自动避障式葡萄藤防寒土清土机研制

针对目前葡萄藤防寒土清土机自动化程度低、清土不彻底和易伤藤等问题,该研究基于多体动力学软件RecurDyn和离散元软件EDEM耦合仿真的方法,面向中国北方砂壤土地区葡萄园内的葡萄藤防寒土清除,提出采用柔性刷子与橡胶组合的清土作业部件,并设计了一种自动避障式葡萄藤防寒土清土机,主要由机架、避障摆动机构、避障信号采集机构、控制器、清土部件、挡土板、传动部件和限深轮等部分组成,在机具前进作业过程中,通过触杆感知自动避开水泥柱,并将葡萄藤上覆盖的防寒土清除干净。采用耦合仿真试验,模拟整机避障清土的作业过程,以机具前进速度、避障油缸速度、清土部件转速和触杆转动角度阈值为试验因素,以土壤清除率为试验指标,进行四因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归显著性分析,确定了对试验结果影响显著的因素,以土壤清除率最大为优化目标,获得了机具的最佳作业参数组合:机具前进速度0.43 m/s、避障油缸速度60 mm/s、清土部件转速550 r/min、触杆转动角度阈值10°,此时仿真优化的土壤清除率为54.65%。加工物理样机并进行田间验证试验,得到田间试验的土壤清除率为59.73%,与仿真试验的土壤清除率相对误差约为8.50%,田间试验结果与仿真优化结果基本一致,满足自动避障式葡萄藤防寒土清土作业要求。研究结果可为触土机具避障机构的整体设计及优化提供理论依据和技术支撑。     

不同含水率黏重黑土与触土部件互作的离散元仿真参数标定

为了获得可用于东北地区黏重黑土与触土部件相互作用的离散元仿真模拟参数,该文利用EDEM中Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型对不同含水率的东北地区黏重黑土进行相关参数标定,针对含水率在10%～20%的实际作业环境,分别配置含水率为12.46%±1%和17.15%±1%的2种黏重黑土,以土壤颗粒间的滚动摩擦系数、恢复系数、表面能参数及静摩擦系数为标定对象,并以土壤颗粒的仿真堆积角为响应值,基于Box-Behnken的响应面优化方法得到堆积角回归模型,并对回归模型进行寻优,得到2种含水率的模型参数优化解,并给出了模型参数范围。测定了4种含水率下黏重黑土对3种触土部件材料(65Mn、UHMW-PE和PTFE)的静摩擦系数,并以此为基础分别对65Mn(典型铁基材料)和PTFE(典型低表面能材料)板进行斜面试验,以含水率为17.15%±1%的黏重黑土为试验对象,分别搭建斜面物理试验平台和仿真模型,以土壤颗粒与触土部件材料之间的滚动摩擦系数、恢复系数、表面能参数及静摩擦系数为标定对象,以仿真得到的土球在65Mn和PTFE板上的滚动距离为响应值,基于响应面优化法得到滚动距离回归模型,以实测的滚动距离为目标对回归模型进行寻优,得到黏重黑土对2类典型触土部件材料接触模型参数的优化解。研究结果表明,标定优化后的土壤模型能够近似代替真实的东北地区黏重黑土进行仿真,可利用标定后的参数进行黏重黑土与触土部件间的离散元仿真,可为东北黏重黑土作业条件下的农业机械触土部件仿生减阻设计与优化提供基础数据。     

油菜机直播微垄种床制备过程旋耕后土壤离散元参数标定

针对油菜直播机微垄种床制备过程离散元仿真缺乏旋耕后土壤颗粒模型、无有效接触参数、数值模拟不准确等问题，该研究开展了旋耕后土壤离散元接触参数标定与试验。基于土壤塑限，确定接仿真触模型为Hertze-Mindlin（no slip），根据油菜直播机旋耕后的土样信息，利用EinScan-Pro三维扫描仪和EDEM颗粒填充功能，重建土壤颗粒并生成考虑颗粒形状和不同粒径质量占比的离散元颗粒模型；以堆积角为目标，通过二水平析因试验分析静摩擦、滚动摩擦、碰撞恢复系数的显著性，对显著因素进行最陡爬坡试验缩小求解范围，再通过二次正交旋转回归试验求解较优参数组合为：碰撞恢复系数0.350，静摩擦系数0.351，滚动摩擦系数0.257。使用PIVlab工具和Trimble TX8三维激光扫描仪得到微垄种床制备装置田间作业时土块颗粒运动速度和作业后地貌，并与离散元仿真结果进行对比。结果表明：在微垄制备的贯入包络和成形回落阶段，土壤颗粒运动速度与仿真结果一致，最大误差为0.10 m/s；微垄距误差随腹板数量增加而增大，误差为8.25%，标定参数准确。研究结果可为油菜微垄种床制备机具触土部件机理探究和结构改进提供参考。     

基于亚塑性本构模型的土壤-触土部件SPH互作模型

触土部件是农机的主要组成部分,高精度的土壤-触土部件互作模型对农业耕作触土部件的节能优化设计具有重大意义。为提高土壤切削过程数值模拟的精确度,该研究基于光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）框架,从土壤亚塑性本构模型出发,结合土壤-触土部件接触模型,提出一种土壤-触土部件互作模型。通过砂土坍塌试验和土壤切削试验,对比分析了模拟仿真和物理试验中砂土自由表面演变、内部应力变化、土壤静止和运动分界面形态以及粒子位移。在此基础上对4种不同形状刀具的土壤切削过程进行模拟,以土壤切应力、位移分布表征刀具在切削过程中对土壤的破坏情况,讨论了大半径抛物线型刀具切削过程中的土壤粒子速度场,并得出不同形状刀具切削阻力的变化规律。结果表明,刀具水平切削阻力的模拟值和试验值平均相对误差为9.885%,说明所提模型对刀具水平切削阻力的预测精度较高。研究结果可为土壤-触土部件互作模型的建立提供新的思路,为触土部件的优化设计提供参考。     

天然草场改良用振动式间隔松土机作业机理

为了提升草地振动式间隔松土机的作业性能,需要对机具的作业机理进行研究。通过对机具的工作单体进行运动仿真分析,探讨了松土部件在强迫振动作用下对草耕层土壤的破碎机理。通过分析得出松土部件的工作过程为切削土壤和抛起土壤两个交替作用的阶段,在松土作业过程中,松土部件既有挤压松土又有振动松土,土垡因受剪切、弯曲和拉伸等作用得到松碎,松土部件产生与松土铲切削方向呈一定角度的振动有利于土壤疏松和降低机具的牵引阻力。     

免耕播种机旋耕刀耕作性能分析与结构优化

为预测和评估免耕播种机触土部件的作业性能,有必要建立机具-土壤耦合系统的互作模型。传统模型将散落土表的秸秆视为刚体,无法模拟真实条件下秸秆的破裂与变形,导致模型的预测精度下降。为克服上述模型不足,该研究建立一种柔性秸秆模型,构建刀具-秸秆-土壤耦合系统的离散元模型,并通过土槽试验进行模型验证。同时,为解决标准旋耕刀片的缠绕和壅堵问题,提出一种梯形直刀结构,对比分析了旋耕作业工况下标准刀和梯形直刀作用后秸秆位移、刀轴扭矩、刀具碎茬与埋茬性能。仿真结果表明,梯形直刀的碎茬和秸秆掩埋性能均优于标准刀,标准刀和梯形直刀作业后开沟截面形状分别为梯形和三角形,刀轴扭矩呈现三角形冲击峰的形式,梯形直刀的刀轴扭矩大于标准刀情形,而标准刀的碎土性能优于梯形直刀。在此基础上,以弯折角、侧面角以及刀片高度为设计变量,采用响应面法构建旋耕扭矩和碎土率的回归方程。基于NSGA-II算法对梯形直刀结构进行优化,最佳的结构参数为：弯折角150°、侧面角60°、刀片高度88 mm。田间试验结果表明,优化后刀轴的平均扭矩较优化前减少11.70%,峰值扭矩减少6.28%,碎土率从82.53%提高至89.22%。     

基于堆积试验的黏壤土仿真物理参数标定

为获取南方黏壤土的离散元仿真模型精准接触参数,构建土壤离散元仿真模型,基于土壤堆积试验,结合试验测定和EDEM软件推荐的参数构建土壤仿真模型,以休止角为响应值,采用Design Expert软件依次设计Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验和Box-Behnken试验完成土壤仿真物理参数标定及优化。进一步通过成穴装置成穴的仿真试验与土槽试验的对比分析,验证黏壤土仿真模型的精准性。成穴试验的仿真与土槽试验结果表明,装置在仿真土壤中运动规律与土槽试验中差异较小,成型穴孔的开口纵长和有效深度的误差分别为3.98%和1.87%,模拟仿真土壤的物理力学特性与实际土壤一致,表明黏壤土的离散元仿真参数系统标定研究的方法准确可行。研究构建了南方黏壤土精准的离散元仿真模型,为该类型土壤与触土部件相互作用的动力学研究提供技术支持。     

全膜双垄沟起垄覆膜机镇压作业过程仿真分析与试验

为深入研究全膜双垄沟起垄覆膜机镇压作业过程中不同工作参数对机具运行及种床构建质量的影响,该文利用ABAQUS软件建立镇压装置轮组与种床土壤互作的三维有限元模型,模拟镇压作业过程中触土部件与土壤相互作用的动态过程。采用三因素三水平Box-Behnken试验设计方法,建立载荷、机具前进速度、土壤含水率与垄面沉陷量、水平牵引阻力及渗水孔偏移量之间的数学模型,寻求覆膜机镇压轮组的最优作业参数组合。仿真试验中采用基于ALE算法的自适应网格划分技术解决网格畸变导致的仿真中断问题。仿真结果确定了3种不同土壤条件下较优的作业参数组合,并进行田间验证试验。结果表明,土壤含水率为15%条件下,机具前进速度为1.01m/s,施加载荷为100N时镇压轮组所受水平牵引阻力均值为44.15 N,大垄垄面平均沉陷量为11.82 mm,渗水孔平均偏移量为8.25 mm,试验结果满足全膜双垄沟种床构建质量要求。本文建立的三维有限元模型可用于预测镇压装置工作过程中的作业情况,可为机械化双垄沟种床构建作业方式及起垄覆膜机镇压装置的设计提供参考。     

凸齿镇压器与土壤相互作用的三维动态有限元分析

为分析凸齿镇压器与土壤的相互作用、预测不同的作业参数对凸齿镇压器作业效果的影响,该文利用有限元方法,在Abaqus软件中建立了凸齿镇压器与土壤相互作用的三维动态有限元模型。该模型在分析过程中使用任意拉格朗日-欧拉方法对网格进行自适应划分,以解决土体局部变形引起单元畸变而导致分析中断的问题。根据凸齿镇压器的2种工作模式,对模型设置不同的边界条件,探讨不同载荷对凸齿镇压器沉降量和所需牵引力的影响以及不同沉降量对所需载荷及牵引力的影响。搭建了基于室内土槽的凸齿镇压器牵引试验平台,通过土槽试验对有限元分析结果的有效性进行验证。结果表明,有限元求解的牵引力与实测值相对误差为3.4%,并且有限元分析模型运行结果能准确反映土壤的形貌变化特征;任意拉格朗日-欧拉方法有效解决了单元扭曲导致分析不收敛的问题;在恒定速度下,凸齿镇压器的沉降量和所需水平牵引力随着载荷的增大而增大,同样,沉降量的增大导致了所需载荷和牵引力的增加。该三维有限元模型可用于预测凸齿镇压器工作过程中的所需牵引力和土壤表面微形貌加工的作业效果,可为探索凸齿镇压器与土壤相互作用的机理,对凸齿形状进行改良与优化、以及作业条件与参数的选择提供参考依据。     

土壤粘附机理的化学吸附分析

在对已有土壤粘附机理进行综合分析的基础上，从结构化学和量子力学的统计效应出发，对参与粘附的各种因素———土壤表面性质、触土部件表面特性、土壤水中各种离子的性质进行了全面分析，从化学吸附角度，提出了以化学吸附为主的土壤粘附机理。该模型认为土壤与触土部件金属材料表面的粘附力是由土壤与金属表面间的化学吸附力（包括物理吸附力）、土壤水在金属与土壤之间形成的化学吸附力（宏观上表现为毛细管力）和水的粘滞阻力三部分组成     

仿生减阻树木移植机铲片设计与试验

铲片是树木移植机的重要工作部件,其尺寸参数、形状以及数量分布决定着移植机的挖土性能和整机的能耗大小。为了有效减小铲片切削土壤时所受阻力、减小整机能耗,该文根据树木移植机的工作状况和特点,对铲片进受力分析并建立力学模型。仿照土壤动物步甲的掘土器官大颚的体表结构设计非光滑仿生铲片,运用动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA对原型铲片和仿生铲片切削土壤过程进行数值优化,通过原型铲片的数值仿真确定最佳铲片切削角为83?,在相同的铲片结构和土壤条件下,数值优化得到仿生铲片最佳参数为表面凸起直径14 mm,凸起中心距28 mm,凸起高度4 mm。根据最佳参数研制仿生铲片,并安装在移树机上进行原型铲片和仿生铲片的作业对比试验,发现仿生铲片有效减阻11.11%,证明了仿生非光滑铲片具有较好的减阻特性,可为整机节能降耗奠定基础。     

海南热区砖红壤颗粒离散元仿真模型参数标定

为获取适用于海南热区砖红壤与触土部件相互作用的离散元仿真模型参数,该文利用EDEM仿真软件中Hertz-Mindlin with JKR接触模型对海南地区砖红壤进行相关模型参数标定,首先以含水率为7.8%、实际休止角为32.35°的砖红壤为研究对象,以物理试验获取的砖红壤-砖红壤、砖红壤-触土部件间恢复系数、静摩擦系数及滚动摩擦系数为标定对象,应用Plackett-Burman设计试验筛选出对休止角有显著影响的参数:即砖红壤-砖红壤滚动摩擦系数、JKR表面能、砖红壤-28MnB5板滚动摩擦系数、砖红壤-砖红壤恢复系数。进一步以砖红壤颗粒休止角为响应值,基于Box-Behnken设计试验得到休止角与显著性参数的二阶回归模型,并以实际休止角为目标,针对显著性参数进行寻优,得到最佳组合:砖红壤-砖红壤滚动摩擦系数为0.07、砖红壤-28MnB5板滚动摩擦系数为0.24、砖红壤-砖红壤恢复系数为0.4、JKR表面能为4.31J/m^2。最后在标定的参数下进行休止角与破土阻力离散元仿真验证试验,对比计算得出仿真休止角与实测休止角相对误差为0.62%,仿真破土阻力与实测破土阻力相对误差为3.43%,并通过对比分析两次试验中破土阻力变化曲线的拟合情况,得出两曲线间的可决系数R2=0.993 9,均方根误差RMSE=0.017 7,该结果表明标定所得相关参数可用作海南热区砖红壤离散元仿真。     

黄河三角洲滨海滩涂不同微地形改造的盐地碱蓬恢复效应评价

为提高植被覆盖率,探索适宜的植被恢复模式,以光滩裸地为对照,在黄河三角洲滨海滩涂地势平坦地段设置S形、条带形、品字形和月牙形4种微地形改造模式,测定分析其工程量、地表粗糙度、植被生长及改良土壤效应指标,并采用主成分及模糊数学隶属函数法分析评价其植被恢复效应。结果表明:微地形显著影响土壤理化性质与植被生长状况(P0.05),与裸地相比显著降低了土壤容重、含盐量、pH值等,增加了土壤养分,孔隙度,持水量等。4种微地形改造模式中月牙形模式与光滩裸地相比显著降低了44.19%的土壤盐分,并且月牙形改造模式最利于促进植被恢复效果;条带形模式可显著增加土壤养分,其坑底土壤有机质含量为裸地的2.87倍;品字形模式可显著提高土壤孔隙度,显著降低了15.24%的土壤容重;S形模式在植被恢复及土壤改良效应上表现较差。不同微地形改造模式对植物生长和改良土壤效应综合评价结果从大到小依次为:月牙形、条带形、品字形、S形、裸地,建议在黄河三角洲滨海滩涂进行微地形改造时,首先考虑月牙形,其次是条带性、品字形,S形可不采用。研究结果可为黄河三角洲滨海滩涂植被恢复与生态修复提供理论依据与技术支持。     

不同材质仿生凸齿镇压器滚动件的模态分析

为了探讨由不同材质组成的仿生凸齿滚动件,在镇压作业时对脱土和土壤表面微形貌加工性能的影响,利用Autodesk Algor Simulation软件,对铸铁材料和UHMWPE—铸铁组合材料仿生结构滚动部件进行了模态分析。取前8阶模态,对2种滚动部件的固有频率和最大振幅做出对比,并考察滚动部件不同位置处的振幅。结果表明,UHMWPE—铸铁组合材料滚动部件在前8阶模态下各阶模态的最大振幅均大于铸铁材料滚动部件,增幅为5.716～30.077mm;UHMWPE—铸铁组合材料滚动部件更容易在相对较低的频率下获得更大振幅;在靠近辐板圈中部,即传递到牵引机构件处,UHMWPE—铸铁材料滚动部件平均振幅比铸铁材料滚动部件小0.213mm。由此可得出以下结论:相对于铸铁材料滚动部件,UHMWPE—铸铁组合材料滚动部件可在更好地保证牵引稳定性的前提下,在镇压作业时,能增强其仿生凸齿尖端处的脱土潜力,并保障对土壤表面所加工微形貌的强度。这为仿生凸齿镇压器材料的选择、牵引装置行驶速度的设定以及滚动部件上激励装置的设置提供了参考。     

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。     

挖掘收获多功能曲面铲的设计与试验

摘要：针对传统根茎类作物挖掘工作铲阻力大、顺土性差、集果效果不好的问题,设计了多功能曲面挖掘铲。为提高挖掘入土性能和去土效果,挖掘铲纵向平面采用犁铧与圆弧曲面两段组合设计;为提高横向流畅顺土性能和向中集果率,挖掘铲横向平面采用功能分段及样条曲线拟合设计。通过与应用较广的普通平面多边形挖掘铲的对比试验,表明多功能曲面铲去土率提高了4.8%,向中集果率提高了1.2%,掉果率降低了1.03%。但两者的挖掘阻力相差不大。该挖掘铲的设计为后续的夹持装置和去土装置的作业提供了参考。     

喀斯特石漠化皆伐迹地不同微地形和小生境下的土壤侵蚀差异

[目的]探讨喀斯特山区皆伐迹地不同微地形、小生境下土壤侵蚀的差异,为喀斯特皆伐迹地生态修复及防治提供依据。[方法]研究区采用铁栏围成封闭区域,用测钎法以1m×1m的距离布设测钎,对山地不同微地形、小生境的土壤侵蚀进行原位年监测,用箱图比较其土壤侵蚀深度差异,并作显著性分析。[结果]研究区不同微地形、不同小生境在土壤侵蚀程度上差异明显,微地形土壤侵蚀深度总体呈现为:凸形平直形凹形,微地形与土壤侵蚀呈显著相关。小生境土壤侵蚀平均深度表现为:石沟石土面石侧土面石缝,组间小生境与土壤侵蚀无明显相关,但石沟与土面呈现显著相关。[结论]岩溶区山地皆伐迹地应据微地形、小生境不同,实施差异化生态修复及防治工作,凸形微地形和石沟、石土面小生境是防治的关键。     

秸秆深埋还田开沟灭茬机设计与试验

秸秆还田是农作物秸秆综合利用最为直接的形式,深埋还田能打破犁底层、培肥地力,并提高土壤抗旱保墒能力。在秸秆深埋还田时,由于作物根茬未粉碎,深开沟的同时会出现大块土垡。秸秆深埋后还需对根茬和土垡进行二次粉碎,增加了作业成本。为满足秸秆深埋还田开沟灭茬碎土的需求,设计研制了一种集开深沟、碎土、灭茬等多道工序的用于秸秆深埋还田的开沟灭茬机。以导向铲入土深度、灭茬刀转速、灭茬深度为试验因素,机器的作业阻力和灭茬碎土率为试验指标,进行了三因素三水平正交试验。结果表明导向铲入土深度和灭茬深度对作业阻力有极显著影响,灭茬刀转速对灭茬碎土率有极显著影响。在开沟深度为35 cm时,导向铲入土深度、灭茬刀转速和灭茬深度分别为100 mm、340 r/min和60 mm时,开沟灭茬机的作业性能最好,作业阻力为21.6 k N、灭茬碎土率为96.3%、开沟深度稳定性为92.4%。试验表明该机具有很好的开沟、灭茬、碎土效果,该研究为秸秆深埋还田机具的研制和配备提供参考。