振动式土壤切削挖掘阻力试验台设计

为探究低频振动挖掘铲在不同牵引速度、振动频率、振动轨迹等因素下对土壤切削挖掘阻力的影响,设计了振动式挖掘铲土壤切削阻力试验台。试验台主要由多连杆振动机构、挖掘装置、试验测试系统及行走装置等组成,通过对试验台的多连杆机构进行设计分析,可满足试验时挖掘铲振动轨迹、振幅等因素可调的要求;设计了试验测试系统,可完成对切削挖掘阻力、振动频率、激振扭矩等信号的数据采集、显示与存储。土槽试验验证表明:各水平因素参数均能够按照设计要求精确调整,测试程序能够准确显示对应信号曲线图形并对数据进行存储,符合试验台设计要求。     

五杆双作用马铃薯振动挖掘装置的设计与仿真

针对马铃薯收获过程中普遍存在的挖掘切削阻力大、耗能高等问题,设计了一种五杆双作用振动挖掘装置,分析了挖掘铲的轨迹及运动特性,并利用SolideWorks、ADAMS等对机构进行了三维建模和运动学仿真。结果显示:在只添加振动驱动力的情况下,五杆双作用振动挖掘铲在水平和垂直方向上分别以20mm和8mm为振幅做简谐运动,仿真结果和理论分析结果一致。模拟田间实际运行轨迹结果显示:振动挖掘铲在随机架前行的同时,以固定的振幅做往复运动,运行轨迹为倾斜的正弦曲线。试验结果表明:该装置工作性能可靠,设计符合要求,可为马铃薯收获过程降低功耗、减少阻力等研究提供参考。     

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。     

板蓝根收获机挖掘铲的设计与有限元仿真分析

为解决板蓝根收获机在作业过程中存在挖掘阻力大、铲面易壅土的问题,依据板蓝根自身特性及种植农艺要求,设计了4UD-600型板蓝根收获机,其作业幅宽600mm,最大挖掘深度为500mm,可一次完成板蓝根的挖掘、土药分离和成条侧出铺放。阐述了收获机的工作原理,对其挖掘铲进行了设计和主要参数的计算,并利用SolidWorks软件中的有限元分析插件Simulation对该挖掘铲进行了静力学分析,最后进行了试验验证。设计采用固定式三角平面挖掘铲,通过动力学分析构建工作阻力模型,依据动量定理、动能定理及几何关系进行计算,确定出挖掘铲的最佳入土角α=19°～23°,铲长L=360～400mm,铲刃张角θ=55°。有限元静力学分析结果显示:挖掘铲的应力主要集中在3个螺纹孔处,且最大应力分布在铲的背面离铲尖较近的两个螺纹孔处,最大应力值为22.44MPa,远小于挖掘铲的许用应力220.6MPa,强度满足设计要求;而产生最大位移的位置为铲尖,变形值为0.09184mm,与整个铲相比此变形量很小,可以忽略。试验结果与仿真结果基本一致,在误差允许的范围内,满足设计要求。     

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。     

深根茎中药材双重振动挖掘机构的研究

为了更有效地减少深根茎中药材挖掘的挖掘阻力,借助Pro/E软件,建立了深根茎中药材双重振动挖掘机构零部件的数字化实体模型,并对深根茎中药材挖掘机构的关键部件—挖掘铲和犁刀的工作状态进行了动态仿真,分析了铲尖和刀尖的运动参数曲线;最后,进行了挖掘机构的田间试验研究。结果表明,铲尖和刀尖的运动符合设计要求;采用双重振动原理实现的挖掘机构可有效地减小挖掘阻力。     

滩涂文蛤收获机挖掘铲的设计与分析

滩涂文蛤具有很高的营养价值,而其采收多采用人工采集,劳动强度大,采收效率低。本设计为一种新型的文蛤收获机,作业宽度1 000mm,挖掘深度100~150mm,适合滩涂文蛤等贝类的采收。为研究机器在收获中遇到的阻力影响,对挖掘铲进行动力学分析设计,并通过受力分析构建工作阻力力学模型。同时,对挖掘铲进行静力学分析,添加载荷及约束,对挖掘铲进行有限元分析,得到挖掘铲的变形、应力及应变云图。计算结果与挖掘铲的材料性能对比,验证了设计的合理性。     

花生挖掘铲动力学分析与试验

对花生挖掘铲与土壤进行动力学分析,建立了挖掘铲工作阻力数学模型,确定了挖掘铲的工作参数、土壤类型、土壤物理机械性质等因素与工作阻力之间的函数关系.分析了挖掘铲的铲面倾角、工作速度、挖掘深度、铲面宽度等因素对挖掘铲工作阻力的影响,以寻求最佳的工作参数.进行了挖掘铲工作阻力测试和花生收获试验,试验结果验证了挖掘铲阻力模型和工作参数的确定是合理的.     

基于土壤压缩破坏理论的挖掘铲的设计与分析

对影响木薯收获的因素进行分析,借鉴马铃薯收获机挖掘铲的设计思想,在铲面受力分析的基础上,引入了土壤压缩和破坏理论,建立了运动条件下挖掘铲的碎土性能分析模型。应用Matlab软件对该模型进行了数值计算,并对平面挖掘铲进行了碎土性能分析,得到了最佳的平面铲倾角,提高了木薯挖掘铲的碎土性能,为木薯挖掘铲的设计提供了理论参考。     

大葱收获机挖掘阻力的理论与试验研究

大葱收获机挖掘阻力的研究对大葱收获机设计具有十分重要的作用,目前还未见有大葱收获机挖掘阻力的报道。为此,针对大葱收获机挖掘阻力难以测试的问题,采用理论建模和自主创新的嵌入式测试技术进行了研究。通过对大葱挖掘铲的受力分析及对挖掘土壤的动力学分析,研究了土壤附着力对挖掘过程的影响并建立了挖掘阻力数学模型。为克服传统根茎类作物挖掘力测试系统存在测试构件多、力传递误差大等不足,创新设计了嵌入式连续土壤阻力测试系统。同时,进行了不同挖掘速度和挖掘深度下的挖掘阻力测试试验,并将挖掘阻力理论结果与试验结果进行比较,二者趋于一致,表明对挖掘阻力的研究是正确的。最后,基于大量测试数据,建立了挖掘深度、挖掘速度与挖掘阻力之间的关系图。研究表明:阻力随着挖掘深度和挖掘速度的增加而逐渐增大,挖掘深度对挖掘阻力的影响比挖掘速度对挖掘阻力的影响大得多。因此,在保证将大葱从土壤中顺利挖掘出来的前提下,尽量减小挖掘入土深度,同时兼顾收获效率和大葱损伤率及损失率等因素,尽量提高挖掘速度,以保证大葱收获机的挖掘效率。     

根茎类中药材收获机挖掘装置设计与仿真试验

针对根茎类中药材收获机采用固定式挖掘铲收获时,存在挖掘深度不足,入土阻力大,功率损耗严重,碎土效果差,铲尖磨损较大等问题,采用理论计算与数值仿真的方法,对振动式挖掘装置的挖掘铲参数、运动机构、铲面运动特性和工作效果进行研究。结果表明:该装置采用锯齿形平面三角铲,铲刃张角≤94°、入土角为20°～30°、工作深度≥500 mm,铲面长度为772 mm,运动机构类型为四连杆机构,工作时做平面运动,其水平方向运动类似于余弦函数曲线,垂直方向为正弦函数曲线,速度与加速度变化类似。挖掘铲在水平方向和垂直方向的运动曲线平滑顺畅,运动类型与理论推导值吻合,为简谐运动,运动过程无干涉现象,速度与加速度变化均符合运动规律。当挖掘装置的前进速度为2.4 m/s,入土角为25°,转速为280 r/min时,该装置的挖掘阻力最小。采用振动式挖掘装置对中药材进行收获时,可有效减小挖掘阻力,具有良好的碎土分离效果,整体运行平稳,工作可靠,各项性能均满足行业标准要求。     

宁前胡仿生挖掘铲设计与试验

针对宁前胡采挖过程中挖掘阻力大的问题，以鲨鱼背鳍为研究对象，并结合农艺要求，设计了一款宁前胡仿生挖掘铲；根据摩尔-库仑理论中土体应力分析，当选用鲨鱼背鳍结构作为仿生铲的凸起结构时，土壤更易达到破裂状态；通过三维扫描仪扫描鲨鱼标本，获取鲨鱼背鳍三维模型，根据背鳍三维模型确定仿生铲的凸起结构，并通过NX12.0创建仿生挖掘铲三维模型；利用三维扫描仪获得宁前胡根茎外形轮廓特征，创建宁前胡根茎的离散元模型，并选用Hertz-Mindlin with JKR建立宁前胡根茎-土壤离散元复合模型；通过离散元仿真对比试验，得出X、Y、Z方向颗粒位移和挖掘阻力的平均值，分析挖掘铲的减阻机理，仿生铲比平面铲在采挖过程中阻力减小14.37%;通过开展土槽试验，对比根茎挖掘效果，与仿真试验中得出的宁前胡根茎在仿生挖掘铲挖掘后，根茎在X、Y、Z方向上有更好的位移表现，仿生铲和平面铲的挖掘阻力平均值分别为1 342.28、1 622.73 N,仿生铲比平面铲在采挖过程中阻力减小17.28%,与仿真试验得出的减阻率十分接近，满足宁前胡采挖过程中的减阻要求。     

木薯收获机挖掘铲的受力分析与优化

挖掘铲的受力情况直接影响挖掘机的工作效果及寿命,挖掘铲面角度是影响挖掘铲受力的主要因素。为此,对木薯收获机挖掘铲在达到挖掘深度进行挖掘木薯的过程进行受力分析,并利用ANSYS软件对铲面角度进行优化,得出在一定的挖掘深度下受力最小的大铲面和小铲面的最佳角度,为挖掘铲的结构优化设计提供理论依据。     

太子参联合收获机的设计

针对目前已有的牵引式太子参收获机无法较好地满足南方小田块地下根茎类作物的收获要求,设计了一款可以一次性实现挖掘、输送、分离、筛选及装箱为一体的太子参联合收获机。阐述了太子参联合收获机的总体结构设计方案,给出了松土铲、升运器、分离滚筒及输送链耙等关键部件的设计过程,并利用ANSYS软件对松土铲进行了有限元分析。     

4HBL-4型花生联合收获机悬浮式仿形机构的设计

花生联合收获过程中,在地面连续变化时常规的限深轮、限深靴等仿形机构不能对地面变化做出迅速响应,造成在收获过程中出现了因挖掘深度不均匀而导致的漏挖等情况。为此,通过将挖掘铲与限深轮固接,并在弹簧的预紧力作用下,遇到地形突然变化时整个悬浮式限深机构首先做出响应,并在弹簧拉力作用下,调整挖掘铲的入土角度,从而调节挖掘铲入土能力,在短时间内调节挖掘深度;同时,依靠弹簧的拉伸与收缩,挖掘铲绕铰接点转动,并对悬臂梁与挖掘装置进行相对位移变动,保证了挖掘深度的一致性,使得挖掘收获更加平稳。     

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。     

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。