土壤旋切振动减阻的有限元分析

提出了一种对旋耕机具施加振动载荷进行压实土壤切削减阻的方法。对板结土壤参数进行土壤三轴测试试验,结合LS—DYNA的MAT147材料模型,测试土壤材料模型参数,并建立了南方丘陵地带板结土壤本构模型及土壤振动旋切过程的有限元数值模型。通过三维数值模拟和计算,分析了外加激励的振型、频率及振幅等因素对土壤切削阻力的影响及变化规律,并得到实现最优减阻效果的各项参数组合。研究结果表明,采用振动旋耕机具进行土壤作业过程中,选择合适振动频率、幅值以及振动类型的外加刀具振动能实现土壤耕作减阻,有效降低机具的土壤切削功率。     

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。     

振动式农业土壤切削挖掘技术研究现状与展望

在土壤的耕作、深松、根茎类作物挖掘等作业过程中,普遍存在着挖掘切削阻力大、耗能高的问题。为了解决这些问题,国内外相关学者采用了多种方法和途径来改善土壤机具的切削挖掘阻力,振动式土壤切削挖掘方式也是一种重要的降低阻力的途径。为此,对国内外研究者在振动式农业土壤切削挖掘领域的理论和试验研究进行了阐述,分析了振动式挖掘方式的减阻机理,分别对强迫式和自激式两种振动方式下在农业土壤中典型的应用研究进行了综述,指出了相关研究的优点和不足,并对振动挖掘技术在土壤作业领域的前景进行了展望分析。     

基于振动的土壤挖掘阻力与耗能特性试验研究

为了研究振动频率、振动方向等参数对振动式土壤挖掘降阻特性和耗能特性的影响，设计开发了振动式土壤挖掘阻力试验台。经理论分析、计算确定了振动挖掘机构运动参数。在土壤平均相对湿度为27%、平均土壤坚实度为2.2MPa条件的室内土槽系统中，在挖掘深度150mm、前进速度0.15~1.00m/s、振动频率2~20Hz的因素条件下，利用该试验台开展了土壤振动挖掘阻力和耗能特性试验研究。结果表明，振动式土壤挖掘能够有效降低工作阻力，其降阻率先随着振动频率增大而增大，在2~20Hz频率段，前后方向振动和垂向振动振幅分别为13mm和10mm时，其最大降阻率分别可达到21%和25%。降阻率在10~14Hz后增长速度变缓，表明该区间处于土壤的自振频率区间。前后方向振动下土壤挖掘降阻率和振动速度与前进速度的比值有关，当振动速度小于前进速度时，降阻率比较小，随着振动频率增加而缓慢增大；当振动速度大于前进速度后，在对应的频率点其降阻率会迅速上升，之后增长速度逐渐变缓。由于需要额外激振能量输入，两种振动方向的强迫振动式土壤挖掘综合耗能并不减少，在振动频率低于10Hz下，耗能比范围在1~1.07，但超过10Hz后，耗能比会随着振动频率增大以较快速度增加。振幅的增大能够使土壤挖掘阻力获得一定的降低，但同时振动挖掘耗能有较大的增加。     

振动式深松机运动特性分析及试验研究

为了深入研究深松机具作业过程中的牵引阻力、能量消耗及作业性能,首先对影响深松作业的结构参数振动幅值、振动频率、振动角度和机具前进速度逐一进行分析;然后从运动特性入手,分别对3种不同振动角度下的运动轨迹进行了研究。结果表明:振动角等于0时,运动轨迹为一段锁扣波形,总功耗增加,深松效果增加不明显;当振动角大于0时,运动轨迹为一段沿运动方向倾斜的正弦波形,将其分为向前上方切削运动和后撤运动两段,前段功率消耗与非振动深松相当,但后撤阶段功率消耗增大使得降耗效果不明显;当振动角度小于0时,运动轨迹为一段沿运动方向相反倾斜的正弦波,将其分为向前下方切削运动和提升运动两段,同时,在提升阶段运动过程中,深松铲工作于已深松过的土壤中,因而功耗大大减小,可以实现减阻降耗目的。同时,在前进速度为0.2~1.78m/s、振幅为10mm、振动角为10.80~-3 2.40和0~50Hz振动频率条件下,对振动式深松机具进行了单因素土槽试验研究,并分析了各因素与功率损耗之间的关系。     

振动减阻技术应用于土壤耕作机具的研究

近年来,振动理论作为减阻技术应用于土壤耕作愈来愈受到人们重视,如何有效地减小工作阻力和降低能源功耗是其亟需解决的两大难题。为此,以应用比较广泛的振动深松铲为重点,阐述了振动耕作方式二维切削的减阻机理。同时,介绍了目前国内外的研究现状,研究表明合理选择振动方式和性能参数是使机具达到最佳减阻效果的关键。通过对比分析强迫和自激两种主要振动型式的优缺点,列举了几种振动关键机构的设计及应用;指出了振动参数对工作阻力影响程度的研究有待于进一步完善等问题。最后展望了振动控制方式向人工智能化方向转变的前景。     

天然草场改良用振动式间隔松土机作业机理

为了提升草地振动式间隔松土机的作业性能,需要对机具的作业机理进行研究。通过对机具的工作单体进行运动仿真分析,探讨了松土部件在强迫振动作用下对草耕层土壤的破碎机理。通过分析得出松土部件的工作过程为切削土壤和抛起土壤两个交替作用的阶段,在松土作业过程中,松土部件既有挤压松土又有振动松土,土垡因受剪切、弯曲和拉伸等作用得到松碎,松土部件产生与松土铲切削方向呈一定角度的振动有利于土壤疏松和降低机具的牵引阻力。     

穴盘苗振动松脱滤波-放大机理研究

为防止振动松脱对整个穴盘苗系统产生干扰而畸变,导致含根基质从穴盘中不能顺利地振动松脱出来等一系列问题,提出一种滤波-放大理论,并得出以下结论:选择适当滤波系统的参数,可使穴盘振动松脱的最佳振频区间外的频率衰减掉,并保留振动过程中所需要的有效振动频率及能量;合适选择放大装置的参数,可使振动过程中的振动幅值放大至含根基质松...     

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。     

变频变幅振动深松试验台的设计与试验

为了实现振动深松作业时振频和振幅的无级调节,以适应不同物理性质的土壤进行深松作业,达到减阻深松、节省能耗的目的。为此,采用伺服油缸振动技术设计了一台可变频变幅的振动深松试验台,以测试不同土壤条件下振动深松的最佳工作参数,为振动深松机具的优化设计提供理论依据。试验结果表明:试验台最大振动幅度大于20mm,最大振动频率响应大于50Hz、振动频率0～30Hz、振动幅度0～10mm时,频率响应小于1dB,振幅误差小于4.2%,性能稳定且达到设计要求。     

带翼振动深松铲运动特性分析及试验研究

为解决目前深松作业机具在南方大粘性、易板结及压实特别严重的土壤特性下,机具耕作阻力大、深松质量不高的问题,对带翼振动深松铲深松机理进行研究。通过对机具深松部件进行运动仿真,对速度、加速度、运动轨迹进行分析表明:铲翼和铲尖的切削和抬升土壤过程同步交替进行;铲尖水平方向速度和加速度幅值很大,主要切削土壤,铲翼垂直速度和加速度幅值很大,主要抬升土壤;铲翼对土壤进行二次的破碎疏松,以较小的耕作阻力有效提高了土壤疏松质量。田间试验结果表明:振动深松后在10~20cm和20~30cm土层的坚实度降低了54.2%和53.7%,不振动深松10~20cm和20~30cm土层的坚实度降低了41.6%和48.8%;特别是在0~1 0 cm土层振动深松使土壤坚实度比深松前降低了7 0.1%,远大于不振动深松的4 2.7%;带翼深松铲振动深松相比不振动深松可以减少3.2%~27.2%的牵引力阻力,减阻效果明显。由此可为带翼深松铲结构优化和提高深松机具在南方的作业性能提供理论参考。     

振动深松铲土壤切削有限元模拟分析——基于ANSYS/LS_DYNA

为了分析振动式深松机在耕作过程中深松铲与土壤之间的相互作用关系,首先研究了国内外采用有限元分析方法研究土壤切削问题的工作进展情况。为揭示振动深松减阻本质,借助ANSYS/LS-DYNA971软件,构建了深松铲和土壤的有限元仿真模型,并选用MAT_FHWA_SOIL和线弹材料分别作为土壤和深松铲的材料模型。将UG中的运动仿真数据作为深松铲载荷数据,通过Excel文件导入,对深松铲切削土壤的工作工程进行模拟,得出了深松铲切削土壤过程功耗的变化和深松铲在工作过程的等效应力(von Mises stress)情况,为深松铲结构参数的优化提供了依据。     

涡致振动型风力压电俘能器流场数值模拟与试验

基于涡致振动原理设计了一种风力型压电俘能器,通过串列配置的双绕流圆柱增加进气道内流场的压强波动,以Helmholtz共振腔作为尾流区域的风压谐振放大装置,利用PVDF压电薄膜直接将湍流引起的持续性压强波动转换为电能。采用计算流体力学数值方法,分析了在不同风速下压电俘能器内部流场的流体动力学行为。数值分析及试验结果表明:在相同风速下,当耦合因子L/D=2.2时,双绕流圆柱引起的压强波动最大,可达到单绕流圆柱的2倍;Helmholtz共振腔内气体在振荡流的作用下产生谐振后,腔内气体压强的幅值随风速的增加而增大,但振动频率均相同且为共振腔的固有频率。     

滚筒式残膜回收机机架强度分析与试验

针对4JSM-2.1型牵引式棉花秸秆还田及残膜回收联合作业机残膜清理滚筒部分田间作业时核心工作参数不匹配、可靠性差等问题,为防止作业过程中机架与外界激励产生共振所带来的结构破坏,利用有限元软件进行了模态分析。结果表明:机架的6阶固有频率范围与外激频率范围不在同一区间内,避免了共振的发生。为研究机架结构的合理性及确定后期联合作业机的结构优化参数与主要工作参数,根据前期试验研究,确定机具行进速度、拖拉机后输出轴转速、限位螺栓高度为影响机具性能的主要因子,残膜捡拾率为试验指标,采取的方法为三因素三水平正交试验,分析各因素对机具捡拾率性能指标的影响,得出各因素影响的显著性与主次顺序,选出组合最优的水平,确定最优试验参数。研究结果可为残膜回收机的工作参数选择与结构优化提供理论基础和技术参考。     

基于DEM-MBD耦合算法的自激振动深松机仿真分析

自激振动深松机的设计主要采用田间试验及理论分析方法，但田间试验成本高、周期长，同时理论分析尚不具备完整准确的解析解。为提高该类机具的设计效率，保证设计结果的准确性和可靠性，本文在课题组研制的Agri-DEM软件平台上，添加了离散元法（DEM）与多体动力学（MBD）耦合算法，然后利用该算法对自激振动深松单体作业过程进行仿真分析。耦合算法中，采用MBD方法建立了台车-深松机-悬挂架-土壤的系统动力学模型，包括7个活动刚体、1个滑移铰、7个转动铰、1个滑移驱动、1个弹簧力约束和1个阻尼约束，同时利用广义坐标分块算法将系统微分代数方程组转化为微分方程组，并通过亚当斯-莫尔顿校正算法进行积分，求解获得各刚体的运动学参数和动力学参数；采用DEM方法建立了耕作土壤的离散元模型，考虑土壤颗粒的黏附力，提出一种适合于土壤等湿颗粒间的接触力学模型——湿颗粒模型，模型参数通过试凑法确定。对模型进行深松铲的动力学响应分析、弹簧及牵引力动力学响应分析和土壤扰动过程分析，仿真结果表明：土槽台车前进速度为0.5m/s时，机具牵引力周期性变化的区间为-331.06~1492.75N，最大牵引力为1492.75N；深松铲的入土角周期性变化的区间为0~-0.11rad，在高度方向上铲柄质心的变化区间为-400.33~-581.37mm；激振弹簧受载也呈周期性变化，变化区间为2623~-2231N；深松铲铲尖部位抬升土壤，土壤颗粒扰动量在铲尖区域最大，并沿深松铲前进方向和侧向依次递减。仿真结果直观的呈现了自激振动深松机的作业过程及土壤颗粒的运动情况，定性的解释了自激振动深松机的减阻机理。本文添加的DEM-MBD耦合算法，为自激振动深松机工作过程分析和优化设计提供了一种新方法。     

功率分流混合动力传动系统扭转振动分析与刚度匹配

研究了行星齿轮功率分流混合动力传动系统的扭转振动特性分析方法,通过扭转减振器的刚度匹配实现系统共振转速的优化.针对混合动力系统可能出现的多种工作状态,建立传动系统的参数化振动模型.研究了动力传动系统转速比及减振器刚度对系统共振转速的影响.计算结果表明,只有在特定转速比区间发动机才会引起传动系统较高的共振转速,通过降低减振器扭转刚度可以降低系统共振转速,使其偏移发动机常用转速范围.     

自激式振动深松整地机设计与试验

为了减小深松耕作阻力、提高深松深度的稳定性,设计了一种入土角可控的自激式振动深松整地机。通过室内土槽对比试验优化了自激式振动深松装置的弹簧参数,验证了减阻效果,并对整机作业质量进行了田间测试。土槽试验表明:弹簧的性能参数对减阻效果有显著影响,当弹簧刚度为194 N/mm时,入土角可控自激振动深松可使牵引阻力下降29.8%,自激振动条件下入土角可控较不可控牵引阻力下降8.9%;田间试验结果表明:深松整地机作业后深松深度合格率达到100%,稳定性系数达到95.49%,土壤膨松度平均值为19.34%,土壤干扰系数为56.62%;机具作业后地表平整,碎土率平均值为76.4%,通过性能良好,较好地满足了我国北方一年两熟区深松整地技术的要求。     

4UD―1型马铃薯挖掘机的仿真研究及模态分析

4UD―1型马铃薯挖掘机采用振动式挖掘铲和抖动式分离筛结构,影响其工作性能的主要因素是牵引速度、铲和筛振动的频率和幅值。为得到挖掘机正常工作时的关键参数,应用Pro/E建立了挖掘机参数化模型,在ADAMS中进行了仿真,得到振动铲、抖动筛的运动学变化曲线和整机工作时的振动频率、幅值。结果表明,振动铲和抖动筛的振动频率均为9Hz,振动幅值分别为3.6mm和33.1mm,振动铲与抖动筛共同工作时振动幅度为29.5mm。这为提高挖掘机的工作性能提供了研究数据。再利用Ansys10.0进行挖掘机机架的模态计算分析,得到在添加铲与筛的质量后,机架的固有频率为43.9Hz,远大于挖掘机的工作频率,避免了挖掘机的共振,保证了工作稳定性,同时也为挖掘机振动频率的提高给定了一个范围。     

滑切型自激振动减阻深松装置设计与试验

针对长江中下游地区黏重土壤深松作业阻力大的问题,基于滑切和自激振动减阻的原理,设计了滑切型自激振动深松装置。对滑切型铲柄的滑切角及刃口角进行了分析及参数设计,通过有限元分析,表明铲柄强度符合设计要求,自激振动弹簧采用内外双弹簧以减小自激振动装置的结构尺寸。土槽对比试验表明,固定连接方式滑切型深松铲在各速度下相对于传统弧形深松铲减阻7. 79%～8. 81%,自激振动连接方式滑切型深松铲在各速度下相对于传统弧形深松铲减阻15. 45%～20. 05%。田间性能试验表明,深松后各深度下土壤坚实度下降显著,0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm深度下土壤坚实度分别减小78. 18%、56. 08%和62. 72%;深松后各深度下土壤容重下降14. 66%～20. 81%,土壤含水率在0～10 cm略有下降,在10～20 cm和20～30 cm略有上升;土壤扰动系数均值为60. 8%,土壤蓬松度均值为11. 9%;深松深度及其稳定性系数符合行业标准,滑切型自激振动深松装置作业质量总体满足作业要求。     

4105柴油机曲轴自由模态分析与试验研究

基于虚拟样机技术建立4105柴油机曲轴三维模型,并对曲轴自由模态进行了计算分析,得出2 000 Hz内共有9阶模态,其中最低阶模态为曲轴振动的危险区域,在柴油机工作转速范围内会引起共振。采用多点激励单点响应法对4105柴油机曲轴进行了模态试验,获得了0～2 000 Hz频率范围内的曲轴模态参数。模态试验结果和有限元计算结果对比分析表明,有限元计算结果较好地反映了曲轴的固有振动特性。