自激振动旋耕刀设计与减扭降耗性能分析

为实现旋耕作业减扭降耗,在国标IT245旋耕刀基础上设计了一种自激振动旋耕刀装置,对其工作原理进行了阐述。通过运动受力分析,完成了其大弹簧参数选型与弹簧心轴腰型孔设计。基于DEM-MBD技术,建立土壤-旋耕刀相互作用仿真模型,分析5种刀轴转速下国标旋耕刀与自激振动旋耕刀所受三向阻力与扭矩变化规律。仿真试验中,刀轴转速为150、200r/min时,减阻降扭效果不明显;转速为250、300r/min时,自激振动旋耕刀相比国标旋耕刀的减阻降扭效果较好,垂向阻力分别降低6.96%、10.41%,且平均扭矩降低率较大,分别为9.80%和19.63%,而转速达到350r/min时,减阻降扭效果下降。通过对2种旋耕刀仿真与土槽试验的平均扭矩进行分析,得出了国标旋耕刀与自激振动旋耕刀平均扭矩变化曲线的相关系数,分别为0.997与0.998,基本验证了DEM-MBD耦合仿真模型的准确性。对土槽试验中采集的Y向（耕作时刀刃振动主要发生方向）振动加速度数据进行频域分析表明,随着刀轴转速的增加,Y向功率谱密度幅值总体呈上升趋势,转速达到300r/min时,激振频率达到装置Y向的固有频率附近,此时发生共振,Y向功率谱密度幅值达到最大值。即此时旋耕刀获得最大能量,扭矩降低幅度最大,减扭降耗的效果最佳。     

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。     

浅述旋耕刀设计技术的发展

我国是一个农业大国,旋耕机是主要的农田耕作机械.旋耕刀作为旋耕机的重要部件,一直是旋耕机设计者研究的主要内容[1].提高效率、降低功耗是旋耕刀设计的两个主要目标.针对这两个目标,浅述了国内外的主要研究成果.随着科学技术的发展,旋耕刀的设计研究手段也发生了变化,以计算机模拟技术和网络CAD系统为例,来说明数字化设计技术已逐步被引用到旋耕刀的设计制造领域.数字化设计技术将会使旋耕刀的设计及制造发生革命性的变化.     

耕作部件对带状旋耕耕作质量的影响研究

应绿色可持续农业的发展要求，带状免耕播种技术在我国南方稻麦种植区得到推广与应用。为简明耕作部件对带状旋耕耕作质量的影响，在280、380和510 r/min刀轴转速下对凿型旋耕刀、直刃旋耕刀和IT225型旋耕刀进行田间耕作试验。试验结果表明，影响耕作质量的主要因素是耕作部件形状和刀轴转速。在刀轴转速为510 r/min时，IT225型旋耕刀创造的土壤回填率只有7%，土壤回填效果明显低于具有较小正切刃的直刃旋耕刀和凿型旋耕刀。凿型旋耕刀能够创造出较好的回填和土壤破碎的效果，但由于其没有侧切刃无法创造出整齐的种床截面。在刀轴转速为180 r/min时，凿型旋耕刀造成的种床截面扰动率高达20%。直刃旋耕刀能够形成齐整的种床截面和高于50%的土壤回填率，但产生的土壤破碎体粒径过大，不能满足播种的需求。本研究为带状旋耕耕作部件优化指明方向，即兼顾直刃旋耕刀和凿型旋耕刀的特点，将两种或几种刀具进行有机结合，以满足不同土壤条件下带状旋耕播种的需求。     

基于FEM-SPH耦合算法的土壤切削仿真研究

建立了旋耕刀和土壤的FEM-SPH耦合仿真模型,基于FEM-SPH耦合算法,采用MAT147土壤材料和国家标准Ⅲ型旋耕刀,结合LS-DYNA971求解器,对土壤切削仿真进行了研究。对旋耕刀切削土壤的耕作过程进行了数值仿真模拟分析,得到了切削力和切土能耗随时间的变化曲线;计算出旋耕刀单刀切土扭矩为8.75N·m,与试验结果接近。通过正交试验分析,耕作深度为主导因子,对切土功率影响较大,调整耕作深度可有效降低土壤切削的功耗,提高耕作效率。研究表明:FEM-SPH耦合算法可有效应用于土壤切削仿真,可为研究土壤的破碎机理和耕作器具的优化设计提供理论依据。     

基于离散单元法的旋耕刀耕作仿真分析

为分析旋耕刀耕作过程中所受阻力及其变化规律,实现对旋耕刀的数字化与可视化研究。利用离散单元法,对旋耕刀作业过程进行了仿真分析,本研究可为有效揭示土壤耕作机理提供理论依据。     

基于离散元的双轴旋耕机功耗预测模型

针对双轴旋耕机结构参数复杂、功耗高，受耕作时节限制，难以用田间试验的方法进行减阻降耗研究的问题。基于离散元法，构建双轴旋耕-秸秆-土壤耕作模型，研究了双轴配置参数对功耗的影响，通过响应面试验分析，建立了功耗的数学预测模型。模型优化的结果表明，当前后刀轴回转半径均为195mm，后轴相对于前轴垂直距离为99.8mm，前后轴回转圆水平距离为100.6mm，获得的功耗最小为9.018kW。为了验证功耗模型的准确性，在固定工作参数下，进行了原尺度整机仿真试验和田间试验。试验结果表明：真实原尺度旋耕机的田间试验功耗与整机仿真值误差均值为9.5%，范围为5.8%~13.4%，结合响应面分析说明功耗数学预测模型较为准确，表明旋耕机刀组在缩放过程中误差变化较小，模型能够准确反映双轴配置参数对双轴旋耕机在稻茬田地作业功耗的影响。     

基于有限元法的微耕机旋耕刀辊切削土壤仿真

旋耕刀辊作为微耕机耕作部件,研究它与土壤相互作用关系,对于提高耕作效率有着重要意义。为此,运用LS-DYNA显式动力学软件,基于有限元方法对微耕机刀辊切削土壤进行了仿真,分析了土壤破碎情况、旋耕刀辊切削力及切削扭矩。结果表明:浅层土壤扰动位移最大、中层土壤次之、深层土壤最小,与实际耕作过程一致;切削过程中旋耕刀的最大切削力为195N,最大扭矩值为21.1N·m,与试验值相吻合,验证了仿真的有效性。研究可为有效揭示土壤耕作机理、优化旋耕刀辊结构及运动参数提供理论依据。     

逆旋开沟机械——土壤耦合作用机理研究综述

旋耕刀盘逆转旋切被认为是一种在压实土壤中有效的开沟作业方式,对于提高果园机械化程度具有重要意义。目前,对该类型装置研究多以大田开沟及浅耕松碎土作业为主。为探讨压实、深切条件下土壤的破碎及排抛问题,围绕逆旋开沟机械-土壤耦合作用机理,从土壤剪切破坏模式及其影响关系、旋耕刀—土壤互作机理及分析模型的建立、土粒团的运动力学分析与建模、逆切旋耕刀结构优化与减阻降耗等4个方面进行综述,指出了现有(理论)研究存在的主要问题,讨论了土粒高效排抛的基本要求,分析了可能影响压实土壤旋切开沟作业性能的关键因素及其主要研究方法。     

山地拖拉机坡地等高线旋耕土壤侵蚀规律研究

针对黄土高原丘陵山区坡地等高线旋耕作业时土壤耕作侵蚀(土壤由坡高侧向坡低侧迁移)严重及其机理不明等问题,通过理论分析、仿真试验、土槽及实地试验相结合的方法,深入开展山地拖拉机坡地旋耕侵蚀规律研究。首先,构建了H245标准型常用旋耕刀在坡地工况下的扰土体积参数方程,完成了旋耕刀坡地扰土过程的经典力学分析,确定了导致坡地旋耕土壤侵蚀的主要影响因素：坡地角、耕作深度、刀轴转速以及旋耕作业速度;然后,基于EDEM离散元仿真软件研究了单把旋耕刀和旋耕机整机的坡地扰土规律,得出土壤颗粒在旋耕刀侧切刃的动态滑切作用下有水平向后运动的行为,浅层土壤颗粒位移最大,深层土壤颗粒位移最小,并且深层靠近旋耕刀回转中心的土壤颗粒位移最大;土壤的侧向位移方向受旋耕刀正切刃朝向的影响;随着旋耕刀的入土,土壤颗粒在垂直方向的位置呈先变深后变浅的趋势。最后,选取旋耕刀轴转速、旋耕作业速度和坡地角作为试验因素,进行了实地旋耕单因素和正交试验,单因素试验得到土壤水平、侧向位移随着上述3个因素变化的规律;正交试验方差分析得到影响土壤侧向位移的主次因素为坡地角、旋耕刀轴转速、旋耕作业速度,影响土壤水平位移的主次因素为旋耕作业速...     

农机触土部件减粘脱附技术研究现状与展望

目前农机触土部件的减粘脱附问题仍困扰着国内外的专家学者,是一个亟待解决的技术难题。为给国内农机触土部件减粘脱附技术的发展提供参考,通过系统总结农业机械产生土壤粘附的原因,以及土壤粘附对农业机械作业时的影响情况下,着重从表面改形、表面改性、电渗减粘、机械减粘脱附与加热减粘脱附五个方面介绍目前国内外农业机械触土部件减粘脱附技术的研究现状,并将国内外研究现状进行对比,提出目前国内农机触土部件减粘脱附技术存在缺少综合性研究、对土壤粘附机理的研究以及高准确性的测试设备的问题。最后展望未来农机触土部件减粘脱附技术的发展方向在于加强学科交叉融合、加强土壤粘性消减技术研究以及加强多参数测试设备开发。     

丘陵山地耕作装备发展现状及展望

土壤是农业发展的基础，土壤的好坏直接影响农业经济效益，丘陵山地占据了国土总面积的一半以上，受地形影响，耕作装备的研发发展缓慢，机械化程度低，丘陵山地耕作机械化水平严重制约着我国农业的发展，本文就国内外丘陵山地耕作装备的发展现状进行归纳，包括旋耕机、微耕机、深耕机、深松机等耕作机械，并对其存在的问题提出建议。     

反旋深松联合作业耕整机设计与试验

针对现有深松旋耕联合作业机多为深松部件在前、旋耕部件在后的组合结构,较少考虑各工作部件作业时之间的相互影响,本文基于深松部件、旋耕部件作业之间的交互作用,设计一种用于深耕的反旋深松联合作业耕整机,通过旋耕、深松、镇压多工序实现表层土壤细碎、秸秆埋覆,深层土壤疏松目的。整机以提高作业质量、减少作业阻力为设计目标,运用离散元仿真与正交试验、有限元仿真结合进行整机参数优化。离散元仿真结果表明:机具作业速度v_m为1.8 km/h、刀轴转速n为350 r/min、旋耕刀类型X为IIT195弯刀时,机具作业壅土量为5 283个土壤颗粒,植被覆盖率为98.37%,此时综合作业质量较优;有限元仿真结果验证了深松铲设计强度满足作业要求。以较优参数组合为基础的田间试验结果表明:反旋深松联合作业耕整机旋耕深度、深松深度、地表平整度、土壤膨松度分别为182.8 mm、388.4 mm、18.3 mm、17.22%;旋耕深度稳定性、深松深度稳定性、植被覆盖率均在90%以上,完全满足深层土壤整地需求;与深松旋耕联合整地机相比,反旋深松联合作业耕整机在不影响作业效果前提下,提高了耕深稳定性、植被覆盖率,同时使牵引阻力降低了16.21%,作业稳定性、可靠性较好。     

开沟播种施肥综合作业机设计

农业联合作业技术是在农业生产中将多种机具、多道工序在1台机具上得以实现的农业作业技术,是现代化农业的发展之路,是减少资源浪费和降低成本的重要方式。联合作业机具有效率高、作业成本低、农机利用率高和节约能源等多种优点,目前国内使用的联合作业机主要适用于我国北方旱作耕地,适用南方的机型较少。为此,本文给出了旋耕灭茬施肥播种联合作业机的设计方案,可适合于小麦和油菜的施肥播种。     

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。     

基于CNC技术的农业旋耕机数字化控制系统研究

旋耕机是完成耕、整作业的农耕机械,具有很好碎土、整平的功能,可为播种提供良好的基础,在现代农业中应用广泛。农业旋耕机在作业中的重点是深度的控制,而CNC技术可以实现旋耕机-旋耕深度自主控制。工作时利用安装在机械上的计算机测定土壤情况,并将监测到的数据及时地反馈给计算机,经计算机分析后实时地调整液压悬挂机构,使其达到要求的耕地深度,完成耕整作业。试验表明:CNC技术控制的旋耕机可以达到耕耘深度的要求。