深松旋耕碎土联合整地机设计与试验

为减少耕作阻力、改善土壤耕层结构、提高碎土率,该文对联合整地机的深松部件、碎土机构进行设计,设计了入土角度可控的自激振动深松铲,并建立了自激振动深松铲的运动学模型和力学模型,确定弹簧行程为15mm、负载为7 500～15 000 N,并确定了弹簧的结构参数。设计了具有二次碎土功能的笼状碎土辊,并依据农艺要求确定了其结构参数。通过室内土槽试验,验证了自激振动深松铲的减阻效果和耕作质量,并对整机的作业质量进行了田间测试。土槽试验结果表明:与对照相比,自激振动深松铲平均减阻9.22%,土壤蓬松度和土壤扰动系数分别为26.16%和77.21%,减阻效果明显,作业效果较好。田间试验结果表明:联合整地机的深松深度稳定系数、旋耕深度稳定系数、地表平整度和植被覆盖率分别为94.92%、92.50%、1.17 cm和93.36%;笼状碎土辊在整个试验过程中未出现土壤粘附和拥堵现象,碎土率为84.18%,加装普通齿状碎土辊机具的碎土率为71.41%,笼状碎土辊的碎土率提高了12.77个百分点,碎土效果明显改善。深松旋耕碎土联合整地机减阻效果明显、整地质量好,可有效改善土壤的耕层结构,降低土壤容重,提高蓄水保墒能力。     

基于DEM-MBD耦合算法的振动深松土壤扰动过程分析

为深入分析振动深松过程中耕层土壤扰动过程,该研究采用离散元法（Discrete Element Method,DEM）与多体动力学（Multi-Body Dynamics,MBD）耦合算法对振动深松作业过程进行仿真分析。采用MBD构建拖拉机-振动深松机-土壤系统仿真模型,利用DEM建立耕作土壤的离散元模型,考虑土壤颗粒的黏性、弹性和塑性,采用非线性粘结弹性塑形（Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion,EEPA）接触模型分析振动作用下全方位深松铲对土壤的扰动作用。仿真结果表明：作业过程中土壤扰动分界面与铲尖运动轨迹重合;在入土行程阶段铲尖对土壤扰动形成新月形扰动区域;在振动频率f为5 Hz且前进速度v为0.56 m/s条件下,振动作业阶段土壤颗粒速度呈现出低速0～0.1 m/s、中速0.1～0.3 m/s和高速0.3～0.5 m/s分布,依此将铲尖附近区域划分为过渡区、回填区和扰动区,各个区域随时间周期规律性变化和循环;深松铲在空间范围内对土壤的扰动主要聚集在铲体结构内部,扰动范围取决于全方位深松铲的最大横截面积,通过土槽试验验证了土壤扰动截面轮廓形状与仿真结果具有一致性。研究结果直观呈现了振动深松机对土壤的扰动过程及土壤颗粒的速度分布情况,可为定性解释全方位深松铲对土壤的扰动情况提供参考。     

基于振动减阻原理的深松机牵引阻力试验

为了减少深松时的牵引阻力,基于振动深松原理,研制出了1SZ-460型振动深松机。该文对振动深松减阻进行了试验分析研究,采用以振动作为单因素的试验设计,分别在不同作物残茬覆盖条件下进行试验。试验结果表明,振动深松和不振动深松的沟槽剖面宽度不同,振动后沟底形成了鼠道利于蓄水保墒,振动后土壤的体积质量减小,振动牵引阻力比不振动降低6.9%～17%,且不同的土壤特性和地表覆盖对牵引阻力会有一定的影响。试验结果为进一步优化机械结构、提高整机的动力和经济性能提供一定的参考依据。     

基于离散元法的凸圆刃式深松铲减阻效果仿真分析与试验

针对深松作业阻力大、能耗高等问题,该文在深松铲铲尖顶部设计了一种能有效减阻降耗的凸圆刃。以安装凸圆刃的凸圆刃式深松铲为研究对象,建立了土壤模型。为提高土壤模型的准确性,选用非线性粘结弹性塑形接触模型(edinburgh elasto-plastic adhesion model,EEPA),对凸圆刃式深松铲进行耕作阻力虚拟仿真。利用插件将颗粒与深松铲接触作用力导出,分析凸圆刃式深松铲应力和形变,校验其结构强度;采用EDEM软件分析不同耕深和速度对深松耕作阻力的影响,并以国标深松铲为比较对象,分析了凸圆刃式深松铲的减阻效果;通过田间试验验证了土壤模型和凸圆刃式深松铲设计的准确性和可行性。田间试验结果表明,与国标深松铲相比,凸圆刃式深松铲耕作阻力平均降低了10.24%。仿真结果与实测值较为接近,数值误差在3%～10%,证明土壤模型基本符合土壤的力学特性,能近似代替真实的土壤环境。该研究证明了采用离散元法分析深松耕作阻力可行性,可为进一步优化深松铲结构提供参考。     

保护性耕作条件下的深松技术试验（简报）

针对立柱式深松机在作业过程中存在的缠绕堵塞、牵引阻力大等问题，该研究提出在原深松铲前方加装一个松土铲或圆盘刀两套研究解决方案，研制了机具，并进行了田间对比试验研究。试验结果表明，带圆盘刀式深松机性能较好，相比立柱式深松机和带松土铲深松机，牵引阻力、油耗及松土沟的沟宽都有所降低；对作物残茬和杂草切割效果明显。带圆盘刀式深松机能有效地抑制作业后土壤水分的蒸发，可广泛用于秸秆覆盖条件下的深松作业。     

土壤—全方位深松机组系统随机振动研究

建立了土壤——全方位深松机非线性系统模型，分析了系统振动减阻的复杂内共振机理、土壤强度分维和负载信号特性，可以通过调整土壤耕作机组固有频率来改善振动减阻性能，以及利用牵引阻力频谱指数来衡量系统振动减阻性能。田间试验数据分析结果与上述结论相符。     

秸秆还田深松旋埋联合耕整机设计与试验

深松作业能有效打破犁底层,提高土壤蓄水保墒能力。秸秆还田是秸秆资源利用最为直接有效的方式,将2种保护性耕作方式结合在一起可大大提高作业效率。为了满足深松和秸秆还田同时作业的需求,设计了集土壤深松、破茬碎土、秸秆旋埋、平地等多功能于一体的深松旋埋联合耕整机。该机主要由自激振动深松装置和秸秆还田旋埋刀辊组成,自激振动深松装置可调节预紧力,不仅可以在一定程度上减少深松耕作阻力,还可以在遇到障碍物时有效保护深松铲,深松铲柄的设计利用了滑切原理,可有效切断秸秆和杂草,防止缠绕和堵塞深松铲,对旋埋刀辊进行了重新布置和优化,提高了工作稳定性和破土能力。田间试验表明深松作业可有效减小旋埋刀辊功率;在拖拉机1挡和2挡速度下深松旋埋组合作业总功率分别为单独深松和单独旋埋2项作业之和的85.0%和82.2%;深松旋埋组合作业下深松和旋埋的平均耕深分别为28.9和17.5 cm,耕深稳定性分别为93.5%和87.4%,秸秆埋覆率为92.0%,耕后地表平整度为1.0 cm,深松旋埋联合作业后的各项性能参数均超过质量评定指标,满足农艺要求。     

液压激振源自激振动深松机深松单体设计与试验

针对弹簧激振源的自激振动深松机在土壤阻力差异大的不同地块作业时存在适应性差、自激振动易失效的问题,该文提出了液压激振源的新型自激振动深松方法,设计了液压激振源深松单体。通过建立深松铲力学和运动学模型,确定了液压缸的关键结构参数;设计了压力调节系统,可实现液压缸压力快速调节;利用二次回归通用旋转组合试验方法,以耕深变异系数、牵引力为评价指标,探究了液压缸压力、前进速度、土壤坚实度对液压激振源深松单体作业效果的影响规律;获得了耕深变异系数、牵引力为响应值的回归模型,求解出耕深变异系数、牵引力同时较小时对应的参数组合为液压缸压力3.6 MPa、作业速度1.4 km/h、土壤坚实度1.18 MPa。利用求解出的参数组合对回归模型进行试验验证,获得的耕深变异系数为3.56%,牵引力为1 300.70 kN,优于二次回归通用旋转组合试验结果,证明了回归模型的可靠性。该研究可为自激振动深松机具的研究提供理论参考。     

自激振动深松机减阻试验研究

为了研究在土壤深松过程中深松机产生自激振动的原因及振动减阻机理,作者应用机械振动原理和信号测试技术,借助电测仪器与设备对由1SQ-127型全方位深松机所组成的自激振动式深松机系统进行了耕深、土壤阻力以及拖拉机牵引阻力等随机信号的测试及数据处理分析。系统地研究了“拖拉机－深松机－土壤”系统的动态特性,探讨深松机减阻节能的技术途径与方法。     

基于ALE有限元仿真的土壤切削振动减阻

针对浙江省茶园土壤压实问题造成小型茶园作业机功率不足问题,提出了茶园振动深松的土壤作业方法。以浙江龙井茶园压实土壤为分析对象,针对土壤深耕铲-土壤切削过程的动力学数值仿真,建立了土壤静态切削力学模型,并进行了土壤大变形切削的屈服失效分析。采用ALE算法模拟了土壤静态切削中深耕铲的切削阻力变化情况,建立了深耕铲-土壤的三维有限元模型并分析了振动切削的振动类型、频率、振幅以及深耕铲的前进速度对土壤切削阻力降低的关系,得出了振动频率和振幅对切削力的影响规律。进一步研究了不同的振动切削条件下,振动类型和刀具的切削速度对切削阻力的影响,通过合理选取一定的深松铲外加振动激励的振幅和频率能够得到最小的切削阻力,实例分析证明,振动频率取为25?Hz,振幅为14?mm时,振动切削的插入阻力能达到最小,切削阻力能降低约22%。上述研究结果为土壤振动切削减阻的外加振源参数优化提供了设计依据。     

草地振动松土机运动特性分析与振动频率优化

为了提升机具的作业性能,该文对振动松土工作单体的速度特性和轨迹特性进行研究,当机具的振动频率较低时,速度比λ<1,松土铲是持续切削的作业过程,增加振动频率使速度比λ>1时,松土铲的作业过程分为切削、后退和追赶3个连续的阶段,各个阶段的持续时间随λ的变化而变化。在前进速度为1km/h、振幅为12.7mm、振动角为28°条件下,对0～10Hz振动频率下的一组工作部件进行土槽试验,振动部件工作最佳的振动频率为4.4Hz,在此频率下,可以减小约40%的牵引阻力和11.7%～59%的功耗。     

根茎类作物单摆铲栅收获装置渐变抛掷特性

单摆铲栅是基于变幅变向振动技术研发的铲栅一体收获装置。为明确单摆铲栅工作特性及抛掷分离作业机理,该研究在运动学及动力学分析基础上建立了铲栅工作面抛掷系数解析方程,铲栅工作面各点抛掷系数随工作长度逐渐增大且具有明显的渐变抛掷特性和较强的抛掷能力,分离区最大抛掷系数达9.98～19.72;建立了单摆铲栅EDEM-MBD耦合仿真模型,以振幅、振动频率、前进速度为因素开展单因素仿真试验,试验结果表明：受工作面抛掷特性及土壤粘塑性影响,牵引阻力、驱动转矩具有明显的强弱周期,在强周期内：单摆铲栅与土壤互作力较大,分离间距最大值发生在该周期切削行程终点时刻分离区中点处;振幅为7～11 mm时,牵引阻力均值约1 580.93～2 019.9 N、最大驱动转矩约224.04～322.11 、最大分离间距约59.58～98.3 mm;振动频率为6.67～10.67 Hz时,牵引阻力均值约1 416.43～1 866.38 N、最大驱动转矩约315.28～364.19 、最大分离间距约78.43～94.67 mm;前进速度为0.2～0.4 m/s时,牵引阻力均值约1 429.43～2 110.48 N、最大驱动转矩约241.27～387.78 、最大分离间距约62.5～102.5 mm。甘草收获试验结果表明：甘草收获机牵引阻力32.17 kN、驱动转矩802.02 、挖掘深度468 mm时,收净率为96.42%,单摆铲栅作业过程流畅有序,渐变抛掷作用明显,根茎土壤分离效果良好。该研究结果可为根茎作物特别是深根茎作物节能高效收获提供参考。     

基于离散元法的深松作业玉米秸秆运动规律

东北垄作区玉米秸秆还田条件下,针对垄台播种带秸秆残茬易导致深松铲以及后续机具缠草堵塞和阻力增加等问题,建立深松铲-土壤-秸秆-根茬的离散元模型,分析仿真因素秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角、根茬状态（根茬中间切割、根茬一侧切割、根茬挑起和无根茬）和秸秆之间相互影响对深松作业过程中秸秆拨离垄台的影响。进一步探究深松铲作用下垄上秸秆运动规律并分析其扰动比阻（秸秆扰动力矩与深松铲阻力之比）。仿真结果表明：秸秆距垄台中心距离对秸秆位移中的水平侧向运动的影响最大;秸秆水平侧向位移随着秸秆与机具前进方向夹角增大呈减小趋势;根茬状态影响秸秆位移的主次顺序依次为：根茬挑起、根茬一侧切割、无根茬、根茬中间切割;当秸秆距垄台中心距离为60 mm时,秸秆之间相互影响对秸秆位移中的前进方向运动的影响最大;当秸秆距垄台中心距离大于60 mm,秸秆前进方向位移呈增大趋势。秸秆运动的力矩变化趋势为平稳变化,后产生峰值,最后又趋于平稳;影响秸秆力矩的主次顺序依次为：根茬状态、秸秆之间相互影响、秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角。深松过程中,秸秆扰动比阻在切割根茬一侧时达到最大值0.152 mm。田间对比试验结果表明,仿真模型得到的秸秆总位移、水平侧向、前进方向和垂直方向位移与田间试验值的误差分别为0.36%～9.67%、0.16%～12.31%、0.56%～10.11%和0.43%～4.63%,秸秆力矩的误差为0.16%～11.06%。研究结果可为深松铲设计以及优化提供一定的理论依据。