圖12)表明，平刃口切刀與斜刃口切刀的極限剪切應(yīng)力相差不明顯，內(nèi)外圓弧型切刀與直線型切刀差異較大，刃口曲線為凹圓弧時(shí)，極限剪切應(yīng)力最小，從而對(duì)應(yīng)的作業(yè)阻力也最小。分析切割過程可知，凸圓弧刃口切割時(shí)對(duì)上升的土壤和根茬復(fù)合體有向下擠壓的趨勢(shì)，相當(dāng)于切刀的入土角增大，對(duì)應(yīng)的極限剪切應(yīng)力也增大，凹圓弧刃切割時(shí)，由于處于最大半徑的土壤和根茬復(fù)合體先受到切刀擠壓的會(huì)沿著刃口的方向向內(nèi)側(cè)滑動(dòng)，相當(dāng)于切刀的瞬時(shí)入土角減小，從而對(duì)應(yīng)的切割阻力也減小。

圖12 切刀形狀對(duì)極限剪切應(yīng)力的影響Fig.12 Effects of cutter shape on ultimate shear stress

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)的試驗(yàn)因素水平及試驗(yàn)安排如表3所示。

大田環(huán)境較為復(fù)雜，因此影響極限剪切的因素也較多，由于實(shí)際作業(yè)中，根茬切割位置很難人為控制準(zhǔn)確，結(jié)合前期的單因素試驗(yàn)，選取根土復(fù)合體含水率、剪切速度和切刃刃角作為試驗(yàn)因素。

表3 正交試驗(yàn)安排與結(jié)果Tab.3 Orthogonal test arrangements and results

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，正交試驗(yàn)的結(jié)果與單因素試驗(yàn)結(jié)果一致，在3個(gè)因素中，根土復(fù)合體含水率的影響最大、切刃刃角次之、剪切速度最小。含水率對(duì)極限剪切應(yīng)力的影響最為顯著，極限剪切應(yīng)力最小的參數(shù)組合為A3B3C1，由于該組試驗(yàn)未出現(xiàn)在正交試驗(yàn)結(jié)果中，故補(bǔ)充進(jìn)行了一組試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得極限剪切應(yīng)力為172 kPa。

4 結(jié)論

(1)采用自制的剪切裝置和電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)水稻根茬復(fù)合體的抗剪切性能進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，土壤含水率、土壤容重和根土復(fù)合體的含根比例對(duì)水稻根土復(fù)合體的抗剪切特性影響顯著。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，水稻根土復(fù)合體的含水率從10%開始，剪切應(yīng)力先隨著含水率的增大而增大，在15%達(dá)到最大，之后隨著含水率的增加而減小，表現(xiàn)出先增后減趨勢(shì)，另外作業(yè)過程中剪切刀具距離根茬中心位置也對(duì)作業(yè)阻力影響顯著，距離越遠(yuǎn)阻力越小。

(2)在設(shè)計(jì)的4種不同刃口曲線的切刀中，平口切刃刀與斜口切刃刀對(duì)應(yīng)的極限剪切應(yīng)力差別不大，凹圓弧切刀和凸圓弧切刀對(duì)應(yīng)的極限剪切應(yīng)力都比直線型切刀降低15%左右，其中凹圓弧切刀的極限剪切應(yīng)力值最小。在免耕破茬的過程中，選取合適形狀的破茬刃口曲線能降低機(jī)器作業(yè)的阻力。

(3)正交試驗(yàn)結(jié)果表明：在含水率25%、切割速度450 mm/min、切刃刃角15°時(shí)，極限剪切應(yīng)力最小，為最佳組合。少免耕種植期不同，其根土復(fù)合體含水率也存在差異，從而也影響剪切阻力，因此選擇較高含水率有利于減小耕作阻力。

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Shear Characteristics of Rice Root-Soil Composite

ZHENG Le1,2LUO Xiwen1,2ZENG Shan1,2WANG Zaiman1,2LIU Chunbo1,2QI Xingyuan1,2
(1.CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China2.KeyLaboratoryofKeyTechnologyonAgriculturalMachineandEquipment,MinistryofEducation,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China)

In order to reduce the rice stubble of minimum tillage and no tillage resistance in the process, improve the quality of work, and provide basis for the design of stubble breaking ditching device, the shear experiments on the universal material testing machine was tested on rice stubble and soil complex. Soil moisture content, soil bulk density, complex stubble soil composite equivalent diameter, cutting position, cutting speed, cutting edge angle and blade shape were tested by single factor test. Based on single factor experiment, the orthogonal experiment was carried out on three factors, including soil moisture content, shear rate and cutting edge angle. The results of single factor test showed that the relationship of ultimate shear force and water complex rate was two-order polynomial function, a power function relationship with soil bulk density, a two order polynomial function relationship with stubble and soil complex diameter, logarithmic relationship with shear velocity. The ultimate shear stress was decreased with the increase of shear distance from stubble, and it was also decreased with the decrease of cutting edge angle; among the four shapes of cutter blade, the ultimate shear stress of concave arc cutting blade was the least. The results of orthogonal test showed that the ultimate shear stress was the minimum when the cutting speed was 450 mm/min, the moisture content was 25% and the cutting edge angle was 15°.

rice; conservation tillage; root-soil composite; shear characteristics

2017-01-16

2017-02-20

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203059)、廣東省科技計(jì)劃支撐項(xiàng)目(2015A020208016)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200606)

鄭樂(1983—)，男，博士生，主要從事水稻播種機(jī)械研究，E-mail: zhengle-xinong@163.com

羅錫文(1945—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究，E-mail: xwluo@scau.edu.cn

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.007

S154.4

A

1000-1298(2017)05-0063-09