山地果园蓄电池驱动单轨运输机传动系统设计

为解决将传统的蜗轮蜗杆传动机构应用于山地果园蓄电池驱动单轨运输机所带来的机械效率低的问题,该文设计了一种基于蜗轮蜗杆的双路传动链传动系统,该系统采用电动机为动力源,通过蜗轮蜗杆传动链和链条传动链两路并联传动链传递动力;两路传动链之间相互独立,根据运输机的运动状态,运用STM32内嵌控制程序对电磁离合器状态进行切换.文中分析了该系统的传动原理、关键零部件设计及机械传动效率,设计输出转速为44~131.18 r/min.采用尤奈特MY1020ZXF-75048 V电机作为动力源,4个12V40AH天能蓄电池串联作为能源,由NMRV040减速器(海格尔控股有限公司)、超越离合器与各型链轮组成双路并联传动链,并运用功率流分析法得出该系统平地与上坡运行状态下输出扭矩为44.352 N·m、输出转速为86.318 r/min、输出功率为609.31 W;下坡与反向运行状态下输出扭矩为105.760 N?m、输出转速为28.953 r/min,输出功率为487.342 W.结果表明,该系统结合了链传动的高效性与蜗轮蜗杆传动的自锁优势,在平地与上坡运行中理论机械效率为81.2%,下坡与反向运行中理论机械效率为60.5%.该研究可为山地果园蓄电池驱动单轨运输机提升机械效率提供参考.     

山地果园单轨运输机超声波避障系统的设计与试验

为避免山地果园单轨运输机运行时碰到前方穿越的移动物体或轨道上的静止障碍物,提高运输机工作的安全性和稳定性,研制了山地果园单轨运输机超声波避障系统。该系统由核心微处理器、超声波探头及收发电路、电源模块、无线通信模块和按键等组成。以规则物块、不规则小石块等作为轨道上的障碍物,以树枝、侧枝较多的盆栽柑橘树作为轨道旁的非障碍物,将超声波探头安装在3个不同位置,使运输机工作在慢、中、快3个不同的速度,测试了避障系统的工作性能。试验结果表明,在一定条件下,避障系统能识别轨道上的障碍物和轨道旁的非障碍物。该研究提升了单轨运输机在轨道上无人驾驶运行的安全性和可靠性。     

渗层强化的果园运输机驱动轮耐磨性能

为解决牵引式果园运输机绳-轮驱动系统驱动轮绳槽磨损严重而导致牵引滑移失效的问题，该研究对基于渗层强化的果园运输机驱动轮耐磨性能进行了分析。首先通过ANSYS软件探究了驱动轮表面应力应变随其硬度的变化规律；随后采用热扩散沉积（thermal diffusion, TD）技术对45钢驱动轮进行了渗钒与渗硼处理，并对渗层的显微结构、力学性能和摩擦磨损特性进行了对比分析，最后利用运输机模拟台架对渗层强化后驱动轮的应用性能进行了测试。结果表明：驱动轮渗钒层和渗硼层厚度分别为20.9和97.3 μm，均与基材结合较好；且由于渗层中碳化钒、硼化铁等硬质相的存在，渗钒层与渗硼层硬度分别达到22.08和13.45 GPa，较未处理前提升3～4倍；往复摩擦试验下渗钒层与渗硼层表面摩擦系数分别为0.47、0.44，较45钢分别下降19%、24%。运输机模拟台架应用性能测试表明，干摩擦下渗钒与渗硼处理后驱动轮的平均磨损量较45钢分别降低了88%和81%，其中渗钒驱动轮表面磨损较小；油润滑下渗钒与渗硼处理后驱动轮的平均磨损量较45钢分别降低了92%和85%。综上，热扩散渗钒与渗硼处理均可大幅提高驱动轮抗磨性，其中渗钒层具有更高的硬度与耐磨性，但在应用时需进行实时油润滑，更适合对满足定时维护条件下的驱动轮进行强化；而渗硼层耐磨性虽有所降低，但可在干摩擦下使用，更适合对野外山地环境下无法满足润滑的驱动轮进行强化。该研究结果可为改善牵引式果园运输机驱动轮耐磨性提供可行技术方案。     

基于超高频RFID双天线双标签对照的果园单轨运输机定位

针对果园单轨运输机在轨位置精准感知的应用需求,该文基于超高频射频识别技术(radio frequency identification,RFID)接收信号强度数据进行了运输机定位试验研究。该研究通过分析RFID通信特征,设计了RFID双天线双标签对照的运输机定位方法,构建了能量传输定位模型和路径损耗定位模型;通过阅读器单天线试验,得到当前RFID设备的安装参数,确定了阅读器天线与轨道标签之间的最优垂直距离为20 cm,双标签之间的最优水平在轨距离为45 cm;通过双天线试验及数据分析,得到适用于试验环境的最优定位模型系数。试验结果表明,该研究提出的定位模型能够有效降低噪声干扰,减少定位误差。RFID设备在最优定位参数条件下,使用路径损耗定位模型得到的最小定位误差均值为1.0070 cm。该研究验证了基于超高频RFID对果园单轨运输机定位的可行性,提升了运输机运行安全性和可靠性。     

果园单轨运输机在轨状态感知系统研制

针对山地果园单轨运输机作业环境受限、定位精度较低等问题,该研究基于高频RFID(RadioFrequency Identification)混合测速定位方法,设计了一套果园单轨运输机在轨状态精准感知系统。感知系统以STM32F103RCT6芯片为主控单元,利用双RFID阅读器读取基准定位标签组的时间差,使用混合测速定位方法,实时计算运输机的作业状态信息;设计了移动端监测软件,通过LoRa通信模块远程获取运输机实时作业状态信息。试验结果表明,运输机在平地路况中运行稳定,感知系统计算的全程平均行驶速度为0.49 m/s,依据秒表记录计算的全程平均行驶速度为0.48 m/s,二者速度相差2%;基准定位标签组间距为3.42m时,运输机全程平均定位误差为6.18±0.60cm;基准定位标签组间距为6.84 m时,运输机全程平均定位误差为6.46±1.14 cm。该研究验证了基于高频RFID精准感知单轨运输机在轨状态的可行性,提升了运输机作业安全性和智能性,可为实现果园生产精准作业提供可靠数据支持。     

坡面薄层水流水动力学特性试验

坡面流水动学特性对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,采用坡面定床阻力试验,定量研究了6种不同粗糙度床面、5种不同坡度下坡面薄层水流水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面薄层水流阻力的内在规律性。结果表明,坡面薄层水流流态指数随坡度呈现出的先减小后增加的变化趋势,当试验坡度小于0.15 rad时,流态指数随坡度的增加而逐渐减小,当坡度大于0.15 rad时,出现相反的变化趋势。流态指数随床面粗糙度呈抛物线变化趋势,其均值为0.376,总体上坡面薄层水流属于滚波流区和过渡流区的范畴;水流弗劳德数与单宽流量和试验坡度均成幂函数关系,临界流对应的单宽流量随粗糙度的增加而增大,随坡度的增加而减小,水流流型处于临界流和急流型态;阻力系数与单宽流量呈幂函数关系,而与雷诺数成反比关系,关于增阻的原因主要与绕流产生压差阻力和坡面滚波流引起的局部阻力有关,并根据薄层水流阻力特征,提出了滚波流区阻力计算公式。研究成果可为坡面土壤侵蚀预报模型构建提供理论依据,从而促进明渠水流理论向坡面水流方面扩展。     

球面圆弧锥齿轮接触点轨迹方程

为了提高农业机械等领域的中央传动系统中齿轮的承载能力,减小中央传动的总体尺寸,降低机构的离地间隙,研究了一类理想状态下的球面圆弧锥齿轮。该文根据圆弧锥齿轮的啮合原理、坐标转换以及球面三角几何的方法,确定了球面圆弧锥齿轮接触点轨迹方程和齿轮副圆弧齿廓齿面方程,进一步完善了球面圆弧锥齿轮的设计理论,并根据研究出的方程,进行了齿轮的三维造型,为正确的设计和加工大端面呈理想球面且螺旋齿形端面为圆弧齿廓的球面圆弧螺旋锥齿轮提供了理论基础,也为后续的球面圆弧锥齿轮的参数化设计和数字化加工提供了研究基础。     

主动悬架与多桥转向混合控制器的设计与仿真分析

为了改善多桥车辆操纵稳定性和行驶平顺性,通过建立多桥车辆的5+2n自由度动力学模型,设计了主动悬架与多桥转向线性系统二次型最优控制（LQG）综合控制器。通过仿真试验,对比分析了采用与不采用综合控制器2种情况下,多桥车辆不同车速下对阶跃信号的各项性能指标的响应。结果表明：低速情况下,采用综合控制器较不采用控制器的多桥车辆侧偏角峰值减小0.03 rad、横摆角速度峰值减小0.1 rad/s、车身侧倾角峰值减小0.015 rad、俯仰角峰值减小0.015 rad、车身垂直加速度峰值减小0.3 m/s2、轮胎动位移峰值减小0.009 m;高速情况下,以上各性能指标峰值分别减小0.095 rad、0.4 rad/s、0.075 rad、0.09 rad、2.1 m/s2、0.018 m。多桥车辆采用综合控制器相对于不采用控制器时的操纵稳定性和行驶平顺性都有显著改善。     

山地果园牵引式双轨运输机断绳制动装置设计与试验

针对山地果园牵引式双轨运输机存在钢丝绳松脱或断裂可能引发溜车事故等问题,研制了一种断绳制动装置,描述了载物滑车的总体结构及制动装置关键结构尺寸关系,分析了制动装置制动过程的运动规律。应用SolidWorks建立制动装置简化模型,然后倒入ADAMS/View中建立了制动装置和轨道横梁虚拟样机,虚拟制动试验确定了制动过程的动力学变化规律。动力学仿真与台架试验结果表明,该断绳制动装置的制动成功率为100%,随着装载质量的增大,制动杆与轨道横梁碰撞后的明显回弹次数逐渐减少;碰撞点的应力以及制动杆的回弹距离均随着回弹次数的增大而逐渐减小;仿真结果与试验结果相差极小,验证了仿真过程是正确的。该研究可为山地果园轨道运输机械的安全制动装置设计及后续优化提供参考。     

桂东北坡地果园生草栽培减流减沙效应

[目的]对桂东北坡地果园生草栽培的减流减沙效应进行研究,为该区坡地果园的水土保持工作的顺利开展提供科学参考。[方法]野外自然降雨条件下对比分析不同坡度(即坡度为12°,23°,42°)金桔园分别间套雀稗和白花藿香蓟的减流减沙数据。[结果]①当坡度为12°时,降雨量对雀稗及白花藿香蓟的坡面产流产沙有显著影响(p0.05);②同一生草栽培下,坡面产流产沙量随着坡度增大而增大,相对于清耕,雀稗减少坡面产流产沙量分别为33.06%～50.35%和67.09%～77%,白花藿香蓟减少坡面产流产沙量分别为21.89%～28.85%及41.65%～47%,雀稗减流减沙效果优于白花藿香蓟;③生草栽培、坡度及两者的交互作用对坡面产流产沙均有极显著的影响(p0.001)。随着坡度的升高,生草栽培对坡面产流产沙的作用逐渐减弱,而坡度的作用逐渐增强,但雀稗对坡面产沙的作用始终大于坡度。[结论]研究区内同一坡度下雀稗减流减沙效果优于白花藿香蓟,生草栽培对坡面产流产沙的作用随着坡度增加逐渐减小,而坡度的作用逐渐增强,雀稗对坡面产沙的作用始终大于坡度。     

高效回转式泵站拦污清污机研制

为提高拦污清污设备的可靠性和清污效率,对齿耙牵引链条采用滚轮凸轨行走方式和限位装置,避免脱轨,提高齿耙左右定位精度;在此基础上,优化栅条、耙齿和齿耙管断面形状,实现耙齿、齿耙与栅条精确紧密配合,减少栅条污物粘附与卡堵,切断拖拽的水草,避免清污初期由于栅前过多的水草造成耙齿和齿耙过载损坏;单孔较宽的拦污栅采用2～3片分体结构拦污栅架,便于栅体吊装检修和更换;采用侧边导污板和底部弧形前置栅,提高侧边和底部污物清污效率。应用结果表明,回转式拦污清污机通过结构改进,提高了运行可靠性和拦污清污效率,降低了设备故障率和维护成本,减小了拦污栅前后水位差,提高了泵站运行可靠性和效率,运行维护费用节省9%以上,清污效率提高30%以上,拦污栅体前后平均水位差由60 cm减小到10 cm以下,泵站运行费用减小8%左右。     

基于轮壤接触力学行为的蓝莓采收机行走驱动系统设计

针对当前中国自走式蓝莓采收机作业通过性差等问题,建立轮壤接触力学模型,分析车轮驱动力矩、负载、沉陷量及挂钩牵引力等力学行为,得到车轮通过性影响因素为土壤属性、车轮结构参数和行走速度。采用离散元法建立蓝莓采收机轮壤接触模型,以车轮结构参数(宽度195、205、215 mm,直径615、627、639 mm)、行走速度0~11 km/h为试验因素,车轮结构参数或行走速度增加时,车轮阻力矩和土壤波动速度随之增加。依据车轮阻力矩设计行走驱动系统,采用闭式静液压四轮行走驱动系统,通过工况适应性仿真验证各车轮输出特性一致,稳定行走;系统可以克服车轮沉陷,平稳越障。通过样机田间试验得到行走驱动系统满足行驶速度范围0~11 km/h要求,运行平稳;车轮沉陷越障时无非目的性转向偏移,越障时间为3.3 s,与仿真结果一致;行走驱动系统与采收系统匹配性良好,采收效率为7.01 kg/min,果树采净率为92%,果树损伤率为11.5%。研究表明建立的轮壤接触模型可靠,行走驱动系统作业通过性效果好,可为蓝莓采收机研发提供参考。     

牵引式山地果园运输机驱动绳轮摩擦磨损

为探究牵引式山地果园运输机驱动绳轮系统的摩擦磨损机理,该研究首先利用Adams软件建立绳轮系统模型,在各因素水平允许范围内进行单因素试验,再进行台架试验分析不同因素对绳轮接触处摩擦磨损的影响。仿真模型计算结果表明,从连接负载端开始,各完整缠绕圈所在槽道受到的摩擦力沿钢丝绳方向呈现逐渐减小趋势,与多槽轮的磨损形貌分析结果一致,且槽道上容易发生的失效形式为塑性变形和微动磨损。单因素试验结果显示,圈数从2/3增加到4/5,受力最大处摩擦力减小48.66%,各槽道受力标准差由102.97 N减小到46.53 N,受力更加均衡;多槽轮中心距越小或轮径越大,各完整缠绕圈的槽道受力越均衡;同一多槽轮上的槽距和槽壁角度对摩擦的影响很小。台架正交试验的多槽轮磨损率分析结果表明,较大的中心距,较小的预紧力,较多的圈数可以缓解磨损。研究结果可为后续对驱动绳轮系统的优化提供参考。     

分层交错式葡萄防寒土弧形清土叶轮的设计与试验

针对目前中国北方葡萄防寒土清土部件作业功耗高和相关理论研究较少的问题,设计了一种葡萄防寒土弧形清土叶轮,主要由花键连接轴套、叶轮轴、弧形叶轮片和叶轮片连接板等组成,采用分层交错式结构,以十字交叉形式排布。首先,依据中国北方葡萄防寒土清除农艺要求,确定弧形清土叶轮的外形尺寸和叶轮片数量。通过理论分析弧形清土叶轮的运动和受力,确定影响其作业功耗的主要因素。并基于EDEM软件,以弧形清土叶轮前进速度、转速和叶轮片弯曲角为试验因素,以叶轮扭矩和水平前进阻力为试验指标,进行三因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验,以扭矩和水平前进阻力最小为优化目标,获得最优参数组合;进一步基于土槽试验,验证弧形清土叶轮仿真优化结果的准确性,并与直板式清土叶轮作业进行对比分析。仿真优化结果表明,当弧形清土叶轮前进速度为0.38m/s,转速为450r/min,叶轮片弯曲角为18°时,其扭矩和水平前进阻力最小,分别为9.99 N·m和27.09 N;土槽试验结果表明,弧形清土叶轮扭矩和水平前进阻力分别为11.56N·m和31.82N,与仿真优化结果的相对误差分别为13.58%和14.86%,同时,与直板式清土叶轮作业对比,弧形清土叶轮扭矩和水平前进阻力分别降低了9.40%和15.37%。研究结果可为后续葡萄藤防寒土清土机的整体设计提供理论依据和技术支撑。     

考虑困油和卸荷的外啮合齿轮泵动态转矩计算

为研究困油压力及异、同齿数对外啮合齿轮泵转矩影响,从分析直齿轮传动与卸荷槽的几何关系入手,将啮合齿面分成八点、三区、七过程。以主动齿轮的啮合半径为变量,建立出一个啮合周期内转矩的静态和动态计算式,并以实例加以分析比较。结果表明：转矩的波动及其最大峰值随困油压力的增加而加大,但最小峰值基本保持不变,同齿数的转矩品质要优于异齿数,以及转矩的静态计算误差较大等;困油压力对转矩的影响很大,设计上应尽量克服之,异齿数对泵各项性能的影响是相异的,不能一概而论。     

基于性能评价网状图的装载机发动机与液力变矩器匹配优化

为了解决装载机发动机与液力变矩器匹配性能评定指标较多,多项评价指标权重难以确定的问题,该文提出了基于性能评价网状图的发动机与液力变矩器匹配优化方法。装载机发动机与液力变矩器匹配性能评定指标有额定工况接近度、起动能度、经济区宽容度、功率输出系数、燃油消耗率系数等5项,分别定义和计算5项匹配性能指标,根据计算值的大小构建发动机与液力变矩器匹配性能网状评价图,以网状评价图面积最小为优化目标,构建目标函数,优化液力变矩器有效直径。原液力变矩器有效直径等于0.360 m;优化后的装载机液力变矩器有效直径等于0.350 m。优化后发动机与液力变矩器匹配性能提高了5.7%。基于性能网状图的优化方法提高了发动机与液力变矩器匹配性能。     

4UGS2型双行甘薯收获机的研制

针对国内甘薯收获机械自动化水平低、挖掘阻力大、易堵塞、土薯分离效果差、生产效率低等突出问题,充分考虑甘薯自身生理性状,根据甘薯体型大、皮薄、结薯深和甘薯秧蔓匍匐缠绕严重等特点,设计研发了4UGS2型双行甘薯收获机,挖掘机构的防堵设计可有效保证土壤顺畅流动,减轻秧茎或杂草搭缠,从而降低作业阻力;两级土薯分离装置、主动型抖动装置和土薯分离装置速度配比优化设计,可以提高明薯率和降低破皮率,保证更有效的土薯分离效果;自动对行装置和自动挖深调控装置的研究,可进一步提高甘薯作物收获机械自动化水平和作业性能。田间收获试验表明:该机型对土质松软、板结较少的垄作旱地适应性较好,拖拉机前进速度为1.40 m/s时,其明薯率达97.40%,伤薯率达1.85%,破皮率达1.83%,可靠性为95%,生产率达0.80 hm~2/h。设计机型的各项性能指标优于传统机型,其明薯率提高6.23个百分点,伤薯率降低4.11个百分点,破皮率降低3.11个百分点,生产率提高0.19 hm~2/h。该机型工作稳定可靠、作业效果好、生产效率较高。该研究可为其他薯类收获机械智能化收获技术研发提供有效借鉴。     

小型农用履带底盘多体动力学建模及验证

多体动力学建模及仿真是研究履带车辆动力学性能的重要手段,其分析结果是否可信取决于所建立的动力学模型是否准确。该文以自主研制的小型农用履带底盘为对象,运用极限理论和瞬态运动分析法建立了履带底盘的运动学方程,运用拉格朗日法建立了履带底盘的动力学方程,在此基础上,结合履带底盘的拓扑结构分析建立了其多体动力学模型,并通过不同路面环境下履带底盘直线行驶的实车试验与仿真结果的对比分析验证了模型的有效性、可信度。结果表明:硬质、松软2种路面环境下履带底盘直线行驶时的平均速度、侧向偏移量、驱动轮转矩和履带张紧力等仿真分析数据与实车试验结果的相对误差分别为5.00%、2.27%,3.86%、6.83%,3.15%、4.66%,0.15%、0.62%,吻合度较好,说明所建立的履带底盘动力学模型准确度较高。该研究可为后期履带底盘动力学性能的深入研究提供参考模型。     

水田叶轮单轮叶动力性能的试验研究

通过对水田叶轮单轮叶动力性能的大量测试结果,分析了轮叶产生的推进力、支承力和驱动效率受轮叶倾角、陷深、滑转率的影响和随轮叶转角位置的变化规律。轮叶产生最大推进力和支承力所对应的转角分别在90°和75°附近,支承力由正值变为零为零所对应的转角在100°左右。在95°轮叶转角附近轮叶的驱动效率最高,在80°至110°转角范围内有较高的驱动效率。但作旋轮线轨迹运动的单个轮叶,在滑转率10％～15％时最高驱动效率达75％,随着陷深和滑转率的增大驱动效率的平均值明显下降。