振动式土壤切削系统的振动频率范围研究

本研究基于共振效应分析,探索了振动式土壤切削机具振动参数,特别是振动频率的选取方法,为相关机具开发提供参考。在测得室内土槽土壤固有振动参数基础上,以单自由度振动系统共振效应分析为切入点,通过经验值、半功率带宽、振幅放大因子和正态分布等四种方法计算土壤共振区参数,分析了振动式土壤切削机具的振荡频率选择范围和原则。测得第一阶土壤固有振动频率f_0为29.688 Hz,对应阻尼比ζ为0.142。由工程经验法、放大因子等于2和正态分布1σ所确定的共振区间(约为0.75f_0～1.25f_0),对于振动式土壤切削机具振动频率选择而言是有效的,但略窄。放大因子等于1确定的土壤共振区间最宽(0～1.414f_0),机具振动参数选择范围也最宽,而振动减阻效果可能会略差。推荐用正态分布2σ下限频率0.470f_0或者正态分布3σ下限频率0.205f_0,而采用正态分布1σ上限频率1.265f_0作为机具振荡频率的选择范围,理论上可获得较好的土壤振动切削减阻效果和较宽的土壤参数适应能力。     

立式旋耕机旋刀系统的设计及受力分析

为达到土壤局部覆盖、蓄水保墒、节约资源和增产增收的目的,设计了一种Y型立式旋耕机的旋耕刀系统,并阐述了其结构组成及工作原理。通过Solid Works软件对旋耕刀进行了结构设计,应用作图法对旋耕刀结构参数进行了分析。通过对单把立式旋耕刀的受力分析可知,立式旋耕刀在稳定切削土壤时的切向阻力主要由单把立式旋耕刀的动态切削阻力和扰动阻力组成。将模型导入仿真软件ADAMS中,模拟出立式旋耕刀的运动轨迹为余摆线,通过添加参数,模拟出单把立式旋耕刀的动态切削阻力、扰动阻力和切削阻力的变化曲线,得到旋耕刀的切削过程是一个周期性的变化过程,并对单把立式旋耕刀的切向阻力进行了分析。     

振动式深松机运动特性分析及试验研究

为了深入研究深松机具作业过程中的牵引阻力、能量消耗及作业性能,首先对影响深松作业的结构参数振动幅值、振动频率、振动角度和机具前进速度逐一进行分析;然后从运动特性入手,分别对3种不同振动角度下的运动轨迹进行了研究。结果表明:振动角等于0时,运动轨迹为一段锁扣波形,总功耗增加,深松效果增加不明显;当振动角大于0时,运动轨迹为一段沿运动方向倾斜的正弦波形,将其分为向前上方切削运动和后撤运动两段,前段功率消耗与非振动深松相当,但后撤阶段功率消耗增大使得降耗效果不明显;当振动角度小于0时,运动轨迹为一段沿运动方向相反倾斜的正弦波,将其分为向前下方切削运动和提升运动两段,同时,在提升阶段运动过程中,深松铲工作于已深松过的土壤中,因而功耗大大减小,可以实现减阻降耗目的。同时,在前进速度为0.2~1.78m/s、振幅为10mm、振动角为10.80~-3 2.40和0~50Hz振动频率条件下,对振动式深松机具进行了单因素土槽试验研究,并分析了各因素与功率损耗之间的关系。     

振动深松铲土壤切削有限元模拟分析——基于ANSYS/LS_DYNA

为了分析振动式深松机在耕作过程中深松铲与土壤之间的相互作用关系,首先研究了国内外采用有限元分析方法研究土壤切削问题的工作进展情况。为揭示振动深松减阻本质,借助ANSYS/LS-DYNA971软件,构建了深松铲和土壤的有限元仿真模型,并选用MAT_FHWA_SOIL和线弹材料分别作为土壤和深松铲的材料模型。将UG中的运动仿真数据作为深松铲载荷数据,通过Excel文件导入,对深松铲切削土壤的工作工程进行模拟,得出了深松铲切削土壤过程功耗的变化和深松铲在工作过程的等效应力(von Mises stress)情况,为深松铲结构参数的优化提供了依据。     

基于ANSYS/LS-DYNA旋耕刀具的土壤切削数值模拟

本文运用Creo Parametric 2.0对多功能耕作起垄机旋耕刀具进行有限元建模,并通过ANSYS/LS-DYNA对旋耕刀具切削土壤进行显示动力学分析,探讨了旋耕起垄复合刀具的切削过程,分析了旋耕刀具的力学特性及切削土壤时功耗的大小,旨在揭示旋耕刀具切削土壤的工作机理,为多功能起垄机的动力选型和结构参数的优化设计提供科学依据。     

基于FEM-SPH耦合算法的土壤切削仿真研究

建立了旋耕刀和土壤的FEM-SPH耦合仿真模型,基于FEM-SPH耦合算法,采用MAT147土壤材料和国家标准Ⅲ型旋耕刀,结合LS-DYNA971求解器,对土壤切削仿真进行了研究。对旋耕刀切削土壤的耕作过程进行了数值仿真模拟分析,得到了切削力和切土能耗随时间的变化曲线;计算出旋耕刀单刀切土扭矩为8.75N·m,与试验结果接近。通过正交试验分析,耕作深度为主导因子,对切土功率影响较大,调整耕作深度可有效降低土壤切削的功耗,提高耕作效率。研究表明:FEM-SPH耦合算法可有效应用于土壤切削仿真,可为研究土壤的破碎机理和耕作器具的优化设计提供理论依据。     

带翼振动深松铲运动特性分析及试验研究

为解决目前深松作业机具在南方大粘性、易板结及压实特别严重的土壤特性下,机具耕作阻力大、深松质量不高的问题,对带翼振动深松铲深松机理进行研究。通过对机具深松部件进行运动仿真,对速度、加速度、运动轨迹进行分析表明:铲翼和铲尖的切削和抬升土壤过程同步交替进行;铲尖水平方向速度和加速度幅值很大,主要切削土壤,铲翼垂直速度和加速度幅值很大,主要抬升土壤;铲翼对土壤进行二次的破碎疏松,以较小的耕作阻力有效提高了土壤疏松质量。田间试验结果表明:振动深松后在10~20cm和20~30cm土层的坚实度降低了54.2%和53.7%,不振动深松10~20cm和20~30cm土层的坚实度降低了41.6%和48.8%;特别是在0~1 0 cm土层振动深松使土壤坚实度比深松前降低了7 0.1%,远大于不振动深松的4 2.7%;带翼深松铲振动深松相比不振动深松可以减少3.2%~27.2%的牵引力阻力,减阻效果明显。由此可为带翼深松铲结构优化和提高深松机具在南方的作业性能提供理论参考。     

自激振动旋耕刀设计与减扭降耗性能分析

为实现旋耕作业减扭降耗,在国标IT245旋耕刀基础上设计了一种自激振动旋耕刀装置,对其工作原理进行了阐述。通过运动受力分析,完成了其大弹簧参数选型与弹簧心轴腰型孔设计。基于DEM-MBD技术,建立土壤-旋耕刀相互作用仿真模型,分析5种刀轴转速下国标旋耕刀与自激振动旋耕刀所受三向阻力与扭矩变化规律。仿真试验中,刀轴转速为150、200r/min时,减阻降扭效果不明显;转速为250、300r/min时,自激振动旋耕刀相比国标旋耕刀的减阻降扭效果较好,垂向阻力分别降低6.96%、10.41%,且平均扭矩降低率较大,分别为9.80%和19.63%,而转速达到350r/min时,减阻降扭效果下降。通过对2种旋耕刀仿真与土槽试验的平均扭矩进行分析,得出了国标旋耕刀与自激振动旋耕刀平均扭矩变化曲线的相关系数,分别为0.997与0.998,基本验证了DEM-MBD耦合仿真模型的准确性。对土槽试验中采集的Y向（耕作时刀刃振动主要发生方向）振动加速度数据进行频域分析表明,随着刀轴转速的增加,Y向功率谱密度幅值总体呈上升趋势,转速达到300r/min时,激振频率达到装置Y向的固有频率附近,此时发生共振,Y向功率谱密度幅值达到最大值。即此时旋耕刀获得最大能量,扭矩降低幅度最大,减扭降耗的效果最佳。     

牛蒡收获机设计与试验

为了实现牛蒡的机械化收获,采用强迫式振动减阻原理,设计了集偏心轮振动、土壤切削、土壤升运、牛蒡夹持于一体的牛蒡收获机。该机具采用偏心轮带动振动连接杆使挖掘铲进行振动挖掘,从而起到节能减阻的效果。收获机由三点悬挂架、机身框架、支撑臂、扎草刀、振动连接杆及挖掘铲等组成。田间性能检测表明:其损失率小于3%,伤根率小于3%,生产率0.067~0.2hm2/h,整机可靠系数9 6.1%。     

振动式农业土壤切削挖掘技术研究现状与展望

在土壤的耕作、深松、根茎类作物挖掘等作业过程中,普遍存在着挖掘切削阻力大、耗能高的问题。为了解决这些问题,国内外相关学者采用了多种方法和途径来改善土壤机具的切削挖掘阻力,振动式土壤切削挖掘方式也是一种重要的降低阻力的途径。为此,对国内外研究者在振动式农业土壤切削挖掘领域的理论和试验研究进行了阐述,分析了振动式挖掘方式的减阻机理,分别对强迫式和自激式两种振动方式下在农业土壤中典型的应用研究进行了综述,指出了相关研究的优点和不足,并对振动挖掘技术在土壤作业领域的前景进行了展望分析。     

基于超声振动的土壤切削挖掘装置设计与试验

针对农业装备触土部件工作阻力大、耗能高等问题，提出了利用超声波高频振动辅助土壤切削挖掘从而降低阻力的技术方案，设计了超声振动土壤切削挖掘装置。选定20kHz作为超声激振频率，基于耦合谐振效应的目标，分析、设计了夹心式换能器和圆锥形变幅杆等关键部件的结构参数。建立了变幅杆有限元模型，利用仿真方法对其进行模态分析和谐响应分析，仿真结果显示，变幅杆轴线伸缩固有频率接近20kHz，与设计值吻合。搭建了超声振动土壤切削挖掘阻力试验测试平台，进行了有、无超声波振动土壤切削挖掘阻力土槽对比试验，结果表明：相比无振动刚性挖掘铲，超声波振动挖掘铲能够有效降低土壤切削挖掘阻力，在1.5、2.5、3.5MPa 3种土壤硬度条件下，超声波振动挖掘铲所对应的降阻率分别为35.1%、40.7%和44.3%，土壤硬度越大，超声波振动挖掘铲的降阻效果越明显。当土壤含水率为20%~48%时，不论有无振动，土壤切削挖掘阻力均随着土壤含水率的增加先迅速降低后又缓慢回升。由于超声振动激励需要额外消耗能量，故振动挖掘总耗能并未降低。试验验证了超声振动土壤切削挖掘降阻方案的可行性以及参数设计的合理性。     

考虑分段土壤作用力的振动减阻分析

振动载荷作用下耕作土壤作用力复杂多变,为研究入土角、振幅、振频对土壤作用力、牵引阻力的影响,将耕作土壤视为粘弹性材料,根据深松铲对土壤进行切削、提升、再切削,建立考虑分段土壤作用力的振动深松机-土壤系统的力学模型,采用渐近法与数值积分求解分析该模型,分析表明入土角为45°、振幅为0.001 m、振频为10 Hz时,土壤作用力较小。利用振动深松机进行试验研究,试验数据与仿真数据对比,验证了模型的正确性。试验结果进一步表明利用振动可以减小土壤作用力,降低拖拉机牵引阻力,提高土壤深松质量。     

ANSYS在旋耕起垄机刀片设计中的应用

旋耕起垄机是一种广泛应用于蔬菜、花卉等经济作物种植中的多功能农机具,能一次完成碎土旋耕、整地起垄的作业任务。旋耕起垄机的刀片在耕作过程中除了具有碎土作用外还必须能够推土成垄,因此其受力要比普通旋耕机刀片的受力要大,目前还缺少有效的强度设计方法,基本上是采用经验设计或类比设计的方法来进行。为此,使用ANSYS软件对某小型旋耕起垄机的刀片进行了分析研究,通过有限元模型及仿真计算,得到了刀片的应力分布情况、危险截面区域及强度条件,对起垄刀片的设计有一定的借鉴意义。     

旋耕刀结构优化设计与动力稳定性分析

为了解决土壤和草根对旋耕刀的阻力和刀尖受到的摩擦力及振动冲击而造成的疲劳失效问题,利用有限元软件对旋转对称六刀刃旋耕刀进行了强度评价并对其结构进行了5次优化改进,并分别对5种优化改进结构建立了数值模型,且进行了静态和模态数值分析。静态强度分析结果表明:随着旋耕刀结构的优化改进,其最大应力集中和最大变形量明显减小。动力学分析结果表明:第3次优化改进后的3种弧形旋耕刀各阶固有频率都提高于100Hz并避开了工作频率。最后,通过对比分析5种优化改进结构的强度、固有频率、振型和动力稳定性等提出了飞轮性旋转对称弧形刀刃圆角旋耕刀。该旋耕刀的特点是,应力和变形量比改进前的分别降低2倍和4倍以上,第1阶固有频率由改进前的12Hz提高到170Hz。新提出的旋耕刀型应力集中很小、固有频率很高,具有可提高疲劳寿命、耐磨性好与使用寿命长等特点,是旋耕机上最适合用的刀片之一。如果不考虑偏心率的影响,在工作频率范围内弧形旋耕刀不会出现振动和共振现象。     

空间柔性闭链机器人动力学建模与振动仿真

空间闭链机器人的柔性连杆在高速运行状态下产生的弹性变形对系统振动效应具有重要影响。为准确分析柔性连杆对空间柔性闭链机器人振动特性的影响,采用有限单元法对柔性构件进行离散,基于浮动坐标系法描述构件位移场,最后通过Lagrange方程建立空间刚柔耦合闭链机器人动力学模型及振动方程,并分析系统固有频率和振型函数。基于同等参数,利用ADAMS/Vibration模块建立了空间刚柔耦合闭链机器人的自激振动仿真模型,研究系统固有频率和对应模态的变化,以及不同激振力作用下的频率响应特征。结果表明:理论模型和仿真模型的动平台运动轨迹基本一致,并且理论模型与振动仿真模型的固有频率也具有一致性,验证了振动仿真模型建立的正确性。随着激振力幅值的增大,系统响应增强。同一激振频率动平台质心处Y方向响应最大,X方向次之,Z方向最小。其中,系统第11、12阶模态对应的系统变形量最大,对应的激振频率为40~60 Hz。     

开沟旋耕机渐变螺旋升角轴向匀土刀辊设计与试验

针对长江中下游农业区开厢沟后旋耕作业地表平整度差、土壤轴向分布不均匀等问题,设计了一种渐变螺旋升角轴向匀土刀辊。分析了旋耕刀轴向运土力学条件,建立了匀土刀辊旋耕刀扰土体积参数方程和旋耕刀渐变螺旋升角排列螺旋线方程,并分析确定了影响匀土刀辊轴向匀土性能的关键因素为刀辊转速、旋耕切土节距、初始螺旋升角。运用离散元法模拟匀土刀辊作业过程,以耕后地表平整度为试验指标,以刀辊转速、旋耕切土节距、初始螺旋升角为试验因素,进行了正交试验,建立地表平整度回归方程。利用Design-Expert分析软件得到最优参数组合为：刀辊转速260r/min、旋耕切土节距8.3cm、初始螺旋升角71°,此时仿真地表平整度为17.35mm。在最优参数组合下进行了田间试验,结果表明,匀土刀辊作业后,地表平整度、土壤轴向分布均匀度、耕深稳定性系数、碎土率的均值分别为14.5mm、8.82%、92.34%、81.66%,整体耕整效果优于常用旋耕刀辊。     

基于SPH算法的深松铲土壤切削过程仿真及试验研究

为探明深松铲土壤切削过程中切削阻力的变化规律和了解深松铲切削土壤过程情况,基于SPH方法建立了深松铲土壤深松的有限元模型,并对其深松过程进行仿真分析。仿真结果表明:SPH法能够直观地模拟深松铲土壤切削完整过程,最大等效应力为3. 184MPa,主要集中在与深松铲接触土壤上,仿真切削阻力为3.65 k N。通过耕整地移动式田间动态试验台进行田间试验验证,得出切削阻力为3. 542 k N,与仿真结果相比误差仅为3. 05%,验证了基于SPH法进行深松铲切削土壤过程的仿真是可行的。     

ER流体的动力学特性研究

基于粘性阻尼和回滞阻尼组成的阻尼模型，对电流变（ER）流体的动力学特性进行了研究。应用迭代摄动法讨论了含有ER流体振动系统的非线性频谱，给出了带有ER流体阻尼器梁结构的计算结果。并应用Newmark数值积分方法分析了带有ER流体阻尼器梁结构的多自由度振动系统在不同电场强度和激励频率作用下的位移响应情况。结果表明，系统的刚度和响应的变化可以通过外加电场强度来控制，随着电场强度的增加，响应幅值减小且结构刚度变大。     

低频超声二次雾化喷头声悬浮过程仿真

为研究声悬浮的悬浮机理,以对喷头二次雾化提供理论依据,进行设计指导,采用有限元数值分析的方法,建立了整个声悬浮系统的三维有限元模型;喷头的端面振动频率为28kHz,振幅为5μm;在声固耦合有限元理论的基础上,利用显式动力学软件LS—DYNA对其进行了求解;对金属球在悬浮过程中的运动状态进行了分析,得到了金属球质心上下运动随时间的位移、速度、加速度曲线图和金属球绕质心转动的角速度、角加速度图．计算结果表明：当低频超声二次雾化喷头振动时,喷头周围的声场分布很不均匀;喷头振动产生的声场辐射力能够将金属球悬浮起来做上下运动,并且金属球在上下运动的同时还发生了绕质心的旋转;通过仿真计算获得了悬浮球在悬浮过程中的各动力学参数,为喷头的设计提供了参考数据．