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。     

油菜直播机铧式开畦沟前犁曲面分析与阻力特性试验

阐述了铧式开畦沟前犁装置的基本结构组成,比较分析了铧式开畦沟前犁装置翻土型犁体曲面和改进型碎土型犁体曲面特征,提出以犁体牵引阻力、犁耕比阻及功耗为主要评价指标,借助高速数字化土槽试验平台,开展了前进速度、沟深、沟宽、土壤坚实度等影响要素的试验研究。试验结果表明:沟深对牵引阻力、犁耕比阻影响最显著,前进速度、沟深对功耗影响最显著;改进型犁体装置牵引阻力、犁耕比阻、功耗都分别为原设计犁体的35%~50%。     

犁体曲面离散元仿真试验与参数优化

为了优化犁体曲面结构参数、减小铧式犁耕作阻力,采用水平直元线法设计犁体曲面,运用Solidworks软件建立实体模型,利用EDEM软件建立犁体—土壤离散元模型,并以犁体阻力最小为目标,对犁体铧刃角、犁铲安装角和导曲线扣垡角三因素进行正交仿真试验。仿真结果表明:所建立的犁体—土壤离散元模型可以较好地反映犁体在耕作过程中的阻力的变化情况,犁体阻力随着犁体与土壤接触面积的增大而增大,当犁体全部进入耕作状态时,犁体所受阻力达到2 621～2 795N,且趋于稳定。正交试验结果表明:铧刃角对犁体阻力影响极显著,犁铲安装角和导曲线扣垡角对犁体阻力影响显著。犁体结构最佳设计参数组合为:铧刃角45°,犁铲安装角25°,导曲线扣垡角5°,犁体阻力为2532 N,比优化前减少6. 36%。研究结果为犁体曲面优化设计提供一种离散元分析方法,也为犁体曲面的设计提供数据参考。     

设施农业就地翻土犁结构设计与仿真

针对铧式犁使土垡侧移而无法适应设施农业耕作需求的难题,设计一款新式犁体。基于铧式犁的设计方法水平直元法和翻土曲线族法,提出一种翻土曲元法。通过对犁体导曲线、翻土曲元线的设计,由翻土元线中点穿透于导曲线且翻土元线角度按照规律变化后得到一种翻垡后土垡无侧移且无犁沟的就地翻土犁体曲面,利用Solidworks建立就地翻土犁数学模型。查阅现有土壤物理性质研究成果文献,获得土壤的密度、泊松比、静摩擦系数、动摩擦系数、碰撞恢复系数,通过EDEM软件构建土壤颗粒离散元模型,模拟土壤耕作试验,试验表明犁体耕作效果较好,犁体在6 km/h速度下阻力约为1200 N,为就地翻土犁样机制作与优化提供理论参考。     

元线非直线型铧式犁几何与力学特性研究

降低铧式犁耕作阻力,减少能源消耗,是国内外农业机械研究者一直非常关注的课题。铧式犁犁体曲面成型方法是元线沿着准线按照一定规律运动形成,元线与准线形式是影响铧式犁耕作阻力的两个重要因素。以BTU3 5犁体为基础,用三角函数曲线代替直线作为元线形成新犁体曲面,采用有限元分析方法 ,将两犁体曲面耕作阻力进行比较。研究发现:三角曲线作为元线形成的犁体曲面耕作阻力较小,在5、6、7km/h时耕作阻力分别比原犁体降低2.5%、4.1%、3.9%。结合直线与sin函数曲线曲率变化情况,可得出结论:变曲率犁体曲面更有利于降低耕作阻力。     

基于LS-DYNA的铧式犁结构优化设计及性能分析

基于LS-DYNA法建立犁体与土壤的耦合接触有限元模型,讨论不同犁体导曲线、铧刃角、安装角、端点角、耕作速度对耕作过程翻垡效果和犁体应力影响,并进行试验验证。结果表明：椭圆曲面比抛物线曲面耕作时阻力更小、土壤翻垡效果更好,阻力降低5.6%,翻垡距离提升14.8%;对犁体前进速度、铧刃角、安装角、端点角进行单因素分析,发现翻垡距离随着速度增加而增加,而随着铧刃角、安装角、端点角呈现出先增大后减小的趋势。因此,通过选取合适的速度与结构参数可以提升铧式犁的翻垡性能,减低犁体阻力。     

碎土型犁体曲面作业过程的仿真分析——基于ANSYS/LS-DYNA

在农机作业中,铧式犁主要是通过犁体曲面完成对土壤的切土和翻垡,达到土壤耕作的目的.犁体曲面的参数对铧式犁的工作性能和动力消耗都有较大的影响.为此,利用数学建模中参数化建模的方法对碎土型犁体曲面进行建模,并对犁体曲面耕翻过程进行动力学仿真分析,得出优化的曲面参数及其各项参数对犁体曲面工作性能(牵引阻力、翻馑性能)的影响,从而达到对铧式犁优化设计的目的.     

马铃薯曲面式播种开沟器仿生设计与试验

针对马铃薯播种开沟器高速作业条件下作业阻力大、回土深度浅、干湿土易混合等问题,基于黄鳍金枪鱼下颚流线型曲线,采用水平直元线法将原有曲线重构为三维曲面,设计一种仿黄鳍金枪鱼下颚曲线的曲面式开沟器。根据马铃薯种植深度的农艺要求,当最大作业深度为150mm时,采用滑切原理确定了最大刃口角为132°,元线角为27°。为探究起土角对开沟器作业性能的影响,以作业阻力为评价指标,进行单因素试验,确定了分土板的起土角为45°。通过分析种薯下落到地表时的相对位移确定上挡土板的长度。干湿土分层仿真试验表明,开沟器作业不扰乱土层顺序。田间多工况对比试验表明,在开沟深度为100、125、150mm,作业速度为3.6、5.4、7.2km/h条件下,曲面式开沟器比芯铧式开沟器、靴式开沟器平均作业阻力减小18.3%、33.4%,平均回土深度增加70.4%、91.7%。田间性能对比试验表明,在开沟深度为150mm,作业速度为7.2km/h条件下,曲面式开沟器比芯铧式开沟器、靴式开沟器种沟中土壤含水率增加3.5%、4.7%,曲面式开沟器能减少干湿土混合,曲面式开沟器比芯铧式开沟器、靴式开沟器种薯横向偏移系数减小9.5%、10.1%,满足马铃薯种植开沟的农艺要求。     

铧式犁减阻性能研究

优化铧式犁犁体曲面形状,降低耕作阻力,是一项亟待解决的问题。从犁体曲面成型方法可知,导曲线形状是影响铧式犁耕作阻力的一个重要因素。为此,以BTU35犁体为基础,在Solid Works中建立5种不同导曲线犁体,并将模型导入ANSYS进行显示动力学分析,得到其耕作阻力。仿真试验表明:以四次多项式曲线为导曲线形成的犁体耕作阻力较小,在3km/h时降阻3.75%,7km/h时降阻4.56%,平均降阻3.93%。结合不同导曲线曲率半径变化情况与工作阻力之间的关系,可得结论:导曲线曲率半径变化复杂的犁体有较好的减阻性能。     

稻油轮作区驱动圆盘犁对置组合式耕整机设计与试验

针对长江中下游稻油轮作区油菜种植时土壤黏重板结、秸秆量大、播种作业需同步开畦沟的农艺要求,考虑传统耕整作业耕层浅、功耗大的不足,依据驱动圆盘犁组与传统铧式犁相比,不易缠草堵塞、通过性好、牵引阻力小的特征,设计了用于油菜播种的驱动圆盘犁对置组合式耕整机。提出了主动式对置犁耕与被动式开畦沟、碎土、平整相结合的联合耕整作业方案,分析了对称布置的圆盘犁组的动力学和运动学特性,确定了其主要结构和工作参数。根据犁体曲面成形原理,设计了开畦沟前犁犁体曲面;依据组合式船型开沟器与土壤挤压互作机制的分析,确定了开畦沟区域宽度为350 mm时,开畦沟系统作业后可有效保证畦沟和种床厢面质量。耕深稳定性试验表明,整机作业实际耕深与限深深度基本一致,耕深稳定性系数均在90%以上。厢面质量试验表明,开畦沟系统在中间开畦沟区域能开出沟宽241.6~293.5 mm,沟深328.6~370.8 mm的梯形沟。经组合式船型开沟器挤压的土壤对犁沟的实际填埋率高于87.67%,碎土辊作业后厢面平整度为22.45~26.70 mm,碎土率为60.14%~68.37%。正交试验结果表明,整机较优工作参数为:限深深度为180 mm,机组前进速度为3.5 km/h,圆盘犁组转速为160 r/min,此时整机功耗为24.37 k W,相比传统旋耕方式的油菜播种种床整备机具的功耗降低了37.67%,秸秆埋覆率为92.78%,碎土率为66.74%,厢面平整度为24.18 mm,土壤对犁沟平均填埋率为92.3%,满足油菜播种的农艺要求。     

甘薯起垄整形机犁铧式开沟起垄装置设计与试验

针对现有甘薯起垄整形机起垄效果较差、牵引阻力大等问题,设计了一种甘薯起垄整形机犁铧式开沟起垄装置,并阐述了其主要结构和工作原理。结合甘薯种植模式和垄型结构农艺要求,采用水平直元线法确定了开沟起垄装置犁体曲面的结构参数及其取值范围。运用EDEM离散元仿真软件,建立了犁铧式开沟起垄装置-土壤互作仿真模型。选取开沟犁体曲面安装角、推土角、元线角差值为试验因素,以犁体土壤抛送距离和牵引阻力为评价指标,进行了Box-Behnken中心组合设计试验。仿真试验结果表明,当作业速度为3.33 km/h时,安装角、推土角和元线角差值最优组合为27.19°、38.05°和10.69°。基于优化的最优组合参数进行了田间试验,田间试验结果表明,犁铧式开沟起垄装置垄高稳定性系数为98.53%,垄体土壤紧实度为236kPa,拖拉机作业油耗为11.94L/h,满足甘薯开沟起垄农艺要求,且均优于板式起垄装置作业效果。     

密植果园开沟施肥机开沟刀片设计与试验

针对现有开沟刀片在密植果园开沟施肥过程中存在功率消耗大、沟深稳定性差的问题,运用旋耕理论和试验分析的方法,设计了一种正弦指数曲线型开沟刀片。通过分析拖拉机前进速度、刀盘转速以及二者相互作用对功率消耗和沟深稳定性的影响,确定了正弦指数曲线型开沟刀片工作参数的最佳组合为:拖拉机前进速度1 m/s,刀盘转速为200 r/min。以正弦指数曲线型开沟刀片B处弯曲角、弯曲半径、C处弯曲角为影响因子,以功率消耗和沟深稳定性为响应值,通过三因素四水平正交试验,确定了正弦指数曲线型开沟刀片结构参数的最佳组合为:B处弯曲角为95°,C处弯曲角为140°,弯曲半径为9 mm。对正弦指数曲线型开沟刀片和现有开沟刀片进行对比试验,结果表明:在工作参数和开沟深度相同的条件下,正弦指数曲线型开沟刀片比现有开沟刀片功率消耗下降3.29 k W,沟深稳定性提高8.83个百分点,各项技术指标均达到了国家相关标准的技术要求。     

转叶式切土刀助推效果的研究

对犁式开沟机助推装置-转叶式切土刀的运动学及动力学进行了较详细的理论分析，提出了运动参数优化设计，水平推力简化计算方法及最大推力的计算公式。田间试验及检测结果表明：理论计算与实际情况基本吻合；切土刀转速与前进速度匹配合理，则助推效果明显。以此方法设计试制的双犁开沟机，已成功应用于苏南烂湿地区的开沟作业。     

基于东方蝼蛄爪趾的仿生旋耕刀设计与试验

为了降低旋耕刀耕作时的能耗,本文基于东方蝼蛄前足爪趾轮廓拟合曲线的特征,利用逆向工程技术将东方蝼蛄前足爪趾1、2、3、4的轮廓曲线依次排列于IT245国标旋耕刀的正切刃与回转半径末端边缘,设计了仿生旋耕刀。建立南方粘湿土壤旋耕刀相互作用仿真模型,分析不同刀轴转速下国标旋耕刀、仿生旋耕刀扭矩和三向阻力的变化规律,结合室内土槽试验分析刀轴扭矩的变化趋势,验证离散元仿真模型的有效性。单刀受力仿真分析表明,仿生旋耕刀与国标旋耕刀的水平阻力、垂直阻力与侧向阻力均随着刀轴转速的增加而逐渐增大。在3种刀轴转速下,除侧向阻力以外,仿生旋耕刀受到的水平阻力与垂直阻力的最大值均比国标旋耕刀小。在刀轴转速150 r/min时,仿生旋耕刀较国标旋耕刀水平阻力与垂直阻力的最大值分别降低了9.91%与9.09%;在转速200 r/min时,分别降低了5.78%与9.74%;在转速250 r/min时,分别降低了4.95%与6.38%。土槽扭矩试验表明,仿生旋耕刀与国标旋耕刀的仿真值与试验值变化趋势相同,且随着刀轴转速的增加扭矩逐渐增大,最大相对误差为13.23%。在3种刀轴转速下,仿生旋耕刀较国标旋耕刀平均扭矩分别降低了10.53%、4.46%、3.49%。本研究可为旋耕刀减阻降耗和耕作能耗分析提供借鉴。     

坡耕地鸭嘴式玉米排种器间歇同步充补装置设计与试验

针对坡耕地环境下鸭嘴式玉米排种器排种质量差及性能不稳定等问题,以鸭嘴式玉米排种器为载体,设计了一种配套的间歇同步充补装置。阐述了排种器整体结构及工作原理,分析了种子在排种器内部排种、补种及导种过程,优化了间歇同步充补装置摇杆、内棘轮和鸭嘴式排种器直角导种部件等关键部件结构参数。结合理论分析和坡耕地播种农艺要求,选取作业速度、回位弹簧预紧力和作业坡角为试验因素,合格指数和变异系数为性能指标进行了单因素试验、正交试验及台架对比试验。试验结果表明,性能指标随作业速度和作业坡角增加先增加后降低,随回位弹簧预紧力增加先增加后趋于平稳;当作业速度为1 m/s、回位弹簧预紧力为15.6 N(型号T4,丝径为1 mm,中径为7 mm,原长为25 mm)、作业坡角为12°时,其排种性能较优,合格指数为98.7%,变异系数为10.2%;较传统鸭嘴式排种器其合格指数提高了9.5个百分点,满足坡耕地环境下精量播种作业要求。     

玉米姿控驱导式排种器导向投种机构设计与试验

针对玉米姿控驱导式排种器在高速工况下投种点位不一致,播种粒距均匀性不佳的问题,提出约束种子运动自由度并引导投种方向的方法,设计了一种新型导向投种机构,合理规划了待投种子的导种轨迹,进而确保投种点位及初速度恒定。完成了导向投种机构的结构参数设计与待投种子的动力学分析,明确了影响排种性能的关键参数及其取值范围,通过单因素与双因素试验获取了排种器的最优参数组合,并进行性能对比验证试验。结果表明,约束运移弧面圆心角取35°时,投种点位较为集中;在作业速度8 km/h、引导投种弧面半径24.3 mm时,排种性能达到最优,粒距合格指数、重播指数和变异系数分别为91.5%、4.7%和13.6%;当作业速度由8 km/h提升至14 km/h时,较原排种器粒距变异系数的降幅由0.1个百分点增大至2.7个百分点,采用导向投种机构可有效提升原排种器的高速作业性能。     

花生分段收获挖掘铲力学模型及试验分析

为优化花生收获挖掘铲的结构参数,对花生收获挖掘铲进行受力分析,并建立工作状态的力学模型,研究各个参数的变化对受力状况的影响,找出对工作阻力具有影响的参数和薄弱部位。通过田间试验,对力学模型进行验证,结果表明:影响工作阻力的参数有犁面与地面的夹角、犁面的开度角、前失效角的倾角及土壤重力,犁柱截面C为薄弱部位,力学模型与收获挖掘铲的受力状况基本相符。     

马铃薯收获机挖掘铲工作阻力影响因素分析与研究

针对土壤容积密度、铲面宽度、挖掘深度、铲面倾角和机具工作速度5个影响马铃薯收获机牵引阻力的因素,分别采用正交计算法和基于Mat Lab的单因素分析法进行研究,得出了5个因素与工作阻力均为正向关系的结论。其中,土壤容积密度和铲面宽度与挖掘铲工作阻力成近似的线性关系,其余3个因素成非线性关系。铲面宽度、挖掘深度、铲面倾角、土壤容积密度和机具工作速度对挖掘铲工作阻力的影响程度依次降低。研究结果为如何减小马铃薯收获机挖掘阻力提供了参考依据。     

免耕播种机浅旋清茬斜置式防堵装置设计与试验

针对黄淮海地区玉米免耕播种作业时,过量小麦秸秆残茬堵塞开沟器的问题,提出一种以拨离残茬和浅旋根茬形式实现苗床清整的斜置式防堵装置。通过理论分析对防堵装置结构参数进行设计,确定了各参数的范围和相互关系,并根据装置结构对耕刀拨茬入土和脱茬离土的过程进行受力分析,确定了影响工作性能的因素。运用离散元方法模拟防堵装置在田间作业过程,以秸秆清除率、土壤扰动系数和功耗为评价指标,对装置倾角、转速和前进速度进行回归分析和显著性检验,确定了各因素对评价指标的影响及主次顺序。通过对回归模型进行多目标函数优化求解,得到最优参数组合为：转速400r/min、前进速度6km/h、倾角18.5°,此时秸秆清除率为74.5%、土壤扰动系数为34.7%、功耗为1.36kW。以优化得到的参数对装置进行土槽试验,试验结果表明：转速为400r/min、前进速度6km/h、倾角18.5°时,秸秆清除率为92.5%、土壤扰动系数为29.6%、功耗为1.51kW,试验结果与仿真试验优化结果相吻合,满足设计要求。     

开沟旋耕机渐变螺旋升角轴向匀土刀辊设计与试验

针对长江中下游农业区开厢沟后旋耕作业地表平整度差、土壤轴向分布不均匀等问题,设计了一种渐变螺旋升角轴向匀土刀辊。分析了旋耕刀轴向运土力学条件,建立了匀土刀辊旋耕刀扰土体积参数方程和旋耕刀渐变螺旋升角排列螺旋线方程,并分析确定了影响匀土刀辊轴向匀土性能的关键因素为刀辊转速、旋耕切土节距、初始螺旋升角。运用离散元法模拟匀土刀辊作业过程,以耕后地表平整度为试验指标,以刀辊转速、旋耕切土节距、初始螺旋升角为试验因素,进行了正交试验,建立地表平整度回归方程。利用Design-Expert分析软件得到最优参数组合为：刀辊转速260r/min、旋耕切土节距8.3cm、初始螺旋升角71°,此时仿真地表平整度为17.35mm。在最优参数组合下进行了田间试验,结果表明,匀土刀辊作业后,地表平整度、土壤轴向分布均匀度、耕深稳定性系数、碎土率的均值分别为14.5mm、8.82%、92.34%、81.66%,整体耕整效果优于常用旋耕刀辊。