三七收获机挖掘铲减阻特性分析与试验

针对丘陵山区三七机械化收获挖掘阻力大和根茎损伤率高的问题,以不同铲型挖掘铲为研究对象,开展三七收获机挖掘铲作业机理与参数优化对比试验。通过理论分析与力学计算,确定各铲型挖掘铲主要结构参数,并通过Solidworks建立挖掘铲三维模型。开展4种铲型挖掘铲的位移流向仿真对比试验,追踪根茎颗粒和土壤颗粒空间运动轨迹,获得三轴位移分部,表明野猪头部仿生曲线特殊的曲率变化对破土阻力有显著影响,仿生铲面通过改变土壤颗粒流动方向,从而降低挖掘阻力。利用Design-Expert 13软件,以挖掘铲铲长、铲宽和铲刃倾角为试验因素,以挖掘阻力为试验指标进行组合试验,得到最优作业参数组合为：铲长354mm、铲宽40mm、铲刃倾角70°,在该组合下平均挖掘阻力为439.75N。开展高速摄影试验,获取三七根茎和土壤运动轨迹,结果表明三七根茎和土壤颗粒运动趋势与仿真试验一致,验证离散元模型可靠性。搭建试验台架,以入土角、铲片间距和挖掘速度作为试验因素,以挖掘阻力作为试验指标进行正交试验,得到不同工作参数对挖掘阻力影响的主次顺序为入土角、铲片间距、挖掘速度,最优工作参数组合为入土角15°、铲片间距80mm、挖掘速度0.4m/s。综合评估挖掘铲减黏降阻性能,仿生式挖掘铲作业效果最优。     

宁前胡仿生挖掘铲设计与试验

针对宁前胡采挖过程中挖掘阻力大的问题，以鲨鱼背鳍为研究对象，并结合农艺要求，设计了一款宁前胡仿生挖掘铲；根据摩尔-库仑理论中土体应力分析，当选用鲨鱼背鳍结构作为仿生铲的凸起结构时，土壤更易达到破裂状态；通过三维扫描仪扫描鲨鱼标本，获取鲨鱼背鳍三维模型，根据背鳍三维模型确定仿生铲的凸起结构，并通过NX12.0创建仿生挖掘铲三维模型；利用三维扫描仪获得宁前胡根茎外形轮廓特征，创建宁前胡根茎的离散元模型，并选用Hertz-Mindlin with JKR建立宁前胡根茎-土壤离散元复合模型；通过离散元仿真对比试验，得出X、Y、Z方向颗粒位移和挖掘阻力的平均值，分析挖掘铲的减阻机理，仿生铲比平面铲在采挖过程中阻力减小14.37%;通过开展土槽试验，对比根茎挖掘效果，与仿真试验中得出的宁前胡根茎在仿生挖掘铲挖掘后，根茎在X、Y、Z方向上有更好的位移表现，仿生铲和平面铲的挖掘阻力平均值分别为1 342.28、1 622.73 N,仿生铲比平面铲在采挖过程中阻力减小17.28%,与仿真试验得出的减阻率十分接近，满足宁前胡采挖过程中的减阻要求。     

三七种苗仿生挖掘铲设计与有限元分析

针对现有三七种苗挖掘铲挖掘阻力大、碎土性能与减黏性差等问题,设计一种三七种苗挖掘铲。本研究运用仿生学原理,依据穿山甲良好的挖掘性能设计三七种苗挖掘铲。对穿山甲前爪中趾和鳞片进行结构分析,测量爪趾纵剖面和前端轮廓数据,通过曲线拟合得到仿生铲外形轮廓;结合穿山甲鳞片表面的楔形形状,将仿生铲表面设计成有凸起的楔形铲面;根据三七育苗农艺,确定仿生铲的挖掘深度和挖掘铲宽度;建立仿生铲三维模型,通过Ansys有限元仿真分析,确定挖掘铲厚度和入土角,研究仿生挖掘铲结构性能;并运用EDEM离散元动态仿真分析验证凸起仿生挖掘铲作业过程中所受阻力和土壤挖掘效果。三七种苗挖掘铲设计为凸起仿生挖掘铲,由Ansys仿真分析可知,凸起仿生挖掘铲最大应力为11.864 MPa,最大变形量为0.064 687 mm;由EDEM离散元法仿真分析得到凸起仿生挖掘铲挖掘阻力比平面铲小18.78%,作业时土壤颗粒平均翻滚角速度较平面铲提升27.13%,且具有较好的减黏效果。用穿山甲前爪和鳞片仿生三七种苗挖掘铲,能在保证不破坏三七主根和剪口的同时,达到增大碎土性能和减少土壤黏附的效果。该研究对三七种苗挖掘铲的设计与改进具有重要意义。     

三七收获机组合式挖掘铲减阻效果研究——基于EDEM

针对三七的特殊农艺及三七机械化收获阻力大的特点,设计了一种由二阶平面铲和土壤破碎铲组合的三七收获机组合式挖掘铲。采用EDEM离散元仿真软件对两种铲关键部件进行了工作阻力的比较,仿真结果表明:工作速度分别为0.5、0.7、0.9m/s时,挖掘深度分别为100、150、200mm条件下,组合式挖掘铲的水平与垂直阻力皆小于传统挖掘铲,表面组合式挖掘铲在降低工作阻力有着更好的性能。该研究旨在为三七及其他块茎类作物挖掘铲的设计提供技术参考。     

马铃薯仿生挖掘铲片及其减阻特性研究

设计了一种马铃薯仿生挖掘铲片,研究其在土壤运动过程中的减阻性能。运用仿生手段对蝼蛄前爪第一趾进行仿生信息的提取,设计了一种马铃薯仿生挖掘铲片,利用EDEM对挖掘铲片进行挖掘土壤过程仿真。在EDEM仿真过程中,根据铲片对土壤的扰动情况分析可知:仿生挖掘铲片对土壤应力较分散,铲面具有碎土能力,挖掘方向所受平均阻力为118.212N;普通挖掘铲片对土壤应力较集中,铲面不具有碎土能力,挖掘方向所受平均阻力值为159.508N;仿生挖掘铲片较普通挖掘铲片所受平均阻力减小近35%,仿生挖掘铲更具优良的挖掘性能。     

基于离散元法的新型仿生挖掘铲的仿真分析

挖掘铲的性能主要决定于铲片的形式,传统的试验方法往往存在研究费用高、周期长的问题。针对这个问题以及土壤由无数小颗粒组成的特点,运用离散元分析软件,以一种新型仿生挖掘铲为研究对象,通过数值模拟、计算和比较,对其工作过程中所受的阻力以及土壤的破碎率进行了动态仿真分析。分析结果表明:与普通挖掘铲相比较,该仿生挖掘铲在X方向上的平均减阻率为10.41%,在Y方向上的平均减阻率为16.28%,土壤破碎率提高了2.67%。因此,在结构和性能上具有一定的优越性和可推广价值。同时,通过分析实例充分展示离散元法的独特优势及其可推广性,对类似研究具有一定的可参考性。     

以砂鱼蜥头部为原型的仿生深松铲尖设计与离散元仿真

为解决传统深松机具触土部件破土困难、耕作阻力大等问题,以砂鱼蜥头部为仿生原型,采用逆向工程技术对其特殊几何特征进行提取,将量化后的几何结构特征应用于深松铲尖的设计,以期减小深松铲作业阻力和能耗。依据不同特征曲面,设计了3种仿生铲尖试样,并与凿型铲尖试样进行性能对比。建立离散元模型,求解不同铲尖垂直贯入土壤阻力;制备试样,通过万能试验机进行土壤垂直贯入实测试验;将模拟结果和实测试验结果进行对比,结果表明离散元仿真分析和实测试验结果吻合较好,最大贯入阻力的相对误差为2.47%～3.91%。使用离散元法分析仿生铲尖和凿型铲尖（T-S）在土壤分层情况下的相互作用,证实仿生铲尖比凿型铲尖具有更低的所需牵引力,其中仿生铲尖B-S-2减阻效果最好,相对于凿型铲尖,其减阻率为8.34%～19.31%。离散元分析揭示砂鱼蜥头部仿生曲线特殊的曲率变化对破土阻力有显著影响,仿生铲尖改变了土壤颗粒的流动方向,减小了铲尖上方土壤扰动范围,从而降低所需牵引力。在3种作业速度和3种耕作深度下对阻力的仿真结果与土槽试验结果进行对比,误差为10.83%～17.06%。     

基于离散元法的胡萝卜挖掘铲优化设计

针对胡萝卜联合收获机工作过程中松土挖掘阻力大、胡萝卜漏拔率高等问题，对收获状态下三角翼形挖掘铲进行受力分析和计算，确定了铲面宽度和铲刃角的取值范围。根据胡萝卜种植模式，建立了挖掘铲-胡萝卜-土壤离散元仿真模型，以挖掘铲面长度、宽度及铲刃倾角为试验因素，以挖掘阻力、土壤破碎率为试验指标开展了胡萝卜挖掘仿真试验，仿真时间历程显示了土壤与胡萝卜随挖掘铲运动的变化过程。利用仿真试验数据拟合建立不同试验因素影响下挖掘铲阻力与土壤破碎率的二次多元回归方程，通过Design-Expert 10.0.7对数学模型进行分析求解，得出了最优参数组合为：铲面长度260mm,铲面宽度370mm,铲刃倾角57°。通过与凿型铲进行对比试验，结果表明：工作阻力降低了9.4%,土壤破碎率提高了2.8%,优化设计的三角翼形挖掘铲在工作阻力和土壤破碎率方面具有良好的松土性能，满足胡萝卜收获要求。研究可为胡萝卜挖掘装置试验研究和设计提供理论参考。     

胡萝卜联合收获机高效减阻松土铲设计与试验

针对胡萝卜联合收获机作业时松土铲普遍存在作业阻力大、漏拔率高等问题,设计了一种高效减阻松土铲。以狗獾爪趾为仿生原型设计了仿生减阻铲尖,并分析了其减阻机理,建立了铲翼与土壤间的力学接触模型,确定了影响松土铲作业质量的铲翼结构参数。基于EDEM离散元仿真技术,建立了部件-土壤-作物多元仿真模型,通过单因素试验与正交旋转组合试验,确定了铲翼结构参数取值范围及其对指标的影响规律。建立了试验因素与指标间的多目标优化数学模型,运用Design-Expert 8. 0. 6软件确定了松土铲的最优参数组合,通过田间性能试验验证了高效减阻松土铲的作业性能。结果表明:影响胡萝卜联合收获机松土铲作业质量的主要结构参数为铲翼开角α和铲翼倾角β,当铲翼开角α和铲翼倾角β分别为120. 27°和47. 37°时,松土铲作业性能最优,最优组合下前进阻力与胡萝卜拔取力分别为1 908. 76 N和55. 37 N。经田间性能试验验证,田间试验结果与仿真优化结果基本一致,与凿式松土铲相比,高效减阻松土铲前进阻力降低了5. 79%,胡萝卜拔取力降低了20. 68%,漏拔率降低了3. 8个百分点,满足胡萝卜收获农艺要求。     

仿生扇贝花生挖掘铲的设计与试验

农机挖掘部件作为重要的耐磨部件，其耐磨性能的好坏关系到收获机械的使用寿命及能耗的高低。在挖掘部件的结构优化设计中，仿生学在提高农机挖掘部件性能上提供了新的设计思路。为此，通过扇贝壳轮廓曲线拟合，研制出一种仿生扇贝挖掘铲。基于EDEM仿真软件，对仿生挖掘铲和普通挖掘铲进行运动仿真分析，结果表明：在0.4、0.6、0.8m/s 3种不同运动速度下，仿生挖掘铲受力明显小于普通挖掘铲，其减阻性能较普通挖掘铲可提高5%～7%;对比两种挖掘铲造成的土壤颗粒运动变化，仿生挖掘铲对土壤颗粒的速度变化影响较小，分布更为均匀。     

基于超声振动的土壤切削挖掘装置设计与试验

针对农业装备触土部件工作阻力大、耗能高等问题,提出了利用超声波高频振动辅助土壤切削挖掘从而降低阻力的技术方案,设计了超声振动土壤切削挖掘装置。选定20kHz作为超声激振频率,基于耦合谐振效应的目标,分析、设计了夹心式换能器和圆锥形变幅杆等关键部件的结构参数。建立了变幅杆有限元模型,利用仿真方法对其进行模态分析和谐响应分析,仿真结果显示,变幅杆轴线伸缩固有频率接近20kHz,与设计值吻合。搭建了超声振动土壤切削挖掘阻力试验测试平台,进行了有、无超声波振动土壤切削挖掘阻力土槽对比试验,结果表明：相比无振动刚性挖掘铲,超声波振动挖掘铲能够有效降低土壤切削挖掘阻力,在1.5、2.5、3.5MPa 3种土壤硬度条件下,超声波振动挖掘铲所对应的降阻率分别为35.1%、40.7%和44.3%,土壤硬度越大,超声波振动挖掘铲的降阻效果越明显。当土壤含水率为20%~48%时,不论有无振动,土壤切削挖掘阻力均随着土壤含水率的增加先迅速降低后又缓慢回升。由于超声振动激励需要额外消耗能量,故振动挖掘总耗能并未降低。试验验证了超声振动土壤切削挖掘降阻方案的可行性以及参数设计的合理性。     

太子参收获机挖掘机构设计及分析

为减小福建地区山地环境下太子参收获机的挖掘阻力,设计一种具有振动功能的太子参挖掘机构。通过太子参的种植环境以及挖掘铲的受力分析,设计挖掘深度h、入土角β、挖掘铲刃口倾角θ、铲体长度L及其宽度b等主要技术参数。根据偏心机构与四杆机构运动学原理分析挖掘铲的运动特征,利用ADAMS软件对其进行运动学仿真。根据挖掘铲理论负载计算所得的法向力,进一步利用ANSYS有限元软件对挖掘机构的挖掘铲进行静力学分析。通过实地测试并监测不同工况下的挖掘阻力,验证振动挖掘机构的功能性与理论分析结果。结果表明：挖掘机构可以实现以正弦波为周期的往复振动。对挖掘铲面施加563.85 N的法向力,挖掘铲最大应力为141.87 MPa,小于45号钢的355 MPa,满足受力要求。实地测试结果表明：不同工况下振动挖掘阻力在1 320 N和1 583 N之间变化,小于无振动时的挖掘阻力1 604 N,说明太子参振动挖掘具有减小挖掘阻力的作用。平均挖掘阻力为1 458 N,与理论计算数据1 505.181 N接近,进一步验证理论计算的合理性。     

多年生苜蓿地切根补播机低阻松土铲设计与试验

为降低多年生苜蓿地改良多用机械松土铲的水平阻力和土壤扰动量,根据食蚁兽爪趾外缘轮廓曲线模型,设计了一种新型仿生松土铲。基于多年生人工苜蓿地土壤特性,利用EDEM软件建立触土部件土壤相互作用离散元模型,以水平阻力和土壤扰动面积为主要评价指标,在不同作业条件下对仿生松土铲和轻型标准深松铲工作过程进行数值模拟,并进行田间验证试验。结果表明,仿生铲平均减阻率为7.64%,仿真值与实测值误差小于9%。为优化翼铲结构参数,以铲翼倾角和铲翼开角为试验因素,以传感器拉力测量值和沟槽宽度为试验指标,采用响应面分析法(RSM),进行二因素五水平旋转正交组合试验,得到各因素与指标之间的回归数学模型。采用粒子群优化(PSO)算法对回归数学模型进行求解,获取了Pareto最优解集,最终选取传感器拉力测量值为8.679 kN、沟槽宽度为144.2 mm,此时翼铲倾角为20°、翼铲开角为105.6°。田间验证试验表明,实测值与预测值相对误差小于6%,说明基于RSM和PSO的多目标参数优化方法具有科学性和可行性。     

根茎类中药材收获机挖掘装置设计与仿真试验

针对根茎类中药材收获机采用固定式挖掘铲收获时,存在挖掘深度不足,入土阻力大,功率损耗严重,碎土效果差,铲尖磨损较大等问题,采用理论计算与数值仿真的方法,对振动式挖掘装置的挖掘铲参数、运动机构、铲面运动特性和工作效果进行研究。结果表明:该装置采用锯齿形平面三角铲,铲刃张角≤94°、入土角为20°～30°、工作深度≥500 mm,铲面长度为772 mm,运动机构类型为四连杆机构,工作时做平面运动,其水平方向运动类似于余弦函数曲线,垂直方向为正弦函数曲线,速度与加速度变化类似。挖掘铲在水平方向和垂直方向的运动曲线平滑顺畅,运动类型与理论推导值吻合,为简谐运动,运动过程无干涉现象,速度与加速度变化均符合运动规律。当挖掘装置的前进速度为2.4 m/s,入土角为25°,转速为280 r/min时,该装置的挖掘阻力最小。采用振动式挖掘装置对中药材进行收获时,可有效减小挖掘阻力,具有良好的碎土分离效果,整体运行平稳,工作可靠,各项性能均满足行业标准要求。     

单行木薯块根收获机仿生铲的设计与试验

针对目前木薯块根收获机挖掘铲存在入土困难、碎土及排土效果不理想及工作强度不足等问题,基于工程仿生学理论,结合动力学知识,提出并设计了一种模仿犬爪趾形状的仿生铲.基于Design-Expert软件中的试验设计方法,以作业速度、土壤含水率及挖掘铲类型为试验因素,以挖薯率、伤薯率为试验指标,对挖掘铲的工作参数进行试验研究,建...     

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。