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。     

基于DEM-MBD耦合的铲板式滚动触土部件作业机理分析与试验

为探索土壤微形貌加工过程中从动型铲板式触土部件与土壤的互作机理,该研究基于离散元法（Discrete Element Method, DEM）与多体动力学（Multi-Body Dynamics, MBD）耦合算法建立铲板式滚动触土部件与土壤互作的离散元模型。通过EDEM-RecurDyn联合仿真探索滚动部件作业机理,以机具作业速度（0.6、1.0和1.4 m/s）为影响因素,求解机具作业所需水平牵引力与土壤微坑容积,并通过开展台架试验评价仿真模型准确性。耦合仿真结果表明：随机具作业速度的上升,x向水平牵引力和z向垂直力不断变大;机具在不同速度作业下的土壤表面形成的微坑容积分别为3 310.91、3 325.96和3 384.47 mL;根据土壤压缩力、颗粒流向及动能变化,阐释了铲板式滚动触土部件作业过程中土壤微形貌的形成机理。将台架试验与仿真求解结果进行对比,x方向水平牵引力相对误差分别为5.01%、4.58%、4.10%,土壤表面微坑容积误差分别为6.23%、7.09%、5.64%,各作业速度下仿真模型具有较好的准确性。该文所构DEM-MBD耦合模型可为探明铲板式滚动触土部件与土壤互作机理、机具几何结构优化、以及作业参数选择提供理论依据和技术参考。     

玉米根茬收获系统的有限元模态分析与试验

针对研制的集铲挖和脱土于一体的玉米根茬收获系统,为进一步优化该系统的作业性能,采用有限元模态分析与试验模态分析相结合的研究方法,获得了该系统的前20阶的固有频率,以及各主要工作部件的典型振型。研究结果表明：系统的1～4阶（8.5～29.6?Hz）模态主要表现为升运链的整体弯振;5～14（44.1～124?Hz）阶模态表现为各主要功能部件的横梁及主轴的弯曲、扭转振动;15～20阶模态（135～190?Hz）则主要表现为各功能部件的末端振颤,上述系统模态属性,可为系统结构振动特性的描述及整机作业性能的优化提供依据。     

锥形轮体结构的覆土镇压器设计与试验

为简化机具结构,同时解决传统播种作业过程中覆土及镇压作业稳定性不佳的问题,该文设计了一种兼具覆土和镇压功能的覆土镇压器,该装置由左右2个具有锥形结构的覆土镇压轮组成。通过对覆土镇压作业过程种沟土壤受力情况和运动过程的分析,明确了该装置的覆土和镇压作用机理,及覆土镇压器主要结构参数和作业参数(外径、覆土镇压器宽度、内倾角和载荷)的取值范围,同时确定了影响覆土和镇压性能的3个主要影响因素(外载荷、左右覆土镇压轮间距和内倾角)。通过三因素三水平Box-Benhnken试验,以作业后的覆土厚度和种沟上方距离地表5 cm处土壤紧实度为试验指标,得到了影响土壤紧实度的各因素的主次顺序为:载荷、左右覆土镇压轮间距、内倾角,影响覆土厚度的各因素的主次顺序为:内倾角、载荷、左右覆土镇压轮间距。通过Design-Expert软件获得了覆土镇压器最佳参数组合为:载荷900 N,左右覆土镇压轮间距为13 mm,内倾角为16?。最佳参数组合的验证试验得出,作业后种沟上方距离地表5 cm处土壤紧实度均值为(43.8?1.9)k Pa,变异系数为4.3%;覆土厚度均值为(32.9?2.3)mm,变异系数为6.9%。满足既定的设计目标,且具有较好的作业稳定性,该研究可为播种机覆土镇压器的设计提供参考。     

水平圆盘式苗间除草装置试验台优化试验

为优化水平圆盘式苗间除草装置的设计并确定其关键参数的最优组合,在分析其构成及工作原理的基础上,以苗间除草部件为研究对象,通过4因素4水平正交试验,分析了除草部件作业速度、齿盘转速、锄齿数目及其安装半径4个因素对苗间除草性能的影响,优化出最佳工作参数组合。试验结果表明,锄齿数目和作业速度对苗间除草装置的性能影响显著。最佳优化方案是：锄齿数目12、其安装半径160 mm、齿盘转速170 r/min 和作业速度2.1 m/s,该条件下苗间除草装置的伤苗率为4.41%、苗间除草率可达73.1%、埋苗率小于3%,满足旱田作物苗间除草作业的农艺要求。     

蚯蚓仿生注液沃土装置设计与试验

蚯蚓吞噬土壤,构建洞穴,发挥了肥沃土壤的重要作用。该文借助工程仿生技术手段,运用计算机图像处理技术对蚯蚓头部、体节轮廓图像进行量化分析,提取并拟合蚯蚓头部和体节的轮廓曲线,构建注液沃土装置的仿生几何结构表面。仿蚯蚓背孔排布方式设计了3孔和6孔注液型沃土装置,以UHMWPE为材料制备样机,并采用农机土槽试验系统开展注液沃土装置样机选型试验,考察孔数、是否注液、材料、表面结构4个参数对工作阻力和土壤粘附量的影响。试验结果表明,各参数对工作阻力的影响程度依次为:注液孔数材料表面结构;对土壤粘附量的影响程度依次为:表面结构孔数材料注液。从8类样机中确定的优选类型为:有6个注液孔、UHMWPE材质且具有仿生几何结构表面的仿生注液沃土装置。对选定的样机进行验证,结果表明:在相同试验条件下,该样机的平均工作阻力为283.48 N,平均土壤粘附量值为10.93 g,均低于其他类型样机。该研究工作可为实施机械化沃土工程提供技术参考。     

4SY-2.9型油菜割晒机机架振动分析及改进

针对4SY-2.9型油菜割晒机因各部件运动产生的激振力随机不定而引起机架振幅大的问题,为降低割晒机工作时共振,对其机架进行建模,导入ANSYS Workbench中求解自由模态下机架的模态频率和振型,并通过模态试验与仿真分析结果对比验证有限元模型的准确性。通过分析机架外部激振频率特点和仿真结果,提出增加机架拱门结构的设计方案,开展拱门圆管厚度与安装位置仿真试验。优化后机架第1阶模态频率调整到15.339 Hz,避开了输送带弹齿和割刀激振力的激励频率范围,有效避免其共振产生。对优化后的机架模型进行有限元静力学分析,结果表明机架满足强度要求。割晒机在空载状态下,对安装机架拱门与未安装拱门纵梁最大变形点处采集加速度时域信号,并通过FFT频谱分析得到功率谱分析图,试验结果表明:测点最大峰值点X方向幅值降低了71.47%,Y方向幅值降低了70.60%,Z方向幅值降低了70.21%。田间试验表明:改进的油菜割晒机田间通过性好,作业效率高,能实现有序中间条铺,条铺宽度满足后续捡拾脱粒机作业幅宽;割晒的油菜平均铺放宽度为1 674 mm,割茬平均高度为330 mm,平均堆放高度为603 mm。优化后的油菜割晒机机架动态性能良好,作业质量满足后续工序作业要求。该研究可为同类宽幅机架的设计研究提供参考。     

小麦宽苗带种沟镇压播种装置研制

为解决中国黄淮海地区小麦播种质量差的问题，该研究设计了一种能够构建优质种床结构的种沟镇压播种装置，利用挡板提高种沟的平整性，种子下落到种沟后镇压轮对种床进行镇压，让种子与土壤紧密接触，为种子建立上松下紧的种床环境。对种沟镇压装置受力情况与种沟形成原理进行分析，结合具体农艺需求，确定种沟镇压播种装置的主要参数取值范围：弹簧工作形变量30～70 mm，镇压轮相对高度10～50 mm，挡板相对高度0～100 mm。以播深合格率、播种深度稳定性系数、种沟坚实度为指标，利用Box-Behnken响应面设计建立种沟镇压播种装置关键参数的二次多项回归模型，得到种沟镇压播种装置最佳作业效果的参数：挡板相对高度56.6 mm、镇压轮相对高度22.4 mm、弹簧工作形变量48.2 mm。在最佳参数条件下与覆土镇压装置进行性能对比试验，结果表明，种沟镇压装置的播深变异系数比传统覆土镇压装置降低63.6%,50～100 mm深度土层土壤坚实度提高47 kPa，种沟平整度提高63%。研究结果可为中国黄淮海地区小麦播种提供装备支持和技术参考。     

行间耕播机弹性可覆土镇压轮性能有限元仿真分析及试验

为提高播种机的播种及镇压性能,解决播种作业中覆土后即时镇压的难题,结合橡胶类材料的变形理论与轮胎力学的研究基础,建立基于种沟沟型的理论模型,并设计出一种具有覆土功能的弹性镇压轮,镇压轮横截面由顶端连通的两个腔室组成,通过镇压轮侧缘与种沟接触产生的挤压力以同时实现覆土和镇压作业。利用ABAQUS软件对镇压轮进行有限元仿真分析,考察其覆土及镇压性能,通过有限元仿真分析证实该模型可行有效。通过与双圆盘覆土器和传统橡胶镇压轮的田间对比试验测得,该文所设计的弹性可覆土镇压轮作业后种子平均覆土深度为34 mm,变异系数为15.68%,镇压后种子上方距离地表5 cm的土壤紧实度为33.5 k Pa,变异系数为13.97%,应用双圆盘覆土器和传统橡胶镇压轮作业后种子平均覆土深度为35.3 mm,变异系数为17.51%,镇压后种子上方距离地表5 cm的土壤紧实度为26.5 k Pa,变异系数为15.32%,田间对比试验证实弹性可覆土镇压轮和双圆盘覆土器均可满足玉米播种作业对覆土深度的要求,但弹性可覆土镇压轮对土壤的镇压强度大于传统橡胶镇压轮,同时由覆土深度变异系数和镇压强度变异系数可以看出,弹性可覆土镇压轮在作业过程中的覆土深度稳定性和镇压强度稳定性均优于双圆盘覆土器和传统橡胶镇压轮。     

沙地刚性轮构型仿生设计及牵引性能数值分析

为了提高车轮牵引性能,改善车辆在松散沙土介质环境的通过能力,该文以善于沙地奔跑的鸵鸟足部关键部位—足趾甲为仿生原型,通过仿生优化轮刺结构,设计出具有高牵引性能的仿生轮刺式沙地刚性轮,并以一种模拟月壤作为试验松散沙土介质材料,采用离散元软件PFC2D?的内置语言FISH和相关命令,建立了适用于非规则结构刚性轮的轮壤相互作用动态模拟系统,并获得试验验证。通过仿生轮刺式刚性轮与模拟月壤相互作用离散元模拟,并与矩形轮刺式刚性轮模拟结果对照,从轮下模拟月壤颗粒细观运动、接触力场、速度场以及车轮挂钩牵引力角度,验证了仿生轮刺式刚性轮具有优越的牵引性能,在车轮滑转率50%的稳定运行状态下,仿生轮刺式刚性轮的牵引性能可提高5.2%左右。该研究为提高刚性轮在松散沙土介质环境中的牵引性能提供了全新设计和研究手段。     

交错凸齿式宽苗带小麦精量排种器设计与试验

针对外槽轮式小麦宽苗带排种器排量不稳定和苗带内种子分布均匀性较差的问题,该研究设计了一种交错凸齿式宽苗带小麦精量排种器。通过连续充种分析和排量计算,确定凸齿高度和凸齿角度是影响排量一致性和排种均匀性的关键参数。应用离散元法对上述关键参数进行中心旋转组合仿真试验,结果表明,对排量一致性、排种均匀性影响显著性程度由大到小的因素分别依次为凸齿角、凸齿高、作业速度,且均具有交互影响。借助响应面分析,得出凸齿高5 mm、凸齿角75 °时的排量一致性和排种均匀性较优,平均变异系数分别为2.27%和7.61%。对该参数组合排种器进行样机试制,并进行台架试验,台架试验结果表明,排种一致性和均匀性变异系数与仿真值误差均低于5%,说明仿真优化结果可靠、准确。田间对比试验结果表明,播量120 kg、150 kg和180 kg/hm²时,交错凸齿式宽苗带小麦精量排种器的播量一致性、纵向播种均匀性和横向播种均匀性变异系数分别较外槽轮式排种器降低0.99、3.01和9.38个百分点,满足小麦宽苗带播种农艺要求。研究结果可为提高排种均匀性的小麦排种装置设计提供参考。     

越沙步行轮仿生设计及动力学性能仿真

为提高车轮在沙土介质环境的通过性能,基于鸵鸟足趾结构形貌与运动方式,设计出一种仿生越沙步行轮。该步行轮通过轮脚中的定立柱和动滑块相互配合实现对轮下沙土的限流紧固功能,同时自适应带动轮刺机构进入附着牵引工作状态与离沙减扰非工作状态。采用多刚体动力学分析软件,预测了仿生越沙步行轮轮腿各部件之间的活动范围和干涉情况。采用离散元软件,分析了轮脚底面/沙土相互作用关系,验证了该仿生越沙步行轮具有良好的固沙限流、牵引附着性的特点。该研究为提高松软地面中步行机构的通过性能提供了参考。     

铰链组局部损伤的非充气弹性车轮负荷接地及固有特性

为研究重要承载部件损伤对非充气弹性车轮性能的影响,对单组铰链组断裂前后的车轮进行了性能对比试验.采用拆除单组铰链组的方法模拟断裂损伤失效,基于台架试验对损伤前后车轮的负荷特性、接地压力分布特性及模态试验等进行了对比.结果表明:铰链组断裂损伤对车轮负荷特性的影响表现为径向刚度的下降,且与损伤所在车轮的位置有关.当损伤分别位于水平和竖直位置时,铰链组断裂损伤车轮的平均径向刚度较无损伤车轮的数值分别下降25%和35%;在相同垂向载荷作用下,铰链组断裂损伤对车轮接地压力分布的影响表现为接地印迹长度和接地面积的增大,垂向载荷为7262 N时,损伤车轮的接地印迹长度较无损伤车轮的数值增大15%,接地印迹宽度没有变化,接地面积增大;整体上无损伤车轮的固有频率大于铰链组断裂损伤车轮对应的固有频率,大多数阻尼系数小于含有铰链组断裂损伤车轮对应的阻尼系数,节点的振型幅值大于相应的损伤车轮节点的振型幅值.该研究可为提高非充气弹性车轮的可靠性设计提供参考.     

仿生结构异质复合材料界面无损检测及拉剪性能试验

仿生结构异质复合材料复合界面缺陷及强度对其在工程上的应用具有极大的影响。为了探讨仿生结构异质复合材料结合界面无损检测技术及其抗拉剪性能,该文以海豚皮肤结构为仿生蓝本,采用仿生相似性原理,以硬度值为A80的聚氨酯做面层材料,以灰口铸铁作为基底材料,并在基底加工仿生形态,采用浇铸高压定型复合法进行仿生形态异质复合材料的制备。采用超声波无损检测方法对这种复合结构界面进行无损检测研究。得出利用双探头,采用一收一发的方式对其检测效果较好,并通过制备试样的拉剪性能试验对无损检测方法进行了验证。利用二因素三水平正交试验优化设计对该材料的结合界面抗剪性能进行试验研究。试验结果表明,在复合界面不存在缺陷的前提下,影响聚氨酯/铸铁仿生形态异质复合材料的抗剪性能的主次因素分别为复合界面的形态,面层材料的配比。在面层材料的配比为100∶12时,复合界面为仿生形态时,其最大抗拉剪力可达到1 233.83 N。该研究为此种复合材料在工程上的实际应用提供了参考。     

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。     

天牛仿生大麻收割机切割刀片设计与试验

针对现有大麻收割机切割刀片存在切割阻力大、功耗高、割茬质量差的问题。运用仿生学原理,通过提取天牛上颚切割齿部位齿廓曲线,以天牛切割齿廓代替普通稻麦收割机刀片的三角形尖齿,设计了仿生切割刀片。利用双动刀切割装置测试平台,对收割期大麻茎秆进行了仿生刀片和普遍刀片单茎秆切割性能对比试验。试验表明,2种刀片的切割力-位移曲线都可分为挤压、切割和切割完毕3个阶段,其中仿生刀片具有切入能力强、切割茬口较平齐、切割质量好的优势。通过对2组切割试验数据进行均值统计和方差分析可知,仿生刀片和普通刀片单茎秆最大切割力和切割功耗平均值分别为442.6、478.1 N和2.16、2.35 J,仿生刀片和普通刀片相比,平均最大切割力和切割功耗分别降低7.4%和8.0%,表明仿生刀片较普通刀片具有更优的减阻降耗性能;方差分析表明刀片类型对单茎秆最大切割力影响极显著(P0.01),对单茎秆切割功耗影响显著(P0.05)。     

形态/材料耦合仿生功能表面减阻特性及机制

模仿海豚皮肤特殊结构的形态/材料耦合仿生功能表面可有效降低流体机械表面阻力,是流体机械实现节能减排的研究热点。该文采用流固耦合模拟技术,针对上述功能表面的面层材料及基底仿生形态2种耦合因素,各取3种不同的数值模型,对其减阻特性进行研究。计算结果表明:面层材料的弹性模量及基底仿生形态的间距对其减阻特性影响较大;面层材料的弹性模量越小,其顺应流体介质的能力越强,减阻效果越好;基底仿生形态的间距对于黏性阻力的影响效果显著,当间距为2 mm时,其减阻效果最好。减阻机制主要体现为:仿生耦合功能表面面层材料的弹性变形导致其实际流固接触界面与流固耦合界面产生分离,使其表面速度梯度降低,从而实现表面摩擦阻力的降低。     

金属表面的激光强化及强化类别的BP神经网络控制研究

通过试验分析，表明使用不同的激光工作参数，对金属材料进行激光强化处理，可使材料表面产生4种结果，即：未相变硬化、相变硬化、表面微熔及表面熔凝。建立了激光工艺参数与材料表面强化结果之间关系的BP神经网络模型，并应用该模型，对常用于制造农业机械和发动机齿轮、凸轮轴、链轮、曲轴等零件的材料HT300进行激光强化处理试验。结果表明，BP神经网络模型可方便、准确地选择激光工艺参数，控制材料表面强化类别及工作性能。     

挖掘机獾爪趾仿生斗齿提高其入土性能仿真与试验

为解决挖掘机斗齿入土阻力大,易断裂的问题,该文利用Handyscan700扫描仪获取獾右前爪中趾表面的三维点云,提取獾爪趾的侧面轮廓曲线,并进行拟合得到曲线方程,将获取的曲线方程运用到斗齿的设计中,利用三维软件建立斗齿模型。运用有限元分析软件对仿生斗齿和80型斗齿的力学性能和切土过程进行数值模拟,对比分析了力学性能的差异以及能量损耗与切土深度的关系。采用快速成型加工技术加工出了仿生斗齿与80型斗齿试样。利用电子万能试验机对2种试样进行了楔土试验,测定了楔入阻力与楔入深度的关系。结果表明：在施加相同载荷的情况下,仿生斗齿所产生的最大等效应力小于80型斗齿的,破坏的可能性小,比较安全;当斗齿的入土深度相同时,仿生斗齿的消耗的能量总小于80型斗齿;在同样条件下,仿生斗齿的楔入阻力较80型斗齿低11.9%～12.6%。该文以獾爪趾为仿生原型设计的挖掘机斗齿不仅解决了工程中遇到的问题,还为减阻部件的开发提供了新思路,具有重要的参考价值。