圆盘犁刀仿生设计应用研究

本文基于仿生研究的基础理论和技术,对圆盘犁刀的仿生优化设计方法进行研究,从而为仿生圆盘犁刀的仿真和试验研究奠定基础,以减少圆盘犁刀耕作过程中的粘附积土量和降低工作阻力与动力消耗。     

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。     

仿生凸包起垄刀表面特征参数优化设计

起垄机在作业时发现起垄刀粘附严重,为了解决在黏性土壤环境下起垄刀粘附问题,以土壤动物蜣螂头部表面非光滑凸包结构为仿生对象,通过白光干涉仪获得凸包微观结构的特征参数完成仿生起垄刀设计。基于EDEM仿真分析仿生凸包起垄刀的减粘脱附效果,探索凸包减粘机理,通过田间试验验证仿真分析的有效性。试验结果表明：仿生凸包起垄刀减粘脱附效果由小到大依次为Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ,试验结果与EDEM仿真中得到的结果相一致,验证了仿真的可靠性。其中,仿生起垄刀Ⅱ的减粘性能最好,在18.73%、22.91%、26.87%含水率下的平均粘附量相对于原型刀具分别减少了12.45%、24.64%、6.19%。研究结果可为起垄机减粘脱附仿生设计提供可行的研究方法。     

基于CAD的驱动圆盘犁尾轮装置的设计

在常规驱动圆盘犁设备的基础上,对其进行改装设计,以适应不同环境下的耕作要求。以驱动圆盘犁尾轮装置为研究对象,利用CAD软件,首先分析了圆盘犁尾轮受力情况,然后对尾轮上下调节装置、连接架、左右二级可调及尾轮轴体等零部件进行改进设计。试验结果表明:驱动圆盘犁尾轮装置稳定性和牢固性较强,符合设计标准,可为驱动圆盘犁的设计提供参考。     

基于东方蝼蛄爪趾的仿生旋耕刀设计与试验

为了降低旋耕刀耕作时的能耗,本文基于东方蝼蛄前足爪趾轮廓拟合曲线的特征,利用逆向工程技术将东方蝼蛄前足爪趾1、2、3、4的轮廓曲线依次排列于IT245国标旋耕刀的正切刃与回转半径末端边缘,设计了仿生旋耕刀。建立南方粘湿土壤旋耕刀相互作用仿真模型,分析不同刀轴转速下国标旋耕刀、仿生旋耕刀扭矩和三向阻力的变化规律,结合室内土槽试验分析刀轴扭矩的变化趋势,验证离散元仿真模型的有效性。单刀受力仿真分析表明,仿生旋耕刀与国标旋耕刀的水平阻力、垂直阻力与侧向阻力均随着刀轴转速的增加而逐渐增大。在3种刀轴转速下,除侧向阻力以外,仿生旋耕刀受到的水平阻力与垂直阻力的最大值均比国标旋耕刀小。在刀轴转速150 r/min时,仿生旋耕刀较国标旋耕刀水平阻力与垂直阻力的最大值分别降低了9.91%与9.09%;在转速200 r/min时,分别降低了5.78%与9.74%;在转速250 r/min时,分别降低了4.95%与6.38%。土槽扭矩试验表明,仿生旋耕刀与国标旋耕刀的仿真值与试验值变化趋势相同,且随着刀轴转速的增加扭矩逐渐增大,最大相对误差为13.23%。在3种刀轴转速下,仿生旋耕刀较国标旋耕刀平均扭矩分别降低了10.53%、4.46%、3.49%。本研究可为旋耕刀减阻降耗和耕作能耗分析提供借鉴。     

驱动式圆盘犁机组平衡分析

对与手扶拖拉机配套的驱动式圆盘犁研究过程中有关机组受力及机组平衡作了分析探讨,确定了机组的合理工作挡位及机组重心位置,提出了减小机组偏转的方法。研究结果可供与手扶拖拉机配套的驱动式圆盘犁产品设计及推广使用部门参考。     

圆盘独立驱动型圆盘犁的设计及试验

为了更好地保护土壤结构,对耕作机械结构进行优化,解决国内现有无驱动型圆盘犁入土困难、驱动型圆盘犁对土壤翻动大及耕层破坏严重等问题,设计了一种新型驱动圆盘犁,并详细介绍了其传动方案、碎土方案及圆盘相关参数等。为了新型驱动圆盘犁各零件能够安全工作,且使设计更加合理,通过SolidWorks完成圆盘犁关键零件的三维建模,运用有限元分析对犁腿和机架进行了静力学分析,并对机架进行了5阶模态分析。通过试验对圆盘犁的实际工作状态进行可行性验证,结果表明:圆盘犁整机符合静力学要求,正常的工作环境下,圆盘犁机架的固有频率避开了所有的外界激振频率,不会出现共振,不会出现影响正常工作的较大变形,在实际工作过程中,能够达到理想的工作效果。所设计的圆盘犁每个圆盘独立驱动,且具有一定的偏角和倾角,减少了土壤的侧向移动,更加符合保护性耕作的原则,可为耕整地机械提供一种适宜的选择。     

小型手扶自走式棉田培土机的设计与试验

针对棉田中耕培土机耕深不稳定、培土效果差、易损伤棉株等问题,结合农艺要求,设计了小型手扶自走式棉田培土机。通过理论计算与研究确定了整机动力等技术参数,同时对旋耕培土刀和行走轮进行了设计和改进,并运用有限元方法对培土刀和刀辊进行了静力学分析,确定了培土刀参数,提高了机器的碎土和抛土能力,其培土的深度和宽度均可调节,减少了对棉株的损害。试验表明:该机满足棉花培土作业的农艺要求,实现了棉田培土的机械化作业。     

仿生咀嚼装置设计与试验

模仿人类咀嚼系统,利用仿生技术设计了一种用于粉碎食物的仿生咀嚼装置.采用逆向工程方法设计制作了仿生牙齿、仿生颞下颌关节等零部件,并组装成咀嚼装置,实现了三维咀嚼运动,确定了运动参数.咀嚼功能测试结果表明,本装置的咬合力可达到咀嚼食物的力量,并且可根据食物的不同而改变;本装置的咀嚼效率和受试者无显著差异,最大值可达92.3％;重复试验无显著差异,本装置稳定可靠.     

PTO转矩对驱动圆盘犁及其机组的影响

从平衡力矩的角度,分析了驱动力矩对左翻驱动圆盘犁和右翻驱动圆盘犁受力及其平衡的不同影响。指出横垂面内平衡力矩主要由尾轮与悬挂机构的两个提升杆来承担。PTO驱动力矩是左翻驱动圆盘犁平衡力矩的一部分,与此相反,驱动力矩是右翻驱动圆盘犁倾翻力矩的一部分。从田间对比试验的数据可以看出：驱动力矩对左、右翻驱动圆盘犁提升杆的受力具...     

高速低阻防过载犁耕装备的设计与试验

针对翻转犁能耗高、易粘附、易遭冲击破坏等问题，研制了一种高速智能液压翻转犁，优化了整机结构与配置参数。以穿山甲体表的鳞片三角圆弧状结构和蜣螂体表的凸包结构相结合作为仿生原型设计了一种仿生犁体，并设计了一种双向犁耕装备的过载保护自动避障机构，得到平衡状态下对应所需的弹簧预紧力为9.75KN，取安全系数为1.3，设置初始状态预紧力为12.67KN。建立了犁体耕作过程离散元仿真模型。仿生减粘犁体相对传统犁体土壤减粘性能提升44.15%，减阻7.8%。耕深稳定性变异系数2.86%，土垡破碎率97.1%。研究结果可为高速智能液压翻转犁设计及改进提供参考。     

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。     

仿生犁与普通犁作业综合经济效益的对比分析

以仿生非光滑犁铧的铧式犁和普通犁铧的铧式犁在田间进行的试验数据为基础,确定了由于犁体不同对犁耕作业经济效益产生影响的评价指标,并对各指标进行了量化及标准化处理。应用常现综合评价方法,对犁耕作业综合经济效益进行了综合评价,进而尝试探索仿生农机具作业经济效益评价的一种方法。结果表明,仿生非光滑犁铧的铧式犁比普通犁铧的铧式犁可显著提高犁耕作业的经济效益,仿生犁的综合经济效益是普通犁的1.62倍。     

驱动式圆盘犁现状及发展前景

介绍了驱动式圆盘犁国内外发展现状，分析了其优点及对土壤适应性，对其发展前景进行了初步展望。     

东北垄作滚动圆盘式耕播机

基于垄作栽培制度的高留茬秸秆覆盖耕播是东北地区保护性耕作的主流模式,研制了适合于这种模式的双圆盘螺旋线型清垄部件、圆锥台形垄作导向装置,通过试验优选出3种滚动圆盘式破茬犁刀。设计了以小型四轮拖拉机为动力的垄作滚动圆盘式耕播机。     

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%。     

基于免耕播种的玉米根茬物理机械特性分析

东北作为我国干旱半干旱垄作地区,年降雨量少、风沙大,实行保护性耕作是必然选择。但是垄作保护性耕作研究难度较大,现今缺少适用的免耕播种机。为此,通过对玉米根茬物理机械特性的测试,从农机与农艺相结合的角度,分析了玉米免耕破茬的技术要求,提出破茬犁刀选型的依据与设计的基本参数。     

水田激光平地机平地铲姿态测量系统的设计

水田激光平地机水平控制作为农田激光平地技术的重要组成部分,其研究过程中首先要解决平地铲实时倾角测量问题.为提高倾角测量精度,设计了平地铲姿态测量系统,采用MEMS传感器集成模块AD1S16300作为惯性测量单元,通过卡尔曼滤波实现传感器信息融合以计算平地铲倾角.分析了姿态测量系统的构成,阐述了两种传感器融合测量实时倾角的方法,基于ARM7 Cotex- M3微处理器设计了姿态测量系统硬件.采用AHRS500GA对该姿态测量系统性能进行了融合算法验证与ADIS16300测量平地铲倾角验证.测试结果表明,该姿态测量系统能在动态条件下准确地测定平地铲实时倾角,可以进一步应用于激光平地机的水平控制之中.