新型锐角开沟器的设计及数值模拟

针对锐角开沟器土壤扰动大的问题,根据旗鱼头部轮廓曲线设计了3种新型锐角开沟器(仿生旗鱼型、圆弧型和斜线型开沟器)。选择土壤含水率(12±1)%、2种开沟深度(30、90 mm),利用离散元法(DEM)对3种开沟器的工作阻力和土壤扰动进行仿真分析,并进行土槽试验。试验与仿真结果对比表明:各项误差值均在合理范围内,验证了EDEM软件模拟开沟器作业的可行性和准确性。最后选定在开沟深度60mm时,3种类型开沟器、3种土壤含水率为因素进行9种工况下的仿真分析。结果表明:在一定深度情况下,3种开沟器的工作阻力均随含水率的增加而增大;而在含水率变化的情况下,开沟器对土壤扰动(扰动宽度、回土深度)变化不明显。仿生旗鱼型开沟器所受工作阻力和对土壤扰动最小。通过离散元仿真和试验分析,为开沟器的设计提供一种可行的方法,并可为开沟器的设计与优化提供理论依据。     

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。     

芯铧式开沟器仿生设计与试验

针对高速作业条件下芯铧式开沟器阻力过大的问题，基于狗獾犬齿曲面的高效低阻贯穿结构，提出了一种开沟器仿生设计方法。对狗獾犬齿进行三维扫描，获取点云数据，采用Matlab软件拟合了4条狗獾犬齿曲线，设计并加工了4种滑动式开沟装置，并进行了对比试验分析。在作业深度50mm条件下，以开沟装置类型、作业速度为试验因素，以水平方向作业阻力为主要指标，以开沟装置开出沟形的沟深、沟宽、侧垄高和侧垄宽为次要指标，进行了土槽试验。试验结果表明，在同一作业速度下，优化的各滑动式开沟装置的阻力均比标准芯铧式开沟器小。在作业速度为3.6、5.4、7.2km/h的条件下，优化的滑动式开沟装置比标准芯铧式开沟器作业阻力分别降低8.04%、8.15%、8.71%；标准芯铧式开沟器与优化的滑动式开沟装置所开沟形的沟深、沟宽、侧垄高和侧垄宽的变异系数均低于5%。     

基于离散元法的芯铧式开沟器设计

传统式芯铧式开沟器被广泛地应用于东北垄作地区,但其开沟宽度大、与土壤产生的阻力大限制其使用。为此,对芯铧式开沟器的结构特点进行研究,确定了开沟器宽度d、入土角α、斜面角β、作业速度v、含水率p为其性能的影响因素,用Solid Works软件建立了一系列不同参数的芯铧式开沟器模型。通过对耕层土壤的物理性质与力学性质的研究,运用EDEM对所设计的一系列芯铧式开沟器进行仿真分析,得到开沟阻力较小的开沟器,其参数为:入土角为50°、斜面角为55°、宽度为50mm。在室内土槽中,进行芯铧式开沟器的性能测试。结果表明:仿真与试验数据具有一定的相关性,且规律基本一致,验证了仿真模型参数选取的正确性。     

开沟器工作阻力的离散元法仿真分析

建立了芯铧式开沟器和播种施肥开沟器与土壤颗粒的二维离散元法分析模型,采用离散元法研究开沟器的工作过程及工作阻力,通过改变开沟器的CAD模型和土壤颗粒参数,分析不同条件下开沟器的工作阻力.在室内土槽进行了2种开沟器的工作阻力测试,并将测试结果与开沟器工作阻力的离散元法计算结果进行了比较,两者的变化趋势基本一致,相对误差在10%～20%之间,由此初步证明了采用离散元法分析开沟器工作过程和工作阻力的可行性,为开沟器的研究和优化设计提供了一种新方法.     

小麦播种机高速开沟阻力的动态建模与仿真

小麦播种机开沟器作为核心触土部件,阻力大、能耗高,是制约播种机作业速度及高速播种作业质量提升的关键所在。为此,选择无侧翼且宽度较窄的鸭嘴式开沟器,通过对小麦播种机高速开沟作业过程中的阻力来源及与土壤的相对运动过程进行分析,建立了开沟器—土壤动力学阻力模型。利用Abaqus软件建立土壤-开沟器三维动态有限元模型,以开沟器工作阻力为试验指标,在作业速度为8~12km/h范围内进行正交仿真试验,并将试验结果与阻力模型理论值进行对比分析。结果表明:仿真结果与理论值误差在允许范围内,且两者变化趋势基本相同,验证了模型的可靠性,为后面高速播种机开沟器的参数优化设计和实践提供支持。     

基于离散元法的小粒咖啡种植逆转开沟器的仿真与设计

开沟是咖啡种植过程中的重要环节,现行的咖啡开沟劳动强度大、工作效率低、人工成本高。为此,在分析小粒咖啡种植开沟农艺要求的基础上,设计了一种适合于小粒咖啡开沟的斜置逆转开沟器。该逆转开沟器可通过小型拖拉机牵引,刀轴旋转方向和拖拉机驱动轮转向相反,开沟刀向前向上切土抛土,完成开沟。应用EDEM离散元软件对逆转开沟器进行仿真模拟:设定开沟器前进速度为0.4m/s、转速为4rad/s时,单个圆盘开沟过程所受的最大阻力为750N,挡土板所受最大阻力为250N。同时,进行了试验验证,结果表明:逆转开沟器能开出沟面宽500mm、沟底宽300mm、沟深400mm的梯形栽植沟,所开沟型结构稳定,抛土效果好。     

微型土槽试验台的优化设计与试验

利用SolidWorks软件绘制了微型土槽试验台的三维模型,并对机架的强度进行了有限元分析,根据分析结果进行了改进设计和有限元分析论证,完成了试验台的制作。选取芯铧式开沟器进行土槽试验台性能验证试验,通过采集的图像及数据可知:芯铧式开沟器开沟稳定,土槽试验台的性能满足试验和设计要求。     

铲式宽苗带燕麦播种开沟器设计与试验

为解决砂壤土条件下,播种开沟器开出种沟较窄,无法适应燕麦宽苗带种植的问题,结合滑切工作原理,设计了一种宽苗带减阻燕麦播种机开沟器。阐述铲式开沟器工作原理,确定刃口曲线方程;通过分析挡土曲面的作业阻力和宽苗带种沟成因,确定挡土曲面主要结构参数取值。采用EDEM仿真分析方法,以开沟器作业阻力、种沟宽度变异系数为试验响应指标进行三元二次正交旋转组合试验,得到可信的回归数学模型;分析各因素交互作用对开沟器工作性能的影响规律;利用遗传算法NSGA-Ⅱ对回归数学模型进行多目标优化,并进行土槽验证试验,得出其最优参数组合为：播深41mm、入土角24°、开沟器宽度107mm,此时作业阻力为727.1N,种沟宽度变异系数为9.92%;土槽验证试验得到作业阻力平均值为789.07N,种沟宽度变异系数平均值为10.69%,与优化结果的误差分别为8.52%、7.76%。播种对比试验进一步表明作业效果满足宽苗带燕麦种植开沟农艺要求。     

基于虚拟仪器的双圆盘开沟器检测技术的研究

按照虚拟仪器设计的思想,利用虚拟仪器技术,以软件为主,软硬件结合的方式,以Lab VIEW作为开发平台,建立了双圆盘开沟器空间受力的虚拟仪器检测系统.同时,在土槽上对双圆盘开沟器的入土阻力和牵引阻力进行测试,为播种机单体的结构参数合理设计提供参考.     

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。     

不同结构免耕开沟器对土壤阻力的影响

在免耕播种过程中,免耕开沟器的结构形状能够影响前进阻力,从而影响拖拉机的动力消耗,因此制作了不同入土角、不同入土隙角以及不同侧翼的开沟器,并在土槽中试验测定不同角度开沟器的受力情况以及开沟后的土壤扰动情况.试验结果表明:不同角度开沟器对侧向力和垂直反力的影响不大,对前进阻力有明显影响,开沟器的入土隙角在5°左右时有最小的前进阻力,有侧翼的开沟器比无翼的前进阻力增加了17%,但地表土壤扰动不明显.有前刀的开沟器比无前刀的前进阻力降低了27.3%,而且地表的土壤扰动明显降低.因此,在设计开沟器时必须考虑到有较小的入土角、入土隙角以及锋利的前刀,以降低前进阻力,这为新型开沟器主要参数的选取提供了试验数据和依据.     

秸秆深埋还田仿生开沟装置优化与试验

为解决秸秆深埋还田工作中开沟深度不够、深埋率低、开沟阻力大等问题,对自行研制的气力式秸秆深埋还田机的开沟装置进行了优化设计。提出一种仿螳螂前端足曲线的秸秆开沟刀参数优化设计,利用阿基米德等进螺线设计的侧切刃具有滑切能力,可切割土壤完成开沟作业。利用Matlab对螳螂前端足进行二值化、膨胀、边缘坐标处理得到仿生开沟刀,使用离散元软件EDEM对设计出的仿生开沟刀和普通开沟刀进行仿真对比,并对仿真结果进行土槽试验验证。试验分析结果表明,相比于普通开沟刀,仿真开沟刀在开沟过程中可减少9.48%的阻力。利用Design-Expert 8.0软件的二次正交旋转组合试验设计结合响应面法,分别建立秸秆深埋率和工作效率与机具前进速度、秸秆深埋深度和秸秆覆盖量的回归数学模型。通过分析表明,各因素对秸秆深埋率的影响由大到小依次为：秸秆覆盖量、秸秆深埋深度、机具前进速度;各因素对工作效率的影响由大到小依次为：机具前进速度、秸秆深埋深度、秸秆覆盖量;交互作用中,秸秆深埋深度和秸秆覆盖量、机具前进速度与秸秆覆盖量对工作效率影响显著。经过优化求解,在深埋率权重为0.7、工作效率权重为0.3的情况下得到开沟装置最佳工作参数,在机具前进速度为1.63m/s、秸秆深埋深度为27.97cm、秸秆覆盖量为340.54kg/hm2时,秸秆深埋率为90.491%,工作效率为5.4hm2/h。     

基于离散元法芯铧式开沟器的试验研究

开沟器的工作过程是工作部件与土壤颗粒间的运动状态,离散元法既能真实地表达土壤颗粒的几何特征,又适合开沟器的试验研究。利用土壤三轴仪、直剪仪等设备测定耕层土壤颗粒的物理力学性能参数,建立耕层土壤颗粒的离散元三维模型。通过离散元软件对芯铧式开沟器进行仿真模拟,并借助玻璃土槽和高速摄像技术对离散元仿真模型进行修正。试验与离散元仿真结果对比表明,两者具有较好的相关性且规律一致。同时,验证仿真模型参数选取的正确性,并为开沟器的研究和优化设计提供一种有效的方法。     

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。     

仿生镇压辊减粘降阻的有限元分析与试验验证

利用ABAQUS软件建立了传统镇压辊和仿生镇压辊与土壤相互作用的三维有限元模型。模拟结果中伪应变能约占内能的0.1%,传统镇压辊和仿生镇压辊的牵引阻力的模拟值和试验值相对误差分别为11.47%和2.38%,模拟值和试验值吻合较好,验证了模型的可靠性。从Mises应力云图、镇压辊与土壤接触面积和位移云图3方面对2种镇压辊的模拟结果进行了对比。结果表明:仿生镇压辊与土壤的接触应力显著大于传统镇压辊,更利于将土壤表层的土块压碎;仿生镇压辊与土壤的接触面积比传统镇压辊降低了79.05%,有利于降低土壤与仿生镇压辊表面的粘附力,且土槽试验结果得到仿生镇压辊的粘附土壤量比传统镇压辊降低52.78%;仿生镇压辊表面的肋条结构能在一定程度上约束土壤流动,避免了壅土现象的产生;2种镇压辊的下陷量相差很小,压实阻力基本相同,但仿生镇压辊更利于压实表层土壤;传统镇压辊造成土壤沿镇压辊宽度方向的位移扰动量大于仿生镇压辊,需要消耗更多的功。土槽试验结果表明:与传统镇压辊相比,仿生镇压辊的阻力降低了28.66%。     

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%。     

林地开沟机刀具优化设计与试验

针对林地开沟条件恶劣、开沟困难的情形,设计一种开沟刀,对设计的开沟刀进行切削土壤研究与参数优化。利用LS-DYNA建立开沟刀—土壤切削有限元模型,得到开沟刀土壤切削过程等效应力、切削阻力以及切削能耗的变化规律。以平均切削阻力为指标,建立正交仿真试验,探究刀片厚度、刃倾角和刀片切削速度对平均切削阻力的影响。正交仿真试验结果表明：平均切削阻力最小时的最优参数组合为刀片厚度6 mm,刃倾角45°,刀片切削速度2 m/s;各因素影响平均切削阻力的顺序为刀片切削速度>刀片厚度>刃倾角。对优化后的开沟刀进行静力学分析,刀具的强度与刚度满足要求。林地试验开沟刀切削阻力平均值为232.6 N,试验值与仿真值误差为7.1%,表明开沟刀—土壤切削模型可用于开沟刀参数优化。     

滑刀式开沟器设计与试验

针对滑刀式开沟器设计及制造随意性强、应用范围不够广泛的问题,设计了12种具有不同厚度和滑切角的滑刀式开沟器,并在实验室内通过土槽和压力机进行混合型正交试验,试验指标为牵引阻力和正压力.试验结果表明,滑切角是影响滑刀式开沟器作业性能的主要因素,刃口曲线终点的滑切角θA在35°～ 55°范围内时开沟器具有较好的综合性能.     

双圆盘开沟器结构参数对作业性能影响研究

双圆盘开沟器是免耕播种机的核心部件,影响着播种机的作业性能。为了改善开沟器播种深度稳定性和减小开沟阻力,通过分析双圆盘开沟器的结构特点,确定圆盘直径、圆盘夹角是影响播种深度稳定性和开沟阻力的主要参数。通过变换双圆盘开沟器圆盘直径及圆盘夹角进行室内土槽试验,测量其对开沟阻力的影响;通过田间试验测量了不同圆盘直径、夹角对播种深度稳定性的影响。结果表明:随着双圆盘开沟器圆盘直径和圆盘夹角增大,开沟阻力呈现线性增大趋势;随着圆盘直径及夹角的增大,播种深度稳定性呈现先增大后降低趋势;当圆盘直径为300 mm、圆盘夹角为14°时播种深度稳定性最好。该研究为双圆盘开沟器的优化及选用提供理论依据。