沟栽葡萄防寒布覆土卧式刷辊清除装置设计与试验

针对中国西北地区沟栽葡萄春季防寒布上方大量覆土影响防寒布回收的问题,该研究设计了一种水平卧式刷辊清土装置,用于清除防寒布上方埋土。首先,通过理论分析确定了清土总成结构和工作参数取值范围。进一步,基于EDEM-RecurDyn耦合仿真建立柔性清土总成-土壤作用模型,模拟清土作业过程。以清土率和清土总成的转动扭矩为试验指标,设计Plackett-Burman和Box-Behnken仿真试验,以清土率最大和扭矩最小为优化目标,获得最优参数组合为：机具前进速度0.3 m/s、转速550 r/min、安装角30°、叶片偏角0°,清土率和扭矩预测值分别为86.72%、73.36 N·m。最后,采用最优参数组合进行田间试验,结果表明,清土率和扭矩分别为84.12%和78.62 N·m,与仿真优化结果的相对误差分别为3.0%和7.2%。研究结果可为防寒布辅助埋土防寒模式下清土机械研究提供技术参考。     

篱架式葡萄藤冬季埋土清除与防寒布回收机研制

针对中国新疆地区篱架式葡萄春季清土作业中存在的机械清土不彻底、防寒布回收困难以及效率低等问题,该文设计了一种葡萄埋土清除与防寒布回收机,由机架、清土部件、卷布部件和液压系统等组成。在EDEM软件中建立土垄和清土部件的仿真模型,以清土距离作为清土效果的评价指标,以刮土板工作面曲率半径、清土叶轮叶片数及其转速为试验因素,在行进速度为2 km/h的条件下设计并实施三因素五水平仿真正交试验,得到最优参数组合:曲率半径680 mm、叶片数4片、转速500 r/min,此时清土距离为294.27 mm。加工样机并对最优参数组合进行田间验证试验,得到清土距离为271 mm,与仿真试验结果的相对误差为8%,埋土基本清理干净,且对葡萄藤和防寒布的损伤小,作业效率高,为人工清土效率的10倍以上。研究结果可为新疆地区篱架式葡萄埋土清除作业提出新的思路,为后续葡萄清土机械的研制提供参考。     

葡萄分层旋抛式清土起藤机高效旋抛刀设计与试验

针对中国西北地区酿酒葡萄清土作业缺乏与土壤颗粒群相互作用的研究,凭经验设计使得单层旋抛清土方法效率低以及清土部件功耗高的问题,设计了一种分层旋抛式清土起藤机并对旋抛刀与土壤相互作用进行研究。首先,根据中国西北地区酿酒葡萄种植及清土的农艺要求,完成分层旋抛刀的设计,然后对旋抛式清土起藤机的运动进行理论分析,确定影响旋抛刀功耗和抛送距离的主要因素,并通过EDEM—Recurdyn耦合仿真,以旋抛刀不同焊接角度、转速及整机的前进速度为试验因素,以清土率、旋抛刀扭矩为评价指标,分析土壤离散颗粒群与旋抛刀之间的相互作用,得到最优参数组合,进一步基于台架试验对仿真试验进行验证。结果表明,当旋抛刀焊接角度为30°,转速为270r/min,前进速度为0.4 m/s时,清土率为49.1%,旋抛刀平均扭矩为13.09 N·m,土壤抛送距离集中在1.52～1.75 m之间,与仿真优化结果（清土率为55.9%）相对误差为13.8%,研究结果可为后续研制分层旋抛式清土起藤机提供理论依据及技术参考。     

基于局部建模方法的卧式柔性清土辊性能优化

针对基于整体建模的卧式柔性清土辊性能优化方法存在仿真成本高的问题,该研究提出一种局部预测整体的建模方法,既降低仿真计算量,同时可以对柔性清土辊进行优化设计。首先,提取柔性清土辊的最小结构特征,并基于几何相似性原理构建整体性能预测模型。其次,基于离散元法（Discreteelementmethod,DEM）与多柔性体动力学（multi-flexible-bodydynamics,MFBD）耦合仿真技术优化求解最小特征结构的最优作业性能。最后,依据预测模型估算柔性清土辊的整体性能。柔性清土辊的清土率和阻力矩与其刷片数量的线性拟合决定系数分别为0.987和0.99。基于局部建模方法和EDEM-RecurDyn耦合技术建立最小特征结构与土壤互作模型,其接触计算量仅为整体建模方法的8%左右。前进速度、安装角、轴向长度和叶片锥角对最小特征结构和刷片的作业性能影响显著,仿真优化结果分别为0.3 m/s、30°、50 mm和0°。上述条件下最小特征结构的清土率和阻力矩为36.87%、18.91 N·m,单个刷片的清土率和阻力矩为2.80%和2.78 N·m,最小特征结构的物理试验结果与仿真结果的相对误...     

自动避障式葡萄藤防寒土清土机研制

针对目前葡萄藤防寒土清土机自动化程度低、清土不彻底和易伤藤等问题,该研究基于多体动力学软件RecurDyn和离散元软件EDEM耦合仿真的方法,面向中国北方砂壤土地区葡萄园内的葡萄藤防寒土清除,提出采用柔性刷子与橡胶组合的清土作业部件,并设计了一种自动避障式葡萄藤防寒土清土机,主要由机架、避障摆动机构、避障信号采集机构、控制器、清土部件、挡土板、传动部件和限深轮等部分组成,在机具前进作业过程中,通过触杆感知自动避开水泥柱,并将葡萄藤上覆盖的防寒土清除干净。采用耦合仿真试验,模拟整机避障清土的作业过程,以机具前进速度、避障油缸速度、清土部件转速和触杆转动角度阈值为试验因素,以土壤清除率为试验指标,进行四因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归显著性分析,确定了对试验结果影响显著的因素,以土壤清除率最大为优化目标,获得了机具的最佳作业参数组合:机具前进速度0.43 m/s、避障油缸速度60 mm/s、清土部件转速550 r/min、触杆转动角度阈值10°,此时仿真优化的土壤清除率为54.65%。加工物理样机并进行田间验证试验,得到田间试验的土壤清除率为59.73%,与仿真试验的土壤清除率相对误差约为8.50%,田间试验结果与仿真优化结果基本一致,满足自动避障式葡萄藤防寒土清土作业要求。研究结果可为触土机具避障机构的整体设计及优化提供理论依据和技术支撑。     

叶轮旋转式葡萄藤埋土单边清除机研制

针对目前春季中国北方葡萄种植主产区人工进行葡萄藤清土作业效率低、机械化程度低等问题,该文设计了一种适应于单边清土的叶轮旋转式葡萄藤清土机,主要由机架、刮土部件、叶轮部件和平土搅龙部件组成。刮土部件和叶轮部件能够分别将葡萄藤上方和侧面土壤清除,平土搅龙部件能够将清除的土壤进一步向行间输送并使其均匀地平铺在葡萄行正中间。以机器前进速度、叶轮转速和搅龙转速为因素,以清土中心距为指标,在离散元软件EDEM中对葡萄藤清土机作业进行仿真试验,得到最佳工作参数:前进速度1.2 m/s、叶轮转速420 r/min、搅龙转速300 r/min,此时清土中心距为44 mm。加工物理样机并进行田间试验,田间试验结果与仿真结果基本一致,两者清土中心距的相对误差约为15%,满足葡萄藤清土机单边清土的作业要求。该研究可为后续其他类型葡萄藤清土机的研制提供参考。     

酿酒葡萄清土起藤机刮板与防寒土相互作用研究

中国西北酿酒葡萄主产区春季的清土起藤作业机械化刚刚开始,针对目前单刮板清土部件作业整机功耗高,清土效率低以及缺乏与防寒土动态作用的理论研究等问题,本文提出了刮板式清土机的设计理论及方法,并设计了一种双刮板式清土起藤机。首先,根据中国西北葡萄种植地区清土农艺要求,确定刮板的数量及外形尺寸,然后通过理论分析大刮板的受力,确定影响其工作阻力的主要因素,并通过EDEM离散元仿真,对设计的具有不同曲面形式、切削角及倾斜角的刮板进行土壤离散颗粒群与机械刮板相互作用仿真,分析刮板壅土情况和土壤颗粒群的流动规律,然后设计三因素三水平的正交试验,以壅土量为评价指标获得刮板的最佳工作参数,并进行了台架试验验证,结果表明当刮板曲面为抛物线、切削角为55°、倾斜角为60°时,刮板壅土量最少,为43.2kg,清土效果最佳,与仿真结果一致;加工一台双刮板式物理样机并进行了田间试验,与传统单刮板式清土起藤机进行对比试验,结果表明双刮板式清土起藤机的清土率为75.03%,比传统单刮板清土起藤机提高了27.2个百分点,新研制的刮板相对传统刮板壅土量降低了38.74%。研究结果可为后续研制葡萄藤清土起藤机提供技术参考和理论依据。     

葡萄藤防寒土与清土部件相互作用的离散元仿真参数标定

为系统地研究中国北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土及其与清土机清土部件常用材料(Q235钢、橡胶)相互作用的离散元仿真参数,以构建准确的土壤离散元仿真模型,该文选用整合延迟弹性模型(hysteretic spring contact model,HSCM)和线性粘附模型(liner cohesion model,LCM)作为土壤颗粒间的接触模型;基于土壤堆积试验,以土壤颗粒间恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数和土壤粘附能量密度为因素,以土壤堆积角为指标,利用EDEM进行通用旋转中心组合模拟试验,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归分析,以实测的土壤堆积角作为优化目标值,获得土壤颗粒间的最佳接触参数组合;利用土壤屈服试验获得HSCM模型参数;基于斜面滑动法原理,利用倾斜板试验台测得土壤与Q235钢和橡胶之间的静摩擦系数,并以此为基础,采用土壤滑落试验,以滑动摩擦角为响应值,对土壤颗粒与Q235钢和橡胶之间的恢复系数和滚动摩擦系数进行寻优,得到最优解参数组合。为验证标定优化的离散元模型参数的准确性,采用刮土板土槽试验和仿真试验进行对比分析,获得刮土板在土槽试验和仿真试验中的水平前进阻力分别为228.36 N和213.79 N,两者之间的相对误差为6.38%,表明仿真模型中土壤的物理力学特性与实际土壤基本一致,验证了葡萄藤防寒土离散元仿真参数标定结果和研究方法准确可靠。研究结果可为基于离散元法研制适用于北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土清土机提供理论基础和技术支撑。     

基于颗粒放尺效应的逆旋开沟机刀辊功耗分析与试验

为探究粗粒化建模对逆旋开沟机刀辊功耗的影响,提高离散元法的计算效率,该研究以1K-50型开沟机开沟部件为对象,利用EDEM软件构建适于南方葡萄园土质环境的刀辊-土壤离散元模型,将仿真模型中的土壤颗粒分别放大2～5倍进行开沟仿真试验,对刀辊功耗、工作阻力及土壤运动状态进行分析。结果表明：在土壤颗粒直径为5 mm、刀辊转速132 r/min、前进速度0.06 m/s、开沟深度0.3 m工况下,刀辊稳定作业阶段的功耗、水平阻力及垂直阻力平均值分别为3.73 kW、923.85 N和148.30 N,仿真功耗相对实际功耗的误差为9.9%。开沟仿真过程中刀辊的功耗、工作阻力平均值及土壤运动状态随放尺比例的变化而变化,其中刀辊功耗与水平阻力平均值随放尺比例增大而减小,垂直阻力平均值随放尺比例先减小后增大再减小,且增大放尺比例使得土垡从刀片正切面的抛出时刻提前,抛出速度减小,土垡逐渐松散,壅土高度增加,但不改变正切面上各深度土层的土壤分布顺序。放尺比例为2～5时,仿真计算时间相较原尺状态减少99%,但仿真功耗相对实际功耗的误差超过32%,当放尺比例为1.2时,能够将功耗相对误差控制在11.1%,仿真时间为22.9 h,仿真数据量313.72 GB。研究结果可为农机领域离散元放尺计算及构建刀辊-土壤粗粒化模型提供一定参考。     

基于DEM-MBD耦合的铲板式滚动触土部件作业机理分析与试验

为探索土壤微形貌加工过程中从动型铲板式触土部件与土壤的互作机理,该研究基于离散元法（Discrete Element Method, DEM）与多体动力学（Multi-Body Dynamics, MBD）耦合算法建立铲板式滚动触土部件与土壤互作的离散元模型。通过EDEM-RecurDyn联合仿真探索滚动部件作业机理,以机具作业速度（0.6、1.0和1.4 m/s）为影响因素,求解机具作业所需水平牵引力与土壤微坑容积,并通过开展台架试验评价仿真模型准确性。耦合仿真结果表明：随机具作业速度的上升,x向水平牵引力和z向垂直力不断变大;机具在不同速度作业下的土壤表面形成的微坑容积分别为3 310.91、3 325.96和3 384.47 mL;根据土壤压缩力、颗粒流向及动能变化,阐释了铲板式滚动触土部件作业过程中土壤微形貌的形成机理。将台架试验与仿真求解结果进行对比,x方向水平牵引力相对误差分别为5.01%、4.58%、4.10%,土壤表面微坑容积误差分别为6.23%、7.09%、5.64%,各作业速度下仿真模型具有较好的准确性。该文所构DEM-MBD耦合模型可为探明铲板式滚动触土部件与土壤互作机理、机具几何结构优化、以及作业参数选择提供理论依据和技术参考。     

基于离散元法的旋耕刀三向工作阻力仿真分析与试验

为分析旋耕刀所受三向工作阻力及其变化规律,该文通过实测南方果园土壤颗粒参数,逆向重构旋耕刀三维实体,基于离散元颗粒接触理论,构建了适应南方土质环境的旋耕刀-土壤相互作用仿真模型。土槽扭矩对比试验表明,仿真值与试验值的变化趋势相同,扭矩均随转速增加而变大,最大相对误差10%;扭矩先从0增加到某个最大值,接着逐步减小到一个低值,随后又快速增加到一个高值,最后回落,该变化过程同旋耕刀与土壤之间的接触状态相关。单刀受力仿真分析表明,水平阻力方向与前进方向相同,侧向阻力方向为由刀具弯折区内侧面指向刀体,垂直阻力方向为先垂直土面向上后转为向下;水平阻力和侧向阻力在最大耕深处出现最大值,而垂直阻力在入土后转动约30°时出现最大值;水平阻力和垂直阻力的仿真波形与理论计算、土槽试验结果比照表明,对应曲线的变化趋势基本一致,且仿真结果与土槽试验结果更为接近,水平阻力相对误差为11.3%,垂直阻力相对误差为16.8%;水平阻力最大值大于侧向和垂直方向阻力最大值,水平阻力是功率消耗的主要因素;随着转速的增加,3个方向阻力最大值均增大,当转速高于250 r/min时,增速加快;侧向阻力和垂直阻力随前进速度增加而平稳增大,水平阻力却出现下滑趋势;耕深对三向阻力的影响比较显著,增加耕深会急剧增大三向阻力值。相关试验数据可为旋耕机能耗分析、机体作业振动及刀片磨损等研究提供参考。     

旋耕刀三向工作阻力试验及作业参数优化

以普通C型旋耕弯刀为研究对象,分析了影响刀具三向工作阻力的作业因素,确定了刀具弯折角A、刀具幅宽B、耕深C、相位角D、前进速度E等主要试验因素,以单位幅宽工作阻力为试验指标.在试验土槽模拟南方红壤黏土环境,进行L18(37)正交试验,对试验结果进行极差分析、显著性检验、k值分析及线性回归建模.结果表明试验因素对单位幅宽前进阻力影响主次顺序为C、B、D、A、E,其中B和C影响等级相当,A和D影响等级相当,B、C影响具有显著性(P<0.05);对单位幅宽垂直阻力影响主次顺序为A、C、D、B、E,其中A、B、C、D影响等级相当,具有显著性(P<0.05);对单位幅宽侧向阻力影响主次顺序为D、C、A、B、E,其中C、D、A影响等级相当,但不具显著性;综合分析得最优工作组合模型为弯折角120°,刀具幅宽80 mm,耕深80 mm,前进速度0.5 m/s.田间旋耕对比试验表明:采用优化组合模型时,手扶式旋耕机的刀轴转矩、振幅分别降低了12%和21%,整刀磨损量增加,但单位幅宽磨损量却降低了16%,碎土率和耕深稳定系数均有所提高.该研究为降低旋耕机作业能耗、减少刀具磨损及提高机具稳定性提供参考.     

基于离散元法的旋耕刀受力分析

为分析旋耕刀在有秸秆覆盖和无秸秆覆盖土壤中工作时的受力情况,该文采用离散元法构建土壤-旋耕刀相互作用和秸秆-土壤-旋耕刀相互作用的三维离散元模型。在土槽试验中采用扭矩传感器测量旋耕刀所受扭矩,在仿真中导出每个时刻旋耕刀受到的扭矩和力数据,试验和仿真都在恒定前进速度0.222 m/s和耕作深度100 mm及4种转速77、100、123、146 r/min下进行。结果显示旋耕刀最大扭矩值随着转速增加呈现增加的趋势;在无秸秆覆盖土壤中,试验值与仿真值的相对误差为16.3%;在有秸秆覆盖土壤中二者相对误差为19.1%。耕作过程中旋耕刀所受合力、水平力及侧向力都呈现先升后降的趋势;合力、水平力和垂直力的最大值,都随着转速的增加而增加。旋耕刀刚开始切土时,在有秸秆覆盖的土壤中受到的阻力总比无秸秆覆盖的土壤中所受阻力要大;之后旋耕刀在有秸秆覆盖的土壤中受到的最大力要大于在无秸秆覆盖的土壤中受到的最大力。仿真的水平力和垂直力与旋耕刀理论模型计算得到的旋耕刀水平力和垂直力变化一致。利用离散元法研究旋耕刀切土过程,对探讨刀具与土壤的相互作用机理及设计和优化高秸秆含量土壤中工作的耕作机械具有重要意义。     

玉米原茬地侧向清茬刀设计与试验

针对玉米原茬地免耕播种作业过程中残留玉米根茬和须根导致施肥播种部件堵塞、播种质量降低等问题,该文设计了一种玉米原茬地免耕播种用侧向清茬刀,分析了侧向清茬刀工作与结构参数对根茬清除率、土壤扰动率和功耗的影响。对侧向清茬刀清茬、输送、抛扔等作业过程进行分析,并依此对侧向清茬刀结构及正切刃工作曲线进行设计,确定了影响其作业性能的关键参数。应用三因素三水平正交试验和模糊综合评价方法,选取正切刃折弯角α、正切刃宽度B、清茬刀角速度ω为影响因素,根茬清除率、土壤扰动率、当量功耗为性能指标,对影响作业性能的侧向清茬刀结构和工作参数进行优化。结果表明:在作业速度7.2 km/h条件下,正切刃折弯角0.86 rad、正切刃宽度50 mm、清茬刀角速度52 rad/s时,根茬清除率为94.3%,土壤扰动率为54.3%,当量功耗为3.4 kW,工作过程中未出现堵塞与秸秆缠绕现象。研究结果可为玉米原茬地免耕播种作业提供参考。     

机械式小麦射播排种器参数优化与试验

针对机械式小麦射播排种器作业过程中存在的种子碰撞力较大、破损率高的问题,该研究采用TRIZ（Theory of the Solution of Inventive Problems）理论对小麦机械式射播排种器的关键部件参数进行优化,通过对种子在排种器内部的运动学分析,确定了影响小麦种子与排种器内部碰撞程度的因素为排种器转速、叶片后倾部分曲率半径与叶片安装角度,采用EDEM软件模拟小麦种子在排种器内部的运动情况,以种子破损率、平均排种速度与播种深度变异系数为试验指标,进行台架试验,结果表明,当排种器转速为1 000 r/min,叶片后倾部分曲率半径为40 mm,叶片安装角度为15°时,种子破损率为1.1%,平均排种速度为32.5 m/s,播种深度变异系数为8.9%,满足小麦播种作业要求。     

免耕播种机旋耕刀耕作性能分析与结构优化

为预测和评估免耕播种机触土部件的作业性能,有必要建立机具-土壤耦合系统的互作模型。传统模型将散落土表的秸秆视为刚体,无法模拟真实条件下秸秆的破裂与变形,导致模型的预测精度下降。为克服上述模型不足,该研究建立一种柔性秸秆模型,构建刀具-秸秆-土壤耦合系统的离散元模型,并通过土槽试验进行模型验证。同时,为解决标准旋耕刀片的缠绕和壅堵问题,提出一种梯形直刀结构,对比分析了旋耕作业工况下标准刀和梯形直刀作用后秸秆位移、刀轴扭矩、刀具碎茬与埋茬性能。仿真结果表明,梯形直刀的碎茬和秸秆掩埋性能均优于标准刀,标准刀和梯形直刀作业后开沟截面形状分别为梯形和三角形,刀轴扭矩呈现三角形冲击峰的形式,梯形直刀的刀轴扭矩大于标准刀情形,而标准刀的碎土性能优于梯形直刀。在此基础上,以弯折角、侧面角以及刀片高度为设计变量,采用响应面法构建旋耕扭矩和碎土率的回归方程。基于NSGA-II算法对梯形直刀结构进行优化,最佳的结构参数为：弯折角150°、侧面角60°、刀片高度88 mm。田间试验结果表明,优化后刀轴的平均扭矩较优化前减少11.70%,峰值扭矩减少6.28%,碎土率从82.53%提高至89.22%。     

葡萄防寒布平整卷收速度控制系统设计与试验

针对中国新疆地区葡萄防寒布平整卷收难的问题,该研究分析了防寒布平整卷收原理,并设计了葡萄防寒布平整卷收速度控制系统。该系统可自动检测防寒布的卷收状态,在平整卷收状态时采用增量式PID算法输出PWM(Pulse Width Modulation)信号,基于机具前进速度和布辊半径实现防寒布卷收速度的实时调节;在偏斜卷收状态时通过调节卷布辊轴转速改变卷布辊轴实时转速相对于目标转速的超前或滞后关系,使防寒布恢复平整卷收状态。通过在Simulink中建立电机PID控制模型进行仿真。通过直流电机转速静态标定试验得到电机转速与PWM信号占空比的对应关系。防寒布自动调偏性能试验验证了本文方法的可行性,优化得到激光开关传感器与防寒布边缘的距离为20mm。由直流电机转速调节性能试验对仿真试验结果进行校验,得到优化后的稳态响应时间约为0.4 s,响应延迟约为0.1 s。田间试验结果表明,防寒布卷收平整度均大于90%,平均为92.78%,满足防寒布卷收作业要求。研究结果可为葡萄防寒布回收机的设计与优化提供技术参考。