基于LS-DYNA的铧式犁结构优化设计及性能分析

基于LS-DYNA法建立犁体与土壤的耦合接触有限元模型,讨论不同犁体导曲线、铧刃角、安装角、端点角、耕作速度对耕作过程翻垡效果和犁体应力影响,并进行试验验证。结果表明：椭圆曲面比抛物线曲面耕作时阻力更小、土壤翻垡效果更好,阻力降低5.6%,翻垡距离提升14.8%;对犁体前进速度、铧刃角、安装角、端点角进行单因素分析,发现翻垡距离随着速度增加而增加,而随着铧刃角、安装角、端点角呈现出先增大后减小的趋势。因此,通过选取合适的速度与结构参数可以提升铧式犁的翻垡性能,减低犁体阻力。     

油菜直播机开沟犁体曲面优化与试验

为减小油菜直播机开畦沟系统牵引阻力并分析机组不同作业速度对牵引阻力影响的规律,开展了开畦沟犁体曲面参数与作业速度的试验研究。建立了EDEM离散元土壤仿真模型,以犁体牵引阻力为试验指标分别开展以铧刃起土角、导曲线开度、直元线起始角、直元线最大角及作业速度为试验因素的试验;构建了犁体曲面优化模型,并开展了犁体曲面的3D打印及试制加工。仿真试验结果表明:在试验范围内,牵引阻力随铧刃起土角增大而减小,分别随导曲线开度、直元线起始角、直元线最大角增大而增大,随作业速度的增大而急剧增大,作业速度从1.0 m/s增加到2.0 m/s,牵引阻力及功耗分别为前者的1.98倍及3.97倍;仿真优化结果表明:当犁体在一定工作参数条件下,铧刃起土角为15°,导曲线开度为190 mm,直元线起始角为35°,直元线最大角为40°时,犁体牵引阻力最小为241.11 N,比优化前减少11.26%。为考察优化犁体实际田间作业效果,对犁体进行3D打印及试制加工并与原有犁体进行田间对比试验,结果表明优化犁体作业的畦沟沟底大块土垡少,残留土壤质量减少62.87%,沟底干净,T型沟明显。     

设施农业就地翻土犁结构设计与仿真

针对铧式犁使土垡侧移而无法适应设施农业耕作需求的难题,设计一款新式犁体.基于铧式犁的设计方法水平直元法和翻土曲线族法,提出一种翻土曲元法.通过对犁体导曲线、翻土曲元线的设计,由翻土元线中点穿透于导曲线且翻土元线角度按照规律变化后得到一种翻垡后土垡无侧移且无犁沟的就地翻土犁体曲面,利用Solidworks建立就地翻土犁数...     

铧式犁减阻性能研究

优化铧式犁犁体曲面形状,降低耕作阻力,是一项亟待解决的问题。从犁体曲面成型方法可知,导曲线形状是影响铧式犁耕作阻力的一个重要因素。为此,以BTU35犁体为基础,在Solid Works中建立5种不同导曲线犁体,并将模型导入ANSYS进行显示动力学分析,得到其耕作阻力。仿真试验表明:以四次多项式曲线为导曲线形成的犁体耕作阻力较小,在3km/h时降阻3.75%,7km/h时降阻4.56%,平均降阻3.93%。结合不同导曲线曲率半径变化情况与工作阻力之间的关系,可得结论:导曲线曲率半径变化复杂的犁体有较好的减阻性能。     

碎土型犁体曲面作业过程的仿真分析——基于ANSYS/LS-DYNA

在农机作业中,铧式犁主要是通过犁体曲面完成对土壤的切土和翻垡,达到土壤耕作的目的.犁体曲面的参数对铧式犁的工作性能和动力消耗都有较大的影响.为此,利用数学建模中参数化建模的方法对碎土型犁体曲面进行建模,并对犁体曲面耕翻过程进行动力学仿真分析,得出优化的曲面参数及其各项参数对犁体曲面工作性能(牵引阻力、翻馑性能)的影响,从而达到对铧式犁优化设计的目的.     

基于TRIZ理论的就地翻土犁设计

为消除铧式犁土垡侧移,更好地适应设施农业中深翻的耕作需求,基于TRIZ理论对铧式犁进行创新设计。利用TRIZ分析工具对铧式犁的耕作状况进行分析,找出铧式犁造成土垡侧移的原因,用物—场模型和标准解系统得到一般性解决方案,并结合犁体曲面设计方法得到一种能够使得土垡无侧移的就地翻土犁具体设计方案。借助CAD及ADAMS软件对就地翻土犁翻垡过程进行仿真分析,仿真结果验证方案的可行性。     

元线非直线型铧式犁几何与力学特性研究

降低铧式犁耕作阻力,减少能源消耗,是国内外农业机械研究者一直非常关注的课题。铧式犁犁体曲面成型方法是元线沿着准线按照一定规律运动形成,元线与准线形式是影响铧式犁耕作阻力的两个重要因素。以BTU3 5犁体为基础,用三角函数曲线代替直线作为元线形成新犁体曲面,采用有限元分析方法 ,将两犁体曲面耕作阻力进行比较。研究发现:三角曲线作为元线形成的犁体曲面耕作阻力较小,在5、6、7km/h时耕作阻力分别比原犁体降低2.5%、4.1%、3.9%。结合直线与sin函数曲线曲率变化情况,可得出结论:变曲率犁体曲面更有利于降低耕作阻力。     

保护性耕作拟合曲线型深松铲设计与试验

针对东北地区深松整地作业中,深松铲土壤扰动量和耕作阻力大的问题,以离散元(EDEM)软件仿真分析铲尖对土壤的作用为依据,设计了拟合曲线型深松铲。采用离散元软件模拟深松铲铲尖在土壤中的运动,获得铲尖上方土壤颗粒运动轨迹的拟合曲线和拟合方程,采用线元设计法对线形优化,获得铲柄外形曲线;同时设计了刃部、切削刃角、入土角,并通过铲柄与铲尖的互作效应试验验证了分层的可行性与合理性。土槽对比试验表明,拟合曲线型深松铲有效降低了土壤扰动量和耕作阻力,比折线式深松铲土壤扰动量减少了53.6%,耕作阻力减少了36.23%;比圆弧式深松铲土壤扰动量减少了66.18%,耕作阻力减少了29.18%。田间对比试验表明,拟合曲线型深松铲比折线式深松铲回土面积增加了81.03%,比圆弧式深松铲的回土面积增加了146.95%。土槽和田间试验表明,拟合曲线型深松铲土壤扰动量小、耕作阻力小,满足深松作业的要求。     

基于离散元法的犁铲磨损特性研究

耕作土壤由大量的离散颗粒组成,触土部件在作业时与土壤中的硬质颗粒接触造成严重磨损.本文以犁铲为磨损对象,通过EDEM离散元软件建立了铧式犁工作过程模型并进行模拟仿真,对犁铲磨损进行了数值分析.利用累积接触能量获得犁铲最易磨损的位置,并选取土壤密度、犁铲硬度和铧式犁工作速度等主要影响因素进行了仿真并分析它们对犁铲磨损的影...     

犁铧的修复与自制

犁铧是铧式犁犁体的重要零件。其作用是 ,在犁进行耕作时 ,犁铧沿水平方向将土垡切开 ,并推动垡片沿犁铧与犁壁组成的犁体曲面形成后垡推前垡的趋势 ,将土垡挤压、破碎和翻转 ,并侧向抛进前铧的犁沟里。据测定 ,犁铧的工作阻力约占犁体工作曲面总阻力的５０ %。犁铧的磨损非常快 ,犁铧过度磨损后将严重影响耕作质量 ,而且功率消耗也大大增加。因此 ,须要及时修复或更换新件。１．犁铧的修复制造犁铧时 ,为了便于修复 ,在背面铧尖或铧背处一般都留有供锻延用的母体堆积（储备）凸起。有这种凸起的犁铧 ,可用锻延方法修复。锻延时 ,应保证犁铧…     

深松铲不同翼铲安装高度时土壤扰动行为仿真与试验

翼铲的安装高度是带翼深松铲的关键结构参数之一,其对深松土壤扰动行为产生重要影响。综合运用EDEM和室内土槽试验,研究了翼铲安装高度(55、75、95、115、135 mm)对深松土壤扰动行为的影响。结果表明:随着翼铲安装高度增加,耕后犁底层土壤扰动面积先增大后减小,在翼铲安装高度为75 mm时最大,水平耕作阻力逐渐减小,深松铲铲尖和犁底层圆弧段所受水平耕作阻力为深松铲水平耕作阻力的主要来源(90%以上),其随翼铲安装高度增大逐渐减小;翼铲安装高度直接影响耕作时不同深度土壤在不同方向的位移,当翼铲安装高度为75 mm时,深松铲纵向中心位置的各层土壤在耕作方向的最大位移相对较小,其犁底层土壤在竖直方向最大位移相对较大,表层和耕作层土壤在竖直方向最大位移相对较小;翼铲安装高度对土壤扰动效果产生重要影响,且离散元仿真能够准确模拟深松土壤的扰动过程,5个翼铲安装高度下土壤膨松度、土壤扰动系数、土壤碎土系数、土壤纵向堆积角的试验值和仿真值的平均误差分别为11.69%、11.54%、14.20%、9.64%。     

高速犁体曲面的性能分析及主要参数的选择

通过对高速犁体曲面的分析及对铧刃角θ0、犁翼处的侧向角θn、犁铧和犁壁的起土角α及犁体曲面顶边线的最大高度Hmax等主要参数的分析选择,说明了高速犁体和常速犁体的性能和参数差异,从而为今后高速犁体的设计奠定了基础。     

普通悬挂铧式犁的调整

普通悬挂铧式犁在土壤耕作中仍有广泛的应用。为了使犁体具有良好的翻垡和履土性能，确保耕深一致、沟底平整，不漏耕、不重耕，保证耕作质量。再加上不同土壤的物理力学性质。在实际情况中，耕作要考虑许多因素，我们难免要对机具进行调整。下面就以向右翻垡型的普通铧式犁为例，介绍一些铧式犁的调整方法：     

旱作沙壤土上铧犁犁体曲面阻力分析

在为华北地区研究設計性能好、阻力輕的机力犁以及在探討小垡条铧犁能否作为我国一些地区犁的发展方向的过程中,除了应探明犁体曲面参数对翻土、碎土、及复盖等性能的影响外,还必須研究它們与阻力間的关系。由于铧犁耕作时土垡受力与变形情况相当复杂,所以尽管长期以来各国許多研究工作者对铧犁与土壤相互作用过程进行了大量的工作,但在建立犁体曲面阻力关系式的問题上,却始終未能获得与实际相符的,且便于应用的結果。     

犁体外载理论及其分析

犁体外载,系指犁在耕作过程中,土壤施加于犁体上的作用力。土壤对犁体曲面的阻力是一个复杂的空间力系,这力系的合力,即土垡对犁作曲面的总阻力。至今,还没查到犁在特定使用条件下,用理论计算出比较系统、完整的犁体外载资料。国内外通常都用试验方法测定,在一     

深松铲减阻性及耕作阻力影响因素研究——基于LS-DYNA

为研究不同触土曲面深松铲的减阻效果及不同工作参数对深松铲耕作阻力的影响,设计了5种典型准线的深松铲结构,并通过ANSYS/LS-DYNA软件对深松铲切削土壤过程进行了仿真,对比分析了不同结构深松铲切削土壤时所受到的阻力,选择出减阻性能最好的深松铲结构。以优选的深松铲作为研究对象,对入土角、工作速度及工作深度等因素进行单因素试验,研究上述因素对耕作阻力的影响。试验结果表明:仿生变曲率深松铲的减阻性能最好,其耕作阻力最小(601 N);入土角为24°时,深松铲耕作阻力最小;耕作阻力随工作速度和工作深度的增加而增大。该文可为深松铲结构的设计以及工作参数的选择提供一定的技术支持。     

犁旋组合式油菜直播机扣垡装置设计与试验

针对长江中下游稻油轮作区油菜直播作业时,因前茬水稻留茬高、秸秆量大而导致旋耕部件作业耕深浅、秸秆埋覆率低的问题,结合油菜根系生长对直播的农艺要求,提出犁耕与旋耕组合的联合耕整方案,设计一种与油菜直播机配合,通过先抬、后扣的作业方式,实现高茬粘重土壤有序翻埋的扣垡装置,并集成了犁旋组合式油菜直播机。分析阐述了扣垡犁曲面形成原理,确定了其关键影响因素导线、元线角、母线的数学模型,构建了土垡与扣垡犁力学模型,阐明了犁体曲面扣垡过程。为验证扣垡装置功能,在高茬秸秆工况下开展扣垡犁单体试验,试验结果表明,扣垡犁平均扣垡率为93. 41%,具有较好的扣垡埋茬功能。以设计的犁旋组合式油菜直播机与仅有旋耕装置的油菜直播机分别在秸秆留茬高度为338、452 mm工况下进行了田间对比试验,2种工况下,犁旋组合式直播机相对仅有旋耕装置的油菜直播机的耕深分别提高了137、110 mm,秸秆埋覆率分别提高了33. 94、28. 36个百分点,种床耕整效果优于仅有旋耕装置的油菜直播机,作业质量满足油菜播种要求。该研究可为犁旋组合式耕整机和犁体曲面优化设计提供参考。     

基于EDEM的轻型凿式深松铲土壤耕作载荷仿真分析

以轻型凿式深松铲为研究对象,利用EDEM建立其离散元仿真模型,确定深松铲土壤深松作业过程中的耕作载荷组成,并采用单因素试验方法分析了入土深度及作业速度对土壤耕作载荷的影响。结果表明:深松铲土壤耕作阻力主要由前进阻力及垂直阻力组成,土壤耕作阻力及其前进、竖直分量随着作业速度及入土深度的增大而增大,且土壤耕作阻力与两作业参数间皆成抛物线型二次函数关系;同时,土壤耕作阻力的波动状况随入土深度的增大及作业速度的减小而减小。该研究可为深松铲的研究提供一定的依据。     

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。     

基于微分几何与EDEM的船型开畦沟装置触土曲面优化

针对长江中下游地区油菜种植时土壤黏重板结、含水率波动大、播种作业需开畦沟避免渍害的农艺要求,考虑开沟犁体的触土曲面复杂、难以通过高速数字化土槽及田间试验方法寻求其减阻设计方法和理论依据的问题,采用微分几何理论并结合EDEM仿真方法,开展了驱动圆盘犁对置组合式耕整机开畦沟装置主要触土曲面结构优化研究。通过对主要触土曲面(开畦沟前犁犁体曲面、船式开沟犁整形曲面)牵引阻力分析和曲面参数分析,确定了触土曲面主要结构参数范围。根据微分几何理论,分别建立了能量化描述不同导曲线类型(直线、抛物线、指数曲线)犁体曲面形状变化差异的微分内蕴几何量E、L、M表达式。阻力特性仿真试验结果表明:在作业速度为0. 9～1. 5 m/s、曲面结构参数一定时,导曲线为抛物线型的开畦沟前犁和船式开沟犁具有较好的减阻特性,其平均牵引阻力相比直线型犁体分别低15. 09%、16. 92%,相比指数线型犁体分别低32. 59%、31. 58%。触土曲面的内蕴几何量E、L、M可分别反映犁体阻力随速度的增长速率、犁体牵引阻力大小、犁体阻力随速度的波动程度。当设计犁体的导曲线形状使曲面内蕴几何量E的变化率较小、L为单调减函数、M的波动较小时,犁体具有较好的减阻性能。参数优化仿真试验表明:在作业速度为1. 2 m/s、抛物线型开畦沟前犁宽度为92 mm、船式开沟犁整形曲面最大元线角为66°时,开畦沟装置牵引阻力最小,为1 042. 52 N。田间试验表明:经参数优化的组合式船型开畦沟装置在作业速度为0. 9、1. 2、1. 5 m/s时测试的平均牵引阻力分别为956. 77、1 101. 33、1 564. 85 N,与仿真试验结果误差在7%以内,作业效果满足油菜播种开畦沟的农艺要求。