玉米垄作随动自调刃口角被动圆盘式破茬刀设计与试验

针对耕整地机械和免耕播种机上被动圆盘式破茬刀切割根茬和土壤时耕作阻力大、耗油量高以及破茬比率低的问题,设计了一种随动自调刃口角破茬刀。该自调破茬刀设有缓冲机构,能够根据不同深度根茬和土壤特性调整刃口角度实现低阻力、深进给切割。通过对试验地的多点土壤贯入阻力（土壤与根土结合体）测量以及土壤、根茬摩擦角测量,并结合理论分析与计算机辅助设计,确定所设计的自调破茬刀缓冲机构弹簧的劲度系数为42N/mm,以此为主要参数设计了自调破茬刀。田间高速摄像验证试验得到,当自调破茬刀深度为25mm时,弹簧形变量与理论设计值相差6.9%,深度为75mm时,弹簧形变量与理论设计值相差7.3%。且高速摄像结果显示自调破茬刀切割根茬和土壤性能优良以及缓冲机构可行,验证了设计思路的合理性与可行性。田间对比试验得到,所设计的自调破茬刀相对于圆盘刀和缺口圆盘刀,耕作阻力降低了13.3%和20.6%,耗油量降低了19.3%和35.3%,破茬比率提高了16.1%和4.6%,表明所设计的随动自调刃口角破茬刀作业性能与效果较优。     

免耕播种机动态仿生破茬装置设计与参数试验优化

针对中国东北地区玉米秸秆粗壮量大、不易腐烂,造成免耕播种机破茬防堵装置秸秆根茬切断率低和作业所需切割扭矩大的技术难题,以蝗虫口器多段阶梯锯齿状结构和双上颚异向等速咬合运动方式为仿生原型,设计一种可在东北地区实现高效破茬防堵作业的动态仿生破茬装置。通过仿生构建、机构设计、理论分析和参数优化等方法设计了行星齿轮变速机构和仿生破茬刀;运用Arduino系统和智能控制方法设计了智能驱动系统,实现了运动方式-结构耦合仿生;通过参数优化试验和回归分析等方法,研究了结构和作业参数对秸秆切断率和切割扭矩的影响规律,并得出最佳参数组合:作业速度为10 km/h,回转半径为250 mm,正转破茬刀仿蝗虫口器刀片数量为9,反转破茬刀仿蝗虫口器刀片数量为18;最终通过对比试验得出动态仿生破茬装置相较于被动缺口圆盘破茬刀可提高秸秆根茬切断率22.6%~27.4%;相较于驱动缺口圆盘破茬刀可提高秸秆根茬切断率8.6%~13.5%,降低扭矩输出19.5%~21.8%;作业后使用共聚焦激光扫描仪进行耐摩擦磨损对比试验,其平均表面粗糙度和最大磨痕深度相较于驱动缺口圆盘破茬刀分别下降14.5%和15.9%。     

破茬刀结构参数仿真分析优化试验

以免耕播种机破茬刀为例,分析破茬刀切断茎秆条件及破茬刀作业时滑切原理,来确定破茬刀结构参数,并借助离散元软件对破茬刀进行仿真试验,研究破茬刀结构参数对于其功耗及土壤扰动面积的影响,从而优化破茬刀结构。理论分析得到:破茬刀的直径范围为420～430mm,滑切角范围为40°～58°。2因素5水平正交旋转组合离散元仿真试验得到:影响破茬刀作业功耗的主次因素为破茬刀直经、滑切角;影响破茬刀土壤扰动面积因素的主次顺序为破茬刀直径、滑切角;理论上当破茬刀直径428.51mm、破茬刀滑切角44.66°时,破茬刀功耗为1.754 6kW,扰动面积为197.836mm~2。试验结果表明:优化后的破茬刀与理论值相比,功耗增加2.23%,土壤扰动面积增加1.31%,均与理论值偏差较小,仿真优化结果可靠。优化后的破茬刀作业性能与作业效果优良,可为少免耕耕作部件的优化设计提供一定依据。     

阿基米德螺线型缺口圆盘破茬刀参数优化与试验

免耕播种机是在地表残茬、秸秆、杂草覆盖条件下进行播种,作业环境差,易造成免耕播种机堵塞、播种深度不稳定等。基于东北玉米垄作免耕播种机的农业技术要求,为了解决破茬防堵、开沟稳定,减小破茬阻力,提高破茬开沟质量等问题,设计了阿基米德螺线型缺口圆盘破茬刀,确定了其结构特性和尺寸参数为:缺口数11,最大半径215 mm,起始半径175 mm,包角32.72°,并建立了它的运动方程。通过3种圆盘(螺线型缺口圆盘、光面圆盘、半圆型缺口圆盘)破茬刀对比试验,证明了螺线型缺口圆盘破茬刀的优越性。同时建立了螺线型缺口圆盘破茬刀的破茬阻力与破茬盘类型、机器配重、机器前进速度的二次回归数学模型。研究成果为破茬装置优化设计提供了理论基础。     

驱动圆盘玉米垄作免耕播种机设计与试验

针对东北垄作区免耕播种玉米时存在机具堵塞严重、条带旋耕功耗大、垄上作业稳定性差等问题,设计了驱动圆盘玉米垄作免耕播种机,提出了驱动圆盘破茬、限深轮稳定装置为一体的破茬开沟稳定机构,对本装置的关键参数进行了设计.田间试验结果表明,驱动圆盘玉米垄作免耕播种机通过性能好,破茬能力强.机具破茬深度约为87 mm,种肥间距稳定在48 mm时能够满足播种要求,播种施肥开沟器在主动圆盘开出的沟槽中进行二次开沟,减少了土壤扰动和动力消耗.与条带旋耕毛米垄作免耕播种机相比,油耗降低8.5%,地表动土量减少约50%.     

一年两熟地区玉米秸秆根茬处理和小麦免耕作业方式的分析

为了在一年两熟地区大面积推广实施全程保护性耕作小麦免耕播种作业技术,分析了国内外玉米秸秆根茬处理技术和我国一年两熟地区玉米收获后小麦免耕播种的作业方式,指出现有小麦免耕作业方式存在小麦免耕播种机易堵塞、动土量大、刀轴转速高、安全性差的问题;秸秆被重复切断,秸秆覆盖播种带,影响小麦出苗和幼苗的生长;拖拉机进地次数多,压实土壤。提出了利用斜置驱动圆盘刀和驱动双向螺旋刀装置实现粗粉碎秸秆、低速驱动刀推开播种带秸秆和切断根茬的作业方式。     

垄作免耕技术及机具的研究进展

保护性耕作可以减少土壤风蚀与水蚀,提高作物产量,是发展旱作农业的重要措施。推广保护性耕作必须结合不同地域的气候特点及种植制度,形成具有区域特色的保护性耕作技术体系。垄作免耕技术对东北地区发展保护性耕作具有重要意义。为此,列举了几种垄作免耕技术模式,对其优缺点进行了分析,比较了几种垄作免耕播种机的破茬原理,指出了机具的研究重点应放在开发动土量少和功耗小的破茬部件上,以提高免耕播种机的通过性和作业质量。     

垄作免耕播种机被动式防缠绕破茬清垄装置设计与试验

为了解决东北玉米垄作免耕播种机作业时缠绕堵塞工作部件，减小对土壤扰动，提高破茬开沟质量等问题，优化设计了防缠绕破茬清垄装置，主要包括阿基米德螺线锯齿型缺口圆盘破茬刀和星型清垄轮。通过理论分析确定了影响破茬清垄装置作业性能的主要参数为机具前进速度V_m、破茬刀入土深度h以及清垄轮安装偏置角α。利用离散元软件EDEM进行二次回归正交旋转组合仿真试验，确定了该装置的最优工作参数组合为：机具前进速度V_m为7 km/h、破茬刀入土深度h为75 mm、清垄轮安装偏置角α为30°。通过田间验证试验，得出破茬清垄装置在最优工作参数组合下的破茬率为92.21%,清秸率为93.49%,验证了仿真理论研究结果，机具通过性显著提高，达到了东北玉米垄作免耕播种农艺和农机的技术要求。     

旋耕—碎茬通用刀片结构参数优化试

以L型碎茬刀及宽型旋耕刀为基础,设计了9种旋耕-碎茬通用刀片.通过土槽单刀功率消耗(扭矩)试验确定了通用刀片的结构参数为:弯折角67°、弯曲半径20 mm、正切刃滑切角12°、单刀作业幅宽60 mm.并分别进行了通用刀片与国标旋耕刀的旋耕对比试验及通用刀片与批量生产的碎茬刀切断对比试验.试验结果表明,通用刀片单位幅宽功率消耗小于国标旋耕刀,但大于常用碎茬刀;单刀幅宽相同条件下,通用刀片功率消耗低于旋耕刀及碎茬刀,表明通用刀片结构参数选择合理可行.     

免耕圆盘刀破茬过程运动特性研究

免耕播种机被动防堵常采用圆盘刀来破茬,使得机具结构简单,减少了动土量,不破坏垄形。圆盘刀破茬过程中的运动特性对破茬装置作业性能具有重要影响。为此,建立了圆盘刀刀刃切割根茬部分的弧长方程,得出刀刃切割根茬弧长的变化规律,分析了圆盘刀半径和入土深度对破茬时间的影响,研究了圆盘刀滑移对破茬速度的影响,并对圆盘刀横向运动位移和速度的影响因素进行了探讨。该研究可为圆盘刀及免耕播种机的设计和应用提供参考。     

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。     

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。     

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。     

黄土高原坡地土壤与旋耕部件互作离散元仿真参数标定

针对黄土高原坡地土壤-旋耕部件互作机理研究以及坡地专用旋耕机具设计缺乏准确可靠离散元仿真参数的问题,以典型坡地粘壤土(含水率13.4％±1％)为研究对象,选取EDEM中Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型,对相关仿真参数进行标定.首先,对土壤颗粒间接触参数进行了标定,以土壤颗粒的仿真堆...     

水稻秸秆反旋深埋滑切还田刀优化设计与试验

针对水稻秸秆深埋还田时,还田刀作业功耗过高和缠草的问题,结合还田机作业过程,分析还田刀功耗过高和缠草的原因,设计了一种反旋深埋滑切还田刀。使用阿基米德螺旋线设计还田刀侧切刃,提高还田刀的滑切性能,计算并验证侧切刃曲线的动态滑切角满足土壤-秸秆滑出还田刀的条件,使用圆弧曲线设计还田刀正切面,以耕宽和正切面安装角为依据确定圆弧半径为60mm。运用离散元仿真软件EDEM进行了反旋深埋滑切还田刀与传统还田刀的仿真对照试验,结果表明反旋深埋滑切还田刀的秸秆还田率、抛土性能与传统还田刀基本一致,作业功耗降低18.19%,选取留茬高度、刀辊转速和机具前进速度为影响因素,选取作业功耗为评价指标进行正交试验设计,确定影响还田机作业功耗的因素从大到小依次为：刀辊转速、机具前进速度、留茬高度。田间试验结果表明：在土壤含水率为20%~30%,地表秸秆覆盖量为336~353g/m2,拖拉机作业速度为低速一挡（1.5km/h）,刀辊转速为250r/min时,秸秆深埋滑切还田刀作业后,平均耕深为18cm左右,秸秆还田率为87.9%~89.7%,地表平整度为2.1~3.7cm,作业指标均满足秸秆还田的农艺要求。     

水稻根茬-土壤复合体剪切特性试验

为了降低稻茬地少耕免耕过程中的阻力,提高作业质量,同时为破茬开沟装置提供设计依据,采用自制的剪切试验装置在万能材料试验机上对水稻根茬-土壤复合体进行了剪切试验,对根茬-土壤复合体含水率、土壤容重、根茬-土壤复合体的当量直径、剪切位置、剪切速度、切刃刃角、切刀刃口形状7个因素进行了单因素试验。在单因素试验的基础上选取根茬-土壤复合体含水率、剪切速度、切刃刃角3个因素进行了正交试验。单因素试验结果显示:极限剪切应力与复合体的含水率呈二次多项式函数关系,与土壤容重呈幂函数关系,与根茬-土壤复合体直径呈二次多项式函数关系,与剪切速度呈对数函数关系,剪切位置距离根茬中心越远极限剪应力越小,切刃刃角越小极限剪切应力也越小;在4种形状的刃口切刀中,凹圆弧切刃的极限剪切应力最小。正交试验结果表明:切割速度450 mm/min、含水率25%、切刃刃角15°时,极限剪切应力最小。     

反旋深松联合作业耕整机设计与试验

针对现有深松旋耕联合作业机多为深松部件在前、旋耕部件在后的组合结构,较少考虑各工作部件作业时之间的相互影响,本文基于深松部件、旋耕部件作业之间的交互作用,设计一种用于深耕的反旋深松联合作业耕整机,通过旋耕、深松、镇压多工序实现表层土壤细碎、秸秆埋覆,深层土壤疏松目的。整机以提高作业质量、减少作业阻力为设计目标,运用离散元仿真与正交试验、有限元仿真结合进行整机参数优化。离散元仿真结果表明:机具作业速度v_m为1.8 km/h、刀轴转速n为350 r/min、旋耕刀类型X为IIT195弯刀时,机具作业壅土量为5 283个土壤颗粒,植被覆盖率为98.37%,此时综合作业质量较优;有限元仿真结果验证了深松铲设计强度满足作业要求。以较优参数组合为基础的田间试验结果表明:反旋深松联合作业耕整机旋耕深度、深松深度、地表平整度、土壤膨松度分别为182.8 mm、388.4 mm、18.3 mm、17.22%;旋耕深度稳定性、深松深度稳定性、植被覆盖率均在90%以上,完全满足深层土壤整地需求;与深松旋耕联合整地机相比,反旋深松联合作业耕整机在不影响作业效果前提下,提高了耕深稳定性、植被覆盖率,同时使牵引阻力降低了16.21%,作业稳定性、可靠性较好。