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%。     

蚯蚓非光滑体表减粘降阻试验

以赤子爱胜蚓为研究对象,根据其运动特性,制备了头部静息态、舒张态、收缩态及体部静息态、舒张态、收缩态6种体表试样;利用微粘附力测试系统,对蚯蚓体表试样和钢试样进行土壤粘附力和滑动阻力试验.试验结果表明,蚯蚓体表试样的减粘降阻效果由大到小依次是收缩态、静息态、舒张态;而且,头部减粘降阻效果比体部明显;在试验条件下,头部收缩态的土壤粘附力和滑动阻力分别为钢试样的25%和61%,而体部收缩态的土壤粘附力和滑动阻力分别为钢试样的44%和71%.     

基于减粘降阻特性的辣椒移栽仿生栽植器研究

针对移栽机械在黏重土壤条件下栽植辣椒作业时,栽植器表面粘土严重影响移栽机作业质量和效率的问题,基于凸包形非光滑表面减粘降阻机理,研发了一种适于黏重土壤条件的仿生栽植器。首先,通过EDEM软件完成栽植器打穴仿真分析,发现仿生栽植器在整个打穴过程中所受应力低于普通栽植器所受的应力,有一定的降阻作用;然后,将仿生栽植器与普通栽植器分别在含水率为18.34%、22.31%、29.55%,栽植频率为30、50、70株·min^-1条件下进行田间对比试验,结果表明:较普通栽植器而言,仿生栽植器减粘效果较好,减粘率最高达到57.71%,最低达21.89%,说明仿生栽植器基本可用于黏重土壤条件辣椒移栽作业。研究结果可为黏重土壤条件下仿生触土部件的减粘降阻设计提供参考。     

波纹形非光滑推土板减粘降阻的简化力学模型

针对粘性土壤提出了一个简化力学模型,数值模拟了具有一定粘性的土壤与波纹型推土板之间的作用力。数值计算结果显示,在通常的力学条件下波纹板与土壤的接触面积小于相应的平板面积,可以达到减粘降阻的目的。计算了波纹板表面的压力分布,并指出在土壤与农机具粘附系统中波纹形表面摩擦力最大的位置。     

仿形弹性镇压辊减粘防滑结构设计与试验

针对仿形弹性镇压辊粘附土壤和滑移率较大的问题,基于典型土壤动物蚯蚓的体表柔性几何特征,设计了一种适用于仿形弹性镇压辊的减粘防滑结构,其主体是橡胶凸起,同时采用肋条结构对其进行固定。这种结构具有粘附土壤少、滑移率低、镇压力分布均匀、碎土效果好等优点。通过理论计算和运动学分析对减粘防滑结构的运动过程进行研究,得出橡胶凸起的特征方程,以及凸起高度和肋条高度的取值范围。通过三因素三水平正交组合试验得出影响镇压辊粘附土壤量因素的显著性顺序依次为:凸起高度、肋条高度、载荷;影响镇压辊滑移率因素的显著性顺序依次为:肋条高度、凸起高度、载荷;得到减粘防滑结构的最佳参数组合为:载荷450.0 N、凸起高度13.9 mm、肋条高度15.1 mm,并找到各因素对粘附土壤质量和滑移率的影响。田间验证试验和对比试验得到镇压辊的粘附土壤质量为39.2 g,滑移率为3.89%,分别比没有减粘防滑结构的镇压辊降低60.1%和54.3%。     

肋条型仿生镇压辊减粘降阻试验

基于臭蜣螂腹侧面的几何结构,设计了9种肋条型仿生镇压辊。肋条结构采用具有良好疏水性的超高分子量聚乙烯材料。采用L9(34)正交表,考察了土壤干基含水率为20%时,肋条结构底面宽度W、高宽比R、镇压辊载荷F和面积比K对镇压辊粘附土壤量和牵引阻力的影响。结果表明:在试验条件下,与普通镇压辊相比,仿生镇压辊在保证适宜玉米生长容积密度前提下具有明显的减粘效果,减粘率最高可达41.08%;合理的肋条结构尺寸可使仿生镇压辊的减阻率达11.75%~39.40%。采用极差法对试验结果进行分析,得到了影响镇压辊粘附土壤量和牵引阻力因素的主次顺序及最优水平,并探讨了各因素对镇压辊粘附土壤量和牵引阻力的影响。     

基于超声振动的土壤切削挖掘装置设计与试验

针对农业装备触土部件工作阻力大、耗能高等问题,提出了利用超声波高频振动辅助土壤切削挖掘从而降低阻力的技术方案,设计了超声振动土壤切削挖掘装置。选定20kHz作为超声激振频率,基于耦合谐振效应的目标,分析、设计了夹心式换能器和圆锥形变幅杆等关键部件的结构参数。建立了变幅杆有限元模型,利用仿真方法对其进行模态分析和谐响应分析,仿真结果显示,变幅杆轴线伸缩固有频率接近20kHz,与设计值吻合。搭建了超声振动土壤切削挖掘阻力试验测试平台,进行了有、无超声波振动土壤切削挖掘阻力土槽对比试验,结果表明：相比无振动刚性挖掘铲,超声波振动挖掘铲能够有效降低土壤切削挖掘阻力,在1.5、2.5、3.5MPa 3种土壤硬度条件下,超声波振动挖掘铲所对应的降阻率分别为35.1%、40.7%和44.3%,土壤硬度越大,超声波振动挖掘铲的降阻效果越明显。当土壤含水率为20%~48%时,不论有无振动,土壤切削挖掘阻力均随着土壤含水率的增加先迅速降低后又缓慢回升。由于超声振动激励需要额外消耗能量,故振动挖掘总耗能并未降低。试验验证了超声振动土壤切削挖掘降阻方案的可行性以及参数设计的合理性。     

高速低阻防过载犁耕装备的设计与试验

针对翻转犁能耗高、易粘附、易遭冲击破坏等问题,研制了一种高速智能液压翻转犁,优化了整机结构与配置参数。以穿山甲体表的鳞片三角圆弧状结构和蜣螂体表的凸包结构相结合作为仿生原型设计了一种仿生犁体,并设计了一种双向犁耕装备的过载保护自动避障机构,得到平衡状态下对应所需的弹簧预紧力为9.75KN,取安全系数为1.3,设置初始状态预紧力为12.67KN。建立了犁体耕作过程离散元仿真模型。仿生减粘犁体相对传统犁体土壤减粘性能提升44.15%,减阻7.8%。耕深稳定性变异系数2.86%,土垡破碎率97.1%。研究结果可为高速智能液压翻转犁设计及改进提供参考。     

丘陵地区双向仿形镇压装置设计与试验

针对镇压装置在丘陵地区作业时镇压不均匀、镇压强度不足等问题,借鉴丘陵山地农业机械结构特点,设计了一种能实现双向仿形和镇压强度可调的镇压装置。该装置主要由仿形调节机构、镇压强度调节机构和镇压轮组成。建立了丘陵地形下镇压轮与土壤相互作用模型,对镇压轮进行受力分析,确定镇压轮工作过程,同时对镇压装置进行受力分析,确定弹簧变形量(镇压强度)的合理范围。进行对比试验和田间性能试验,采用L9(34)正交试验,考察镇压轮类型、镇压强度、作业速度对镇压装置作业性能的影响,得到了各因素的主次顺序:镇压轮类型、弹簧变形量(镇压强度)、作业速度,最优组合:橡胶镇压轮、弹簧变形量20 mm、作业速度1 m/s,此时牵引阻力为22.3 N,根冠比为0.271。通过对比试验,证明仿形镇压装置更能保证镇压均匀性。     

仿生学在农机减阻中的应用

在农业机械化的推广过程中,阻力过大是制约其发展的重要因素,而仿生学提出了解决此问题的新思路。详细介绍非光滑表面脱附减阻、减粘降阻的机理,及其在农机减阻方面的应用现状,为仿生学在农机设计中的应用提供参考。     

麻山药收获机振动松土装置的设计

针对麻山药收获机械化水平低、机械挖掘根茎损伤率高及人工拔出根茎劳动强度大等问题,结合麻山药收获农艺需求与麻山药的物理机械性质,设计了4F-2型麻山药收获机的振动松土装置。确定了振动松土装置的设计方案,建立了振动松土装置的特征模型;并运用ADAMS软件对机组前进速度、偏心轮转动速度和偏心距进行运动仿真分析,结果表明:机组前进速度为3m/min、偏心轮转动速度为540r/min、偏心距为50mm时性能最优。优化后振动松土装置的麻山药收获机田间试验结果表明:人工拔出根茎轻松省力,根茎的损伤率为3. 5%,满足企业标准《Q/JL001-2016麻山药收获机》相关要求。     

组合振动式导苗机构试验研究

针对提出的一种新型导苗机构，分析了钵苗在导苗机构中的运动过程，通过落苗过程模拟分析建立了导苗机构动力学模型。采用正交试验研究导苗机构结构与性能关系，得出影响移栽性能的主次因素和优化导苗机构与开沟器的结构参数，为移栽机设计提供了依据。     

基于振动减阻原理的旋转中耕机关键部件设计与试验

针对传统中耕机粘重土壤环境作业时切削阻力大、能耗高等问题,借鉴农业机械设计中振动减阻方法,对旋转中耕机关键部件进行设计。通过建立旋转单体运动方程,对碎土刀切削土壤阻力及旋转单体减阻机理进行分析,为旋转中耕机关键部件设计提供理论依据。采用二次正交旋转组合试验,以机器前进速度、刀辊转速和弹簧刚度为试验因素,以作业功耗、碎土率为试验指标,在室内进行台架试验,并运用Design-Expert软件对试验数据进行方差分析和响应面分析,得到影响因素与响应指标之间的数学模型,对数学模型进行优化及验证。试验结果表明,在刀辊转速为247～268 r/min、机器前进速度为0. 5～1. 0 m/s、弹簧刚度为11. 39～15. 16 N/mm时,相应试验指标作业功耗为1. 55～1. 90 k W、碎土率为91. 3%～92. 9%。选取最优水平组合中的一组进行验证及对比试验,结果表明,通过振动可有效降低旋转中耕机的作业功耗,与传统机型相比,其作业功耗下降了32%。在最优组合参数下进行田间试验,得到其作业功耗为1. 95 k W,碎土率为92. 8%,其作业性能满足中耕机作业要求。     

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。