农业工程概论

1讲稿教材：《农业工程概论》，张伟主编，中国农业出版社，1997年，第一版。主要参考书：1.《农业物料学》，周祖锷主编，农业出版社，1994年；2.《农业生物环境工程》，崔引安主编，农业出版社，1994年；3.《农产品加工机械与贮藏》，沈再春主编，农业出版社，1995年；4.《农业系统工程》，朱永达主编，农业出版社，1993年。2绪论一农业工程与农业的发展1.农业的发展（时代的划分）：从2000多年以前——19世纪中叶：原始农业（古代农业）；19世纪中叶——20世纪40年代（二战结束）：传统农业（近代农业）；20世纪40年代——至今：现代农业。3※原始农业，完全靠刀耕火种；传统农业，有了引水灌溉和施用农家肥；现代农业，有了工业产品的武装（化肥、农药、机械）。国外之所以称为“近代农业”，是因为那时也有了少量的半机械化、机械化农具。2、农业工程的发展：1889年，美国人伯格首先发明了底盘与蒸汽机底盘相似的拖拉机──“巴加”号拖拉机，由芝加哥的查特煤气机械公司试制成功。1892年，美国衣阿华州的约翰﹒M﹒弗罗利奇，在辛辛那提市制造出第一台作为农用牵引机的内燃发动机式拖拉机，这是一台真正实用的拖拉机，是著名的约翰﹒迪尔式拖拉机前身。4561892年的拖拉机781904年，加利福尼亚的工程师霍尔特设计了界上第一台履带式拖拉机，1907年，霍尔特创办的拖拉机制造公司制造出世界上最早的以汽油内燃机为动力的履带式拖拉机。这种拖拉机是当时最成功的拖拉机，并成为数年后英国研制世界上第一种坦克时所参考的样车。轮式拖拉机的发明，最初是在钢轮外加一层橡胶保护层，汽车轮胎诞生后，人们先后给拖拉机使用了实心和充气胎。但汽车轮胎并不完全适用于拖拉机，一是汽车轮胎的沟纹过于浅细。二是人们发现拖拉机在轮胎气不足时反而比气很足时的软地行驶性能更好。1932年，美国的菲尔斯当轮胎和橡胶公司生产出一种大尺寸的高花纹低压充气橡胶轮胎。这是第一种真正适用于农用拖拉机轮胎。91908年产的履带拖拉机（25HP）101908年产的履带拖拉机（L20）111912年的履带拖拉机（Holt30）121914年的履带拖拉机（Holt30）131917年产的履带拖拉机（40HP）141917年Holt产的实验性履带拖拉机151918年产的履带拖拉机（Holt45）161928年产的毛毛虫（Caterpillar）L20履带拖拉机171929年产的履带拖拉机（毛毛虫60）181977年毛毛虫D10191913年的金属轮拖拉机201932年的橡胶轮胎拖拉机2122★20世纪30～50年代，发达国家已经实现了机械化。然后农业工程向更高层次发展：即设施农业（打破了季节性、地域性的限制）→农副产品加工、贮运→农业环境与资源保护（保护性耕作）→精确农业。23温室最早起源于中国，据《前汉书·召信臣传》记载，距今2000多年前的西汉时，当时的皇都西安已在生有暗火的屋子里种植葱、韭一类蔬菜，可在冬季为皇宫提供新鲜蔬菜。这是世界上最早的温室。发展到清代，温室的形式和栽培技术已较成熟，除用于种植黄瓜等多种蔬菜外，还生产许多名贵花卉。在欧洲，公元1世纪罗马帝国已使用一种用云母片装配的温床，促成水果早熟和为宫廷生产黄瓜。1599年，在荷兰建成一栋栽培热带植物的温室，这是欧洲最早的温室之一。直到19世纪，温室才在欧洲普及开来，当时有许多博物学家从热带地区把多种植物新种带回北方寒冷的家乡，同时玻璃制造技术发达也使建造框架式的日光温室成为可能。241836─1841年，英国德温公爵的园丁领班帕克顿在备德贝郡查兹沃斯府邸建了一具大型温室，在铁、木框架上共镶有7000多平方米的玻璃。1851年，在英国举办世界上首次万国博览会时，帕克斯顿以他建造的温室为蓝本，为博览会的主展馆设计了著名的“水晶宫”。在现代的大型温室中，已经配有带热风或湿冷风的混风设备，并采用喷灌、滴灌和地下灌溉等技术，有的还使用无土栽培法。有的温室还装备有电脑控制系统，以变化的光照强度为中心，随时调节室温和空气中二氧化碳浓度，或辅以湿度、风速、温度场乃至营养液中无机盐含量的调节，从而为作物创造适合生长的最佳环境。25262728中国农产品加工业的历史源远流长。早在战国、西周、西汉的文献资料中，对粮食制饴，葡萄酿酒，煎蔗为糖，大豆生产豆腐、酱油，牛奶制作奶酒等食品技术就有记载。291976年在河南新郑裴李岗出土的石磨盘。据考证，为7000年前的新石器时期早期，比仰韶文化还要早。30在沈阳“老龙口”出土的正面为“阴阳鱼”造型的石磨群。是山西商人孟子敬于清代康熙元年（1662年），在沈阳小东门外建的制酒作坊的遗物。31325000年前（神农氏）的榨油工具33风力车、石磨等34晋代的水磨35363738公元前5000多年，中国就有了石磨39龙骨提水车，又叫翻车。是东汉灵帝（公元168-189年）毕岗创造的，直到20世纪50年代末，在江南农村还能见到。40筒车41井车42保护性耕作是以保水保土为核心的少耕免耕、残茬覆盖、生物覆盖和作物轮作相结合的技术体系，起源于20世纪30年代的美国基本概念:用大量秸秆残茬覆盖地表，将耕作减少到只要能保证种子发芽即可，并主要用农药来控制杂草和病虫害的一种耕作技术保护性耕作的起源与发展43保护性耕作的四项关键技术免耕播种技术深松技术秸秆残茬覆盖处理技术杂草控制技术。441、免耕法能够形成小气候优势2、保护性耕作改善土壤结构，保蓄更多水分，提高土壤水分利用效率,增加作物产量3、作物根茬覆盖能固定表土，阻止土粒、沙尘的移动，防止土壤风蚀,有效扼制沙尘暴的发生4、少免耕法减少机具在田间的耕作次数、降低成本，提高燃油利用率与经济效益保护性耕作的意义4546大型多梁牵引式免耕播种机474849“精确农业”(PrecisionAgriculture)技术研究发展的驱动力，是在所有耕地中发现的作物生长环境和收获产量实际分布的空间差异性。精确种植的基本技术至少要具备以下四项功能：①随时间或(及)空间变化采集数据；②根据数据绘制数据电子地图，即田间状态图，并加工、处理，形成管理设计(或作业执行电子地图，即对策图)；②精确控制田间作业；④对精确种植的农业效果、经济效益及环境效益进行评估。50精确种植的技术包括以下内容：全球定位系统GPS、地理信息系统GIS、计算机控制器、传感器及遥感系统RS、变量投入设备、绘制电子地图及数据处理加工软件、专家系统ES及决策支持系统DSS等软件及硬件。GIS—GeographicalInfromationSystem，地理信息系统；GPS—G1obalPositioningSystem，全球定位系统：RSS—RemoteSensingSystem，遥感系统；SS—SimulationSystem，模拟系统；ES—ExpertSystem，专家系统；DSS—DecisionSupportSystem．决策支持系统；ICS—IntelligenceContro1System，智能控制系统515253二农业工程学科的性质与任务1、学科的发展：★1896年，美国内布拉斯加大学农学院，开设“农业工程概论”课程；★1907年，在美国的麦迪逊，成立美国农业工程学会（AmericaSocietyofAgriculturalEngineering.ASAE）；★随后，在以后的10多年里，美国、加拿大的许多大学都成立了“农业工程系”。农业工程系一般由工程学院和农学院共同领导，起初分两个科目：1.农业工程（农业工程科学）2.农业机械化（农业工程技术）54★学科的发展：机械应用与管理→耕作土壤动力学→农业物料的工程性质→农田水利学→农村能源→农村电气化→农副产品加工→农业系统工程（计算机模拟、专家系统等）。1996年以前，农业工程学科包括9个本科专业：1.农业机械化；2.农业建筑与环境工程；3.农业电气化与自动化；554.农田水利工程；5.土地规划与利用；6.农村能源开发与利用；7.农产品贮运与加工；8.水产品贮藏与加工；9.冷冻冷藏工程。1996年以后合并为4个本科专业：1.农业机械化及其自动化；2.农业电气化与自动化；563.农业建筑环境与能源工程；4.农田水利工程。2.性质与任务农业工程学科——是应用物理科学、化学和生物科学及工程技术来研究、解决农业生产及其过程的工程科学与工程技术。即：农业工程学科是将农业与工程联系起来，研究｛生物、生产、生态｝与｛物力、化学、管理｝的边缘学科（性质）。57农业工程——《中国农业百科全书.农业工程卷》中指出：“农业工程是改善农业生产手段、生态环境和农村生活设施的各种工程技术、工程管理、工程理论的总称”（任务）。三.农业工程师的素养和农业工程学的研究方法1.必须具备农业生产及生物学基础知识；（※生物系统的特点：随时间变化；对环境有自适应性。）2.必须具备工程理论和工程训练，掌握系统分析方法；（能力）58农业工程属于应用学科：要会综合，会做科学试验；（综合、实践→创新）本课程的目的：提供有关农业工程的基本概念、常识、基本方法；进一步深入了解各方面内容的必要线索。59世界农业科技变革趋势1、由“平面式”向“立体式”发展2、由“石油型”向“生态型”发展3、由“自然式”向“设施式”发展4、由“机械化”向“自动化”发展5、由“农场式”向“公园式”发展6、由“化学化”向“生物化”发展7．由“单向性”向”综合性”发展60我国农业战略布局沿海地区和大中城市郊区要大力发展高效农业。中部粮食主产区要抓住主销区腾出部分粮食市场的机遇，扩大优质粮食生产，提高粮食的综合效益和市场竞争力。西部地区要发展特色农业、旱作农业和生态农业。61第一章农业物料的工程性质§1研究的意义农业物料——一般指：动植物产品、加工成品、半成品、以及与农业作业有关的土壤、肥料、农药等。（即：产品和作业对象）意义：有利于正确的设计工艺与设备；质量的评估。§2农业物料的形态特征一、尺寸和形状尺寸和形状62（一）圆形和球形圆度式中：圆度表示与理想圆的接近程度；r指各棱角的曲率半径；R值最大内接圆的半径。（P6图1-1）Rmrm1ii异能够反映相互之间的差态能够描述物料实体的形6364对于类球体：球度=didc式中：di指类球体的最大投影面积图形的最大内切圆直径dc指类球体的最大投影面积图形的最小外接圆直径对于椭球：球度==3/1外接球体积椭球体积=3/13a6abc665=a3/1)abc(=（二）尺寸的表示最大直径几何平均直径（1）粒径（非类球物料）)8P21()7P11(如表然后计算平均值，需先测定单一粒，群体平均直径的计算，如表单一粒径的计算，66测定计算平均粒径的简易方法：粗颗粒的平均粒径（可以一粒一粒的分拣）200nMnM6dssn3ssns为颗粒个数，一般为密度为总质量，按表1-2的算法会存在d3d2d1d7d4d5d6的不同结果粉状物的平均粒径（取为50~100g试样）6768m1iiisdX1d………（调和平均粒径）或用算术平均粒径m1iiis)dx(d相邻筛子之间物粒的名义直径1iii'd'dd1ii'd'd69Xi为d’i下方，d’i+1上方的物料占总质量的百分数。（权重）应根据测定的目的选用，如所对应的粒径）中径（粒径总积分布达评定分级装置时，用质量平均径气力输送时，用算术平均径尺寸比较时，用%50ddd5061（2）单项尺寸的测定，用70，按过筛情况分组利用不同的孔径的套筛或图具，然后分级统计，卡尺、轮廓放大仪等量21（三）尺寸分布可代表一批物料粒径的平均尺寸71二、密度一）真实密度（truedensity）：fVst实际体积质量（成分、水含量等）测量方法主要有比重瓶法（粉末物料）浮力法（小物体）称重法（大物体）比重瓶法（粉末物料）浮力法（小物体）称重法（大物体）72（二）容积密度（bulkdens