不同激励下宽频磁浮俘能器俘能试验

振动能量俘获是获取可再生的清洁能源一种有效途径,具有广阔的应用前景,有利于社会的可持续性发展。目前,随机功率谱激励下的高功率密度和宽频能量回收仍然是研究的难点。该研究设计了一种可有效利用宽频振动能量的高功率密度磁浮式俘能器,采用COMSOL Multiphysics软件计算悬浮磁体非线性回复力与位移的关系式,根据磁浮振动系统的控制方程和基尔霍夫定律建立俘能器的数学模型,详细研究了模型参数变化对俘能器性能的影响。随后进行正弦扫频和驻频试验以验证俘能器的发电能力。同时,从俘能器的效率、效能和体积优质3个指标对俘能性能进行评价;并结合实际应用,设计俘能器稳压电路。根据丘陵山区农业机械工作的随机路谱特性,建立随机激励的数学模型,根据响应幅值的概率密度函数的FPK方程表达式,得到了平稳概率密度函数的解。结果表明：在激励频率从9.77到31.75 Hz变化时,俘能器最大输出电压在5.92和21.52 V之间;最大输出功率在10 Hz时达81.93 mW,从5到50Hz,输出功率范围为5.76到81.93 mW;俘能器的效率、效能和体积优质分别为2.85%,9.85%和39.74%;俘能器电压输出的功率谱密度有5个峰值点,对应频率分别为9.804、29.41、36.76、36.76、51.47和71.08 Hz,进一步验证了该研究提出的磁浮式俘能器具有宽频发电性能,并可满足丘陵山区农机设备监测传感器的供电需求。     

空载状态下往复式棉秆切割器动力学仿真与试验

为了能够迅速、可靠地确定空载状态下往复式棉秆切割器的切割阻力和功耗等数据从而优化其设计,选择一种以偏置式曲柄连杆机构驱动的往复式棉秆切割器作为仿真与试验研究对象。采用SolidWorks进行了虚拟样机设计,利用ADAMS对空载状态下往复式棉秆切割器进行了动力学仿真研究,依据仿真数据应用响应面方法对切割峰值阻力与机架所受振动力进行了试验分析,确定了割刀平均切割速度为0.8m/s、配重块质量为1.5kg、安装位置滞后于曲柄位置170°时切割峰值阻力与机架所受振动力最小,分别为450和380N。利用研制的往复式棉秆切割试验台,对空载状态下的切割阻力随着割刀平均切割速度的变化进行了试验研究,并与仿真数据进行了对比分析。结果表明,切割峰值阻力的实测值与模拟值相对误差为7%,机架所受振动力的实测值与模拟值相对误差为7.7%,仿真数据可靠,能替代试验数据作为参考依据,为低功耗棉秆切割收获装备的研发提供了一种设计参考。     

基于拉格朗日法的悬臂输送槽阻尼摆模型构建与验证

为准确分析联合收割机输送槽在作业时产生的不平衡摆动现象，该研究建立了基于液压缸支撑的联合收割机悬臂输送槽阻尼摆模型。首先对悬臂输送槽系统进行受力分析，并基于拉格朗日法建立其动力学微分方程。为进一步确定动力学微分方程中的参数，利用有限元法和模态分析法对液压缸刚度和阻尼进行参数标定；并进行田间试验获取输送槽所受外界激励。利用二次积分与快速傅里叶变换（fast fourier transform，FFT）处理田间试验采集到的加速度信号，得到悬臂输送槽振幅及振动的主频成分，为动力学微分方程的验证提供依据。最后求得悬臂输送槽角速度和摆角的表达式，将理论得到的初始状态下悬臂输送槽摆幅与田间试验实际摆幅进行对比。结果表明：稳定状态下，理论求解得到的同一水平位置两测点对应的摆幅分别约为0.0979、0.0957mm，与试验实际摆幅误差约为1.11%和4.30%，验证了该联合收割机悬臂输送槽阻尼摆模型的准确性。研究结果可为长江中下游地区水稻联合收割机悬臂输送槽结构优化提供理论依据。     

蔬菜嫁接机嫁接夹振动排序装置工作参数优化试验

为解决蔬菜嫁接夹外形结构复杂导致自动排序困难的问题,该文设计了贴接嫁接机嫁接夹振动排序装置,并采用试验方法对该装置的最佳工作参数进行了优化研究。论文在研制出振动排序装置样机的基础上,以典型的甜瓜嫁接夹为研究对象,选取振动电压、筛选挡杆的安装角度和安装长度作为试验因素,以排夹时间变异系数为试验指标,进行嫁接夹振动排序装置作业性能的单因素和二次回归正交试验,确定该装置的最优工作参数,并进行了试验验证。试验结果表明,振动排序装置的最优工作参数为振动电压40 V、筛选挡杆的安装角度25.7°、安装长度45.5 mm,此时振动排序装置排夹效果最好,排夹时间变异系数为68.22%,排夹成功率可以保证100%,排夹效率为70个/min。因此,振动排序装置可以成功地完成甜瓜嫁接夹全自动排序及输送,满足设计要求,研究结果为蔬菜全自动嫁接机的研制与开发提供重要的参考。     

基于VMD的谷物清选筛振动分析与结构优化

针对谷物清选筛运转时转子系统不平衡引起的振动问题,该研究以上筛为鱼鳞筛、下筛为编织筛的曲柄滑块式清选系统为研究对象,测试了其振动特性,并进行结构优化以减小系统的不平衡振动。首先,分析了系统的传动方式与工作原理;其次,使用DH5902动态信号采集仪对系统展开振动测试,采集了驱动机构转子系统轴承座处的振动信号,然后对其进行时、频域分析,计算均方根、功率谱密度来衡量振动强度和主要的频率成分,在此基础上,基于变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)和模糊熵与峭度构建的综合指标对信号进行特征提取与分析,以综合指标最小的特征分量为原始信号的敏感分量,计算并分析其包络谱,提取系统的不平衡振动;最后,采用惩罚函数法,以配重块质量和安装位置为优化变量构建优化函数对驱动机构进行优化。结果表明,清选筛不平衡振动主要分布在30.13 Hz处,振动强度为0.24～0.29 dB,优化后的配重块质量为3650 g,距离轮盘中心的偏心距为136.7 mm,在30.13 Hz处振动强度为0.11～0.12 dB,最大下降了58.62%。研究结果可为谷物联合收获机的减振分析与结构优化设计提供参考。     

基于光谱技术的水稻叶片氮素测定仪的开发

在理论分析的基础上设计开发了一套基于光谱技术的水稻叶片SPAD值和氮素测定仪。该测定仪主要包括光路部分、调理电路和控制与数据采集器等。光路部分包括光源、检测点以及光电传感器等元器件,主要作用是：控制光源的亮灭、收集透过叶片光线、将光信号转换为电信号;调理电路主要将所得微弱电信号进行电流电压转换以及放大到合适的幅度;控制与数据采集器包括AD转换电路,液晶显示电路和SD卡存储电路。对该测定仪的性能进行了测试,试验分为两步：先建立AD采样电压信号与SPAD值之间的模型,然后建立SPAD值与氮素之间的模型。经过大量的试验测得：传感器转换的电压信号与SPAD值之间存在很高的相关性（R2 =0.956）,SPAD值与氮含量建立的模型的决定系数为R2 =0.802,结合以上两种模型得到该仪器的氮素模型的决定系数为R2 =0.766。该仪器适合用于田间水稻叶片氮素含量的快速测量。     

联合收获机割台机架结构参数优化

为降低联合收获机正常工作时的共振,该文利用UG软件对沃得锐龙型稻麦联合收获机割台机架进行建模,求解出割台机架的模态频率和振型,并对割台机架进行模态试验验证及理论分析;在通过分析外部激振频率特点的基础上,使割台机架固有频率避开外部激振频率范围,并对机架进行结构优化与试验。试验结果表明:将割台机架横梁、弯梁厚度减少0.2 mm,底板、侧板厚度减少0.4 mm时,割台机架质量降低了14.02%,前4阶模态频率均避开了联合收获机各激励频率范围;将割台传动轴平衡配重块质量增加254.90 g,使得割台传动轴轴承座处沿联合收获机前进方向、上下方向位移振动幅值分别降低了25.70%和12.70%,并有效避免了割台共振的产生。该文的研究结果为降低联合收获机割台振动提供了设计依据。     

电场对微细通道内R141b制冷剂流动沸腾压降的影响

在农业工程领域,微细通道散热技术在农产品培育系统、农业机械、农产品干燥系统中有着广泛的应用。通过施加电场可强化微细通道换热系统的传热效率,为探究电场对微细通道内制冷剂流动沸腾阻力的影响,该文采用了2种电极布置方式(针状和线状),以制冷剂R141b为试验工质,在系统压力为140k Pa,工质入口温度32.5℃、质量流率277.35~531.75 kg/(m^2·s)、热流密度7.50~21.49 kW/m^2、电压0~850 V工况下,在截面尺寸为2 mm×2 mm的矩形微细通道内进行流动沸腾试验,探究直流电场对微细通道内R141b流动沸腾压降特性影响。研究结果表明:在本文试验工况下,电场会增大微细通道内的摩擦压降,针状与线状电极电场作用下的微细通道内摩擦压降分量在总压降中所占比例均比无电极作用下的更大;电场作用下单位长度两相摩擦压降随电压、热流密度的增大而增大,针状电极与线状电极电场作用下平均单位长度两相摩擦压降分别比无电极作用下增加0.7%~15.4%和1.3%~18.7%;电压为0~250 V时,针状电极对压降的影响效果大于线状电极,电压大于400 V后,线状电极对压降的影响效果更为显著。通过COMSOL软件对6 mm长微细通道内2种电场的分布进行了模拟,模拟结果表明相同电压作用下,针状电极产生的电场强度最大值超过线性电极,但线状电极的电场有效作用范围超过针状电极。该文研究结果可为通过施加电场提高微细通道换热器的性能实现微细通道高效节能提供新思路。     

喷嘴直径对旋转折射式喷头水量分布特性的影响

为了深入理解喷嘴直径对旋转折射式喷头水量分布特性的影响规律,以R3000型旋转折射式喷头为研究对象,配备红色6槽的喷盘,选用36种不同直径（1.79～9.92 mm）的喷嘴,在室内无风环境下,采用雨量筒放射线布置法,开展了98、196和294 kPa 3种工作压力下的旋转折射式喷头水量分布特性试验。试验结果表明：在98 kPa工作压力下,使用喷嘴直径1.79～7.54 mm的喷头径向水量分布形式为双驼峰型曲线,使用喷嘴直径7.94～9.92 mm的喷头径向水量分布形式为单驼峰型曲线;在196和294 kPa工作压力下,使用喷嘴直径1.79～9.92 mm喷嘴的喷头径向水量分布曲线均呈现单驼峰型曲线。旋转折射式喷头的水量分布均匀性随工作压力增加而下降;在98 kPa工作压力条件下,除个别喷嘴直径（1.79、1.98 mm）以外,喷头的水量分布均匀性均在60%以上。喷头的喷洒半径范围为4～9 m。喷头的喷洒半径随喷嘴直径增加并非呈单调递增趋势;当喷嘴直径超过7.54 mm（对应38#喷嘴）,随喷嘴直径增加喷洒半径呈下降趋势;并根据试验数据分析结果,确定了喷洒半径随喷嘴直径变化的抛物线模型。喷头的喷灌强度最大值和平均值随喷嘴直径增大而增大,曲线拟合结果表明,喷灌强度最大值和平均值均与喷嘴直径呈明显指数关系,决定系数R2均在0.95以上。研究结果可为低压旋转折射式喷头优化设计、工程应用及促进产品国产化等提供技术依据和参考。     

链式剖鱼机工艺参数优化试验

为了对6PYL-305型剖鱼机进行优化以提高其剖切质量,以鲢鱼和鳊鱼为研究对象对其关键部件和工艺参数进行了试验,研究喂料撞块位置、鳊鱼夹片安装倾角、鲢鱼出料滑槽高度、刀具类型等因素对剖切质量的影响。试验结果表明：剖切鲢鱼时最佳撞块位置为距离料斗右侧（225±5）mm、剖切鳊鱼时为（160±5）mm;剖切鳊鱼时夹片最佳安装倾角为16°;鲢鱼出料滑槽的最佳高度为65 mm;齿高3 mm的小齿刀盘作为剖切刀盘综合效果最佳,鲢鱼鱼体剖切率可达（83.90±2.31）%,剖切损失率仅为（0.62±0.15）%,鳊鱼的剖切损失率为（0.85±0.28）%,剖切面较光滑,剖切后的鱼体内脏可以很方便地去除。采用优化后的工艺参数,剖鱼机性能以及稳定性得到了良好改善。     

联合收割机生产率计算模型与适宜作业路线分析

提高农业机械生产率可大大节约农业生产成本。本文将田间试验与数值模拟相结合,首先在综合分析收割机作业时间构成的基础上,构建了不同作业路线下收割机生产率计算模型;其次实测了3种型号收割机在不同田块条件下整个收割过程中各个作业环节的时间及其工作特性参数;最后基于计算模型和实测参数,采用MATLAB进行编程,模拟分析了不同型号收割机、作业路线和田块面积下收割机生产率的变化规律。结果表明,收割机生产率随田块长宽比、田块面积和割台幅宽的增大而增大;采用"回"形和"U"形相结合的收割机作业路线,可提高收割机生产率8%以上。该结果可为农机实际作业路线选择和农田系统优化布局提供参考。     

考虑质量时变的收获机械工作模态分析与试验

为研究复杂开放环境下收获机械田间作业过程由质量时变影响的工作模态及振动行为,该文搭建了一套收获机械工作模态测试系统,以4YZP-4HA型122 k W玉米联合收获机械为研究对象,建立收获机械车架工作模态测点模型,测定工作模态试验下的土壤-机器-植物等边界条件,并进行田间收获作业和运输工况的振动响应数据采集和时频域分析,利用时域随机子空间SSI(stochastic subspace identification)和频域的增强型频域分解EFDD(enhanced frequency domain decomposition)算法,辨识了在质量时变(田间收获作业)和质量非时变(运输工况)影响下的模态参数(模态频率、阻尼比及模态振型),并比较分析了2种算法的工作模态辨识结果。利用时频域分析方法获取了不同测点振动加速度幅值统计特征及频率分布规律,研究结果表明:田间收获作业工况振动强度高于运输工况,振动频率集中分布在20~150 Hz范围内,测点频率之间存在差异主要由不同位置刚度变化所致;通过比较SSI和EFDD方法辨识的模态频率,发现SSI和EFDD方法在相同频率范围内相差较小,且均落入傅里叶变换方法的频率分布区间,表明SSI和EFDD方法计算结果可信,能够较为准确地确定模态频率;质量时变下的收获机械车架模态振型特征主要表现为扭转、弯曲、弯扭和局部模态振型,其中1阶扭转振型频率接近29 Hz(SSI:29.578 Hz;EFDD:29.300 Hz)。研究结果可为复杂农田作业环境下收获机械的工作模态分析与试验提供参考。     

基于LMS Test.Lab的小型农业作业机振动测试与分析

为分析小型农业作业机的模态振型及可靠性,应用LMS Test. Lab测试系统,对JSX5D小型农业作业机进行模态试验与分析,得到其固有频率、阻尼比以及相应的振型等模态参数.试验结果表明该机基频较高,而阻尼比较低,分别为196.72Hz和不大于4.41%,说明该机具有很好的刚度.但扶手部分阻尼比仅为0.57%,为降低工作时的振动强度,应加入合适的阻尼材料;发动机和齿轮箱机械接口的振动方向与该类接口的法线方向一致,说明该类接口的连接刚度较弱,应加强接口的连接刚度,保证作业机的动力输出.     

履带式稻麦联合收获机田间收获工况下振动测试与分析

为研究履带式全喂入联合收获机田间收获时的振动特性以及不同喂入量下的振动特性,以沃得锐龙4LZ-5.0E履带式全喂入稻麦联合收获机为研究对象,利用DH5902动态信号测试分析系统对不同喂入量收获工况下整机12个测点处的振动进行了测试与分析,结果表明振动筛、脱粒滚筒、发动机分别是机器前后、左右、上下方向上的主要激振源,但作物喂入割台和输送槽组成的腔体结构后,吸收了部分振动,使得割台和输送槽测点处的振动总量分别下降了25%、39%;与无作物喂入相比,喂入量为2.44 kg/s时输送槽驱动轴和脱粒滚筒测点处的振动分别增大了90%和149%,而喂入量增大到3.87 kg/s时振动总量却下降了15%左右,因此收获时应使机器保持一定的喂入量,可以降低整机振动;驾驶座椅支座、发动机机脚支座和底盘机架上测点处的振动均与作物喂入量呈正相关性。研究结果可为降低履带式联合收获机田间收获工况下整机振动,进而提高其驾驶舒适性提供参考。     

谷物联合收割机油耗随机森林预测模型

近年来农业机械保有量不断增加,农业机械对化石燃料的消耗也不断增长。该研究以实现沃得4LB-150AA型号谷物联合收割机田间作业时的油耗预测为目的,基于收割机CAN(Controller Area Network)总线及GNSS(Global Navigation Satellite System)终端采集的发动机工况数据、行驶工况数据,构建了发动机平均扭矩、发动机平均转速、平均速度、加速度均值、减速度均值、加速度方差、减速度方差7个指标,探索了7个指标与油耗之间的相关性,分析了收割机在不同区域的油耗差异,建立了基于随机森林的收割机油耗预测模型。结果表明:7个指标都与油耗存在相关性,其中发动机平均扭矩、发动机平均转速、平均速度与油耗的相关性较高,相关系数在0.6以上,其次是加速度均值、减速度均值、加速度方差、减速度方差,相关系数在0.4以上;并且不同区域的收割机作业油耗存在显著差异,其中单位面积产量高的区域油耗也相对较高;同时基于随机森林的油耗预测模型可以实现收割机作业时油耗的准确预测,均方根误差为0.14 L/h,平均绝对误差为0.24 L/h,决定系数为0.84。该研究提出的方法可为农机的工况优化及精准油耗监管提供参考。     

超声波振动下农机触土部件-土壤相互作用力学特性

为了揭示超声波高频振动条件下农机触土部件与土壤的相互作用力学特性,构建了该条件下农机触土部件运动理论模型,基于所建模型,分析了高频振动条件下触土部件与土壤间相互作用中的接触分离条件和冲击碎裂效应,理论上解析了超声波振动条件下触土部件碎土与降阻机理。设计建立了超声波振动触土部件土槽试验系统,试验研究了超声波高频振动条件下触土部件工作阻力和碎土特性。试验结果表明,超声波振动激励下,触土部件工作阻力比无振动状态明显降低,土壤硬度越大,其降阻率越高,当土壤硬度由1 MPa增加到4 MPa时,降阻率从22%上升到43%;在土壤含水率15%～30%范围内,含水率越低,降阻率越大,当含水率超过30%后,随含水率的增加,降阻率略有增大。由于超声波高频振动激励下工作的触土部件对土壤的冲击碎裂和能量传递作用,能够使其瞬时工作阻力的波动稳定性得到改善和获得更强的碎土作用。在土壤硬度为1 MPa时,工作阻力的波动稳定性改善不显著,随土壤硬度的增大,工作阻力波动度降低率明显增加,当土壤硬度为2.5和4 MPa时,对应工作阻力波动度降低率达37.1%和54.3%。该研究可为高频低幅振动农机触土部件应用方案的实施提供技术支撑。     

蓝莓采收机高通过性自行走装置设计及性能研究

针对国内蓝莓采收面临的难题,对蓝莓采收机自行走装置进行设计,该装置由液压驱动,采用框架式结构,由行走车架、发动机、液压执行元件、驾驶区等组成,对车架进行满载弯曲和扭转工况有限元仿真,确定车架强度满足力学性能要求,具有良好载荷配比及抗扭能力。对整机行走、转弯及升降性能分析,确保整机操纵轻便。该装置配置采收系统,对整机上下坡、横坡行驶及横向滑移稳定性分析,获得整机极限翻倾角及不同路面横向滑移角度范围。对样机进行试制及田间试验,试验结果与理论分析基本一致,整机行驶性能良好,最大行驶速度为11km/h,最小转弯半径为3 160 mm,适用果树高度1.1～2.0 m;整机作业稳定性强,上下坡及横向行驶翻倾角分别为51°、50°及44°,横向极限滑移角为40°;自行走装置与采收系统匹配性良好,采收效率为6.95 kg/min,果树重度损伤率为3.5%。     

振动压路机用于不同土壤地面的平顺性评价

实际工况中振动压路机车轮会在各种土壤地面上作业和行驶,为了评价振动式压路机在不同土壤路面上的行驶平顺性,该文针对车轮―不同土壤地面的接触分析,建立了某单钢轮振动压路机非线性动力学模型;描述了振动轮在弹塑性土壤下压实对前车架产生垂直激励力.基于Adam D和Kopf F的弹塑性土壤模型,建立了振动轮在作业时的三自由度振动模型;采用软性土壤地面的Bekker假设,建立了轮胎―变形土壤地面接触模型.对建立的非线性动力学模型进行了仿真,并根据ISO2631-1:1997(E)标准分析与评价了不同路况、工况和速度对驾驶员乘坐舒适性的影响.结果表明,刚性路面不平度等级对振动压路机行驶平顺性有较大影响,路面等级越差,驾驶员的主观感觉越不舒适;路面的变形对驾驶室水平晃动有较大影响,土壤路面越软,驾驶室晃动越大;弹塑性土壤对振动压路机的影响表现在低频工况压实时,车辆平顺性比较差.该研究可为振动式压路机的平顺性设计提供参考.     

玉米收获机割台振动特性及其主要影响因素分析

针对收获机械割台振动剧烈、故障率较高等问题,研究了割台动态振动特性及其影响规律。以4YZP-3XH-1型玉米联合收获机割台为研究对象,首先建立了割台机架有限元模型并计算其自由模态,研究了割台模态试验方法,利用特征实现算法识别其模态参数;其次,利用模态试验验证了有限元模型的准确性和可靠性,在此基础上,计算获取割台机架的约束模态;再次,利用时域和频域方法分析振动时域信号,获得怠速、运输和田间收获工况割台的振幅分布特征、主振方向和频率分布规律;最后,研究了割台振动的影响因素及其振动主频与模态参数之间的对应关系,指出了振动频率激起模态振型的规律。研究结果表明,割台机架第1阶试验模态频率为27.260 Hz,第2~10阶模态频率范围为34.311~126.035 Hz,模态振型以弯曲振型和扭转振型为主,割台主轴(28.77 Hz)、切碎刀(29.63 Hz)、还田机(43 Hz)等工作频率均落入其前10阶约束模态频率内;在怠速、运输和田间收获作业工况下,工作部件运行工况相较于仅发动机工作,2种模式下割台振幅相差1个数量级;引起割台振动的主要因素为:发动机的2阶发火频率(76.25 Hz),割台主轴、切碎刀、搅龙、拨禾链、还田机等工作部件的耦合振动,以及道路激励(1.5、2.5 Hz)。对比割台约束模态与振动频率,发动机2阶发火频率引起割台弯扭组合振型,道路激励引起整体振动,割台主轴(28.77 Hz)和切碎刀(29.63 Hz)振动频率激起割台机架的一阶弯曲振型,还田机(43 Hz)振动频率激起割台的扭转振型。研究结果可为收获机械割台模态试验与振动特性分析、对标设计和优化提供参考。