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。     

篱架式葡萄藤冬季埋土清除与防寒布回收机研制

针对中国新疆地区篱架式葡萄春季清土作业中存在的机械清土不彻底、防寒布回收困难以及效率低等问题,该文设计了一种葡萄埋土清除与防寒布回收机,由机架、清土部件、卷布部件和液压系统等组成。在EDEM软件中建立土垄和清土部件的仿真模型,以清土距离作为清土效果的评价指标,以刮土板工作面曲率半径、清土叶轮叶片数及其转速为试验因素,在行进速度为2 km/h的条件下设计并实施三因素五水平仿真正交试验,得到最优参数组合:曲率半径680 mm、叶片数4片、转速500 r/min,此时清土距离为294.27 mm。加工样机并对最优参数组合进行田间验证试验,得到清土距离为271 mm,与仿真试验结果的相对误差为8%,埋土基本清理干净,且对葡萄藤和防寒布的损伤小,作业效率高,为人工清土效率的10倍以上。研究结果可为新疆地区篱架式葡萄埋土清除作业提出新的思路,为后续葡萄清土机械的研制提供参考。     

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。     

沟栽葡萄防寒布覆土卧式刷辊清除装置设计与试验

针对中国西北地区沟栽葡萄春季防寒布上方大量覆土影响防寒布回收的问题,该研究设计了一种水平卧式刷辊清土装置,用于清除防寒布上方埋土。首先,通过理论分析确定了清土总成结构和工作参数取值范围。进一步,基于EDEM-RecurDyn耦合仿真建立柔性清土总成-土壤作用模型,模拟清土作业过程。以清土率和清土总成的转动扭矩为试验指标,设计Plackett-Burman和Box-Behnken仿真试验,以清土率最大和扭矩最小为优化目标,获得最优参数组合为：机具前进速度0.3 m/s、转速550 r/min、安装角30°、叶片偏角0°,清土率和扭矩预测值分别为86.72%、73.36 N·m。最后,采用最优参数组合进行田间试验,结果表明,清土率和扭矩分别为84.12%和78.62 N·m,与仿真优化结果的相对误差分别为3.0%和7.2%。研究结果可为防寒布辅助埋土防寒模式下清土机械研究提供技术参考。     

葡萄分层旋抛式清土起藤机高效旋抛刀设计与试验

针对我国西北地区酿酒葡萄清土作业单层旋抛清土方法效率低,凭经验设计,缺乏与土壤颗粒群相互作用的研究等问题,对分层旋抛式清土起藤机旋抛刀与土壤相互作用进行研究。首先,根据中国西北地区酿酒葡萄种植的农艺及清土的农艺要求,完成分层旋抛刀的设计,然后对旋抛式清土起藤机的运动进行理论分析,确定影响旋抛刀功耗和抛送距离的主要因素,并通过EDEM-Recurdyn耦合仿真,以不同焊接角度的旋抛刀、旋抛刀转速及整机的前进速度为试验因素,以清土率、旋抛刀扭矩以及抛送距离的影响为评价指标,分析土壤离散颗粒群与旋抛刀之间的相互作用,得到最优参数组合,进一步基于台架试验对仿真试验进行验证。结果表明当旋抛刀焊接角度为30°,刀具转速为270 r/min,前进速度为0.5 m/s时,剩余土壤质量最少为159.32 kg,旋抛刀平均扭矩为13.09 N·m,土壤抛送距离集中在1.52～1.75 m之间,与仿真结果一致,研究结果可为后续研制分层旋抛式清土起藤机提供理论依据及技术参考。     

酿酒葡萄清土起藤机刮板与防寒土相互作用研究

中国西北酿酒葡萄主产区春季的清土起藤作业机械化刚刚开始,针对目前单刮板清土部件作业整机功耗高,清土效率低以及缺乏与防寒土动态作用的理论研究等问题,本文提出了刮板式清土机的设计理论及方法,并设计了一种双刮板式清土起藤机。首先,根据中国西北葡萄种植地区清土农艺要求,确定刮板的数量及外形尺寸,然后通过理论分析大刮板的受力,确定影响其工作阻力的主要因素,并通过EDEM离散元仿真,对设计的具有不同曲面形式、切削角及倾斜角的刮板进行土壤离散颗粒群与机械刮板相互作用仿真,分析刮板壅土情况和土壤颗粒群的流动规律,然后设计三因素三水平的正交试验,以壅土量为评价指标获得刮板的最佳工作参数,并进行了台架试验验证,结果表明当刮板曲面为抛物线、切削角为55°、倾斜角为60°时,刮板壅土量最少,为43.2kg,清土效果最佳,与仿真结果一致;加工一台双刮板式物理样机并进行了田间试验,与传统单刮板式清土起藤机进行对比试验,结果表明双刮板式清土起藤机的清土率为75.03%,比传统单刮板清土起藤机提高了27.2个百分点,新研制的刮板相对传统刮板壅土量降低了38.74%。研究结果可为后续研制葡萄藤清土起藤机提供技术参考和理论依据。     

葡萄藤防寒土与清土部件相互作用的离散元仿真参数标定

为系统地研究中国北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土及其与清土机清土部件常用材料(Q235钢、橡胶)相互作用的离散元仿真参数,以构建准确的土壤离散元仿真模型,该文选用整合延迟弹性模型(hysteretic spring contact model,HSCM)和线性粘附模型(liner cohesion model,LCM)作为土壤颗粒间的接触模型;基于土壤堆积试验,以土壤颗粒间恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数和土壤粘附能量密度为因素,以土壤堆积角为指标,利用EDEM进行通用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分析,以实测的土壤堆积角作为优化目标值,获得土壤颗粒间的最佳接触参数组合;利用土壤屈服试验获得HSCM模型参数;基于斜面滑动法原理,利用倾斜板试验台测得土壤与Q235钢和橡胶之间的静摩擦系数,并以此为基础,采用土壤滑落试验,以滑动摩擦角为响应值,对土壤颗粒与Q235钢和橡胶之间的恢复系数和滚动摩擦系数进行寻优,得到最优解参数组合。为验证标定优化的离散元模型参数的准确性,采用刮土板土槽试验和仿真试验进行对比分析,获得刮土板在土槽试验和仿真试验中的水平前进阻力分别为228.36 N和213.79 N,两者之间的相对误差为6.38%,表明仿真模型中土壤的物理力学特性与实际土壤基本一致,验证了葡萄藤防寒土离散元仿真参数标定结果和研究方法准确可靠。研究结果可为基于离散元法研制适用于北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土清土机提供理论基础和技术支撑。     

基于EDEM的双螺旋奶牛饲喂装置给料性能分析与试验

奶牛精确饲喂技术的实施不仅能够促进奶牛业健康发展,而且还能够提高牛场经济效益。基于牛场现状,该文在设计的等径双螺旋精确给料的奶牛饲喂装置基础上,理论分析了物料输送速度与给料时间,通过Solidworks对双螺旋给料装置进行了三维建模,并利用EDEM软件分别对40 mm搅龙和70 mm搅龙不同转速(80、100及120 r/min)的给料过程进行了离散元仿真,分析了装置给料稳定性,结果表明,40 mm搅龙在转速为120 r/min时变异系数为0.052 2,70 mm搅龙在转速为100 r/min时变异系数为0.105 2,给料稳定性最优。为进一步验证仿真结果,在搭建的双螺旋给料饲喂装置上,对40 mm搅龙和70 mm搅龙进行了给料试验,试验结果显示,40 mm螺距搅龙转速120 r/min和70 mm搅龙转速100 r/min时给料稳定性最优,试验结果与仿真结果吻合。在验证装置给料稳定性基础上,对给料精度进行了试验,结果显示:40 mm搅龙和70 mm搅龙在80、100、120 r/min等不同工作转速组合下,给料精度均大于95%,当40 mm搅龙转速为120 r/min,70 mm搅龙转速为100 r/min时,给料时间为14.1 s,给料量为6.009 kg,装置给料精度不低于99.835%,符合奶牛精确饲喂效率与精度要求。     

油菜毯状苗移栽机开沟镇压部件设计与参数优化

针对插秧机底盘空间受限、配重低等问题,借鉴插秧机切块栽插原理,增设开沟、覆土镇压功能,设计驱动型波纹圆盘开沟与镇压部件,形成适宜稻板田移栽的油菜毯状苗移栽机。在确定圆盘结构参数的基础上对圆盘运动轨迹进行了分析,建立了机具前进速度、开沟深度和圆盘转速等主要参数的匹配关系,在机具最大前进速度1.5 m/s时解得圆盘转速为115 r/min。为确定镇压轮最佳设计参数组合进行了田间试验,通过对机具前进速度、轮盘夹角、单轮倾角和开距,采用响应面试验分析方法建立主要影响因素与考察指标之间的回归数学模型,确定最佳参数组合:机具前进速度0.95 m/s,轮盘夹角为19°,单轮倾角为45.8°,开距为64.1 mm,测得秧苗直立度合格率为86.66%和离土力为3.31 N,与理论值绝对误差分别为0.69%和3.50%。该研究可为毯状苗切块栽插旱地移栽机设计提供参考。     

主动旋转集行式清秸装置设计与试验

针对东北地区在秸秆全量粉碎还田条件下玉米免耕播种作业时,被动分茬式清秸装置清秸率低,主动条旋式清秸装置草土混埋造成出苗率低的问题,该研究设计了一种主动旋转集行式清秸装置,首先通过理论分析与参数计算确定了清秸弹齿关键部件结构和工作参数。进一步运用土槽试验的方法,选取机组前进速度、清秸弹齿转速和清秸弹齿渗透量为试验因素,以种带清秸率为试验指标,进行二次旋转正交组合试验,建立了试验指标与影响因素回归模型,确定清秸装置最优作业参数组合为机具前进速度1.4 m/s,清秸弹齿转速400 r/min,弹齿渗透量19 mm。并通过田间试验对该装置作业性能进行验证。试验结果表明,最优参数组合下,20 cm宽度种带清秸率为98.3%,平均作业功率为605 W,满足东北地区玉米免耕播种作业农艺和技术要求。该研究可为免耕作业机具清秸装置设计提供参考。     

玉米原茬地侧向清茬刀设计与试验

针对玉米原茬地免耕播种作业过程中残留玉米根茬和须根导致施肥播种部件堵塞、播种质量降低等问题,该文设计了一种玉米原茬地免耕播种用侧向清茬刀,分析了侧向清茬刀工作与结构参数对根茬清除率、土壤扰动率和功耗的影响。对侧向清茬刀清茬、输送、抛扔等作业过程进行分析,并依此对侧向清茬刀结构及正切刃工作曲线进行设计,确定了影响其作业性能的关键参数。应用三因素三水平正交试验和模糊综合评价方法,选取正切刃折弯角α、正切刃宽度B、清茬刀角速度ω为影响因素,根茬清除率、土壤扰动率、当量功耗为性能指标,对影响作业性能的侧向清茬刀结构和工作参数进行优化。结果表明:在作业速度7.2 km/h条件下,正切刃折弯角0.86 rad、正切刃宽度50 mm、清茬刀角速度52 rad/s时,根茬清除率为94.3%,土壤扰动率为54.3%,当量功耗为3.4 kW,工作过程中未出现堵塞与秸秆缠绕现象。研究结果可为玉米原茬地免耕播种作业提供参考。     

洁区播种思路下麦茬全秸秆覆盖地花生免耕播种机研制

针对黄淮海花生主产区常规机播多种机具多次下田、生产成本高问题,以及传统免耕播种不适宜全秸秆覆盖地作业,存在缠绕壅堵、架种、晾种问题,研制了基于“洁区播种”思路的麦茬全秸秆覆盖地花生免耕播种机。该机配套75 k W以上拖拉机,作业幅宽2 400 mm,可一次完成碎秸清秸、苗床整理、施肥播种、均匀覆秸,整个施肥、播种、覆土作业在无秸秆影响、相对“洁净”的区域内完成,纯生产率大于0.53 hm2/h,适宜麦收后秸秆未作任何处理的全秸秆覆盖地。田间试验及测产表明,该机作业顺畅、可靠、播种质量高,作业后麦秸秆平均长度115 mm,秸秆覆盖均匀率83%,播种施肥平均深度分别为46和59 mm,合格率分别达到98%和89%,每公顷产量约为5 749.5 kg,各项作业指标均符合主产区花生生产要求。该研究提出的“洁区播种”思路亦可实现全秸秆覆盖地免耕播种小麦、玉米、大豆等不同旱地作物,为推进机械化秸秆禁烧提供了适宜装备。     

4PZ-1型自走式酿酒葡萄收获机的研制与试验

针对新疆人工采收酿酒葡萄劳动强度大、效率低下,缺乏适应新疆酿酒葡萄种植模式的收获装备问题,研制了一种自走式酿酒葡萄收获机。该机采用全液压驱动,主要由振摇分离机构、收集输送机构及自走式液压底盘三大部件组成,一次作业1行,可一次性完成对酿酒葡萄的分离、输送、除杂及收集作业。田间试验结果表明:在地形平坦,酿酒葡萄含糖量达到18%的情况下,该机以2 km/h的速度进行收获作业时可获得较佳采收效果,该速度下主要指标平均生产率为0.6 hm2/h,平均果实采净率为93.8%,平均果实破损率为9.3%。该研究可为推动中国酿酒葡萄收获机的国产化进程提供参考。     

基于离散元法的旋耕刀三向工作阻力仿真分析与试验

为分析旋耕刀所受三向工作阻力及其变化规律,该文通过实测南方果园土壤颗粒参数,逆向重构旋耕刀三维实体,基于离散元颗粒接触理论,构建了适应南方土质环境的旋耕刀-土壤相互作用仿真模型。土槽扭矩对比试验表明,仿真值与试验值的变化趋势相同,扭矩均随转速增加而变大,最大相对误差10%;扭矩先从0增加到某个最大值,接着逐步减小到一个低值,随后又快速增加到一个高值,最后回落,该变化过程同旋耕刀与土壤之间的接触状态相关。单刀受力仿真分析表明,水平阻力方向与前进方向相同,侧向阻力方向为由刀具弯折区内侧面指向刀体,垂直阻力方向为先垂直土面向上后转为向下;水平阻力和侧向阻力在最大耕深处出现最大值,而垂直阻力在入土后转动约30°时出现最大值;水平阻力和垂直阻力的仿真波形与理论计算、土槽试验结果比照表明,对应曲线的变化趋势基本一致,且仿真结果与土槽试验结果更为接近,水平阻力相对误差为11.3%,垂直阻力相对误差为16.8%;水平阻力最大值大于侧向和垂直方向阻力最大值,水平阻力是功率消耗的主要因素;随着转速的增加,3个方向阻力最大值均增大,当转速高于250 r/min时,增速加快;侧向阻力和垂直阻力随前进速度增加而平稳增大,水平阻力却出现下滑趋势;耕深对三向阻力的影响比较显著,增加耕深会急剧增大三向阻力值。相关试验数据可为旋耕机能耗分析、机体作业振动及刀片磨损等研究提供参考。     

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。