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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

弹齿式收膜机工作部件的研究

地膜覆盖栽培技术在我国已经得到广泛地应用,而收膜机是当前生产上急需的机具。本文论述了弹齿式收膜机工作部件的原理,主要参数的选择及相互关系,分析残膜回收的一般规律。提出由弹齿拾膜轮和推板组成的复合机构,完成拾膜、脱膜和集膜的工艺过程,松土部件的型式及对松土工艺的要求。     

免耕播种机土壤工作部件测试装置设计与试验

随着保护性耕作技术的发展,要求配套机具的性能越来越完善,但是目前适合于东北垄作的玉米垄作免耕播种机的工作质量还无法满足免耕播种技术要求,存在机具质量过重、作业时破坏垄型、破茬率低、清茬效果不显著等不足。为了优化免耕播种机的关键部件,研制了一种免耕播种机土壤工作部件测试装置,可用来对土壤工作部件进行测试。根据测试可以确定土壤工作部件的工作阻力（大小、方向、着力点）、工作深度和机具配重等参数。通过对阿基米德螺线型破茬盘工作性能测试,得出破切开玉米根茬根上节的工作阻力为1868.38 N,受力方向角度为67.66°,破茬深度为7.52 cm,其着力点的作用线与被测土壤工作部件的中心距离为4.59 cm,装置及配重总质量应大于175.79 kg。研究成果为优化改进适于东北地区玉米垄作免耕播种机的关键部件,以及旱地合理耕层构建土壤工作部件的优化设计提供理论参考。     

爪式松土机仿真分析与优化设计

针对第一代样机在试验过程中出现的松土爪拱土和整机抖动现象,对松土爪的运动轨迹进行了研究,探明了拱土的原因。依据松土爪运动规律的分析,找出影响其作业性能的关键结构参数,对松土机构进行了改进设计。在ADAMS系统环境下,进行了虚拟建模和运动学仿真试验,优化样机技术参数,完成了第二代样机的试制与试验。试验结果表明,第二代样机不仅有效地克服了因松土爪拱土而引起的整机抖动,且各项作业指标也达到了松土机具的设计要求。     

超声波振动下农机触土部件-土壤相互作用力学特性

为了揭示超声波高频振动条件下农机触土部件与土壤的相互作用力学特性,构建了该条件下农机触土部件运动理论模型,基于所建模型,分析了高频振动条件下触土部件与土壤间相互作用中的接触分离条件和冲击碎裂效应,理论上解析了超声波振动条件下触土部件碎土与降阻机理。设计建立了超声波振动触土部件土槽试验系统,试验研究了超声波高频振动条件下触土部件工作阻力和碎土特性。试验结果表明,超声波振动激励下,触土部件工作阻力比无振动状态明显降低,土壤硬度越大,其降阻率越高,当土壤硬度由1 MPa增加到4 MPa时,降阻率从22%上升到43%;在土壤含水率15%～30%范围内,含水率越低,降阻率越大,当含水率超过30%后,随含水率的增加,降阻率略有增大。由于超声波高频振动激励下工作的触土部件对土壤的冲击碎裂和能量传递作用,能够使其瞬时工作阻力的波动稳定性得到改善和获得更强的碎土作用。在土壤硬度为1 MPa时,工作阻力的波动稳定性改善不显著,随土壤硬度的增大,工作阻力波动度降低率明显增加,当土壤硬度为2.5和4 MPa时,对应工作阻力波动度降低率达37.1%和54.3%。该研究可为高频低幅振动农机触土部件应用方案的实施提供技术支撑。     

残膜回收机主要工作部件的研究

残膜回收机是残膜回收机械化的重要机具。该文对残膜回收机具中几个主要部件的工作原理及其相互配置进行了分析研究,同时推导出挑膜弹齿线速度与机具前进速度的关系式,为残膜回收机的设计提供了理论依据。实验和理论计算表明,各工作部件的设计原理是正确的,理论计算满足拾膜作业的要求。     

行间免耕播种机防堵装置设计与试验

针对行间互作和宽窄行交替休闲2种保护性耕作模式缺少配套免耕播种机的现状,该文设计了一种适用于行间互作模式和宽窄行交替休闲模式的免耕播种机防堵装置,其采用组合刀片式结构,具有作业功耗小、秸秆切断率高等优点。通过理论建模和动力学分析相结合的方法对其关键部件秸秆滑切刀片滑切秸秆的过程进行研究,得出秸秆滑切刀片侧切刃最优曲线应为一条等滑切角曲线。通过三因素三水平正交组合试验得出秸秆滑切刀片的最佳参数组合为：作业速度2.1 m/s、耕作深度35 mm、刀片回旋半径为185 mm,并进行验证试验得出秸秆切断率为90.9%,单把刀片功耗为8.15 W。该研究可为适用于行间互作或宽窄行交替休闲耕作模式的免耕播种机设计提供参考。     

盐碱地后悬挂随动式打孔通气机的设计与试验

针对现有盐碱土改良措施工程量大,农业生产成本高的问题,设计了一种后悬挂随动式打孔通气机,用于疏松土壤,提高土壤通透性,改善土壤环境。分析了该机器的组成及工作原理,建立了五杆打孔机构运动学模型,研究了打孔轨迹形成的机理,在确立关键部件约束条件的基础上,结合工作原理和运动特性,获得了打孔部件和随动装置的结构参数,及不同打孔深度下的最佳机组前进速度。借助Matlab软件进行了打孔通气机打孔过程仿真分析,结果表明：在最佳机组前进速度下,打孔过程中的打孔针摆动角度在?2.2°～2.3°之间变化,垂直性较好。基于理论与仿真分析,设计了后悬挂随动式打孔通气机样机,并对样机打孔特性进行了试验分析,试验结果表明样机打孔特性与理论分析结果一致,试验结果如下：样机作业速度为3～5 km/h时,成孔与水平方向的夹角均值在86.4°～88.5°之间,变异系数小于1.6%,垂直性较好,同时打孔密度为51～128孔/m2,工作效率为3600～6000 m2/h。该研究可为开展盐碱土机械化改良提供参考。     

纵轴流联合收获机关键部件改进设计与试验

针对当前履带式纵轴流联合收获机中存在的工作状态无法在收获不同作物间快速转换,割台损失率较高、脱粒分离能力较差以及功耗高等不足,对割台、脱粒、清选、行走等主要工作部件进行了改进设计与试验研究。将割台设计为无级调速可伸缩式结构,脱粒装置改为纵轴同径差速滚筒脱粒装置,采用单HST(hydro static transmission)原地转向行走装置及防粘附清选装置,并经室内试验和田间试验表明:可伸缩割台能实现稻麦收割状态与油菜收割状态的快速转换,扩大了割台的使用功能,收获油菜损失显著减少,与常规相比较,油菜损失率降低2.8个百分点;差速轴流滚筒提高了脱粒效果和分离能力,与等长度单转速轴流滚筒相比,夹带与脱不净损失率分别减少了0.02个百分点与0.09个百分点,破碎率减少了0.017个百分点;原地转向行走机构减少了地表土壤的破坏并降低了转向功耗,以原地转向替代单边制动转向时,节约功耗37.0%;清选机构抖动板和清选筛面经不沾水处理,改善了潮湿谷物的清选性能,清选损失率降低0.9个百分点,含杂率降低0.4个百分点;这些联合收获机主要工作部件的改进设计提高了整机工作性能,以期为联合收获机主要工作部件改进,提高联合收获机工作性能提供参考。     

基于ANSYS/LS-DYNA的螺旋刀辊土壤切削有限元模拟

为揭示秸秆还田耕整机的螺旋刀辊与土壤之间的关系特性,根据螺旋刀辊切削土壤的工作特点,利用ANSYS/LS-DYNA971软件对螺旋刀辊土壤切削过程进行模拟,得出了螺旋刀辊切削土壤的功率消耗、切削阻力的大小以及土壤等效应力的变化规律.模拟结果表明,螺旋刀辊转速为300 r/min,机组行进速度为1.1 m/s 时,单组螺旋刀辊切削土壤的最大功耗为6.4 kW,最大切削阻力为2820.7 N,且土壤最大等效应力发生在横刀刚入土时的内侧面,所得功耗值与经验推导值相符.研究结果为双轴型水田高茬秸秆还田耕整机的系统参数优化设计提供参考.     

圆盘式开沟机作业功耗仿真分析及试验验证

为探明土壤条件和工作参数对圆盘式开沟机作业功耗的影响规律,该文采用光滑粒子流体动力学方法构建了土壤-开沟刀盘的有限元模型,利用ANSYS软件中的显示动力模块LS-DYNA对开沟刀盘土壤切削过程进行仿真分析,得出开沟刀盘在土壤切削过程中功率消耗的变化规律。结合正交试验设计和数值模拟技术,研究土壤坚实度、刀盘转速和开沟深度对圆盘式开沟机作业功耗的影响规律,得出影响作业功耗的因素主次顺序是土壤坚实度开沟深度刀盘转速。采用多变量单目标优化方法,建立关于土壤坚实度、刀盘转速和开沟深度的作业功耗模型,利用Matlab软件对功耗模型进行求解,得出当土壤坚实度为120 N/cm~2,刀盘转速为225 r/min,开沟深度为405 mm时,作业功耗最小为32.4 k W。通过土槽试验对优化结果进行验证,结果表明:理论值与试验值的相对误差为5.68%,作业功耗模型和优化结果具有较高的准确性。该研究可为圆盘式开沟机选择节省功耗的参数组合提供参考。     

改进的模糊化神经网络的土壤振动掘削阻力软测量模型

为实现土壤振动掘削过程节能减阻,分析了振动频率、振幅和插入速度等对土壤振动掘削阻力的影响,并以振动频率、振幅和插入速度等特征参数作为二次变量,采用清晰集构造模糊集方法对土壤振动掘削阻力软测量模型特征参数进行模糊化,利用改进的模糊化神经网络建立了土壤振动掘削阻力软测量模型。土壤振动切削力软测量实际应用结果表明,土壤振动掘削阻力软测量值的建模精度和泛化能力是很高的,所得的最大训练相对误差约为0.67%,最小测试相对误差约为-0.4%,有利于土壤振动掘削阻力的快速精确测量。     

土方作业动态切削的可视实时仿真

针对液压挖掘机驾驶模拟器土方作业仿真中缺乏时变负载——土壤切削阻力,基于Delta3D视景仿真引擎和多体动力学实时交互软件Vortex搭建了系统软件框架,实现了挖掘机车辆动力学特性的真实模拟,并建立了铲斗与土壤的交互仿真平台。根据挖掘机铲斗的实际作业情况,将土壤假定为刚塑性体,并引入地形倾角、加速力、土壤对铲斗侧面摩擦力等参数,推导并修正了Reece提出的土壤切削基本方程,实现了土方作业中土壤动态切削的可视实时仿真。将模型导入到某驾驶模拟器中,进行3次交互作业,获得了土壤相对于铲斗的切削阻力,并对影响切削阻力的因素进行了分析。仿真平台逼真度高、交互性强,实现了铲斗与土壤交互作业具有物理学行为的拟实模拟,可为操作培训人员和产品开发人员提供可视化和交互性的手段,提高培训效果和产品开发效率。