触土曲面形式对推土板减阻性能影响的正交试验

结合经典推土板设计理论和研究成果,对推土板触土曲面结构进行准线形式和切削角的组合设计,采用缩尺模型设计与制作了9个推土板模型。通过室内土槽正交试验研究了触土曲面准线分别为圆弧、抛物线和仿生曲线,切削角分别为50°,55°和60°的9种推土板模型的阻力特性。结果表明准线形式和切削角的交互作用,以及准线形式对工作阻力具有显著影响,显著性水平都达到了0.25。与传统的圆弧曲面推土板相比,抛物面可相对降低工作阻力4.6%,仿生曲面降低16.0%(垂直阻力分别降低4.8%和51.4%)。研究成果对推土板及相关宽齿土壤切削部件的高效节能设计具有较重要的参考价值。     

推土板触土曲面对土壤应力波动的仿真分析

推土板工作过程中,土壤的应力波动情况直接受到推土板触土曲面形状的影响。选择3种具有代表性曲率形式的推土板触土曲面为研究对象,即圆弧形、抛物线形、仿生推土板,采用有限元法进行仿真分析。从推土板工作过程中触土曲面形状对其周围土壤的应力波动影响的角度,来分析触土曲面形状对推土板减阻效果的影响规律。结果表明,在本研究的给定条件下,仿生推土板的应力分布形式相对较合理,其工作阻力相对较小。本研究对于通过探索工作状态下土壤应力波动规律,从而指导推土板触土曲面的减阻节能设计方法具有一定的参考意义。     

触土曲面内蕴几何量对推土板工作阻力的影响

设计了宏观触土曲面准线为圆弧、抛物线和仿生曲线的推土板。通过室内土槽试验测试了3种推土板的工作阻力。建立了3种推土板宏观触土曲面的参数方程,并完成了3种触土曲面第一类基本量E、F和G,曲面第二类基本量L、M和N内蕴几何量计算。得知第一类基本量中的E值和第二类基本量中L值是影响触土曲面工作阻力的重要因素。仿生曲线式推土板触土曲面E值和L值具有较复杂变化趋势,也相应获得了较低的工作阻力。圆弧式推土板则具有相对较大的工作阻力。     

复合形态深松铲耕作阻力有限元分析与试验

以复合形态深松铲为研究对象,采用ANSYS/LS-DYNA分析了深松铲在土壤耕作过程中耕深与前进速度对深松耕作阻力的影响,并以圆弧形深松铲为比较对象,分析了复合形态深松铲的减阻效果。为了验证有限元分析方法的可行性,对复合形态深松铲和圆弧形深松铲进行了室内土槽的耕作阻力验证试验。研究结果表明,通过有限元法模拟出的深松铲耕作阻力与室内土槽试验所测定的结果具有相同的变化趋势,利用有限元法可以分析深松铲的工作性能。在深松铲前进速度为4～5 km/h范围内,相对于圆弧形深松铲,用有限元法模拟复合形态深松铲的耕作阻力在耕深为300、350和400 mm时,平均减阻分别为44.07%、43.71%和33.83%。     

基于狗獾爪趾的仿生深松铲振动减阻研究

为降低深松作业的耕作阻力,对基于狗獾爪趾的仿生深松铲进行了振动减阻性能的研究,将仿生减阻技术与振动减阻技术相结合,研究减阻效果。同时,在耕作速度为0.6、1.0m/s和耕作深度为250、300mm的条件下进行仿生深松铲的振动减阻试验。试验结果表明:振动式深松铲的耕作阻力随着耕作深度和耕作速度的不断增大而增大;在相同的试验条件下,仿生深松铲振动耕作方式的耕作阻力比未带振动耕作方式的耕作阻力减小1 3.0 5%~1 8.9 4%,减阻效果明显。     

船式拖拉机船壳微观结构减阻性能分析

研究了船式拖拉机船壳表面的微观结构,主要针对圆形凹坑凸包、凹凸槽及羽型微观结构的直径高度或者深度变化,对泥浆土壤中的减阻性能影响,分析了摩擦阻力、粘压阻力、总阻力变化规律。研究结果表明:在本文所参考的条件下,船速为2m/s、凹坑直径18mm、深度11mm时,具有最优的减阻效果,减阻率为12.7%,羽型凹坑结构具有一定的减阻效果,减阻率为5.37%。     

基于田间耕作试验台的犁体耕阻效果仿真及验证

针对目前机具耕作试验多采用室内土槽和拖拉机挂接两种方式均存在一定不足、室内土槽对土壤进行了迁移重塑难以还原真实的田间土壤环境以及拖拉机挂接试验时参数较难精准控制、试验所需面积过大等问题，设计了一种控制方便、测试精准的田间耕作试验平台，包括导轨牵引系统、整机升降系统、移动台车系统、PLC运动控制系统和数据采集系统等。以铧式犁为研究对象，通过比对田间试验数据与EDEM仿真分析数据中铧式犁的耕阻效果，得出铧式犁最优工作方案，验证田间耕作试验台工作的稳定性与精确性。结果表明：在铧式犁自身结构不变的条件下，固定耕深25cm时，在3种耕速(0.2、0.3、0.4m/s)和3种推土角(38°、42°、45°)的9组双因素全面试验中，耕作速度为0.2m/s、推土角为45°时铧式犁耕阻最小最稳定，为最优工作方案。田间试验结果与仿真分析结果接近，存有误差符合田间真实试验环境。研究验证了搭载铧式犁耕作机具的田间耕作试验平台作业时的稳定性和精确性，可为进一步优化田间耕作试验提供参考。     

基于BP神经网络的模型铲刀推土阻力预测模型

将BP神经网络应用于典型的曲面推土板-模型铲刀推土阻力的预测.在模型铲刀推土试验研究结果的基础上,以模型铲刀的切削角、前翻角和切削速度为输入,以模型铲刀推土阻力的水平分力与垂直分力为输出,建立了BP神经网络数值模拟模型.研究结果表明,该BP神经网络有效地预测了模型铲刀的推土阻力,其准确率在94%以上.     

基于离散元法的三七仿生挖掘铲设计与试验

为减小三七收获过程中的挖掘阻力,以三七根茎及种植土壤为研究对象,测定本征物理参数,设置Bonding键参数建立三七根茎的离散元模型,分析根土粘结机理,利用Hertz-Mindlin with JKR建立三七根茎-种植土壤离散元复合模型;建立并分析挖掘铲的理论力学模型,确定仿生挖掘铲设计尺寸(长×宽×厚)为：360 mm×150 mm×8 mm、入土角30°、铲尖半角60°;采集野猪头三维模型的点云数据,确定仿生铲的结构曲线方程,建立仿生挖掘铲的三维模型;开展仿生挖掘铲与平面挖掘铲的仿真对比试验,追踪颗粒位移流向得平均位移以及平均挖掘阻力,分析颗粒的速度矢量明晰了挖掘铲面的减阻机理,得仿生挖掘铲的仿真试验减阻率为19.15%;利用高速摄影和阻力采集设备开展土槽试验,结果表明土壤颗粒流向与仿真趋势一致,仿生挖掘铲和平面挖掘铲的平均挖掘阻力为1 207.23、1 594.49 N,仿生挖掘铲减阻率为24.29%,与仿真试验减阻率十分接近,验证了离散元模型准确可靠、挖掘铲力学模型构建准确,仿生结构设计合理。     

基于狗獾爪趾的仿生深松铲结构设计与试验

针对现有深松铲存在的耕作阻力较大及能耗较高等问题,利用仿生学原理将狗獾爪趾的曲线应用到深松铲的结构设计中,设计了一种铲柄刃口为多项式曲线、铲尖为圆弧形的新型深松铲。为研究其耕作效果,将所设计的深松铲与国标深松铲进行了室内土槽对比试验。试验结果表明:在相同的深松试验条件下,仿生深松铲比国标深松铲的耕作阻力减小了13.33%~21.72%,仿生深松铲减阻效果明显;仿生铲柄与国标铲尖组合比国标深松铲耕作阻力减小了3.01%~7.61%,仿生铲尖与国标铲柄的组合比国标深松铲耕作阻力减小了7.67%~16.9 7%,仿生铲尖的减阻效果显著于仿生铲柄的减阻效果。     

小型室内水田土槽的研制

在室内土槽中进行试验可以避免田间试验的恶劣工作环境,能有效改善试验环境,提高工作效率。本文针对水田平整机具的设计研制了一种小型室内水田土槽,它主要由槽体、台车及其牵引系统组成,用于初步探讨水田推土板与水田相互作用参数的优化值,为优化平地铲和整机设计提供一定的依据。台车在土槽进行了同工况下的牵引速度试验,结果表明本文设计的土槽,可以模仿水田激光平地机二维推土板在田间的推土作业过程,能够依托它进行水田平整机具的相关试验,满足设计要求。     

船式拖拉机凸包非光滑表面船壳减阻性能研究

为降低船式拖拉机在水田工作时的阻力,设计了一种具有凸包非光滑表面的船壳。利用有限元方法对凸包非光滑表面船壳在水田泥介质中进行数值仿真研究,计算比较凸包非光滑表面船壳和光滑表面船壳在速度0.5~4 m/s范围内的阻力值,分析其减阻机理并进一步研究凸包尺寸对减阻特性的影响规律。结果表明:凸包非光滑表面船壳有较好的减阻效果,凸包结构改变流体对船壳的粘性剪应力是其产生减阻特性的重要原因。该设计得到了减阻率达到9.33%的较好减阻效果,对船式拖拉机研究设计具有重要意义。     

非光滑仿生曲面形推土铲推土阻力试验研究

设计了非光滑曲面推土板试件并进行推土铲工作时的阻力性能试验。试验结果表明，在相同的工况下，切削深度、切削角度和切削速度都会影响推土阻力，但与光滑曲面推土板相比，非光滑曲面试件由于改变了土壤沿曲面流动和破坏的状态，减少了有效接触面积，具有明显的降阻作用。     

宁前胡仿生挖掘铲设计与试验

针对宁前胡采挖过程中挖掘阻力大的问题，以鲨鱼背鳍为研究对象，并结合农艺要求，设计了一款宁前胡仿生挖掘铲；根据摩尔-库仑理论中土体应力分析，当选用鲨鱼背鳍结构作为仿生铲的凸起结构时，土壤更易达到破裂状态；通过三维扫描仪扫描鲨鱼标本，获取鲨鱼背鳍三维模型，根据背鳍三维模型确定仿生铲的凸起结构，并通过NX12.0创建仿生挖掘铲三维模型；利用三维扫描仪获得宁前胡根茎外形轮廓特征，创建宁前胡根茎的离散元模型，并选用Hertz-Mindlin with JKR建立宁前胡根茎-土壤离散元复合模型；通过离散元仿真对比试验，得出X、Y、Z方向颗粒位移和挖掘阻力的平均值，分析挖掘铲的减阻机理，仿生铲比平面铲在采挖过程中阻力减小14.37%;通过开展土槽试验，对比根茎挖掘效果，与仿真试验中得出的宁前胡根茎在仿生挖掘铲挖掘后，根茎在X、Y、Z方向上有更好的位移表现，仿生铲和平面铲的挖掘阻力平均值分别为1 342.28、1 622.73 N,仿生铲比平面铲在采挖过程中阻力减小17.28%,与仿真试验得出的减阻率十分接近，满足宁前胡采挖过程中的减阻要求。     

以砂鱼蜥头部为原型的仿生深松铲尖设计与离散元仿真

为解决传统深松机具触土部件破土困难、耕作阻力大等问题,以砂鱼蜥头部为仿生原型,采用逆向工程技术对其特殊几何特征进行提取,将量化后的几何结构特征应用于深松铲尖的设计,以期减小深松铲作业阻力和能耗。依据不同特征曲面,设计了3种仿生铲尖试样,并与凿型铲尖试样进行性能对比。建立离散元模型,求解不同铲尖垂直贯入土壤阻力;制备试样,通过万能试验机进行土壤垂直贯入实测试验;将模拟结果和实测试验结果进行对比,结果表明离散元仿真分析和实测试验结果吻合较好,最大贯入阻力的相对误差为2.47%～3.91%。使用离散元法分析仿生铲尖和凿型铲尖（T-S）在土壤分层情况下的相互作用,证实仿生铲尖比凿型铲尖具有更低的所需牵引力,其中仿生铲尖B-S-2减阻效果最好,相对于凿型铲尖,其减阻率为8.34%～19.31%。离散元分析揭示砂鱼蜥头部仿生曲线特殊的曲率变化对破土阻力有显著影响,仿生铲尖改变了土壤颗粒的流动方向,减小了铲尖上方土壤扰动范围,从而降低所需牵引力。在3种作业速度和3种耕作深度下对阻力的仿真结果与土槽试验结果进行对比,误差为10.83%～17.06%。     

木薯收获机抖动链式筛土装置的设计与实验

针对目前木薯收获机在挖掘作业后木薯块根黏附大量土壤的问题,结合高性能的犬趾型仿生挖掘铲,研制出一种升运抖动链式筛土装置。介绍了筛土装置的结构组成和工作原理,通过对整个机具工作状态的研究及土薯混合物的理论分析,确定了升运筛杆、抖动器等关键部件的工作参数,得到了影响土薯分离的主要因素,并利用SolidWorks软件对整个机具进行了三维建模。以明薯率、伤薯率、净薯率及生产效率作为该装置工作性能的测试指标进行田间试验,结果表明:当机具前进速度为1.2m/s、筛杆升运速度为1.3m/s、抖动器转速为205r/min时,明薯率为93.8%,伤薯率为2.5%,挖净率为98.7%,生产效率为0.38hm~2/h,整个装置的工作性能稳定可靠,能够满足筛土作业的要求。     

基于LABVIEW的振动深松机试验设计与分析

为了提高深松机作业过程中土壤疏松效果,降低机具的工作阻力,选用1SZ型振动式深松机,在土槽试验平台中进行了相应的振动减阻机理试验研究。首先设计了基于LABVIEW的软件测试系统,选取了扭矩、拉力、角度传感器等传感器及NI主机,基于五杆测力原理,构建了测试硬件系统,并选取机具的前进速度V0、振幅a=R s i nε和振动角β这3个主要因素进行三元二次回归正交旋转组合试验。试验表明:振动角对试验结果影响最大;得出的回归方程表明:当机具前进速度0.75m/s、振动幅值为7.5mm、振动角度为-15°时,试验指标机具工作阻力达到最小值3.975k N。     

振动式果树根系断切装置设计与试验

针对矮砧密植果园根系管控中根土复合体阻力过大，果树根系断切作业不理想等问题，设计一种振动式果树根系断切装置。对切割装置受力模型分析可知，影响阻力的因素主要有锯齿弯刀参数、根土复合体参数、根土复合体与锯齿弯刀参数及作业方式参数。对振动式果树根系断切装置切割装置进行设计与分析，应用有限元仿真软件对切割装置进行切割根土复合体模拟分析，切割装置振动状态下平均切削受力为236.97N，不振动状态下平均切削受力为432.35N，达到振动减阻目的。切割装置土槽试验表明，振动状态下所受水平合力均值均小于不振动状态下所受水平合力均值225.34N，振动状态下切割根土复合体作业效果良好，对根系以及土壤起到锯切效果，减小切削阻力。通过振动状态下切割装置切割根土复合体正交试验分析可知：最优作业参数为偏心距20mm，转速3r/s，土槽作业平台前进速度0.2m/s；土壤扰动量的主要影响因素是偏心距和前进速度；影响切割装置入土稳定性主要因素为偏心距和转速，观察作业现场得知入土深度稳定，满足入土要求。整机试验表明：根系平整切割占比左侧为21.05%、右侧为17.39%，锯切占比左侧为78.95%、右侧为82.61%，由此可知，振动式果树根系断切装置作业过程中振动断切装置对根土复合体起到锯切效果，减小机具和切割装置所受阻力，起到减阻效果；由试验现场可知，机具稳定性良好，作业后留下20~25mm沟壑，与入土切割装置厚度20mm一致。土壤外翻程度小，土壤弥合较好。     

基于微分几何与EDEM的船型开畦沟装置触土曲面优化

针对长江中下游地区油菜种植时土壤黏重板结、含水率波动大、播种作业需开畦沟避免渍害的农艺要求,考虑开沟犁体的触土曲面复杂、难以通过高速数字化土槽及田间试验方法寻求其减阻设计方法和理论依据的问题,采用微分几何理论并结合EDEM仿真方法,开展了驱动圆盘犁对置组合式耕整机开畦沟装置主要触土曲面结构优化研究。通过对主要触土曲面(开畦沟前犁犁体曲面、船式开沟犁整形曲面)牵引阻力分析和曲面参数分析,确定了触土曲面主要结构参数范围。根据微分几何理论,分别建立了能量化描述不同导曲线类型(直线、抛物线、指数曲线)犁体曲面形状变化差异的微分内蕴几何量E、L、M表达式。阻力特性仿真试验结果表明:在作业速度为0. 9～1. 5 m/s、曲面结构参数一定时,导曲线为抛物线型的开畦沟前犁和船式开沟犁具有较好的减阻特性,其平均牵引阻力相比直线型犁体分别低15. 09%、16. 92%,相比指数线型犁体分别低32. 59%、31. 58%。触土曲面的内蕴几何量E、L、M可分别反映犁体阻力随速度的增长速率、犁体牵引阻力大小、犁体阻力随速度的波动程度。当设计犁体的导曲线形状使曲面内蕴几何量E的变化率较小、L为单调减函数、M的波动较小时,犁体具有较好的减阻性能。参数优化仿真试验表明:在作业速度为1. 2 m/s、抛物线型开畦沟前犁宽度为92 mm、船式开沟犁整形曲面最大元线角为66°时,开畦沟装置牵引阻力最小,为1 042. 52 N。田间试验表明:经参数优化的组合式船型开畦沟装置在作业速度为0. 9、1. 2、1. 5 m/s时测试的平均牵引阻力分别为956. 77、1 101. 33、1 564. 85 N,与仿真试验结果误差在7%以内,作业效果满足油菜播种开畦沟的农艺要求。     

船式拖拉机船壳减阻综合分析

为了提高船式拖拉机的工作性能,降低船式拖拉机在深泥脚水田中的摩擦阻力,通过fluent软件对船式拖拉机在深泥脚水田的工作情况进行仿真模拟,通过改变船壳底板的弧形个数以及弧形的幅值对其减阻效果的研究。研究结果表明:当船速为2.5 m/s,船壳弧度幅值为35 mm,且弧形个数为1时,其减阻率为7.6%,其对船式拖拉机减阻研究和外型的设计具有一定的指导意义。