设施蔬菜收获机拉拔力学性能EDEM仿真与试验

针对设施蔬菜收获机在蔬菜拉拔的高度不能满足要求,根茎露出的距离过短,导致蔬菜切散,收获失败的现象,该文通过建立影响拉拔效果的拉拔力数学参数方程,以及对蔬菜根部和茎部的生物力学特性进行研究,从而建立蔬菜拉拔过程离散元仿真模型,利用离散单元软件EDEM(engineering discrete element method),对蔬菜拉拔机理进行研究,从而确定最佳拉拔力及拉拔效果影响工作参数。通过仿真分析,得到蔬菜拉拔力与蔬菜位移的曲线及蔬菜拉拔仿真过程现象图,确定在最佳拉拔距离高度为20 mm时,对应最小拉拔阻力为26.87 N;利用对蔬菜根茎的拉伸压缩试验,得到在安全系数为1.1情况下,蔬菜根茎最大安全拉拔载荷为37.5 N以及蔬菜茎部最大安全压缩载荷为84.36 N。根据拉拔力的上下限,结合拉拔数学参数方程,确定了满足种植1~6株蔬菜的种植槽运输架的倾斜角度为17.8?,并核算在此倾斜角度下蔬菜茎部所受最大推力小于蔬菜最大破坏力值。将最终工作参数应用于单排样机试验,得到良好的收获效果,验证了设施蔬菜收获机关键参数取值的合理性,并为后续多排收获的整机研制打下了良好基础。     

设施蔬菜收获切割影响因素优化试验

为实现设施蔬菜收获机在收获过程中具有最佳的收获效果,该文设计了SHQG-I型设施蔬菜收获切割试验平台,该试验平台可对各个因素有效工作范围进行调整,采用响应曲面试验法对收获过程中刀具切割蔬菜茎部的切割综合影响因素进行优化。该文以奶油生菜为研究对象,根据奶油生菜的生长状况及种植情况,对收获切割的过程进行了分析,选取设施蔬菜的切割部位、切割方式、切削速度、削切角度、夹持距离、夹持角度6个参数作为影响因素,切割力大小作为试验指标,设计了SHQG-I型设施蔬菜收获切割试验平台。利用响应曲面试验法进行了试验,并利用Design-expert软件对试验结果进行分析,确定最优的工作参数:切削速度675 mm/s,削切角度4.85°,夹持距离98.5 mm,夹持角度64.5°。最终确定最优参数下的理论切割力为17.9 N,实际切割力为17.4 N,保证了收获成功率100%的情况下,有效降低了收获过程中切割力3~8 N/棵。该研究结果将用于温室蔬菜收获机的改进,同时对设施蔬菜收获提供参考。     

甘蓝根茎切割力影响因素分析

为了合理设计4YB-1型甘蓝收获机切割装置,使其对甘蓝根切割效果更好.该文在微机控制多功能试验机上,进行单因素和多因素正交试验,研究了切割方式、切割刀片形式、切割速度和切割位置对甘蓝根茎切割力的影响.结果表明,切割位置对切割力的影响最大,切割力随着切割位置接近甘蓝顶层叶而减小,较优的切割位置距顶层着叶5~40 mm处,根径为22~30 mm用锯齿刀滑切时能大大降低甘蓝根茎的切割力;切割力随着切割速度的增加而减小,切割速度为150 mm/min 时有利于顺利切割,此时最大切割力为97.8 N;甘蓝根茎切割采用锯齿刀、滑切方式为宜.研究结果为4YB-I型甘蓝收获机切割器的设计和安装提供了理论依据.     

甘蓝根茎部切割部位及方式优化试验研究

为了获得甘蓝根茎部的较佳切割区域和切割要素组合,对甘蓝根茎部进行了切割试验研究。分析了甘蓝根茎部不同直径处的最大切割力、平均切割力、平均含水率和粗纤维含量的分布及相互关系。进行了切割4因素混合水平正交试验,研究了夹持方式、切割方式、切割方向和切割速度对切割力指标的影响。分析结果表明,最大切割力和平均切割力与直径的关系均可用二次多项式拟合,且与粗纤维含量呈线性关系,直径30~35 mm范围为较佳切割区域;夹持方式和切割速度对最大切割力和平均切割力的影响均显著,切割方式仅对最大切割力的影响显著,对平均切割力的影响不显著,切割方向对最大切割力和平均切割力的影响均不显著。较优切割要素组合为单点夹持方式、滑切、向下削切和低速切割。研究结果为甘蓝收获机切割器的设计与改进提供了理论依据。     

青贮玉米切叶蚁上颚仿生粉碎刀片设计与试验

针对青贮玉米收获机粉碎刀片锋利度差、滑切性能弱等问题,该研究以切叶蚁上颚为设计原型,采用逆向工程技术提取并拟合其上颚滑切曲线,并依据该曲线设计一种仿生刃口曲线。应用EDEM构建秸秆离散元模型进行仿真切割试验,对比仿生刀片、斜刃刀片、直刃刀片在横切角90°、切削角0°参数条件下对秸秆的切割力变化过程,并利用高速摄像机记录台架对比试验中秸秆切割变形过程,结果表明秸秆切割变形过程可分为3个阶段：挤压阶段、切割阶段及贯穿阶段。仿真试验中仿生刀片对秸秆的最大切割力相较斜刃刀片、直刃刀片分别降低4.05%、6.09%,台架对比试验中仿生刀片对秸秆的最大切割力相较斜刃刀片、直刃刀片分别降低10.53%、12.82%,仿生刀片在提高秸秆切面平整度和降低秸秆最大切割力方面均具有明显优势。以刀型、横切角、切削角为试验因素,以秸秆的最大切割力为试验指标开展秸秆切割台架正交试验。试验结果表明：刀型、横切角对秸秆的最大切割力有极显著影响,切削角对秸秆的最大切割力有显著影响。使用较优参数组合进行验证试验的结果表明,横切角90°、切削角20°、仿生刀片对秸秆的最大切割力为623.3 N。研究结果可为青贮玉米收获机粉碎刀片设计提供理论参考。     

甘蓝切根作业力学分析与参数优化

为获得甘蓝切根作业的最优切割要素组合,降低切根过程中的切根反作用力,该研究设计了一种可调式切根装置。首先基于显式非线性动力学分析理论建立切根作业数值模型,对双圆盘切刀切割甘蓝根茎的过程进行数值模拟,揭示切根作业力学机理,确定分力Fy可近似为切根力,切根反作用力Fy′为试验数据采集对象。并通过单因素试验研究,得到单个因素对切根反作用力的影响规律。进一步利用二阶正交旋转组合多因素试验,研究切刀转速、切割位置、行走速度、切刀重叠量和俯仰角度对最大切根反作用力的影响,并采用响应曲面法进行参数优化,建立最大切根反作用力与各因素之间的数学关系模型。结果表明,最优的切割要素组合为切刀转速200 r/min、切割位置17 mm、行走速度0.26 m/s、切刀重叠量22 mm、俯仰角度11°;此时最大切根反作用力为-22.5 N。在优化参数组合下进行验证试验,得到的最大切根反作用力为-21.8 N,切根合格率为96%。该研究可为甘蓝联合收获机切根装置的设计与改进提供理论依据和参考。     

基于数字图像测量技术的豆粕剪切变形特性

为了研究豆粕在剪切过程中的变形特性,利用基于数字图像测量技术的三轴仪,开展了豆粕三轴剪切试验。考虑了围压(25~100 kPa)、孔隙率(44.8%~50.9%)及颗粒破碎对豆粕强度及变形的影响,分析豆粕的不同变形发展阶段,并提出对应的应力应变模型,获得相关的强度和变形参数。试验结果表明,豆粕试样的应力应变曲线为软化型,随着围压增大,其强度软化性增大,剪胀性却逐渐减小。相同围压下,随着试样孔隙率减小,豆粕的峰值强度逐渐增大,剪胀角也逐渐增大,剪胀性表现越明显。不同破碎程度的豆粕颗粒分析结果对比发现,破碎后的豆粕峰值剪切强度增大,体变呈完全剪缩,围压越大剪缩现象越明显,这表明颗粒破碎对强度和变形影响很大,且围压对颗粒破碎的影响比孔隙率对颗粒破碎的影响大。最后,基于局部变形结果分析,将豆粕的应力应变曲线划分为3个阶段,即破坏前、破坏和残余阶段,提出了不同阶段对应的应力应变模型,获得了其强度和变形参数,得到破坏比为0.701 6。通过研究豆粕的剪切变形特性试验结果,获得了豆粕的强度、变形规律及其本构模型,可为粮仓结构的安全设计、优化分析及粮仓储粮等进一步数值仿真建模提供基础参考数据。     

甘蔗切割过程的有限元仿真

为了提高微型甘蔗切割器的性能,需要得到刀具倾角与切割速度对切割力,切割耗功,破头率等的影响。该文利用ANSYS/LS-DYNA对甘蔗切割过程进行有限元仿真。在仿真中建立了不同的刀具倾角以及切割速度组成的有限元模型,并使用LS-DYNA提供的MAT_WOOD材料模型以及接触侵蚀算法进行数值计算。仿真结果表明,切割速度变化对切割过程中的切割力,能量损耗和刀具最大应力的影响较为显著,倾角变化对切割力的影响较为显著。动刀倾角为0°时,切割力最小,动刀速度在0.5～0.9 m/s范围内,切割速度越大切割力越大。通过与试验的对比,发现在仿真中速度的变化对切割力大小趋向的影响与试验结果吻合,切割力最大值的相对误差小于20%。甘蔗切割的有限元仿真能降低试验成本,缩短试验时间,为样机的设计提供了依据。     

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。     

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。     

藤茎类秸秆专用切割刀片的设计与试验

为了解决传统切割刀片滑切角变动幅度大、受力不均、波动较大等问题,该文应用对数螺线方程,设计了藤茎类秸秆专用的等滑切角锯齿型刀片。通过对成熟期番茄藤和茄子藤在不同水分下的切割试验,结果表明:在刀轴转速为4 000 r/min、切割速度约为85 m/s的条件下,与普通刀片和等滑切角平型刀片相比,等滑切角锯齿型刀片切割番茄藤和茄子藤的电能分别为0.18和0.25 k W·h,消耗的切割电能少、切割效率高、切割效果好;40°等滑切角锯齿型刀片与45°的相比,40°等滑切角锯齿型刀片切割番茄藤和茄子藤的电能分别为0.38和0.49 k W·h,消耗的切割电能少、切割效率高、切割效果好;材料为Cr12Mo V的等滑切角锯齿型刀片与65Mn的相比,Cr12Mo V的刀片切割番茄藤和茄子藤的电能分别为0.17和0.24 k W·h,切割效果较好。该文设计的刀片在切割过程中受力较均匀,具有降低切割功耗、提高切割效率的作用,对于改进秸秆切割机械的工作性能和减小切割过程的能量消耗具有重要意义。     

面向机器人采摘的荔枝果梗力学特性

为了给荔枝采摘机器人夹持与切割器的设计和控制提供依据,对荔枝果梗分别进行了切割性能和夹持性能的影响因素试验以及弯曲试验。试验结果表明:峰值切割力和切割强度随着切割速度增加而减小,随着切割角度的减少而减少,凹刃和凸刃的峰值切割力和切割强度都比平刃小;除果梗直径因素外对峰值切割力和切割强度影响显著的因素均依次为切割角度、刃口形式和切割速度;切割角度每减少1,峰值切割力和切割强度分别减少4.45N和0.16MPa;相比平刃的峰值切割力和切割强度,凸刃分别减少166.90N和2.11MPa,而凹刃分别减少167.39N和4.21MPa。随着夹持力增加,荔枝果梗与夹持物间摩擦力增加,夹持物为橡胶时,摩擦力最大,夹持力对摩擦力的影响大于夹持材料;试验范围内,最大摩擦力为44.54N。荔枝果梗具有较强的抵抗变形的能力,平均弹性模量为867.15MPa;试验范围内,最大弯曲力的平均值为118.95N,抗弯强度的平均值为56.03MPa。该研究为荔枝采摘机器人的夹持与切割机构的优化设计和控制提供了理论依据。     

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)。     

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。     

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。     

油菜茎秆切割力影响因素试验

为了减少油菜联合收割机割台切割力,降低油菜切割损失,该文针对切割油菜茎秆切割力的主要影响因素切割方式、茎秆切割位置、切割刀片形式和切割速度在自制切割试验台上进行了单因素和多因素切割力测试试验。单因素试验结果表明：锯齿形刀的切割力比光刀的切割力要小;切割方式以滑切最省力;切割速度和切割位置对切割力影响最大,表现为切割速度越大,茎秆位置离地面高度越高,其切割力越小。多因素试验表明：在油菜茎秆离地高度400 mm处,采用锯齿形刀片滑切时切割力最小。研究结果为设计工作效益高、性能可靠的切割机构提供了理论依据。