苗木嫁接机器人切削机构模拟试验

为研究满足苗木嫁接机要求的切削机构,设计了半旋转切削机构并优化其结构参数.选取桃、李、柑橘、葡萄和板栗五种嫁接幼苗作为试验对象,在模拟切削试验装置上进行了切削模拟试验.试验结果检验该半旋转切削机构的可行性及分析得出了影响切削阻力试验指标和切削成功率试验指标的主、次试验因素.研究表明影响苗木切削的因素:苗木平均直径、转速、滑切角分别与切削阻力和切削成功率的相关性.综合得出,该半旋转切削机构是可行的;苗木直径、转速和滑切角分别较大地影响切削阻力和切削成功率,苗木直径是主要影响因素,实行工厂化育苗来有效保证苗木直径大小和均匀性;转速调节范围50～60 r/min,滑切角调整略人于30°.     

甘蔗茎秆切割力试验

切割力试验是研究甘蔗茎秆切割机理的重要手段。该文在自制的单刀切割试验台上，通过对滑切角、刀盘倾角和切割速度进行三因素三水平正交试验，研究各因素对单位切割力和最大切割力的影响，在此基础上，进行切割速度单因素试验。试验表明：对单位切割力影响的主次顺序为切割速度－滑切角－刀盘倾角；对最大切割力影响的主次顺序为切割速度、刀盘倾角、滑切角。刀盘倾角对最大切割力影响较显著，而对单位切割力影响不显著。进行作物粗茎秆切割力试验时，以单位切割力为试验指标比较合理。单位切割力与切割速度之间呈线性关系，切割速度越大，单位切割力也越大。     

豆禾牧草茎秆的力学特性试验

为了应用力学性能指标对豆禾牧草茎杆进行评价,以多年生豆科牧草紫花苜蓿、绿宝石小冠花和禾本科牧草扁穗冰草、无芒雀麦4个品种刈割期茎秆为试验对象,在500 N微机控制电子万能试验机上进行拉伸和剪切试验,测得4个品种拉伸和剪切（砍切、斜切和滑切）的最大载荷、应力、应变和弹性模量等力学指标。用统计软件对牧草茎秆力学特性进行相关性分析。结果表明：豆禾牧草的抗拉强度与其直径之间呈幂函数负相关关系;刈割期茎秆外径差异不大,豆科略大于禾本科牧草,但禾本科牧草抗拉强度是豆禾牧草的3～4倍;茎秆抗剪切强度均随直径增大有减小的趋势;加载速度为100 mm/min时,砍切的切割阻力最大,斜切的切割阻力比砍切低30%～40%;当滑切角为30°时,滑切阻力比砍切阻力降低50%～60%。试验结果为设计牧草收获机、打捆机及深加工等机具提供了理论依据。     

苹果枝条往复式切割剪枝参数分析与试验

为探究苹果枝条剪切力学特性,寻找最优切割参数组合,支撑后续剪枝装备的开发,该研究利用自制的往复式枝条切割试验台,通过单因素试验研究枝条直径、平均切割速度、切割间隙和刀具滑切角对枝条峰值切割力的影响。在单因素试验基础上选取平均切割速度、切割间隙和刀具滑切角为影响因素,以峰值切割力为目标进行多因素试验,并建立回归模型。试验结果表明,峰值切割力与枝条直径呈线性增长关系,随着平均切割速度和滑切角的增大而减小,随着切割间隙的增加先减小后增大。对回归模型进行优化分析,得到最优切割参数组合为平均切割速度0.4m/s、切割间隙1.5 mm、刀具滑切角20°,该组合下的峰值切割力为560.97 N。峰值切割力的预测值与实测值的偏差小于4%,切割参数优化结果可靠。该研究可为后续苹果枝条修剪装备的研发提供数据支撑。     

小型甘蔗收获机切割器试验研究

小型甘蔗收割机切割器必须具有切割功耗(切割扭矩)和切割损失小的特点。通过正交试验，对影响这两个评价指标的切割参数进行单、多因素试验，得出切割参数的主次顺序，即刀盘转速、刀盘倾角、刀刃滑切角。进而采用正交多项式回归分析方法对试验数据进行处理，获得影响这两个评价指标的数学模型。利用该模型对切割参数进行优化，获得切割损失和切割功耗均较小的最佳切割参数组合：刀盘转速为685 r/min，刀盘倾角为9°，刀刃滑切角为26°，从而为小型甘蔗收割机切割器设计提供依据。     

采用SPH方法的黏土切削特性分析

黏土在切削破坏过程中力学特性复杂。为较精确地描述黏土切削破坏过程与预估切削阻力，该研究基于弹塑性力学本构，建立了光滑粒子流体动力学（SPH）框架下的黏土剪切破坏模型和Grady-Kipp张拉损伤破坏模型，并进一步将其耦合得到混合破坏模型。为验证该混合破坏模型开展了简单的黏土切削破坏试验，切削破坏变形的试验结果与模拟结果展示了良好的一致性，裂纹发展方向和裂纹形状有着良好的对应关系。在土-切削部件互作模型的基础上，进一步预测了黏土切削破坏过程中切削部件的切削阻力演化过程，并分析了切削深度及切削部件摩擦系数对黏土切削破坏形态和切削阻力的影响。结果表明，切削深度为0.01、0.02和0.03 m时对应的切削阻力峰值分别为7.89、9.90和11.07 N，切削阻力随切削深度的增加呈增大趋势。切削部件摩擦系数为0.1时对应的波动平缓后的切削阻力最小，为6.1 N。研究可为优化农业机械刀具的结构参数、运动参数，降低作业功耗，减少切削阻力，实现更好的黏土耕作效果提供参考。     

青菜头缩短茎滑切刀研制

青菜头机械化收获水平低下是制约青菜头产业发展的重要原因之一。为解决青菜头机械化收获过程中缩短茎切割难度大和农机与农艺融合程度低等问题,该研究提出了一款滑切式青菜头收获机并对其滑切刀作业参数进行分析与试验。首先,基于青菜头收获农艺要求阐述青菜头收获机整机及其切根装置的结构及工作原理,根据受力分析确定滑切刀安装方式。然后,对紫色土壤和滑切刀的接触参数进行标定并基于EDEM建立土壤-滑切刀互作模型,仿真分析不同作业速度、刀具夹角对滑切刀作业阻力的影响。结果表明:1)相同速度下,滑切刀交叉夹角与作业阻力负相关;2)相同滑切刀角度下,滑切刀作业阻力与作业速度正相关。以滑切刀切削阻力为评价指标,作业速度、刀具夹角、切割距离为影响因素进行切割试验并对试验参数进行优化,结果表明:滑切刀作业速度与切削阻力呈正相关,切割距离与切削阻力呈负相关,刀具夹角从60°到120°,切削阻力先减小再增大。影响切削阻力大小的主次因素顺序为作业速度、刀具夹角和切割距离。优化圆整后的滑切刀作业速度为0.1 m/s,刀具夹角65°,切割距离20 mm,3次重复试验得到的切削阻力依次为141.24、156.32和150.65 ...     

虎杖根系脱土滑梳式辊指的设计与试验

根系脱土是中药虎杖收获的重要环节,采用直线梳刷式脱土辊指实现根土分离极为有效,然而直辊与根系作用时,常出现相互勾连、扯拉等不良状况,致使脱土功耗显著增加,为此该文融入滑切方式,设计了一种曲线滑梳式脱土辊指。根据滑切理论,确定了辊指滑梳的临界条件,利用对数螺线方程建立了辊指梳刃的曲线方程,通过辊指的动力学分析,建立了辊指作业的功耗模型,确定了辊指转速、辊指作业长度、辊指滑切角为功耗的主要影响因素,并根据摩擦角与滑切角关系,利用Matlab软件得到摩擦角和滑切角与功耗的伪彩色能量图,确定功耗最小所对应的辊指滑切角为67°。进行功耗及脱净率试验,利用多目标优化设计方法对试验结果进行综合评价。结果表明:在辊指转速为350 r/min、辊指作业长度为30 mm、辊指滑切角为67°时,脱土辊指的作业性能较优,此时脱净率为93.03%,功耗为76.73 W。研究结果可为虎杖根土分离部件的结构改进设计和作业参数优化提供依据。     

双动刀沙棘枝条切割参数分析与试验

针对国内缺少沙棘专用机械收获装备、探明沙棘枝条最优切割参数组合,该研究设计了双动刀沙棘枝条切割试验台并开展沙棘枝条切割试验,确定了切割装置关键结构参数,基于LabVIEW开发了沙棘枝条切割特性测控系统和数据采集软件。通过单因素试验探究平均切割速度、刀具滑切角、刀刃高度和动刀组数对单位直径峰值力及单位面积切割功耗的影响;采用Box-Behnken多因素试验设计方法,以平均切割速度、枝条喂入速度和刀具滑切角为试验因素,以单位直径峰值力和单位面积切割功耗为评价指标建立回归模型。试验结果表明,评价指标随着平均切割速度、刀具滑切角和刀刃高度的增大而减小,在双动刀时比单动刀时数值更小。通过响应曲面法优化回归模型,确定最优切割参数组合为平均切割速度0.45 m/s、枝条喂入速度0.64 m/s、刀具滑切角9.4°,该组合下单位直径峰值力为53.33 N/mm,单位面积切割功耗为69.87 N/mm²,模型误差小于5%,切割参数优化结果准确。研究结果可为后续沙棘枝条收获装备的研发提供数据支撑。     

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。     

面向结构参数的滚珠丝杠副动态接触角建模

为研究滚珠丝杠副结构参数对接触角的影响,基于Hertz理论和滚道控制理论,综合考虑滚珠、螺母和丝杠滚道的结构参数,以间隙、公称直径、滚珠直径、螺旋升角及滚珠数量作为变量,建立滚珠丝杠动态接触角模型,得到面向结构参数的接触角非线性方程组,给出采用Newton-Raphson法进行迭代求解的流程。基于动态接触角模型进行讨论和实例分析,研究不同工况下的结构参数对滚珠丝杠副动态接触角的影响规律。结果表明:工作中的滚珠丝杠副丝杠侧的内接触角始终大于螺母侧外接触角;滚珠与滚道间隙量增大0.1 mm,内、外接触角增大约7°;公称直径增加则外接触角减小、内接触角增大;滚珠直径和滚珠数量的增大会导致外接触角减小、内接触角先减小后增大;螺旋升角对接触角影响很小,内、外接触角变化幅值均不到0.006°。该研究为滚珠丝杠副结构尺寸优化、动态特性分析、提高设计精度提供了参考。     

小型通用四冲程汽油机循环波动特性研究

根据实测小型通用四冲程汽油机气缸压力,分析了最大爆发压力、最大爆发压力所对应曲轴转角、平均指示压力以及最大压力升高率等参数的循环波动特性,以及点火提前角、负荷和发动机转速对循环波动的影响。试验结果表明：在低速及小负荷工况下,循环波动率较大;在全负荷及标定转速下,循环波动率小。适当加大点火提前角,可使原机的稳定性变好。     

蔬菜嫁接苗高速切割装置设计

针对现有嫁接机存在技术不成熟、价格较高、难以大规模推广应用的问题,提出一种采用高速蔬菜苗切割输送装置配合人工嫁接的新型嫁接模式。蔬菜苗高速切割输送装置包括穴盘输送装置、拨苗装置、切割装置和蔬菜苗输送装置等。根据切割装置结构和工作原理,分析了穴盘输送速度、拨苗轮转速和切割频率之间的关系,并进行了试验研究。试验结果表明:切割装置采用成排连续切割的方式,其蔬菜苗切割效率达到37 000株/h,能够满足嫁接流水线37个人工嫁接工位的用苗需求,达到了30工位的设计要求;刀具切割频率、拨苗轮转速需要匹配穴盘输送速度才能获得最小伤苗率和最优切割成功率。该装置的研制为规模化嫁接苗的生产提供了一种高效率、低成本的人机协同生产方式。     

基于机器视觉的白掌组培苗在线分级方法

白掌在观叶类花卉中占有很大比例,其育苗多采用组织栽培法,且组培苗生产具有规模化。为提高成苗出苗品质,需要在组培苗炼苗前对其分级,而目前常用分级法不能有效解决自然状态下水平放置的白掌组培苗存在的叶片扭曲和重叠问题,因此该文提出一种基于机器视觉实现白掌组培苗在线分级的方法,通过对自然状态下水平放置的白掌组培苗的叶片面积、苗高、地径以及投影面积的分析,得到其投影面积与叶片面积呈线性关系,相关度为0.9344;投影面积与地径呈多项式函数关系,相关性为0.9067,故确定组培苗投影面积和苗高为实际生产中的分级指标。该文采用基于颜色模板匹配算法测量组培苗投影面积,得到的叶片面积和地径与实际叶片面积和地径的变异系数相对误差分别为0.35%和7.95%;利用最小外接矩形法(MBR,minimum bounding rectangle)测量苗高,得到的苗高和实际苗高变异系数相对误差为1.44%。通过整机分级试验发现在输送间距为0.25 m,输送速度为0.5 m/s,分级级别为3级的条件下,该分级装置的分级成功率可达96%,对应生产率为7 200株/h。     

半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机设计与试验

针对目前使用压缩基质培育的钵苗无法使用现有移栽机械完成栽植工作的问题,模仿人工先打穴后放苗的移栽方式,设计了一种半自动压缩基质型钵苗移栽机,包含有间歇式打穴装置、持苗栽植装置和钵苗输送装置。通过单因素试验测得2组不同含水率的西瓜钵苗的钵体侧面与滑道的摩擦系数分别为0.755、0.634,并分析了2组钵体抗压载荷与压缩量之间的关系。根据西瓜种植农艺要求及西瓜钵苗外形尺寸,确定了打穴器及钵苗夹持机构的结构尺寸。按照已知运动规律对摆动机构进行优化设计,阐述了持苗栽植装置的工作过程,使用解析法对其进行了运动分析。试验结果表明,拖拉机保持2.1~2.6 km/h的速度前进时,该机作业的平均株距为98.6 cm,株距合格率为90.62%;倒伏率为21.9%,能够基本满足西瓜钵苗移栽的要求。该研究为半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机的设计提供了参考。     

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。     

农作物秸秆切割试验台测控系统的研制与试验

为了准确测量农作物秸秆在切割过程中的力学特性,研究各因素对秸秆切割性能的影响,在已有秸秆切割试验台的基础上,研制了一套基于LabVIEW虚拟仪器的秸秆切割特性测控系统。该系统主要有电动机控制系统、数据采集系统及上位机系统3部分组成,实现了秸秆切割速度、喂入速度的连续可调,切割过程中的主轴扭矩、切割力、切割速度、喂入速度等信号可高速实时采集与显示,并具有数据保存和回放等功能。试验表明,该测控系统能够较好地实现切割速度与喂入速度在0～2 m/s范围内的任意组合以及切割扭矩、切割力和转速在0～10 kHz采集频率下的测量与分析,为切割刀具参数的优化和秸秆收割收获装备的开发提供了理论依据与技术支持。     

龙眼树枝修剪机具刀片切割力的影响因素试验

为降低机械化修剪机具刀片切割力,提高切口质量,该文在自制切割试验台上进行了石硖品种龙眼树枝切割试验。对树枝直径、切割速度、切割间隙、动刀刃角和动刀刃形5因素进行了单因素试验。在单因素试验的基础上选取正交试验的因素水平,进行了刀片峰值切割力正交试验。单因素试验结果表明,刀片峰值切割力均值与树枝直径呈极显著幂函数正相关关系,与切割速度之间呈显著对数函数负相关关系,与切割间隙之间呈显著二次多项式函数关系,与动刀刃角之间呈极显著指数函数正相关关系;外圆弧形刃口刀片切断同样直径的树枝时最省力。正交试验结果表明,切割速度为500mm/min,切割间隙为0.9mm,动刀刃角为10°时,峰值切割力最小为1.58kN。试验结果为设计省力、切割质量好的刀片提供了依据。