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。     

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。     

油莎豆收获装备的设计研究

油莎豆属莎草科莎草属的一年生块茎草本植物,根系发达,收获难度大,直接收获易造成籽粒破碎,作业质量较难保证。本文研究设计一种油莎豆收获机,主要由机架、输送分离装置、脱粒分离装置、清选装置等部件组成,采用多重清选功能使该机具有良好的流动性和分离性,可实现油莎豆机械化收获过程中籽粒与杂质土、根茎的高效分离清选。本文以籽粒损失率和含杂率为评价指标,通过设置各部分不同转速,进行3因素3水平正交试验,最终确定油莎豆收获机的最佳参数组合,为各关键部件设计、改进及参数选择提供依据。     

油莎豆收获机双层滚筒筛式果杂分离装置设计与试验

针对油莎豆机械化收获过程中块茎(果)与土壤草团(杂质)分离不彻底导致收获损失率与含杂率较高的问题,设计了一种双层滚筒筛式果杂分离装置,通过理论分析确定了该装置的主要结构参数与工作参数。建立了分离装置-收获物料互作的EDEM-MBD耦合仿真模型,以双层滚筒筛转速、分离螺旋输送器转速、柔性齿段长度为试验因素,以块茎分离率和含杂率为试验指标,依据Box-Behnken试验原理开展三因素三水平仿真试验。对试验结果进行方差分析,建立了分离率、含杂率与各显著因素之间的回归模型,利用回归模型进行参数寻优,结果表明：当双层滚筒筛转速为24.9 r/min、分离螺旋输送器转速为148.5 r/min、柔性齿段长度为1 277.8 mm时,分离率最大,为96.23%,含杂率最小,为25.55%。田间验证试验结果表明：最优参数组合下的果杂分离装置平均分离率为93.19%,平均含杂率为26.65%,与回归模型寻优结果基本一致;果杂分离装置与清选装置联合使用时,分离率增加1.05个百分点,含杂率降低9.97个百分点,可满足油莎豆收获生产需求。     

4SHWZ-1800自走型分段式花生收获机的研制

针对我国花生主产区种植模式的特点,成功研制了4SHWZ-1800自走型分段式花生收获机。其主要由底盘、传动系统、挖掘装置、清土输送装置、果秧铺放装置、落果清选装置和输送升运集果装置等部件组成,一次作业可完成挖掘、松碎土壤、秧土分离、秧果成条铺放、落果清选和集果等作业。该机在分段收获的基础上,采用了复收技术;设计了箭式挖掘铲,降低了挖掘阻力,提高了碎土效果;采用挖抖组合技术,实现花生宽幅收获,提高了工作效率;采用筛网输送带式果土分离技术,有效降低机收损失。田间试验表明:该机操控灵活、简单,作业顺畅,性能稳定;埋果率为0.1%、破碎率为0,各性能指标均符合国家花生收获机作业质量(NY/7502-2002)检测标准,符合设计要求。     

油莎豆联合收获机合页筛片式升运装置设计与试验

针对油莎豆机械化收获过程中升运振动装置除杂效果不明显,导致油莎豆与土壤杂质等分离不彻底,漏土率较低,伤果率较高的问题,以及在升运输送过程中存在土壤堵塞、回带等问题,结合油莎豆果-土-秧团聚体特性,设计了一种合页筛片式升运装置,通过筛片折弯部分增大筛孔面积,对团聚体提供与链筛运动方向相同的推力,使合页式升运装置提高漏土效率且有效避免了回带现象。对其倾角和固定位置进行了分析和设计,运用EDEM进行仿真试验,以油莎豆链筛线速度、链筛板折弯高度、链筛振动频率为试验因素,以油莎豆团聚体漏土率和伤果率为试验指标,通过三因素三水平正交仿真试验,最终得到输送筛片最佳结构参数组合为：链筛线速度1.151m/s、折弯高度27.779mm、振频9.561Hz,此时升运装置漏土率为96.524%、伤果率为2.439%。田间验证试验结果表明:当链筛线速度为1.2m/s、折弯高度为28mm、振频为9.5Hz时,合页式升运装置平均漏土率为96.05%,平均伤果率为2.38%,与仿真试验所测结果基本一致,满足油莎豆升运链筛工作要求。     

小麦双轴旋耕播深控制装置设计及试验研究

为解决小麦播种过程中播深一致难以控制的问题,设计了一种具有播深控制装置的双轴旋耕播种机.机组采用前旋耕刀组正转深旋,后旋耕刀组反转浅旋抛土,后置播深控制装置铲土板与旋耕刀组联合作用产生平整种床,后刀轴旋耕刀反旋所抛土壤部分越过挡土板均匀覆盖在种层上完成覆土,实现小麦种子3～ 5mm的播深均匀一致.通过建立刀尖轨迹运动方...     

驱动圆盘犁与双刃型旋耕刀组合式耕整机设计与试验

针对传统旋耕式耕整机在稻-油或稻-稻-油水旱轮作的油菜种植模式下进行耕整地作业易存在整机通过性、适应性差,旋耕装置作业碎土率低、刀辊易缠草、秸秆埋覆性能差等问题,设计了一种驱动圆盘犁与双刃型旋耕刀组合式耕整机。提出先主动犁耕后双刃旋耕、两侧开畦沟的工作方式,分析确定了驱动圆盘犁组主要结构参数以及驱动圆盘犁组-开畦沟前犁布局方式;分析确定了一种应用于驱动圆盘犁与双刃型旋耕刀组合式耕整机的双刃型旋耕装置关键结构参数。依据滑切原理确定了具有长刃部和短刃部的双刃型旋耕刀片关键结构参数;根据驱动圆盘犁组结构布局确定了双刃型旋耕装置为双头螺旋线排列方式。利用离散元仿真方法分析了整机的秸秆埋覆性能以及对土壤耕层交换的影响,结果表明整机作业平均秸秆埋覆率为94.69%,且整机作业后土壤耕层混合均匀。在秸秆留茬量不同的两种工况下进行田间性能试验,田间性能试验表明,驱动圆盘犁与双刃型旋耕刀组合式耕整机作业后平均秸秆埋覆率为96.45%,平均碎土率为95.30%,犁组不堵塞,刀辊不易缠草,机组通过性好;田间播种试验表明,整机播种后油菜出苗均匀,整机作业各项指标均满足稻茬地油菜直播种床整备要求。     

油莎豆收获装备设计与试验

设计了一种油莎豆收获机,主要由机架、输送分离装置、脱粒分离装置、清选装置等部件组成,采用多重清选功能使该机具有良好的流动性和分离性,可实现油莎豆机械化收获过程中籽粒与杂质土、根茎的高效分离清选。以籽粒损失率和含杂率为评价指标,通过设置各部分不同转速,进行3因素3水平正交试验,最终确定油莎豆收获机的最佳参数组合,为各关键部件设计、改进及参数选择提供依据。     

基于离散元的稻板田旋耕功耗预测模型研究

针对旋埋刀辊在对长江中下游稻板田耕作时存在的高功耗问题,基于离散元方法构建稻板田旋耕功耗预测模型,以辅助旋埋刀辊功耗检测。连续3年对稻板田土壤含水率的进行监测,发现土壤含水率与其塑限接近,说明稻板田土壤塑性较差,结合土壤受载后的形变及破坏特点,最终选定HertzMindlin with Bonding颗粒接触模型表征稻板田土壤的粘结和破坏情况。根据旋耕作业形式的特殊性和旋埋刀辊的结构特点,沿幅宽方向缩小旋埋刀辊的尺度,在旋耕测试平台的辅助下,完成标定参照试验。利用离散元软件建立旋耕作业模型,进行等步长爬坡试验,通过步阶次序建立接触参数与功耗指标之间的函数关系,代入标定参照试验功耗值,最终确定稻板田旋耕功耗预测模型的接触参数取值,完成模型的构建。为进一步验证该模型的适用性,在不同作业工况下对通用刀辊和旋埋刀辊进行误差对比试验,结果显示,预测误差范围为3.63%～9.48%,均值为6.65%,结合方差分析说明,稻板田旋耕功耗预测模型适用于不同旋耕刀辊及工况下的功耗预测。还原刀辊真实尺度的田间试验功耗预测误差范围为2.50%～12.81%,均值为7.28%,刀辊结构在缩放过程误差变化较小,说明模型能够准确反映旋埋刀辊在稻板田作业的功耗情况。     

秸秆旋埋还田后空间分布效果仿真与试验

对传统旋耕机(TR)、秸秆旋埋还田机(SR)和深松+秸秆旋埋还田机(SSR)进行了秸秆还田离散元仿真和田间试验对比。通过设计的秸秆三维坐标测量装置对秸秆在土壤中的空间坐标进行了测量,并在三维绘图软件中还原了秸秆在土壤中的空间状态,及秸秆在三维图中量化及可视化显示。对取样立方体进行分层、横向及纵向划分等探究了秸秆在土壤中垂直分布及水平分布的均匀性。利用离散元软件建立了相应的仿真模型,并与田间试验设定了相同的作业参数,在仿真作业完成后,通过设置不同尺寸的Geometry Bin计算区域内秸秆数量,并分别对应实际田间作业的分层、横向和纵向划分。在分层处理中,仿真与实测结果表明,SR和SSR埋入土壤中的秸秆量都明显大于TR,尤其是埋入土壤下层的秸秆量均是TR的数倍。TR、SR和SSR作业后各层秸秆占比仿真值和实测值的变异系数均呈递减趋势,其中SSR的变异系数最小,分别为28. 8%和28. 7%。3种耕作装备下仿真值与实测值的变异系数相差不大,平均误差为9. 6%。横向和纵向划分中,TR、SR和SSR的各区域秸秆占比仿真值和实测值的变异系数无绝对规律,SSR的变异系数均最小。离散元仿真和田间试验结果表明,SSR秸秆还田后,秸秆在土壤中垂直分布和水平分布的均匀性均最优。离散元仿真较好地拟合了实际田间作业后秸秆的空间分布状态,相对误差在可接受范围内。     

水稻秸秆深埋整秆还田装置设计与试验

针对目前我国水稻秸秆还田机械普遍存在的耕作深度浅、秸秆还田深度不满足农艺要求、旋耕部件缠草严重等问题,运用旋耕理论和数值计算分析方法设计了水稻秸秆深埋整秆还田装置。根据实际情况对土壤颗粒进行假设,运用离散元法建立土壤颗粒力学模型,应用EDEM软件进行整秆还田仿真虚拟试验,仿真结果表明,耕深在20 cm时,土壤表层覆盖率为93.87%。通过土槽台架试验得到:在作业速度为1.25 km/h、刀辊转速为237 r/min时,耕深可达到22 cm,地表以下15~20 cm翻埋的秸秆占秸秆总量的80%,秸秆还田率为91.63%,同时刀辊轴不缠草。试验结果表明,秸秆还田深度达到水整地环节的要求,秸秆还田率较高。通过虚拟仿真和台架试验相互验证,证明新型整秆还田装置一次作业可实现切土、碎土、埋草、压草及覆土的功能,满足农艺要求。     

基于离散元法的筑埂机旋耕切削性能研究

为提高水田筑埂机筑埂质量和工作效率,探究旋耕弯刀的结构参数和工作参数对筑埂机旋耕切削性能的影响,构建了旋耕弯刀—土壤的离散元模型,同时对旋耕弯刀工作时复杂的受力情况进行分析。以IT245旋耕刀为基础,设计了几种不同的旋耕刀片,分别以旋耕弯刀结构参数和工作参数为试验因素,单位幅宽扭矩和扭矩为试验指标,进行两组正交试验。通过极差分析,得到影响旋耕弯刀功耗的3种主要工作参数,并探究其对旋耕弯刀碎土效果的影响规律。综合分析得到旋耕弯刀参数最优组合为:正切面端面刀高60mm,侧切刃包角27°,弯折角120°,幅宽60 mm,工作转速300 r/min,前进速度0. 3 m/s,工作深度100 mm。该研究为探讨刀具与土壤相互作用机理、降低水田筑埂机作业能耗及提高碎土效率提供了参考。     

马铃薯收获机扰动分离装置设计与试验

针对现有的小型马铃薯收获机筛面土块破碎效果不佳而影响分离效率和收获品质等问题,结合北方马铃薯主产区收获模式和常用杆条式分离装置,设计了一款马铃薯收获机扰动分离装置。在阐述总体结构及工作原理基础上,结合马铃薯的碰撞特性和土块的破碎过程分析,得到影响薯块损伤和土块破碎的主要因素为扰动深度、偏心轮转速和偏心距;通过EDEM-RecurDyn耦合构建仿真模型,单因素试验得到扰动杆数量最优为4,以扰动深度、偏心轮转速和偏心距为试验因素,以马铃薯碰撞力和土块破碎率为评价指标,运用Box-Behnken中心组合设计方法进行仿真试验,对试验结果进行方差分析,利用响应面分析了各交互因素对试验指标的影响规律,结合实际工况确定影响因素最佳取值。验证试验表明：当收获机分离筛运行速度为0.7m/s、扰动深度为51.5mm、偏心轮转速通过调速器设为2.3r/s、偏心距为31mm时,土块破碎率为60.7%,电子马铃薯采集的碰撞加速度峰值平均值为790.66m/s2,小于马铃薯临界损伤阈值。     

履带联合收获机式动力平台油菜直播机设计与试验

针对长江中下游稻油轮作区油菜播种作业常因前茬稻收后秸秆量大,机具一次进地难以完成播种作业所有工序,且土壤含水率较高时易打滑沉陷,而联合收获机专用收获利用率较低等问题,提出了一种以联合收获机为动力平台配置油菜播种机组合式方案,设计了一种履带式联合收获机为动力平台的油菜直播机,该机通过前置收获平台收集浮草残茬,后置耕播系统实现旋耕播种,能用于稻收后未处理地表直接进行油菜播种作业,一次进地能完成秸秆还田、种床旋耕、作畦开沟与播种覆土等工序。设计了导轨式悬挂升降系统,基于ANSYS Workbench、Matlab优化工具箱开展了静力学分析,校核了悬挂升降系统强度并优化了链传动参数,确定了整机各部分结构与参数。通过对整机纵向稳定性进行分析,得到其纵向稳定性储备利用系数为0.198,符合履带式机组质量配置要求。以耕深稳定性系数、碎土率、旋耕层深度合格率以及机具通过性与工作稳定性为指标进行田间试验,试验结果表明,工作参数设置为作业速度0.6m/s、发动机转速2000r/min、导草装置风机转速3500r/min时,在留茬与土壤含水率较高工况下作业机具通过性和工作稳定性较好,耕深稳定性系数和旋耕层深度合格率均达90%以上,碎土率达83.7%,可满足稻油轮作区水稻收获后地表直接开展油菜播种作业农艺要求。     

微耕机水田旋耕刀片切土作业过程动力学仿真

针对微耕机旋耕作业部件与水田土壤间的作用机理研究匮乏,作业过程出现碎土性能差、效率低、和功耗大等问题,以1WGQ4型微耕机为对象,采用有限元法(FEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)的耦合方法,构建土壤-旋耕作业部件系统的动力学仿真模型,在细观上对旋耕作业部件刀片与水田土壤间的作用过程进行动力学分析。结果表明:构建的土壤-旋耕作业部件系统的动力学仿真模型精度高;水田旋耕刀片向后抛起的土壤少,与挡板碰撞破碎的土壤少,水田微耕机采用前耕后驱设计方案有利于提高其碎土性能。     

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。     

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...