振动深松机的设计与试验

土壤环境是农业发展的重要基础条件,是一种宝贵的不可再生资源。长期以来,由于农业机械的反复碾压和土壤过度开发,导致土壤紧实,破坏土壤耕层,影响作物的生长与产量提升。深松是指利用深松机械疏松土壤、改善紧实度,是提高土壤蓄水保墒能力的有效方式。传统深松机存在作业阻力大和工作效率低等问题。因此,设计一种振动深松机,基于振动深松机减阻机理提出整体设计方案,并对关键部件进行设计与选型,最后通过田间试验验证振动深松机对土壤环境的改善作用。     

自激式振动深松整地机设计与试验

为了减小深松耕作阻力、提高深松深度的稳定性,设计了一种入土角可控的自激式振动深松整地机。通过室内土槽对比试验优化了自激式振动深松装置的弹簧参数,验证了减阻效果,并对整机作业质量进行了田间测试。土槽试验表明:弹簧的性能参数对减阻效果有显著影响,当弹簧刚度为194 N/mm时,入土角可控自激振动深松可使牵引阻力下降29.8%,自激振动条件下入土角可控较不可控牵引阻力下降8.9%;田间试验结果表明:深松整地机作业后深松深度合格率达到100%,稳定性系数达到95.49%,土壤膨松度平均值为19.34%,土壤干扰系数为56.62%;机具作业后地表平整,碎土率平均值为76.4%,通过性能良好,较好地满足了我国北方一年两熟区深松整地技术的要求。     

变频变幅振动深松试验台的设计与试验

为了实现振动深松作业时振频和振幅的无级调节,以适应不同物理性质的土壤进行深松作业,达到减阻深松、节省能耗的目的。为此,采用伺服油缸振动技术设计了一台可变频变幅的振动深松试验台,以测试不同土壤条件下振动深松的最佳工作参数,为振动深松机具的优化设计提供理论依据。试验结果表明:试验台最大振动幅度大于20mm,最大振动频率响应大于50Hz、振动频率0～30Hz、振动幅度0～10mm时,频率响应小于1dB,振幅误差小于4.2%,性能稳定且达到设计要求。     

1SZ-460型杠杆式深松机设计与试验

深松作业可以打破犁底层,在不翻动土壤的前提下可有效改善土壤的透水、透气性能,为植物根系提供更大的伸展空间.本文针对普通深松机械作业中存在的牵引阻力大、土壤松碎效果差等问题,研制出一种基于杠杆原理的振动式深松机.深松铲形式为窄凿型,能最大限度地保护土壤、减少水分蒸发.样机在30cm耕深时振动作业与无振动作业的牵引阻力对比试验表明,振动深松作业可有效降低机具牵引阻力,降阻幅度可达13%～18%.     

基于DEM-MBD耦合算法的自激振动深松机仿真分析

自激振动深松机的设计主要采用田间试验及理论分析方法,但田间试验成本高、周期长,同时理论分析尚不具备完整准确的解析解。为提高该类机具的设计效率,保证设计结果的准确性和可靠性,本文在课题组研制的Agri-DEM软件平台上,添加了离散元法（DEM）与多体动力学（MBD）耦合算法,然后利用该算法对自激振动深松单体作业过程进行仿真分析。耦合算法中,采用MBD方法建立了台车-深松机-悬挂架-土壤的系统动力学模型,包括7个活动刚体、1个滑移铰、7个转动铰、1个滑移驱动、1个弹簧力约束和1个阻尼约束,同时利用广义坐标分块算法将系统微分代数方程组转化为微分方程组,并通过亚当斯-莫尔顿校正算法进行积分,求解获得各刚体的运动学参数和动力学参数;采用DEM方法建立了耕作土壤的离散元模型,考虑土壤颗粒的黏附力,提出一种适合于土壤等湿颗粒间的接触力学模型——湿颗粒模型,模型参数通过试凑法确定。对模型进行深松铲的动力学响应分析、弹簧及牵引力动力学响应分析和土壤扰动过程分析,仿真结果表明：土槽台车前进速度为0.5m/s时,机具牵引力周期性变化的区间为-331.06~1492.75N,最大牵引力为1492.75N;深松铲的入土角周期性变化的区间为0~-0.11rad,在高度方向上铲柄质心的变化区间为-400.33~-581.37mm;激振弹簧受载也呈周期性变化,变化区间为2623~-2231N;深松铲铲尖部位抬升土壤,土壤颗粒扰动量在铲尖区域最大,并沿深松铲前进方向和侧向依次递减。仿真结果直观的呈现了自激振动深松机的作业过程及土壤颗粒的运动情况,定性的解释了自激振动深松机的减阻机理。本文添加的DEM-MBD耦合算法,为自激振动深松机工作过程分析和优化设计提供了一种新方法。     

振动深松铲土壤切削有限元模拟分析——基于ANSYS/LS_DYNA

为了分析振动式深松机在耕作过程中深松铲与土壤之间的相互作用关系,首先研究了国内外采用有限元分析方法研究土壤切削问题的工作进展情况。为揭示振动深松减阻本质,借助ANSYS/LS-DYNA971软件,构建了深松铲和土壤的有限元仿真模型,并选用MAT_FHWA_SOIL和线弹材料分别作为土壤和深松铲的材料模型。将UG中的运动仿真数据作为深松铲载荷数据,通过Excel文件导入,对深松铲切削土壤的工作工程进行模拟,得出了深松铲切削土壤过程功耗的变化和深松铲在工作过程的等效应力(von Mises stress)情况,为深松铲结构参数的优化提供了依据。     

基于振动减阻原理的旋转中耕机关键部件设计与试验

针对传统中耕机粘重土壤环境作业时切削阻力大、能耗高等问题,借鉴农业机械设计中振动减阻方法,对旋转中耕机关键部件进行设计。通过建立旋转单体运动方程,对碎土刀切削土壤阻力及旋转单体减阻机理进行分析,为旋转中耕机关键部件设计提供理论依据。采用二次正交旋转组合试验,以机器前进速度、刀辊转速和弹簧刚度为试验因素,以作业功耗、碎土率为试验指标,在室内进行台架试验,并运用Design-Expert软件对试验数据进行方差分析和响应面分析,得到影响因素与响应指标之间的数学模型,对数学模型进行优化及验证。试验结果表明,在刀辊转速为247～268 r/min、机器前进速度为0. 5～1. 0 m/s、弹簧刚度为11. 39～15. 16 N/mm时,相应试验指标作业功耗为1. 55～1. 90 k W、碎土率为91. 3%～92. 9%。选取最优水平组合中的一组进行验证及对比试验,结果表明,通过振动可有效降低旋转中耕机的作业功耗,与传统机型相比,其作业功耗下降了32%。在最优组合参数下进行田间试验,得到其作业功耗为1. 95 k W,碎土率为92. 8%,其作业性能满足中耕机作业要求。     

预破土组合振动深松铲的设计与试验

为了避免在深松铲铲柄上开破土刃口而降低深松铲的强度,本文将破土刃口与铲柄分离开进行独立设计,形成内弧半径为150 mm的专有弧形破土器,承担对土壤的切割作用,减轻深松作业阻力.本文通过田间试验验证了预破土器对深松减阻的效果,确定了预破土器的最佳安装位置,试验结果表明,在振幅5 mm、振频10 Hz、前进速度1.44 k...     

热带香蕉地振动深松机的设计与研究

针对香蕉地地形特殊,传统深松机作业方式单一、造价高、牵引阻力大、松土效果不理想及作业不稳定等问题,研制了一种热带香蕉地振动深松机,设计了该机的总体方案及主要部件的结构。该机具有结构简单紧凑、深松效果好、省力、耕深大的特点,其可保证在不翻动土壤前提下有效促进作物根系发育生长,对香蕉的抗旱增产具有很好的效果。     

弹簧预紧力可调式振动深松机设计与试验

为了减小深松机的耕作阻力和拖拉机的动力消耗,增强深松机对不同类型土壤的适用性,设计了弹簧预紧力可调式自激振动深松机。在机具工作过程中,通过自激振动单元的振动作用,可有效减小深松机的牵引阻力;通过弹簧预紧力调节机构可改变弹簧的预紧力,以适应不同物理特性的土壤,获得理想的深松效果。田间试验表明在保证耕深的前提下,合适的弹簧预紧力可有效减小机具的耕作阻力。为了测试该深松机的减阻性能,设计了2.5、3.2、4.0km/h 3种作业速度和250、300、350mm 3种深松深度,进行了两因素三水平的全因素试验,试验结果表明：在不同作业速度与深松深度下,与非振动深松机相比,该深松机均能有效减小牵引阻力,减阻比为10.30%~22.65%;对不同作业速度和深松深度下的振动深松牵引阻力和非振动牵引阻力进行了方差分析。结果表明作业速度、耕作深度和机具类型对深公机工作阻力均有显著性影响,在不同作业速度下,由于自激振动单元的减阻作用,随着耕作深度的增加,振动深松牵引阻力增加速度小于非振动深松。     

振动式深松机运动特性分析及试验研究

为了深入研究深松机具作业过程中的牵引阻力、能量消耗及作业性能,首先对影响深松作业的结构参数振动幅值、振动频率、振动角度和机具前进速度逐一进行分析;然后从运动特性入手,分别对3种不同振动角度下的运动轨迹进行了研究。结果表明:振动角等于0时,运动轨迹为一段锁扣波形,总功耗增加,深松效果增加不明显;当振动角大于0时,运动轨迹为一段沿运动方向倾斜的正弦波形,将其分为向前上方切削运动和后撤运动两段,前段功率消耗与非振动深松相当,但后撤阶段功率消耗增大使得降耗效果不明显;当振动角度小于0时,运动轨迹为一段沿运动方向相反倾斜的正弦波,将其分为向前下方切削运动和提升运动两段,同时,在提升阶段运动过程中,深松铲工作于已深松过的土壤中,因而功耗大大减小,可以实现减阻降耗目的。同时,在前进速度为0.2~1.78m/s、振幅为10mm、振动角为10.80~-3 2.40和0~50Hz振动频率条件下,对振动式深松机具进行了单因素土槽试验研究,并分析了各因素与功率损耗之间的关系。     

秸秆覆盖地深松机的设计与试验研究

针对传统深松机在秸秆覆盖量大时．深松铲易发生堵塞．深松机通过性能差，深松作业后镇压效果不理想，影响后续播种作业等问题，设计了深松铲防堵装置和镇压装置。田间试验结果表明．增加两装置能有效地解决深松机易堵和深松后地表不平整情况。     

行间深松部件的试验研究

国内外现有的深松机在地表无覆盖的条件下工作性能较好,但是在保护性耕作条件下还存在秸秆堵塞、入土困难、工作阻力大等问题。为此,对研制的行间深松部件进行了正交试验。结果表明,圆盘和铲的水平间距、机器前进速度、深松铲的入土角对牵引阻力和牵引功耗有显著影响,对深松机具的研究提供一定的基础。     

基于CATIA的深松铲参数化设计系统开发

为满足不同土壤环境下深松铲设计的要求,以深松铲为研究对象,运用Visual Basic编程语言对CATIA软件进行二次开发,建立人机交互界面,开发了深松铲及铲柄设计的参数化设计系统.该系统能在自动生成三维模型的基础上,完成虚拟装配,并自动生成工程图.研究表明,参数化设计可以提高设计效率,节省设计成本,具有很好的参考和实用价值.     

带翼振动深松铲运动特性分析及试验研究

为解决目前深松作业机具在南方大粘性、易板结及压实特别严重的土壤特性下,机具耕作阻力大、深松质量不高的问题,对带翼振动深松铲深松机理进行研究。通过对机具深松部件进行运动仿真,对速度、加速度、运动轨迹进行分析表明:铲翼和铲尖的切削和抬升土壤过程同步交替进行;铲尖水平方向速度和加速度幅值很大,主要切削土壤,铲翼垂直速度和加速度幅值很大,主要抬升土壤;铲翼对土壤进行二次的破碎疏松,以较小的耕作阻力有效提高了土壤疏松质量。田间试验结果表明:振动深松后在10~20cm和20~30cm土层的坚实度降低了54.2%和53.7%,不振动深松10~20cm和20~30cm土层的坚实度降低了41.6%和48.8%;特别是在0~1 0 cm土层振动深松使土壤坚实度比深松前降低了7 0.1%,远大于不振动深松的4 2.7%;带翼深松铲振动深松相比不振动深松可以减少3.2%~27.2%的牵引力阻力,减阻效果明显。由此可为带翼深松铲结构优化和提高深松机具在南方的作业性能提供理论参考。     

基于SPH算法的深松铲土壤切削过程仿真及试验研究

为探明深松铲土壤切削过程中切削阻力的变化规律和了解深松铲切削土壤过程情况,基于SPH方法建立了深松铲土壤深松的有限元模型,并对其深松过程进行仿真分析。仿真结果表明:SPH法能够直观地模拟深松铲土壤切削完整过程,最大等效应力为3. 184MPa,主要集中在与深松铲接触土壤上,仿真切削阻力为3.65 k N。通过耕整地移动式田间动态试验台进行田间试验验证,得出切削阻力为3. 542 k N,与仿真结果相比误差仅为3. 05%,验证了基于SPH法进行深松铲切削土壤过程的仿真是可行的。     

气吹式深松机整机振动试验研究

对气吹式深松机进行田间振动试验,得到气吹式深松机整机振动信号。通过对振动信号时域与频域的信号分析,确定了气吹式深松机振动的基频为9Hz,振动的主频为19Hz。此外,由于存在柴油机与空气压缩机的倍频成分,通过相干分析,确定了柴油机与空气压缩机的振动为气吹式深松机整机振动的主要振动源。研究可为下一步气吹式深松机整机动力学分析提供依据,为后续气吹式深松铲的优化改进、整机模态分析、整机的优化减阻,以及解决深松深度不平衡等问题提供参考。     

振动深松机的研究设计

借鉴同内外先进技术,结合我国实际情况,利用偏心块旋转产生的离心力使深松铲产生振动,研发出一种振动式深松机.介绍振动式深松机的基本原理、总体结构及重要参数的选定方法.该机与普通深松机相比,在同等结构质量及作业条件下,能够大大减少整个机组的牵引阻力.降低能源消耗,提高深松作业质量.     

基于ANSYS Workbench的深松机机架模态分析

利用Solidworks软件对深松机机架进行参数化实体建模,将模型通过软件接口导入ANSYS Workbench,利用Model模块对机架进行有限元模态分析,得到其前6阶频率和振型。分析结果表明,机架低阶模态频率和震动幅度都较小,机架结构满足设计要求,为机架的设计和改进提供了方法和依据。