基于离散元法的立式旋耕刀耕整作业性能仿真研究

立式旋耕刀作为旋耕机的关键作业部件,其对土壤的作用效果与自身的功耗损失将直接影响旋耕机的作业质量与工作效率。为探究立式旋耕刀与土壤颗粒间的作用机理,获得刀具的最佳结构参数及作业参数,提高旋耕机的作业质量,达到满足耕整作业农艺要求的碎土整平效果,通过构建不同结构形式的旋耕刀三维模型,搭建旋耕刀-土壤间作用的离散元模型,对单把立式旋耕刀作业时的受力情况及土壤颗粒的破碎搅拌情况进行分析,并进行系列试验。同时,通过极差分析获得工作参数对旋耕刀作业的影响作用规律,并采用受力、扭矩以及抛土碎土效果等多项指标,对不同结构形式旋耕刀自身损耗及对土壤颗粒的影响规律进行深入分析,以期研究出能够适应不同土壤结构环境及农艺模式需要的最佳旋耕刀结构及相关参数,为后续研究与试验提供理论参考。     

基于有限元法的微耕机旋耕刀辊切削土壤仿真

旋耕刀辊作为微耕机耕作部件,研究它与土壤相互作用关系,对于提高耕作效率有着重要意义。为此,运用LS-DYNA显式动力学软件,基于有限元方法对微耕机刀辊切削土壤进行了仿真,分析了土壤破碎情况、旋耕刀辊切削力及切削扭矩。结果表明:浅层土壤扰动位移最大、中层土壤次之、深层土壤最小,与实际耕作过程一致;切削过程中旋耕刀的最大切削力为195N,最大扭矩值为21.1N·m,与试验值相吻合,验证了仿真的有效性。研究可为有效揭示土壤耕作机理、优化旋耕刀辊结构及运动参数提供理论依据。     

基于FEM-SPH耦合算法的土壤切削仿真研究

建立了旋耕刀和土壤的FEM-SPH耦合仿真模型,基于FEM-SPH耦合算法,采用MAT147土壤材料和国家标准Ⅲ型旋耕刀,结合LS-DYNA971求解器,对土壤切削仿真进行了研究。对旋耕刀切削土壤的耕作过程进行了数值仿真模拟分析,得到了切削力和切土能耗随时间的变化曲线;计算出旋耕刀单刀切土扭矩为8.75N·m,与试验结果接近。通过正交试验分析,耕作深度为主导因子,对切土功率影响较大,调整耕作深度可有效降低土壤切削的功耗,提高耕作效率。研究表明:FEM-SPH耦合算法可有效应用于土壤切削仿真,可为研究土壤的破碎机理和耕作器具的优化设计提供理论依据。     

山地拖拉机坡地等高线旋耕土壤侵蚀规律研究

针对黄土高原丘陵山区坡地等高线旋耕作业时土壤耕作侵蚀(土壤由坡高侧向坡低侧迁移)严重及其机理不明等问题,通过理论分析、仿真试验、土槽及实地试验相结合的方法,深入开展山地拖拉机坡地旋耕侵蚀规律研究。首先,构建了H245标准型常用旋耕刀在坡地工况下的扰土体积参数方程,完成了旋耕刀坡地扰土过程的经典力学分析,确定了导致坡地旋耕土壤侵蚀的主要影响因素：坡地角、耕作深度、刀轴转速以及旋耕作业速度;然后,基于EDEM离散元仿真软件研究了单把旋耕刀和旋耕机整机的坡地扰土规律,得出土壤颗粒在旋耕刀侧切刃的动态滑切作用下有水平向后运动的行为,浅层土壤颗粒位移最大,深层土壤颗粒位移最小,并且深层靠近旋耕刀回转中心的土壤颗粒位移最大;土壤的侧向位移方向受旋耕刀正切刃朝向的影响;随着旋耕刀的入土,土壤颗粒在垂直方向的位置呈先变深后变浅的趋势。最后,选取旋耕刀轴转速、旋耕作业速度和坡地角作为试验因素,进行了实地旋耕单因素和正交试验,单因素试验得到土壤水平、侧向位移随着上述3个因素变化的规律;正交试验方差分析得到影响土壤侧向位移的主次因素为坡地角、旋耕刀轴转速、旋耕作业速度,影响土壤水平位移的主次因素为旋耕作业速...     

基于ANSYS/LS——DYNA的旋耕刀强度和功耗研究

目前,旋耕刀的功耗研究主要基于ANSYS/LS—DYNA进行,旋耕刀强度分析则主要通过静力学分析完成,这与刀具实际工作时的受力状态仍有一定的差距。因此,为同时得到旋耕刀切削土壤过程中刀具应力的动态变化、刀具切削力及切土功率,利用ANSYS/LS—DYNA,采用单元组合法,对旋耕弯刀切削土壤的过程进行数值模拟。数值仿真结果表明:切削过程稳定进行时,刀具所受应力最大值为5.67×10~8 Pa,刀具与刀座的连接处容易产生应力集中,刀具的最大切削力为433.9N,由刀具转动时受到的最大扭矩求得切土峰值功率为1.66kW,与理论分析得到的刀具切削力和切土功率相近。研究结果为旋耕刀的结构参数优化设计提供指导并为旋转耕作类机械切削土壤的数值模拟仿真提供参考。     

基于离散元法的立式旋耕刀工作参数分析与优化#br# #br#

为探究立式旋耕刀作业参数对其受力情况及碎土效果的影响，建立立式旋耕刀作业的离散元模型，并对其所受阻力、扭矩的变化规律进行分析；通过设计正交试验，得到立式旋耕刀工作参数对其阻力、扭矩、作业功率及碎土率的影响，并建立相应的预测模型。通过响应面分析和预测模型对立式旋耕刀作业功率和碎土率进行参数优化，得到最佳工作参数为：前进速度1.2 m/s，刀具转速307.141 r/min，耕深25 cm，模型预测立式旋耕刀作业功率为7.042 kW，碎土率为8085%。将最佳工作参数代入仿真试验，对比试验数据得到功率的模型预测值与仿真值间的相对误差为3.97%，碎土率的相对误差为3.45%，验证了预测模型的可用性。     

基于离散元法的筑埂机旋耕刀轴性能分析

为探究水田筑埂机旋耕切削部件与土壤间的相互作用机理,提高旋耕刀轴的作业质量和工作效率,对现有旋耕机常用的刀具排布方式进行探讨,提出一种新的刀具排列方式。该方式为刀具沿左右两个刀轴对称排布,筑埂机刀轴上采用旋耕弯刀、抛土弯刀和切型弯刀组合安装,三种弯刀均采用刀座式安装,旋耕弯刀数量为12把;抛土弯刀数量设计为2把;切型弯刀数量设计为2把。通过离散元仿真试验,研究旋耕刀轴上旋耕弯刀的不同刀具排布方式对刀轴工作性能和对土壤破碎效果的影响,结果表明旋耕弯刀采用三头螺旋线排列的情况下,机具对土壤的破碎效果更好,所受工作阻力的最大值相较于双头螺旋形排列和人字形排列分别减小160.77 N,119.52 N,作业扭矩分别减少54.87 Nm,163.58 Nm,刀轴的受力变化幅度小,作业更加稳定。     

基于SPH法的林地深松刀具仿真及试验

针对现有深松机存在的深松阻力大及优化减阻效果不明显等问题,利用旋转切削原理,设计了一种立式深松刀具。分析确定了刀具深松作业3个工作参数,计算了满足土粒向上升运的刀具最低角速度;基于SPH法,建立刀具切削土壤模型,采用Ls-dyna软件对深松过程进行仿真分析,基于3因素3水平正交试验表模拟出不同情况下的切削阻力,得出切削角对切削阻力的影响最显著及一组最优组合。试验验证仿真结果表明:误差在可接受的范围内,可为后续优化奠定基础。     

反转旋耕刀正切面分析及参数选择

为提高反转旋耕刀的性能，根据旋耕刀运动的特点，从旋耕刀几何学及切削角度方面出发，对反转旋耕刀正切面角度及对磨刃面的影响进行了分析。提出：由于反转旋耕时旋耕刀的变隙角小于正转旋耕，使得反转旋耕刀的切土角和隙角大于正转旋耕刀；在同样结构参数、运动参数及切土条件下，反转旋耕刀的安装角应比正转旋耕刀小一些；反转旋耕时，刀辊转速宜取高一些。由于上述原因，会造成反转旋耕刀的切土阻力较大。     

深耕粉碎松土机与旋耕机作业性能对比试验及推广建议

深耕粉碎松土机是采用立式螺旋刀轴深耕深松技术的耕作机械,对土壤进行深耕、粉碎和疏松,将土壤板结块、犁底层、植物根茎彻底粉碎,增加土壤蓬松度和透气性,以此促进农作物生长。而旋耕机是与拖拉机配套完成耕、耙作业的耕耘机械,通过拖拉机动力输出轴带动旋耕刀转动,对土壤进行切削,被切削出来的土块相互撞击而碎裂,具有消灭部分杂草、平整地表等作用。深耕粉碎松土机采用立式旋耕模式,旋耕机普遍采用卧式旋耕模式,为探究两种机械的适用性,笔者对工作幅宽相同的两款机型开展了作业性能对比试验,分析了作业效果和作业效益,并提出了相关建议。     

基于离散元法的油莎豆降阻挖掘装置设计与试验

目前油莎豆机械化收获方式以正旋旋耕挖掘为主,但工作过程中存在工作阻力大、碎土率低、埋果率高等问题,本文针对油莎豆旋耕挖掘方式进行反旋运动学分析,建立了旋耕刀与油莎豆团聚体离散元模型,结合EDEM进行挖掘过程离散元仿真试验,确定影响旋耕刀工作阻力和刀轴扭矩的结构参数和取值范围,利用Design-Expert进行试验优化与回归分析,确定旋耕刀的最佳结构参数为：弯折角130°、工作幅宽45 mm,在相同参数设置下与正旋旋耕方式进行对比试验,工作阻力降低了8.6%,刀轴扭矩降低了5.9%,证明反旋挖掘具有降阻作用。为检验优化设计的旋耕刀作业性能,以埋果率和土壤破碎率作为试验指标进行对比试验,结果表明：反旋作业方式埋果率1.07%,土壤破碎率93.48%,与标准旋耕刀相比,新型旋耕刀油莎豆块茎埋果率减低了1.2个百分点,土壤破碎率提高了1.3个百分点。     

开沟旋耕机渐变螺旋升角轴向匀土刀辊设计与试验

针对长江中下游农业区开厢沟后旋耕作业地表平整度差、土壤轴向分布不均匀等问题,设计了一种渐变螺旋升角轴向匀土刀辊。分析了旋耕刀轴向运土力学条件,建立了匀土刀辊旋耕刀扰土体积参数方程和旋耕刀渐变螺旋升角排列螺旋线方程,并分析确定了影响匀土刀辊轴向匀土性能的关键因素为刀辊转速、旋耕切土节距、初始螺旋升角。运用离散元法模拟匀土刀辊作业过程,以耕后地表平整度为试验指标,以刀辊转速、旋耕切土节距、初始螺旋升角为试验因素,进行了正交试验,建立地表平整度回归方程。利用Design-Expert分析软件得到最优参数组合为：刀辊转速260r/min、旋耕切土节距8.3cm、初始螺旋升角71°,此时仿真地表平整度为17.35mm。在最优参数组合下进行了田间试验,结果表明,匀土刀辊作业后,地表平整度、土壤轴向分布均匀度、耕深稳定性系数、碎土率的均值分别为14.5mm、8.82%、92.34%、81.66%,整体耕整效果优于常用旋耕刀辊。     

基于ANSYS/LS-DYNA旋耕刀具的土壤切削数值模拟

本文运用Creo Parametric 2.0对多功能耕作起垄机旋耕刀具进行有限元建模,并通过ANSYS/LS-DYNA对旋耕刀具切削土壤进行显示动力学分析,探讨了旋耕起垄复合刀具的切削过程,分析了旋耕刀具的力学特性及切削土壤时功耗的大小,旨在揭示旋耕刀具切削土壤的工作机理,为多功能起垄机的动力选型和结构参数的优化设计提供科学依据。     

基于离散元法的板结草地破土切根刀优化设计与试验

不同结构形式的破土切根刀作业性能差异较大,为更好的打破草地土壤板结结构,对破土切根刀进行了结构设计与参数优化。应用离散元法构建土壤模型,并通过直剪试验对该模型进行参数标定;以破土切根刀的刃口角、滑切角及切齿角为试验因素,以耕作阻力、土壤扰动失效面积及比阻为目标参数,进行单因素试验和三因素五水平二次正交旋转中心组合设计试验,得到最优结构参数组合并加工优化破土切根刀进行草地试验。参数优化试验结果显示,当刃口角为37.8°、滑切角为33.6°、切齿角为51.8°时,破土切根刀作业效果最佳;草地试验表明,与三角形破土切根刀相比,优化破土切根刀在不同坚实度草地土壤的减阻率分别为11.8%和12.8%,作业后地表平整度更小且未出现明显翻垡,更符合草地作业农艺要求。研究结果可为破土切根刀的标准化设计提供理论依据。     

基于SPH算法的微耕机旋耕切土仿真研究

运用Pro/E和HYPERMESH软件,建立了旋耕刀辊的有限元模型。通过编辑K文件,建立了土壤SPH模型。应用光滑流体动力学理论,采用MAT147土壤材料,结合DYNA求解器,对微耕机旋耕切土进行了仿真研究。分析了旋耕刀辊切土过程,得到了旋耕刀辊切削力曲线和能量曲线,计算出微耕机在前进速度0.3m/s、旋转速度2.12r/s、耕深110mm、耕宽30mm参数条件下的切土功率为3.45kW,与实际微耕机的使用功率比较接近,验证了仿真的可靠性,可为微耕机整机及其零部件的优化设计提供理论依据。     

林地开沟机刀具优化设计与试验

针对林地开沟条件恶劣、开沟困难的情形,设计一种开沟刀,对设计的开沟刀进行切削土壤研究与参数优化。利用LS-DYNA建立开沟刀—土壤切削有限元模型,得到开沟刀土壤切削过程等效应力、切削阻力以及切削能耗的变化规律。以平均切削阻力为指标,建立正交仿真试验,探究刀片厚度、刃倾角和刀片切削速度对平均切削阻力的影响。正交仿真试验结果表明：平均切削阻力最小时的最优参数组合为刀片厚度6 mm,刃倾角45°,刀片切削速度2 m/s;各因素影响平均切削阻力的顺序为刀片切削速度>刀片厚度>刃倾角。对优化后的开沟刀进行静力学分析,刀具的强度与刚度满足要求。林地试验开沟刀切削阻力平均值为232.6 N,试验值与仿真值误差为7.1%,表明开沟刀—土壤切削模型可用于开沟刀参数优化。     

自激振动旋耕刀设计与减扭降耗性能分析

为实现旋耕作业减扭降耗,在国标IT245旋耕刀基础上设计了一种自激振动旋耕刀装置,对其工作原理进行了阐述。通过运动受力分析,完成了其大弹簧参数选型与弹簧心轴腰型孔设计。基于DEM-MBD技术,建立土壤-旋耕刀相互作用仿真模型,分析5种刀轴转速下国标旋耕刀与自激振动旋耕刀所受三向阻力与扭矩变化规律。仿真试验中,刀轴转速为150、200r/min时,减阻降扭效果不明显;转速为250、300r/min时,自激振动旋耕刀相比国标旋耕刀的减阻降扭效果较好,垂向阻力分别降低6.96%、10.41%,且平均扭矩降低率较大,分别为9.80%和19.63%,而转速达到350r/min时,减阻降扭效果下降。通过对2种旋耕刀仿真与土槽试验的平均扭矩进行分析,得出了国标旋耕刀与自激振动旋耕刀平均扭矩变化曲线的相关系数,分别为0.997与0.998,基本验证了DEM-MBD耦合仿真模型的准确性。对土槽试验中采集的Y向（耕作时刀刃振动主要发生方向）振动加速度数据进行频域分析表明,随着刀轴转速的增加,Y向功率谱密度幅值总体呈上升趋势,转速达到300r/min时,激振频率达到装置Y向的固有频率附近,此时发生共振,Y向功率谱密度幅值达到最大值。即此时旋耕刀获得最大能量,扭矩降低幅度最大,减扭降耗的效果最佳。     

基于翼型结构的旋耕刀设计及运动过程分析

【目的】旋耕机是农业生产活动中必不可少的农用机械,本研究旨在减小旋耕刀工作时的驱动功耗,提高旋耕机的作业效率和质量并延长旋耕机的使用寿命。【方法】课题组使用三维建模软件SolidWorks建立IT245国标旋耕刀三维模型,参考机翼形特征曲线方程将轮廓曲线添加于IT245国标旋耕刀的正切刃上,创新设计了具备翼型结构特征的仿翼型旋耕刀片。【结果】翼型结构提供的垂直于正切削面向内的升力在水平方向产生分力F_x,在竖直方向上产生分力F_y。F_x为旋耕刀克服了一部分工作阻力,对旋耕刀的正切削面产生一个向前的助推力,帮助切削刃向前切割土壤;F_y为旋耕机克服旋耕刀重力提供了一个向上的支撑力,相当于减轻了旋耕刀自身的重量,实现了旋耕刀工作时的轻量化。【结论】翼型结构为降低旋耕刀工作时的驱动功耗、减小驱动力矩、降低能量损耗提供了有利条件和理论依据。     

人字型水旱两用旋埋刀辊设计与试验

为适应长江中下游水旱轮作多熟制稻作区的秸秆还田与土壤耕作,降低现有组合刀辊的作业功耗和轴向负载,开展了螺旋横刀排列方式及结构参数的相关研究。根据对刀辊轴向受力的理论分析,提出平衡刀辊轴向力的初步方案,采用离散元软件模拟不同排列形式的螺旋横刀对土壤的切削过程,仿真结果表明,人字型排列方式的轴向受载稳定性与切削阻力优于锯齿型和交错型。基于人字型排列原则,重新规划旋耕刀的布局并设计配套刀盘,形成一种人字型水旱两用旋埋刀辊。为了进一步降低刀辊功耗,建立螺旋横刀切削土壤的数学模型,分析安装角与刀宽对切削阻力及秸秆埋覆效果的影响,并进行优化。为验证刀辊优化后的区域适用性及减阻效果,进行了田间试验。试验结果表明:人字型水旱两用旋埋刀辊适用于大多数水稻田的秸秆埋覆与土壤耕作,其中耕深均值为18. 10 cm、耕深稳定性系数均值为92. 75%、耕后单幅平整度均值为2. 00 cm、秸秆埋覆率均值为92. 60%,均满足设计要求。同时,在不降低秸秆埋覆率的前提下,人字型刀辊较交错型刀辊降低功耗0. 34%～17. 01%; 50°安装角的螺旋横刀的刀辊较35°安装角螺旋横刀的刀辊降低功耗6. 81%～16. 46%,达到了优化目的。     

基于EDEM的油莎豆旋耕装置分析与试验

针对油莎豆收获过程中含土量大、根—块茎—土壤分离困难等问题造成的工作阻力大及土壤破碎率低等技术难题,通过建立油莎豆根系—块茎—土壤离散元模型,进行EDEM仿真试验,研究分析旋耕刀在不同工作参数组合下对油莎豆团聚体破坏状况。以旋耕刀旋转速度、前进速度、工作深度为试验因素,以旋耕刀挖掘阻力和刀轴扭矩为试验指标,进行正交试验,并通过Design-Expert 8.0. 6进行数据分析,得出旋耕刀最佳工作参数,即刀轴转速为250r/min、前进速度为0.8m/s、工作深度为118mm。根据优化的结果进行虚拟仿真验证试验,得出最优结果:工作阻力为3478.05N、刀轴扭矩为32.638N·m,研究可为实际油莎豆收获机田间试验提供理论基础。