基于离散元法的深松作业玉米秸秆运动规律

东北垄作区玉米秸秆还田条件下,针对垄台播种带秸秆残茬易导致深松铲以及后续机具缠草堵塞和阻力增加等问题,建立深松铲-土壤-秸秆-根茬的离散元模型,分析仿真因素秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角、根茬状态（根茬中间切割、根茬一侧切割、根茬挑起和无根茬）和秸秆之间相互影响对深松作业过程中秸秆拨离垄台的影响。进一步探究深松铲作用下垄上秸秆运动规律并分析其扰动比阻（秸秆扰动力矩与深松铲阻力之比）。仿真结果表明：秸秆距垄台中心距离对秸秆位移中的水平侧向运动的影响最大;秸秆水平侧向位移随着秸秆与机具前进方向夹角增大呈减小趋势;根茬状态影响秸秆位移的主次顺序依次为：根茬挑起、根茬一侧切割、无根茬、根茬中间切割;当秸秆距垄台中心距离为60 mm时,秸秆之间相互影响对秸秆位移中的前进方向运动的影响最大;当秸秆距垄台中心距离大于60 mm,秸秆前进方向位移呈增大趋势。秸秆运动的力矩变化趋势为平稳变化,后产生峰值,最后又趋于平稳;影响秸秆力矩的主次顺序依次为：根茬状态、秸秆之间相互影响、秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角。深松过程中,秸秆扰动比阻在切割根茬一侧时达到最大值0.152 mm。田间对比试验结果表明,仿真模型得到的秸秆总位移、水平侧向、前进方向和垂直方向位移与田间试验值的误差分别为0.36%～9.67%、0.16%～12.31%、0.56%～10.11%和0.43%～4.63%,秸秆力矩的误差为0.16%～11.06%。研究结果可为深松铲设计以及优化提供一定的理论依据。     

基于振动减阻原理的深松机牵引阻力试验

为了减少深松时的牵引阻力,基于振动深松原理,研制出了1SZ-460型振动深松机。该文对振动深松减阻进行了试验分析研究,采用以振动作为单因素的试验设计,分别在不同作物残茬覆盖条件下进行试验。试验结果表明,振动深松和不振动深松的沟槽剖面宽度不同,振动后沟底形成了鼠道利于蓄水保墒,振动后土壤的体积质量减小,振动牵引阻力比不振动降低6.9%～17%,且不同的土壤特性和地表覆盖对牵引阻力会有一定的影响。试验结果为进一步优化机械结构、提高整机的动力和经济性能提供一定的参考依据。     

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。     

立柱式深松铲受力数学模型及试验分析

为优化深松铲的结构参数,对立柱式深松铲进行受力分析,并建立工作状态的受力数学模型,通过改变参数研究其受力状况的变化,找出各个参数对工作阻力的影响程度,优化深松铲的设计参数。通过田间试验,对受力数学模型进行了验证,结果表明,影响其工作阻力的主要参数是耕作深度、深松铲起土角、铲柄工作宽度及前进速度。该数学模型与深松铲的受力状况基本相符。     

保护性耕作条件下的深松技术试验（简报）

针对立柱式深松机在作业过程中存在的缠绕堵塞、牵引阻力大等问题,该研究提出在原深松铲前方加装一个松土铲或圆盘刀两套研究解决方案,研制了机具,并进行了田间对比试验研究。试验结果表明,带圆盘刀式深松机性能较好,相比立柱式深松机和带松土铲深松机,牵引阻力、油耗及松土沟的沟宽都有所降低;对作物残茬和杂草切割效果明显。带圆盘刀式深松机能有效地抑制作业后土壤水分的蒸发,可广泛用于秸秆覆盖条件下的深松作业。     

基于离散元法的免耕深施肥分段式玉米播种开沟器研制

针对东北垄作深施肥免耕播种机上开沟器播种深度均匀性差、工作阻力大、土壤扰动大的问题,该研究利用离散元软件(EDEM 2.7)仿真分析不同类型破茬刀-施肥铲装置对土壤的作用机理,设计了一种分段式玉米播种开沟器.首先建立土壤-玉米根系-玉米秸秆离散元仿真模型,然后进行不同类型破茬刀-施肥铲装置离散元仿真试验,以回落土壤最大...     

振动深松机多组振动深松铲自平衡性能及仿真分析

振动深松具有减阻的优势,但振动对拖拉机及驾驶员的不利影响制约其推广,该文对振动深松机多组振动深松铲进行自平衡性能分析。在优化试验中,多组深松铲振动作业时的剧烈振动易造成试验设备损坏,仿真试验可避免危险工作环境下的实车试验。对拖拉机-振动深松机系统进行受力分析,并基于ADAMS建立其仿真模型,建模过程包括导入三维模型、定义轮胎与地面之间接触力和摩擦力等。理论与仿真分析相互验证,得到拖拉机后轮所受支持力均值分别为27.8、26.4 kN,误差为1.4 kN,并且二者主振动曲线变化趋势一致。采用加权加速度均方根值评价振动对驾驶员的影响。通过MATLAB编程,利用功率谱密度函数,计算得到驾驶座质心总加权加速度均方根值。利用Design-Expert软件设计试验并优化得到6组振动影响较小的四组振动松土铲作业初始相位角组合,减振比率超过90%,实现了振动深松机作业时的自平衡。     

滩涂土壤离散元接触模型优化与现场铲削试验

为解决现有离散元接触模型对滩涂土壤特性表征准确性差的问题,该研究基于离散元仿真软件EDEM的API二次开发功能,以Hertz-Mindlin接触模型为基础,通过增加塑性、粘附特征并更改切向滑动摩擦力,得到优化后的高湿黏弹塑性（moist elasto-plastic adhesion, MEPA）模型。通过模拟活塞拔出试验,结合Plackett-Burman试验筛选出影响标定指标的显著参数,完成接触模型参数标定。搭建了铲削试验平台进行现场铲削试验,对比分析了MEPA模型、JKR模型、EEPA模型以及Bonding模型的土壤特性表征效果。试验结果表明,在铲削阻力方面,MEPA模型较JKR模型、EEPA模型和Bonding模型的仿真精度分别提升约65.957%、74.206%和59.326%;相较于现场试验结果,MEPA模型的堆积厚度与侧边距相对误差分别为5.598%和6.362%,两者均保持在10%以内,能够较好地模拟滩涂土壤,对滩涂工作装置的工况模拟和优化设计具有重要意义。     

基于DEM-MBD耦合算法的振动深松土壤扰动过程分析

为深入分析振动深松过程中耕层土壤扰动过程,该研究采用离散元法(Discrete Element Method,DEM)与多体动力学(Multi-Body Dynamics,MBD)耦合算法对振动深松作业过程进行仿真分析.采用MBD构建拖拉机-振动深松机-土壤系统仿真模型,利用DEM建立耕作土壤的离散元模型,考虑土壤颗粒...     

海南热区香蕉地预破土凿式深松机设计与试验

针对海南热带农业区香蕉地现有深松机具匮乏、松土质量差等问题,该研究研制了一款预破土凿式深松机,首先确定整机深松方式,并采用三维建模方法建立深松机整体模型;进一步确定了深松机的整体结构与工作原理,并设计阐述了深松机的关键结构参数。基于田间试验,对深松作业后的土壤坚实度及土壤容重进行测定,确定了前进速度、深松深度、破土刃入土深度为对土壤坚实度及土壤容重有显著影响效果的因素。进一步以土壤坚实度及土壤容重为响应值,基于Box-Behnken设计试验得到响应值与显著性参数的二阶回归模型,并针对显著性参数进行寻优,得到最佳组合:前进速度为1.15 m/s、深松深度为350 mm、破土刃入土深度为250mm。在标定的最优参数下进行的田间验证试验结果表明,土壤坚实度为752 Pa,土壤容重为1.48 g/cm³,与预测值(734 Pa、1.42 g/cm³)之间的误差分别为2.4%、4.2%,验证了分析的可信性。最后通过与现有传统深松机具开展的对比试验得出:相较于传统深松机具,预破土凿式深松机作业后,土壤坚实度下降6.39%,土壤容重下降9.76%,进一步证...     

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。     

楔形减阻旋耕刀设计与试验

为解决旋耕整地作业阻力大、能耗高等问题,该文基于旋耕刀理论受力模型设计了一种楔形减阻旋耕刀。采用Inventor和HyperMesh软件分别创建国标旋耕刀及楔形减阻旋耕刀的三维模型和切削土壤模型,分析了楔形减阻旋耕刀的应力强度,对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的切削阻力。通过田间试验对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的扭矩、功耗与碎土率。结果表明:楔形减阻旋耕刀所受最大应力为29.49 MPa,远小于材料的屈服强度430 MPa,在保证刀身强度的前提下,与国标旋耕刀相比,楔形减阻旋耕刀质量减轻8.3%;平均切削阻力较国标旋耕刀下降10.65%。在相同工况条件下,楔形减阻旋耕刀的平均扭矩为648.916 N·m,较国标旋耕刀下降11.35%;楔形减阻旋耕刀的平均功耗为67.3kW,较国标旋耕刀下降9.29%,碎土率提高4%,耐磨性能与国标旋耕刀持平,能够达到在降低作业功耗的同时,提高耕作质量并保证刀具使用寿命。     

基于离散单元法的水平圆盘式精量排种器排种仿真试验

为了优化水平圆盘式精量排种器的最佳排种性能参数(动排种盘转速、动排种盘厚度、型孔圆角半径),达到提高粒距合格指数、降低漏播和重播指数指标,并降低大田试验强度。该文基于离散单元法对根据全膜双垄沟播技术所设计的水平圆盘式精量排种器进行了排种数值模拟,并得到玉米籽粒模型排种、重播、漏播的形成过程;为提高其排种性能,进行了排种仿真试验。仿真结果表明:以合格指数较高为重点、兼顾重播指数和漏播指数较低的原则,确定了动排种盘转速为17 r/min、动排种盘厚度为6 mm、型孔上边倒圆角半径为1 mm时为较优组合,此时粒距合格指数S=97.05%、重播指数D=1.83%、漏播指数M=1.12%。田间验证试验表明:在上述条件下,测得粒距合格指数为S=95.13%,重播指数D=2.34%,漏播指数M=2.53%,重点指标粒距合格指数误差2.02%(5%)。因此,基于离散单元法的排种器仿真试验为排种器性能参数的确定提供参考。     

内充式排种器工作过程和性能的离散元法仿真分析

为建立一种排种器设计的新方法,以内充式排种器和小麦种子为研究对象,由排种器的CAD（computer aided design,计算机辅助设计）模型建立了该排种器的二维离散元法分析模型,采用圆弧组合的方法建立了小麦种子的二维颗粒模型,采用自主研制的二维离散元法软件,分析了该排种器的工作过程及性能。同时将排种器台架试验结果与离散元法分析结果进行了比较,两者基本一致,初步证明采用离散元法分析内充式排种器工作过程和性能的可行性,为内充式排种器的研究和优化设计建立了一种新方法。     

基于EDEM的离心甩盘撒肥器性能分析与试验

为提高颗粒肥料撒施均匀性,该文对离心甩盘式撒肥器进行甩盘转速、喂入量、喂入角和喂入位置角对抛撒均匀性单因素离散元仿真分析,完成多元回归正交旋转仿真试验和目标参数优化并进行台架试验,分析结果表明,喂入位置角与转速及喂入位置角与喂入角间交互作用对撒肥均匀性影响均高度显著;各因素影响主次顺序为甩盘转速、喂入角、喂入量、喂入位置角;当甩盘转速900 r/min、喂入量4 275颗/s、喂入角110°、喂入位置角64°时均匀性变异系数为12.48%,仿真验证和实际试验验证结果与优化结果相吻合。机器前进速度为5.4 km/h时实际工况动态仿真得到工作幅宽内均匀性变异系数为11.43%,满足田间撒肥作业要求。研究结果可为颗粒肥撒施机设计提供参考。     

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。     

仿鼹鼠足趾排列的旋耕-秸秆粉碎锯齿刀片设计与试验

随着保护性耕作的不断发展,实际作业中对旋耕刀性能要求愈发严格,该文在国标旋耕刀基础上,将正、侧切削刃上设计成锯齿状,然后考察实际作业过程中功耗、受力以及作业质量,检测仿鼹鼠足趾排列的旋耕-秸秆粉碎锯齿刀片的田间作业功耗和作业质量。针对该锯齿刀片和国标旋耕刀片在有秸秆颗粒和无秸秆颗粒下进行仿真分析,对比可知:在有秸秆颗粒下,由于刀具要与秸秆接触并发生挤压和剪切作用,从而导致受力以及扭矩值较大。结合理论分析,利用扭矩传感器对仿生锯齿刀和国标旋耕刀进行田间试验。根据0.5 m×0.5 m地表设置不同质量秸秆,分别为0、0.375和0.75 kg(0%、50%、100%),测定拖拉机输出扭矩以及功耗,并依照国标测试方法测定作业质量。田间试验得到扭矩与仿真变化趋势一致。当地表无秸秆和地表含50%秸秆时,锯齿刀片扭矩分别为404.05和438.33 N·m;国标旋耕刀片上扭矩分别为389.27和443.79 N·m。当地表秸秆质量分数为100%时,锯齿刀和国标旋耕刀片上扭矩分别为557.92和507.34 N·m。耕作后地表秸秆和土壤评价结果显示:不同质量含量秸秆覆盖下,仿生锯齿刀耕作后的秸秆掩埋率、土壤破碎率、长度≤15 cm秸秆比例等方面都优于国标旋耕刀。田间试验和仿真结果都显示当地表覆盖秸秆量为0%和100%时,仿生锯齿刀的扭矩高于国标旋耕刀。虽然仿生锯齿刀只在秸秆覆盖量为50%时扭矩与功耗优于国标旋耕刀,但在3种秸秆覆盖量下仿生锯齿刀的耕后地表质量都明显优于国标旋耕刀。综上考虑,在实际作业中,可适当收集田间秸秆。该研究为实现只应用一种刀片来完成旋耕和秸秆粉碎2种不同作业目标提供了参考。     

基于离散元的排种器排种室内玉米种群运动规律

高寒干旱地区免耕地表播种作业时,排种器振动与种群运动状态对气吸式排种器的吸种性能有较大影响。为研究气吸式免耕播种机在免耕地表作业时排种器振动参数及振动对排种器内玉米种群运动的影响规律,该文采用BK加速度传感器和Pulse LAN-XI振动测试系统,对2BM-5型气吸式免耕播种机在免耕地表作业时排种器振动特性进行了测试,并应用Matlab软件对振动信号进行了分析。在此基础上基于离散元法模拟了在田间作业振动条件下玉米种群运动规律,并基于室内台架试验进行了验证。播种机田间作业振动信号分析结果表明:播种机前进速度为2、3、4、5、6、7 km/h时,排种器振动的位移功率谱密度较大值的频率为5、6、7 Hz,排种器振动的幅值由2.4到7.9 mm线性增加。由离散元方法仿真得到了种子室内玉米种群最大速度、种群平均速度与播种机作业速度的拟合曲线。台架验证结果表明:气吸式排种器排种性能较好的作业速度为3~5 km/h,较好的振动幅值为6 mm;种群最大速度范围为0.120 3~0.224 3 m/s,种群平均速度范围为0.080 7~0.141 3 m/s,吸种区种群最大速度范围为0.127~0.26 m/s时,气吸式排种器吸种性能较好。该研究可为免耕播种机气吸式排种器吸种性能的提高提供参考。     

基于离散单元分析与物场分析的盆花移栽手爪优化

该文针对盆花移栽作业过程中出现的移栽手爪提取基质不完整的现象,基于离散单元分析方法,利用EDEM(enhanced discrete element method)软件建立起机构(移栽手爪)、作用对象(带有根系的盆花基质)、作用条件(花盆)间的离散元仿真模型,对手爪钢针的插入和提离过程进行离散元仿真分析,确定基质断层为提取基质不完整的原因,并通过对基质提离过程进行受力分析发现,导致基质发生断层现象的根本原因是基质提离总阻力大于基质内部所能提供的最大凝聚力。鉴于如上分析,利用物场分析方法提出在原有系统中添加揉盆机构的解决方案,通过对揉盆机构工作过程进行离散元仿真分析发现,在揉盆机构的作用下基质与花盆之间产生了缝隙,使花盆对基质由于粘附作用产生的摩擦阻力降低,减小了基质提离总阻力,证明在工作过程中揉盆机构可以通过减小基质提离总阻力来解决基质断层问题。分别对添加揉盆机构前后的样机进行3组100盆的花苗移栽试验,移栽手爪完整提取基质成功率从84.67%提升到97.67%。该研究将EDEM离散单元分析与物场分析方法结合应用在机构优化设计过程,可以为盆间自动化移栽领域的设备研制与开发提供参考。