基于离散元法和TRIZ理论的薯土分离机构优化

为改善我国甘薯收获机的作业效果,降低伤薯率,提高明薯率及工作效率,本文以杆条式薯土输送分离机构为研究对象,基于离散元法建立仿真模型,以杆条升运器线速度、倾角、振幅为变量,利用EDEM对机构进行单因素仿真分析;以甘薯所受碰撞法向力和输送效率为指标参数,分析仿真结果。得到薯土输送分离机构最优工作参数:线速度为2.1 m/s,倾角为18°,振幅为10 mm。以线速度为变量进行单因素田间试验,试验结果表明,线速度为2.1 m/s时,机具作业效果较好,与仿真结果相符,证明了利用离散元法对薯土输送分离机构作业过程进行仿真模拟的可行性。为解决薯土分离过程中伤薯不可控的问题,进一步降低甘薯的损伤率,增强输送分离过程稳定性,本文结合TRIZ理论对伤薯问题进行分析,并提出两段式薯土输送分离机构。通过仿真模拟验证,结果表明两段式输送分离机构作业效果明显优于原输送分离机构,一段作业机构平均减损率高达73.9%,二段作业机构平均减损率达11.0%,验证了两段式输送分离机构的可行性及TRIZ理论的创新性。     

薯土输送分离机构仿真分析与创新设计

我国是甘薯种植大国,能够进行自动化采收作业的甘薯收获机具备重要地位。甘薯输送分离机构是甘薯收获机中的重要机构,对伤薯率及明薯率有至关重要的影响。通过离散元仿真,从甘薯碰撞损伤和土壤破碎效果两方面进行分析研究,得到最优参数。依此进行样机的设计与制造,并进行田间试验验证仿真结果。依据TRIZ理论,对分级收集机构进行创新设计,解决分级效率差的问题。      

基于EDEM_Recurdyn耦合的马铃薯干式清土装置仿真分析

针对我国马铃薯采后清洗作业方式多为直接水洗,缺少与之配套的干洗预处理环节而极大地影响马铃薯清洗效果的问题。在前期研发基础之上,设计一种基于错位对向搓送组合的马铃薯干式清土装置。利用Recurdyn软件中的柔性模块将毛刷辊转化为柔性体并与EDEM软件耦合建立离散元仿真模型,对马铃薯干式清土装置的清土过程进行数值模拟。以马铃薯干式清土装置的毛刷辊转速、橡胶链杆转速、喂入量为试验因素,以马铃薯在装置内的碰撞次数和受力为评价指标,分析物料输送的顺畅性和物料损伤程度的变化。仿真结果表明:当喂入量3 t/h、橡胶链杆转速25 r/min、第1、3刷辊转速为40 r/min、第2、4刷辊转速为56 r/min时,马铃薯输送流畅性较好,碰撞受力较小。根据仿真结果进行验证试验,结果与仿真结果基本一致,研究结果可为马铃薯干式清土装置后续试验优化提供理论依据。     

一种定量堆放式马铃薯收获机的研制

为解决我国马铃薯收获机械明薯率低、伤薯率高及马铃薯收获后在田间被土埋没和散布造成的捡拾困难问题,设计了一种定量堆放式马铃薯收获机。该机通过三点悬挂装置与拖拉机相连,由拖拉机后动力输出轴提供动力,由挖掘机构进行薯块挖掘;在偏心凸轮抖动装置的作用下,由链杆式分离输送器进行薯土分离。同时,设计了一种定量堆放装置,能够在马铃薯收获后将薯块定量地在田间一侧堆放。该机可一次性完成挖掘、输送、薯土分离及定量堆放等作业。试验表明:当分离输送器线速度为1. 5m/s、偏心凸轮振幅为15mm、转动频率为2.5Hz时,既能保证薯块破损程度最低,又能保证较好的薯土分离效果,为最优设计组合。田间试验测定表明:薯率为96.4%,伤薯率为3.8%,每堆薯块平均堆放质量为19.5kg,定量堆放效果良好,各项指标均满足要求。     

粘重土壤下马铃薯挖掘机分离输送装置改进设计与试验

针对升运链式马铃薯挖掘机输送分离装置普遍存在的在粘重土壤条件下升运链长度匹配性不佳等问题,设计了一种适宜粘重土壤的升运链输送分离装置。通过对该输送分离装置及薯土混合物的理论分析,确定了影响最佳薯土分离效果的主要因素,得到影响分离性能的升运链长度范围和抖动器等结构参数;以二级升运链长度、机具前进速度和升运链线速度为试验因素,以明薯率、伤薯率为试验指标进行田间试验,试验结果表明:二级升运链长度为3.1 m、机具前进速度为1.2 m/s、升运链线速度为1.5 m/s时,其明薯率为98.1%,伤薯率为1.1%,高于马铃薯挖掘机的收获作业要求。满足粘重土壤条件下马铃薯挖掘机的作业要求。     

寒地黑土马铃薯收获薯土分离装置设计与研究

针对黏重土壤下的马铃薯收获机薯土分离伤薯率高的问题,对马铃薯收获机薯土分离装置进行结构优化、理论分析,得到最佳参数组合。升运链线速度1.495 m·s^-1、工作倾斜角度18.9°、抖动轮频率7.15 Hz时,薯土分离装置损伤率最低;经台架试验得出5次损伤率均值为2.7%,满足设计要求。损伤率的降低提高了马铃薯的机械化收获效率,对马铃薯增产增收具有重大意义。     

基于ProE的生姜挖掘类收获机构的模拟仿真设计

利用ProE软件模拟仿真设计了一种生姜挖掘类收获机构,该收获机构虚拟的悬挂于小型拖拉机后,由拖拉机带动该机构进行挖掘生姜收获作业。该收获机构中的切割铲模拟仿真是采用钢板材料制成的两刀片并组合成整体"V"型三角形的挖掘切割铲设计,并在切割刀片后面设有条形筛至土薯分离器,以便姜块挖掘物的初次姜土分离和传输;姜土传输分离器模拟仿真设计是利用常用钢筋条按一定间距布置于传动链条上组合而成的链杆式分离器。这种利用三维模拟仿真软件设计和虚拟样机装配的方法,形象直观,便于进一步开发研究。     

4U-750牵引式甘薯收获机设计与试验

为解决目前甘薯收获机械大多沿用马铃薯收获机成熟技术设计,不能根据甘薯特殊生长状况开发研制等问题。完成4U-750甘薯收获机的设计、试制及田间试验。4U-750甘薯收获机作业幅宽600～750 mm,生产效率0.1～0.2 hm~2/h,可一次完成破垄防缠、挖掘、土薯输送分离、薯块集条铺放等作业。整机设计有主动式内倾锯齿形圆盘切刀,可切断垄沟秧蔓,避免缠绕堵塞,破开垄底层,降低挖掘阻力,提高作业效率。升运链式输送分离装置设有随动型抖动轮,可实现土壤破碎及土薯分离,有效降低伤薯率。田间试验表明:在拖拉机前进速度为1.5 km/h时,4U-750甘薯收获机损失率、伤薯率、破皮率和生产率分别达到2.9%、0.6%、1.5%和0.13 hm~2/h,均符合相关标准,满足设计与使用要求。     

丘陵山区甘薯收获机的研制与试验

针对丘陵山区甘薯收获机械化水平低,国内收获机普遍存在伤薯率高、挖掘阻力大、易堵塞和土薯分离不净的问题,设计制造一种适用于适于丘陵缓坡红黄壤黏性土作业的甘薯收获机。阐述收获机整机结构和工作原理,对传动系统、挖掘铲、防缠装置和土薯分离输送装置等关键部件进行设计分析,通过理论计算确定弧形挖掘铲、升运链和抖动轮的主要参数。性能试验结果表明:防缠装置对收获机性能影响显著,低速收获时,明薯率为98.25%,伤薯率为2.94%,破皮率为2.15%,顺畅性为99.52%,生产率约为0.16 hm~2/h;高速收获时,明薯率为98.51%,伤薯率为2.62%,破皮率为2.02%,顺畅性为98.32%,生产率约为0.27 hm~2/h,各项指标均符合设计合格要求,对甘薯红黄壤黏性土垄作种植适应性较好。     

抖动链齿杆式残膜-土壤-秸秆挖掘与输送装置设计与试验

针对土壤层残膜回收装备存在挖掘阻力大、功耗高、易壅土等问题，设计抖动链齿杆式残膜-土壤-秸秆挖掘与输送装置，其中旋耕挖掘机构降低挖掘阻力并解决壅土问题，抖动链齿输送机构提高残膜-土壤-秸秆输送效率。建立输送链表面物料颗粒的受力模型，分析前进速度与输送链转速之间的变化关系，计算抖动轮与输送链转速；测定土壤剖面残膜和秸秆的含量及分布并建立虚拟仿真土槽，模拟棉田土壤中残膜和秸秆含量及分布特点。在EDEM中构建残膜-土壤-秸秆挖掘与输送装置仿真模型并设置挖掘铲入土深度150 mm,在不同前进速度(0.75、1、1.25 m/s)、旋耕刀片转速(210、230、250 r/min)、输送链转速(65、85、105 r/min)组合条件下，模拟挖掘与输送残膜-土壤-秸秆过程中的壅土效果和颗粒速度变化特性；根据仿真试验结果可知，在挖掘与输送装置前进速度较高的条件下易发生壅土问题，土壤层残膜、土壤和秸秆颗粒运动速度小于5 m/s。田间试验结果与仿真试验结果基本相同，在不同的因素水平组合条件下，田间试验测量壅土高度范围为71～246 mm;田间试验表明，当壅土高度小于等于90 mm时不会发生挖掘阻力较大...     

甘薯起垄整形机犁铧式开沟起垄装置设计与试验

针对现有甘薯起垄整形机起垄效果较差、牵引阻力大等问题,设计了一种甘薯起垄整形机犁铧式开沟起垄装置,并阐述了其主要结构和工作原理。结合甘薯种植模式和垄型结构农艺要求,采用水平直元线法确定了开沟起垄装置犁体曲面的结构参数及其取值范围。运用EDEM离散元仿真软件,建立了犁铧式开沟起垄装置-土壤互作仿真模型。选取开沟犁体曲面安装角、推土角、元线角差值为试验因素,以犁体土壤抛送距离和牵引阻力为评价指标,进行了Box-Behnken中心组合设计试验。仿真试验结果表明,当作业速度为3.33 km/h时,安装角、推土角和元线角差值最优组合为27.19°、38.05°和10.69°。基于优化的最优组合参数进行了田间试验,田间试验结果表明,犁铧式开沟起垄装置垄高稳定性系数为98.53%,垄体土壤紧实度为236kPa,拖拉机作业油耗为11.94L/h,满足甘薯开沟起垄农艺要求,且均优于板式起垄装置作业效果。     

马铃薯收获机辊组式薯土分离装置设计与试验

针对目前传统马铃薯收获机分离装置存在伤薯率高、去土率低以及分离装置结构形式单一且调节不便的问题,设计了一款由聚氨酯材料构成的左右螺旋对称式去土辊与可调节式光辊交替排列组合的马铃薯收获机辊组式输送分离装置。通过针对机体结构的动力学分析、薯土分离的耦合机理分析和去土过程马铃薯之间碰撞离散分析,确定了影响马铃薯收获机辊组式输送分离装置伤薯率和去土率的关键因素,并对其进行试验,以伤薯率和去土率为试验指标,以去土辊和光辊间距和转速、输送分离装置倾斜角为试验因素,根据正交试验结果建立数学回归模型并进行响应面分析和参数化分析,确定当去土辊与光辊间距为16.5 mm、去土辊转速为100 r/min、光辊转速为100 r/min、分离装置倾斜角为8°时,伤薯率为0.64%,去土率为97.1%。与传统马铃薯收获机分离装置相比,伤薯率下降0.12个百分点,去土率上升2.6个百分点,该装置能更好地满足输送分离要求。     

基于EDEM的马铃薯收获机分离输送装置仿真分析

为了实现提高马铃薯收获效率并减少其机械损伤,关键在于优化滚筒式马铃薯收获机分离输送装置的运动参数,包括滚筒筛转速、切削角度和行进速度.为此,建立了土壤颗粒的仿真模型、马铃薯颗粒的仿真模型和马铃薯收获机分离输送装置的仿真模型,通过EDEM软件仿真土壤和马铃薯颗粒的分离输送试验并收集数据;运用Design-expert软件...     

基于离散元法的甘薯起垄机旋耕刀抛土性能仿真试验

为了验证甘薯起垄机上IT260型旋耕刀的抛土性能，在EDEM离散元软件中进行了仿真试验，将仿真数据与理论数据进行对比。结果表明，在IT260型旋耕刀前行速度1.54 m/s、转速330 r/min、耕深0.12 m的工况下，平均抛土量153.37 kg，满足起垄所需的土壤量需求。建立的三维模型可为今后甘薯起垄机旋耕刀的研究设计提供参考。      

碎甘薯秧离散元仿真参数测量与标定*

针对甘薯秧蔓机械化回收过程中离散元仿真研究缺乏准确参数值的问题,采用直接测量和虚拟标定相结合的方法对碎甘薯茎秆和叶片离散元仿真参数进行研究。采用物理试验法获得碎甘薯秧的本征参数、碰撞恢复系数等参数值及碎甘薯秧颗粒的静摩擦系数参数范围,并为离散元法仿真设计了不同的参数组合。通过堆积角优化仿真试验确定甘薯叶片本征参数及其他不易直接测量的离散元仿真参数。Plackett-Burman试验表明,甘薯茎秆—甘薯茎秆和甘薯茎秆—45钢的静摩擦系数、甘薯茎秆—甘薯茎秆和甘薯茎秆—甘薯叶的滚动摩擦系数均显著影响堆积角。运用最陡爬坡试验和Box-Behnken优化试验标定了对碎甘薯秧堆积角有显著影响的参数值,以得到的参数进行颗粒堆积仿真试验,测得堆积角平均值为40.51°,与实测值相对误差为0.972%,说明物理试验加优化仿真试验来标定离散元参数是可行的,标定所得的参数可作为甘薯秧茎叶离散元仿真参数。     

基于EDEM数值模拟的沙棘滚筒筛设计

为解决沙棘浆果中含有杂质,导致浆果筛分含杂较高的问题,设计三层结构滚筒筛装置,并确定振动电机、减震弹簧等关键部件参数。其激振力为7 644 N,功率为3.24 kW,减震弹簧刚度8 047.3 N/m。使用EDEM离散元软件对滚筒筛的转速、倾角进行模拟分析。模拟结果表明:当滚筒筛转速、倾角为38 r/min、8°时,其筛分效率、含杂率为84.2%、6.98%。以转速、倾角两个因素为自变量,筛分效率、含杂率为指标进行方差分析,当滚筒筛转速为38 r/min、倾角为8°时是最优参数组合解,且筛分效率、含杂率分别为82%、8.7%。实测值与仿真试验的筛分效率相差2.2%,含杂率的相差1.72%。     

黑土区玉米秸秆-土壤混料离散元模型参数标定

由于黑土区保护性耕作中关键农机部件设计优化过程中缺乏准确的离散元仿真模型参数,在一定程度上制约了机具的优化改进。以黑土区玉米秸秆-土壤混料为研究对象,构建玉米秸秆-土壤混料离散元仿真模型,采用物理试验与EDEM仿真试验相结合的方法,选用Hertz-Mindlin with JKR接触模型进行离散元仿真接触参数标定。首先,采用圆筒提升的方法确定玉米秸秆-土壤混料的实际堆积角,利用Design-Expert软件中Plackett-Burman试验筛选出对堆积角有显著影响的参数为：土壤-土壤滚动摩擦因数、土壤-钢静摩擦因数、秸秆-土壤滚动摩擦因数、土壤JKR表面能;进一步通过最陡爬坡试验确定4个参数的最优取值范围,根据Box-Behnken试验原理以堆积角为响应值,建立堆积角与显著参数的二次回归模型;以实际堆积角为目标,利用软件寻优功能对显著参数进行优化并得到最优参数组合：秸秆-土壤滚动摩擦因数0.16、土壤-土壤滚动摩擦因数0.24、土壤-钢静摩擦因数0.75、土壤JKR表面能0.67J/m2。通过仿真试验对最优参数组合进行对比验证,仿真堆积角与物理试验堆积角相对误差为1.64%。研究结果表明标定的参数真实可靠,可为黑土区玉米秸秆-土壤混料的离散元仿真提供理论参考。     

党参挖掘装置设计与试验

针对现有党参人工挖掘方式挖掘效率低、挖掘成本高的问题，基于人体仿真学，设计一种四杆机构党参挖掘装置。通过Proe建立三维简化模型，采用离散元仿真软件EDEM和多体动力学软件ADAMS建立土壤—党参—挖掘装置简化模型。通过ADAMS_EDEM进行仿真挖掘试验，得出阻力较小时转速和入土角范围。采用SAS软件对转速和入土角度进行最优平衡随机设计的试验，并进行土槽挖掘试验验证。仿真结果表明：较佳的入土角范围75°~80°。最佳的转速范围为：60r/min~90r/min。通过土槽挖掘试验结果表明：当入土角度为通过最后分析得出最佳组合为70r/min×75°时，挖掘机构党参挖松率最高为97.94%。损伤率为4.52%，次之的组合为60r/min×75°。党参的挖松率为96.62%，损伤率为5.7%。