基于离散元法的凸圆刃式深松铲减阻效果仿真分析与试验

针对深松作业阻力大、能耗高等问题,该文在深松铲铲尖顶部设计了一种能有效减阻降耗的凸圆刃。以安装凸圆刃的凸圆刃式深松铲为研究对象,建立了土壤模型。为提高土壤模型的准确性,选用非线性粘结弹性塑形接触模型(edinburgh elasto-plastic adhesion model,EEPA),对凸圆刃式深松铲进行耕作阻力虚拟仿真。利用插件将颗粒与深松铲接触作用力导出,分析凸圆刃式深松铲应力和形变,校验其结构强度;采用EDEM软件分析不同耕深和速度对深松耕作阻力的影响,并以国标深松铲为比较对象,分析了凸圆刃式深松铲的减阻效果;通过田间试验验证了土壤模型和凸圆刃式深松铲设计的准确性和可行性。田间试验结果表明,与国标深松铲相比,凸圆刃式深松铲耕作阻力平均降低了10.24%。仿真结果与实测值较为接近,数值误差在3%～10%,证明土壤模型基本符合土壤的力学特性,能近似代替真实的土壤环境。该研究证明了采用离散元法分析深松耕作阻力可行性,可为进一步优化深松铲结构提供参考。     

受迫振动深松机性能参数优化与试验

为解决目前深松作业机具耕作阻力大、深松深度不稳定、耕作质量不高的问题,该文采用振动减阻原理设计研制了受迫振动深松机。通过分析深松铲的结构和运动过程,建立深松铲的数学模型;确定影响深松牵引阻力的参数;采用正交试验方法得出影响受迫振动参数的最优组合:前进速度2 km/h,振动频率为10 Hz,振动角度为12°。为了验证性能参数最优组合的正确性,开展了受迫振动深松机性能参数检测试验。试验结果表明:振动深松前后,土壤各土层容重均下降,表层土下降达21.74%;在15~25 cm土层含水率增加16.02%;深松后地表平整,耕深稳定变异系数为7.37%,稳定性系数92.63%,振动深松作业后测得土壤扰动系数为57.11%,土壤蓬松度为36.96%,土壤蓬松度和扰动系数均达测试指标的要求。采用受迫振动能使振动深松机显著降低牵引阻力9.09%,减阻效果明显。该研究对深松机振动特性分析与性能参数设计提供了参考。     

振动深松机多组振动深松铲自平衡性能及仿真分析

振动深松具有减阻的优势,但振动对拖拉机及驾驶员的不利影响制约其推广,该文对振动深松机多组振动深松铲进行自平衡性能分析。在优化试验中,多组深松铲振动作业时的剧烈振动易造成试验设备损坏,仿真试验可避免危险工作环境下的实车试验。对拖拉机-振动深松机系统进行受力分析,并基于ADAMS建立其仿真模型,建模过程包括导入三维模型、定义轮胎与地面之间接触力和摩擦力等。理论与仿真分析相互验证,得到拖拉机后轮所受支持力均值分别为27.8、26.4 kN,误差为1.4 kN,并且二者主振动曲线变化趋势一致。采用加权加速度均方根值评价振动对驾驶员的影响。通过MATLAB编程,利用功率谱密度函数,计算得到驾驶座质心总加权加速度均方根值。利用Design-Expert软件设计试验并优化得到6组振动影响较小的四组振动松土铲作业初始相位角组合,减振比率超过90%,实现了振动深松机作业时的自平衡。     

保护性耕作条件下的深松技术试验（简报）

针对立柱式深松机在作业过程中存在的缠绕堵塞、牵引阻力大等问题,该研究提出在原深松铲前方加装一个松土铲或圆盘刀两套研究解决方案,研制了机具,并进行了田间对比试验研究。试验结果表明,带圆盘刀式深松机性能较好,相比立柱式深松机和带松土铲深松机,牵引阻力、油耗及松土沟的沟宽都有所降低;对作物残茬和杂草切割效果明显。带圆盘刀式深松机能有效地抑制作业后土壤水分的蒸发,可广泛用于秸秆覆盖条件下的深松作业。     

振动深松试验台作业参数减阻减振优化

振动深松具有降低耕阻的作业优势,但振动对驾驶员造成的负面影响是制约其推广使用的主要因素之一。该文采用二次回归通用旋转设计,考察深松铲振频、振幅、前进速度3个工作参数与耕阻、振动2个试验指标的关系,利用Design-Expert响应面分析法,得到2个指标的回归模型,并进行优化分析。综合分析得到一组减阻减振的优化解:振幅21 mm、振频4.2 Hz、前进速度3.4 km/h,在该组工作参数下,与非振动深松相比,振动深松的耕阻最大值变化较小,耕阻最小值、平均值分别减小46.2%、16.6%。     

基于离散元法的深松作业玉米秸秆运动规律

东北垄作区玉米秸秆还田条件下,针对垄台播种带秸秆残茬易导致深松铲以及后续机具缠草堵塞和阻力增加等问题,建立深松铲-土壤-秸秆-根茬的离散元模型,分析仿真因素秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角、根茬状态（根茬中间切割、根茬一侧切割、根茬挑起和无根茬）和秸秆之间相互影响对深松作业过程中秸秆拨离垄台的影响。进一步探究深松铲作用下垄上秸秆运动规律并分析其扰动比阻（秸秆扰动力矩与深松铲阻力之比）。仿真结果表明：秸秆距垄台中心距离对秸秆位移中的水平侧向运动的影响最大;秸秆水平侧向位移随着秸秆与机具前进方向夹角增大呈减小趋势;根茬状态影响秸秆位移的主次顺序依次为：根茬挑起、根茬一侧切割、无根茬、根茬中间切割;当秸秆距垄台中心距离为60 mm时,秸秆之间相互影响对秸秆位移中的前进方向运动的影响最大;当秸秆距垄台中心距离大于60 mm,秸秆前进方向位移呈增大趋势。秸秆运动的力矩变化趋势为平稳变化,后产生峰值,最后又趋于平稳;影响秸秆力矩的主次顺序依次为：根茬状态、秸秆之间相互影响、秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角。深松过程中,秸秆扰动比阻在切割根茬一侧时达到最大值0.152 mm。田间对比试验结果表明,仿真模型得到的秸秆总位移、水平侧向、前进方向和垂直方向位移与田间试验值的误差分别为0.36%～9.67%、0.16%～12.31%、0.56%～10.11%和0.43%～4.63%,秸秆力矩的误差为0.16%～11.06%。研究结果可为深松铲设计以及优化提供一定的理论依据。     

深松铲叶脉状内通道分支出口流速影响因素分析与试验

针对叶脉状内通道深松铲内部结构的液体流速变化会影响深松铲的自润减阻与改良液层施的效果的问题，该研究采用基于计算流体动力学的仿真分析并结合物理试验，研究了结构参数（内通道孔径、孔间距、孔数）和工作参数（主通道入口流速）对分支出口液体出流速度的影响。首先利用仿真方法开展单因素试验，优选出试验因素的水平范围值，其次开展Box-Behnken试验，以各分支出口液体出流速度最大值为目标值，对叶脉状内通道多分支出口管的结构参数和工作参数进行优化取值，建立各影响因素与分支出口流速之间的二阶回归模型，并对模型进行优化求解，进而得到最优参数组合为：内通道分支出口孔径为6 mm、孔间距为110 mm、孔数为4、主通道入口流速为7 m/s。在此工况下，内通道分支出口平均流速为3.264 m/s。按最优参数组合条件对叶脉状内通道进行设计加工并进行相应的物理试验，试验结果为内通道分支出口平均流速2.971 m/s，与仿真结果的误差为8.97 %。由此，检验了叶脉状内通道结构优化设计的效果，同时为具有自润减阻与改良液层施的深松铲叶脉状内通道结构的优化设计提供一定的理论基础。     

深松技术研究现状与展望

深松作为农业土壤加工技术愈来愈受到重视，工作阻力大是深松作业的一大特点。该文阐述了深松技术在生产中的应用现状以及深松部件—土壤接触过程中部件的动力响应、表面处理技术和最终土壤状态等问题的研究进展。认为研究与开发耕作部件计算机辅助设计程序，进一步优化深松部件几何形状，采用合适的表面处理技术，是减小深松阻力、提高深松部件的抗磨损性能以及降低其作业成本的有效途径。     

秸秆还田深松旋埋联合耕整机设计与试验

深松作业能有效打破犁底层,提高土壤蓄水保墒能力。秸秆还田是秸秆资源利用最为直接有效的方式,将2种保护性耕作方式结合在一起可大大提高作业效率。为了满足深松和秸秆还田同时作业的需求,设计了集土壤深松、破茬碎土、秸秆旋埋、平地等多功能于一体的深松旋埋联合耕整机。该机主要由自激振动深松装置和秸秆还田旋埋刀辊组成,自激振动深松装置可调节预紧力,不仅可以在一定程度上减少深松耕作阻力,还可以在遇到障碍物时有效保护深松铲,深松铲柄的设计利用了滑切原理,可有效切断秸秆和杂草,防止缠绕和堵塞深松铲,对旋埋刀辊进行了重新布置和优化,提高了工作稳定性和破土能力。田间试验表明深松作业可有效减小旋埋刀辊功率;在拖拉机1挡和2挡速度下深松旋埋组合作业总功率分别为单独深松和单独旋埋2项作业之和的85.0%和82.2%;深松旋埋组合作业下深松和旋埋的平均耕深分别为28.9和17.5 cm,耕深稳定性分别为93.5%和87.4%,秸秆埋覆率为92.0%,耕后地表平整度为1.0 cm,深松旋埋联合作业后的各项性能参数均超过质量评定指标,满足农艺要求。     

液压激振源自激振动深松机深松单体设计与试验

针对弹簧激振源的自激振动深松机在土壤阻力差异大的不同地块作业时存在适应性差、自激振动易失效的问题,该文提出了液压激振源的新型自激振动深松方法,设计了液压激振源深松单体。通过建立深松铲力学和运动学模型,确定了液压缸的关键结构参数;设计了压力调节系统,可实现液压缸压力快速调节;利用二次回归通用旋转组合试验方法,以耕深变异系数、牵引力为评价指标,探究了液压缸压力、前进速度、土壤坚实度对液压激振源深松单体作业效果的影响规律;获得了耕深变异系数、牵引力为响应值的回归模型,求解出耕深变异系数、牵引力同时较小时对应的参数组合为液压缸压力3.6 MPa、作业速度1.4 km/h、土壤坚实度1.18 MPa。利用求解出的参数组合对回归模型进行试验验证,获得的耕深变异系数为3.56%,牵引力为1 300.70 kN,优于二次回归通用旋转组合试验结果,证明了回归模型的可靠性。该研究可为自激振动深松机具的研究提供理论参考。     

海南热区香蕉地预破土凿式深松机设计与试验

针对海南热带农业区香蕉地现有深松机具匮乏、松土质量差等问题,该研究研制了一款预破土凿式深松机,首先确定整机深松方式,并采用三维建模方法建立深松机整体模型;进一步确定了深松机的整体结构与工作原理,并设计阐述了深松机的关键结构参数。基于田间试验,对深松作业后的土壤坚实度及土壤容重进行测定,确定了前进速度、深松深度、破土刃入土深度为对土壤坚实度及土壤容重有显著影响效果的因素。进一步以土壤坚实度及土壤容重为响应值,基于Box-Behnken设计试验得到响应值与显著性参数的二阶回归模型,并针对显著性参数进行寻优,得到最佳组合:前进速度为1.15 m/s、深松深度为350 mm、破土刃入土深度为250mm。在标定的最优参数下进行的田间验证试验结果表明,土壤坚实度为752 Pa,土壤容重为1.48 g/cm³,与预测值(734 Pa、1.42 g/cm³)之间的误差分别为2.4%、4.2%,验证了分析的可信性。最后通过与现有传统深松机具开展的对比试验得出:相较于传统深松机具,预破土凿式深松机作业后,土壤坚实度下降6.39%,土壤容重下降9.76%,进一步证...     

履带式推土机动力传动系统推土工况建模与仿真

为实现履带式推土机的快速建模,该文从工作方式、系统结构、动力学等多个角度对履带式推土机进行了分析研究。进一步利用Matlab\Simulink对Cruise进行二次开发,在Cruise环境中添加了动载荷模块、履带模块、分动箱模块及液压模块。在此基础上,结合Cruise中完善的动力传动系统模型,实现了履带式推土机直行推土工况的快速建模。利用实车参数对模型标定后进行仿真。推力的仿真结果与试验数据相比,有99.2%的仿真结果误差小于1%;滑转率的仿真结果与试验数据相比,有71.8%的仿真结果误差小于1%。对比结果表明,模型能够对履带式推土机的直行推土工况进行准确地模拟。     

深松旋耕碎土联合整地机设计与试验

为减少耕作阻力、改善土壤耕层结构、提高碎土率,该文对联合整地机的深松部件、碎土机构进行设计,设计了入土角度可控的自激振动深松铲,并建立了自激振动深松铲的运动学模型和力学模型,确定弹簧行程为15mm、负载为7 500～15 000 N,并确定了弹簧的结构参数。设计了具有二次碎土功能的笼状碎土辊,并依据农艺要求确定了其结构参数。通过室内土槽试验,验证了自激振动深松铲的减阻效果和耕作质量,并对整机的作业质量进行了田间测试。土槽试验结果表明:与对照相比,自激振动深松铲平均减阻9.22%,土壤蓬松度和土壤扰动系数分别为26.16%和77.21%,减阻效果明显,作业效果较好。田间试验结果表明:联合整地机的深松深度稳定系数、旋耕深度稳定系数、地表平整度和植被覆盖率分别为94.92%、92.50%、1.17 cm和93.36%;笼状碎土辊在整个试验过程中未出现土壤粘附和拥堵现象,碎土率为84.18%,加装普通齿状碎土辊机具的碎土率为71.41%,笼状碎土辊的碎土率提高了12.77个百分点,碎土效果明显改善。深松旋耕碎土联合整地机减阻效果明显、整地质量好,可有效改善土壤的耕层结构,降低土壤容重,提高蓄水保墒能力。     

Energy optimization for subsoilers in tandem in a sandy clay loam soil

In some maize growing regions of South Africa, conventional subsoilers are used in a tandem configuration to till up to 600 mm. The farmers believe the tandem configuration decreases the draft force per unit area tilled. If so, this probably happens because the critical depth for the rear subsoiler is increased beyond its maximum working depth of 600 mm. Such tillage systems necessitated this study with an ultimate goal of establishing the relative position of the front subsoiler at which energy utilization can be optimized.

Experiments were conducted under field conditions in a fine sandy clay loam soil and consisted of a continuous measurement of horizontal and vertical forces acting on each subsoiler at a constant speed of 1.5 kmph. The rear subsoiler was operated at a constant depth of 600 mm while that of the front subsoiler and the spacing were varied. Further more, at the end of each run the cross-sectional areas of the disturbed soil-profiles were measured at different sections and the total failure profiles constructed by a Matlab-based computer program.

The results showed that the cross-sectional area failed per unit draft force linearly increased with spacing between the subsoilers. The efficiency of the subsoilers in this configuration was maximized when the longitudinal spacing was such that the soil failed by the front subsoiler was allowed to stabilize before the rear subsoiler reached it. The maximum cross-sectional area failed per unit draft force was recorded when the depth of the front subsoiler was equal to about 80% of the operating depth of the rear subsoiler.

The knowledge contributed by this research will not only facilitate qualitative field operations and optimize energy use, but also promote better management decisions.     

青菜头缩短茎滑切刀研制

青菜头机械化收获水平低下是制约青菜头产业发展的重要原因之一。为解决青菜头机械化收获过程中缩短茎切割难度大和农机与农艺融合程度低等问题,该研究提出了一款滑切式青菜头收获机并对其滑切刀作业参数进行分析与试验。首先,基于青菜头收获农艺要求阐述青菜头收获机整机及其切根装置的结构及工作原理,根据受力分析确定滑切刀安装方式。然后,对紫色土壤和滑切刀的接触参数进行标定并基于EDEM建立土壤-滑切刀互作模型,仿真分析不同作业速度、刀具夹角对滑切刀作业阻力的影响。结果表明:1)相同速度下,滑切刀交叉夹角与作业阻力负相关;2)相同滑切刀角度下,滑切刀作业阻力与作业速度正相关。以滑切刀切削阻力为评价指标,作业速度、刀具夹角、切割距离为影响因素进行切割试验并对试验参数进行优化,结果表明:滑切刀作业速度与切削阻力呈正相关,切割距离与切削阻力呈负相关,刀具夹角从60°到120°,切削阻力先减小再增大。影响切削阻力大小的主次因素顺序为作业速度、刀具夹角和切割距离。优化圆整后的滑切刀作业速度为0.1 m/s,刀具夹角65°,切割距离20 mm,3次重复试验得到的切削阻力依次为141.24、156.32和150.65 ...